Самоорганизация материальных систем

5. Самоорганизация материальных систем

___Общая диалектическая идея саморазвития материального мира получала свою эмпирическую и теоретическую конкретизацию постепенно. Причем «сверху вниз»: от высших форм движения материи — к низшим. Сначала тенденцию самопроизвольного нарастания сложности и порядка обнаружили в обществе (просветители, Гегель, Маркс), затем ту же закономерность зафиксировали в живой природе (Ламарк, Дарвин). И только в XX в. ту же способность признали и за всем остальным материальным миром, начиная с элементарных частиц и заканчивая Метагалактикой, или Вселенной в целом.

Универсально ли стремление к равновесию?

___В классической науке и недиалектической философии вплоть до середины XX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию. Ну кто же не знает, что вода всегда течет под уклон, а любая предоставленная самой себе материальная вещь неизбежно разрушается? Теоретический базис под эти «здравомыслящие» соображения подвела классическая термодинамика — наука о взаимопревращениях различных видов энергии. Ею было установлено, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. И легче всего различные виды энергии переходят в самую простую ее форму — тепловую. Теплота же, как известно, может «перетекать» только в одну сторону — от горячего тела к холодному, стремясь к состоянию термодинамического равновесия.
___Знаменитое второе начало термодинамики гласит: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Энтропия — это мера беспорядка системы. Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это — наиболее простое и одновременно наиболее вероятное состояние системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Максимум энтропии означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.
___Но если возрастание энтропии — фундаментальный закон природы, и, следовательно, материальный мир может эволюционировать только к хаосу, то как же наша Вселенная смогла возникнуть и сорганизоваться до ее нынешнего упорядоченного состояния? И если этот закон столь фундаментален, почему же ему не подчиняется живая природа, демонстри-рующая стремление прочь от термодинамического равновесия и хаоса, т.е. непрерывный рост сложности и организованности своих структур (уменьшение энтропии)?
___Частично ответ на эти вопросы заключается в том, что второе начало термодинамики действительно только для закрытых систем, которые не обмениваются веществом или энергией с внешней средой. Но живые организмы — системы открытые, существующие за счет обмена веществ. Поэтому уменьшение в них энтропии (при формировании организма, например) компенсируется ее увеличением во внешней среде.
___Американский физик С. Хоукинг проделал любопытный подсчет. Если мы запомнили каждое слово в книге из двухсот страниц, то наша память записала около двух миллионов единиц информации. Именно на столько единиц увеличился порядок в нашем мозгу (уменьшилась энтропия). Но за время чтения книги мы переработали не менее 1000 ккал упорядоченной энергии в виде пищи в неупорядоченную в виде рассеянного в атмосфере тепла. Эта распыленная тепловая энергия увеличила беспорядок во Вселенной в 1020 раз больше, чем увеличился порядок в нашем мозгу. Таким образом, уменьшение энтропии в маленьком фрагменте материального мира дает существенный ее рост для более широкой системы, и второе начало термодинамики в целом не страдает.
___А как быть со Вселенной в целом? Ей-то где увеличивать беспорядок, чтобы образовать свои разномасштабные структуры? Современная наука полагает, что такой внешней средой для нашей Вселенной является вакуум, нарушение упорядоченных структур которого и привело когда-то к ее возникновению.
___Таким образом был обойден запрет на возрастание порядка для обширного класса систем. Стало ясно, что материальные объекты в принципе способны осуществлять работу против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться. Но объявить эту способность законом, т.е. всеобщей характеристикой материального мира, решилась только синергетика — наука о самоорганизации систем. Это междисциплинарное научное направление, разработка которого началась несколько десятилетий назад (И. Пригожий, Г. Хакен), претендует на роль новой научной парадигмы.

Принципы синергетики

___Один из ее основателей, немецкий исследователь Герман Хакен (р. 1927), пытаясь объяснить широкой публике суть синергетических построений, изложил их так:
Я бы выбрал следующие ключевые положения, раскрывающие сущность синергетики.
1. Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.
2. Эти системы являются нелинейными.
3. При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия.
4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.
5. Системы могут стать нестабильными.
6. Происходят качественные изменения.
7. В этих системах обнаруживаются эмерджентные новые качества.
8.Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.
9. Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими.
10. Во многих случаях возможна математизация.
Говоря в более общем плане, производимые синергетикой мировоззренческие сдвиги можно выразить следующим образом:
• процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равновозможны;
• процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.
___Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе.
___Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации.
___Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:
• они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;
• они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.
___Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики — это определенная идеализация, в реальности такие системы — исключение, а не правило.
___Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:
1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию,
2) выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.
___Описанный процесс сильно напоминает механизм действия диалектического закона перехода количественных изменений в качественные. Однако в синергетических представлениях об этом механизме есть важная отличительная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана, решает случай! Но после того, как «выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда, между прочим, следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем — однозначно спрогнозировать нельзя.
___Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности — хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении им некоторого критического значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты.
___Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики совершенно невероятно. Ведь оно свидетельствует о том, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости как по команде начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в совершенно хаотическом движении. Создается впечатление, что каждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Само слово «синергетика», кстати, как раз и означает «совместное дейст-вие».) Классические статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образовалась бы случайно, что почти невероятно, то она тут же распалась бы. Но она не распадается при поддержании соответствующих условий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникновение таких структур нарастающей сложности — не случайность, а закономерность.
___Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других классах открытых неравновесных систем вроде бы обещает быть успешным: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова — Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур, все это примеры самоорганизации систем самой различной природы.
___Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями:
1) хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность). Порядок и хаос не исключают, а дополняют друг друга: порядок возникает из хаоса;
2) линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а скорее исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции;
3) развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Значит, случайность — не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. А еще это значит, что нынешний путь эволюции системы может быть и.не лучше отвергнутых случайным выбором.
___Такое видение процессов развития сложных систем является крупным научным достижением последней трети XX века. Оно существенно конкретизирует и видоизменяет общедиалектические принципы анализа материального мира. Некоторые философы даже полагают, что «диалектика трансформируется в синергетику» как теорию универсальной эволюции.
___Прививая современному мышлению нелинейность и универсальный эволюционизм, синергетика по-новому освещает и проблему бесконечности и необратимости развития. Создатель неравновесной термодинамики (одного из направлений синергетики) бельгийский физик И. Пригожий считает, что прежняя физика «свела бесконечное к бесконечному повторению одного и того же». В классической динамике, равно как и в динамике квантовой, релятивистской время выступает лишь как внешний параметр, не имеющий выделенного направления. Из классических дисциплин необратимость времени вводила лишь термодинамика (законом возрастания энтропии). То есть фактически стрела времени определялась лишь деградацией материальных структур. Постулируя всеобщность противоположных процессов в открытых неравновесных системах, синергетика, по мнению И. Пригожина, дает физике «новую точку опоры в открытии времени во всех областях физической реальности».