Концепции постнеклассического естествознания

Реферат

«Концепции постнеклассического естествознания»

Возникновение и становление концепций постнеклассического естествознания

Важным аспектом совершенствования методологии познания является всесторонний анализ проблемного поля современной науки. До сегодняшних дней господствующая научная картина мира по существу распадалась на три части (неорганическую, органическую и социальную), в которой процессы самодвижения, самоорганизации имели место, но с точки зрения общего эволюционизма они не были объединены.

Прорыв в понимании того, как инертная материя может приобретать свойства самоорганизации, произошел в последней четверти XX века и, естественно, вызвал взрыв интереса к попыткам построения единой теории самоорганизации материи.

Интерес этот еще более возрос, когда физики и математики ввели в научный оборот и теоретически обосновали кардинальные концепции и понятия теорий самоорганизации материи -- диссипативные структуры (Пригожин), синергетику (Хакен), теорию катастроф (Том, Арнольд), теорию автопоэза или теорию Сантьяго (Матурана, Варела) и др. Многие понятия теорий самоорганизации стали переосмысливаться в новой единой постнеклассической картине мира, в которой магистральная эволюция непротиворечивым образом объединяет и то, как материя движется, и то, как она мыслит.

Абстрактная формулировка идеи всеобщего эволюционизма (от Аристотеля до Пригожина и Моисеева) сменилась на научно оформленную теорию в результате ассимиляции этой идеи физикой (эволюционирующие космогонические модели Вселенной, особо термодинамических процессов), химией (каталитические системы, элементарные каталитические системы А. Руденко), биологией (биогенез, синтетическая теория эволюции, несводимость макроэволюции к микроэволюционным изменениям), социологией (тектология А. Богданова).

Разработка теоретического механизма всеобщего (глобального) эволюционизма осуществлялась после закрепления в естественных науках синергетического подхода (Хакен; Князева; Курдюмов; Моисеев) и идей теории диссипативных структур (Пригожин).

Хотя специфика картины мира допускает многоголосие средств выражения идеи всеобщего развития, но язык диссипативных структур и синергетического (корпоративного) эффекта наиболее адекватно описывает процессы самоорганизации, самосозидания (автопоэза) и самодвижения. Таким образом, в рамках эволюционно-синергетического диссилативно структурного подходов самоорганизация предстает как одна из форм организации материи. При этом определяются, с одной стороны, равновесные формы организации, отличающиеся от самоорганизации, а с другой -- под «крышей» указанных подходов объединяются в особый класс -- нелинейно-динамический, практически все физические, химические ибиологические структуры, которые ранее принципиально не сводились вместе.

Мир полон мифов линейного, классического мышления. Так, вплоть до настоящего времени многих пугал и продолжает путать хаос, ибо хаос представляется сугубо деструктивным началом мира. Случайность всегда тщательно изгонялась из научных теорий. Она считалась со времен классической эпохи науки второстепенным, побочным, не имеющим принципиального значения фактором. Существовало убеждение, что случайности никак не сказываются, забываются, стираются, не оставляют следа в общем течении событий природы, науки, культуры. А мир, в котором мы живем, рассматривался как не зависящий не только от микрофлуктуаций на нижележащих уровнях бытия, но также и не зависящим от малых влияний космоса.

Картина мира, рисуемая классическим разумом (классической наукой) -- это мир жестко причинно-следственных связей, согласно которым результат внешнего управляющего воздействия есть однозначное, линейное, предсказуемое воздействие. Чем больше вкладываешь, например, энергии, тем больше будто бы должна быть и отдача, следствие прямо или линейно пропорционально причине.

Еще один из господствующих по сей день мифов линейного (классического) мышления -- это представление о том, что процессы бурного роста (например, возрастания народонаселения земного шара, рост научного знания, «экономическое чудо») происходят по экспоненциальной зависимости, т. е. предполагался весьма и весьма быстрый рост. На самом деле, большинство процессов лавинообразного роста происходят даже не по экспоненте, а в так называемом режиме с обострением, когда рассматриваемые величины, хотя бы часть времени, изменяются по закону неограниченного возрастания за конечное время.

Выдающийся современный мыслитель Илья Пригожин приложил немало усилий к тому, чтобы включить в парадигму современного научного сознания концепции, известные как «самоорганизация», или «возникновение порядка из хаоса». Самоорганизация -- это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Система называется самоорганизующейся, если она стремится сохранить свои свойства и природу протекающих процессов за счет структурных изменений.

Класс систем, способных к самоорганизации, -- это открытые, нелинейные системы. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, обмена веществом, информацией и энергией с окружающей средой.

Открытость системы -- необходимое, но не достаточное условие для ее самоорганизации: то есть всякая самоорганизующуюся система открыта, но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Все зависит от взаимодействия двух противоположных начал: создающего структуры, наращивающего неоднородности в сплошной среде (работы объемного источника), и рассеивающего (диссипирующего), размывающего неоднородности, т. е. начал самой различной природы. Обсудим некоторые детали и механизмы возникновения сложноорганизованных систем и структур.

Динамика возникновения диссипативных структур

Как уже отмечалось в п. 3.4, 3.5, главах 4-7, для возникновения структур, составленных из тех или иных элементов, необходимо существование достаточно прочных связей между этими элементами. Для образования таких связей необходима возможность диссипации, рассеяния, передачи в окружающую среду энергии связи. Необходима внешняя «окружающая среда» и в ней должна быть какая-то исходная неоднородность, к которой переходит часть энергии извне. Для примера рассмотрим явления во Вселенной.

Первопричина структурирования нашей Вселенной -в ее исходной неоднородности во времени, проявленной в пространственных масштабах. Вселенная расширяется и остывает, энергия рассеивается, энтропия растет, но это расширение ведет к появления потока рассеяния, непрерывного движения и направленного изменения состояния вещества. Этот поток и привел к образованию макроскопических неоднородностей -- структур всех масштабов.

Астрономы наблюдают крупномасштабные пространственные неоднородности во Вселенной, точнее, в Метагалактике: материя сконцентрирована в звездах, звезды -- в галактиках, галактики в скоплениях и сверхскоплениях, и только в масштабах, значительно больших, чем размеры сверхскопления (это сотни мегапарсек или сотни миллионов световых лет), Метагалактика пространственно однородна.

Неоднородность, структурированность отдельных частей Метагалактики связана с их конечностью и открытостью: для каждой такой части можно говорить о внешней среде, с которой происходит обмен энергией и энтропией. Микронеоднородности, флуктуации возникают и исчезают непрерывно, случайным образом, из-за принципиально вероятностной природы микропроцессов и процессов в больших стохастических системах. Для превращения же флуктуаций в макронеоднородности и в сложные, развитые структуры необходим направленный поток энергии и вещества, который изначально и задается рассеянием при расширении.

При возникновении и усложнении структуры происходит локальное (местное) возрастание порядка и, соответственно, уменьшение энтропии данной структуры, тогда как в большем масштабе в системе, включающей также и часть внешней среды, энтропия возрастает. Из того, что нам известно к настоящему времени, следует, что все структуры во Вселенной возникли в результате протекания процессов диссипации первоначально концентрированной тепловой энергии. При этом энтропия Вселенной в целом непрерывно возрастала, каждое местное уменьшение энтропии при возникновении упорядоченных структур с избытком компенсировалось ее увеличением за счет рассеяния энергии (следует отметить, что не существует закона сохранения энтропии, а отмечается всего лишь ее непрерывное возрастание).

Практически все наиболее сложные структуры вокруг нас - это структуры диссипативные, они могут существовать только при наличии непрерывного «сквозного» потока энергии или вещества. Простейший, классический пример диссипативной структуры -- это уже обсуждавшиеся ячейки Бенара -- правильные шестигранные конвективные ячейки, возникающие в плоском слое жидкости, подогреваемой снизу. Внутренняя структура Земли -- также диссипативная структура, порожденная конвективным переносом тепла и подвижных легких компонентов вещества из глубины к поверхности (обсуждалось ранее в связи с проблемой начала жизни и возникновения кислорода в атмосфере Земли). Структура земной поверхности -- результат как внутриземных диссипативных процессов, так и потока солнечной энергии.

Как же возникают структуры на фоне диссипации? Ведь естественные процессы -- это самопроизвольно протекающие процессы, связанные с возрастанием энтропии, а производство энтропии эквивалентно производству беспорядка и связано с разрушением структур?

Противоречия здесь нет. Возникновение диссипативных структур связано с производством избыточной энтропии. При определенных условиях, вдали от равновесия, неравновесная стационарная система становится неустойчивой и естественным образом переходит в новое, более организованное состояние (с меньшей энтропией). Оно обеспечивает, в целом, более эффективное, «избыточное», производство энтропии в претерпевшей изменения системе. Так, например, бенаровская конвекция на несколько порядков более эффективный способ переноса и рассеяния тепла, чем теплопроводность. Такие перестройки происходят на макроскопическом уровне, и механизм их заключается в разрастании некоторых определенных случайно возникающих флуктуаций. Задача описания и объяснения возникновения наблюдаемых структур распадается на две: описание природы и механизма возникновения первичных флуктуаций и описание механизма превращения их в макроскопические структуры.

Наглядными примерами диссипативных структур, кроме ячеек Бенара, вихрей Тейлора в течении Куэйта, являются, например, еще такие природные явления, как циклоны, торнадо (смерчи) в атмосфере, а также некоторые облачные структуры. Все это конвективные структуры, резко увеличивают эффективность диссипации тепловой энергии и, значит, эффективность производства энтропии. Диссипативными структурами в принципе той же природы, хотя и неизмеримо более сложными, являются все живые существа и экологические системы, поддерживающие свое существование путем непрерывного обмена веществом и энергией с внешней средой -- выбросом из себя энтропии, поглощением негэнтропии.

Но не только мир полон диссипативных структур, вокруг нас в изобилии находятся и равновесные структуры, существующие вне потока энтропии, например, кристаллы. Для их существования в настоящий момент не нужно поступления и рассеяния энергии и увеличения энтропии, однако для возникновения таких структур все это было необходимо и все это они прошли в прошлом. Кристаллы растут как динамические структуры в условиях диссипации и за их совершенную организацию заплачено увеличением энтропии в окружающей среде.

Вспомним то, что ранее было написано о роли второго начала термодинамики в эволюции мира. Второе начало утверждает, что в любой изолированной системе самопроизвольно протекают только процессы, ведущие к выравниванию температур и концентраций, рассеиванию и понижению качества энергии. Такие процессы необратимы. В результате должны затухать все процессы и разрушаться все структуры. То, что наш мир структурирован и в нем протекают активные процессы, вступило в противоречие с существовавшей концепцией стационарной Вселенной: существующая вечно Вселенная должна быть «мертвой».

До середины XX века этот парадокс разрешался допущением, что второй закон термодинамики не имеет силы в масштабах всей Вселенной, что существуют не известные нам процессы, не подчиняющиеся этому закону, которые поддерживают стационарность наблюдаемой Вселенной. Сейчас стало ясно, что Вселенная не стационарна, что наша Вселенная имеет начало и конец и противоречия со вторым законом термодинамики нет. Все существующие во Вселенной неоднородности, мезо- и крупномасштабные структуры -- результат ее не стационарности, расширения, и связанное с ними локальное понижение энтропии в отдельных частях мира не вступает в противоречие с общим ее возрастанием. Микронеоднородности постоянно возникают случайным образом, превратиться же в сложные макроструктуры они могут лишь при наличии сквозного потока вещества и энергии, обусловленного диссипацией.

Итак, мир живет в условиях диссипации, за все высокоорганизованные структуры он платит увеличением хаоса и снижением качества энергии и когда-то все это, возможно, закончится. Встает вопрос: а как же все это началось? Как сконцентрировался тот огромный запас энергии высокого качества, который сейчас расходуется?

Сейчас наша Вселенная разрастается, тогда как 13-17 млрд. лет назад вся она была сосредоточена в ничтожно малом объеме (в сингулярности) и находилась в таком состоянии, которое современная наука описывать не умеет. Вселенную, точнее Метагалактику в целом, мы можем рассматривать только как изолированную систему, которая расходует запас энергии «высокого качества» (эта энергия теряет качество, диссипирует), обеспечивая «жизнь» Вселенной. Если взять любой ограниченный объем во Вселенной, он будет представлять собой неизолированную, открытую, систему, которая взаимодействует с окружающей средой. В открытой системе, которая непрерывно обменивается веществом и энергией с окружающей средой, этот обмен может обеспечить локальное (местное) увеличение порядка и усложнение структур, включающих, в частности, области временной концентрации энергии, диссипация которой создает условия для возникновения структур следующего, более высокого порядка. Такие области часто в первом приближении могут рассматриваться как изолированные.

Пример такой ограниченной в пространстве области, которую можно считать изолированной, пренебрегая в первом приближении любыми взаимодействиями с окружающей средой, являет собой наша Солнечная система. В таком приближении эта система является чисто диссипативной, и только диссипация определяет ее эволюцию, которая поэтому достаточно детально проанализирована астрофизиками.

Устойчивость структур и механизм их эволюции

Теперь надо понять, как конкретно происходит новое возникновение (изменение) структур. Можно пытаться понять это, имея в виду термодинамическую теорию диссипативных структур, но гораздо раньше механизм этот начал осмысливаться как механизм эволюции, как механизм закономерного, направленного изменения естественных объектов и систем.

Представление о нашем мире как о мире непрерывно эволюционирующем, становление и развитие которого продолжается и в настоящее время, было впервые научно обосновано Чарльзом Лайелем (1797-1875) в его знаменитом труде «Основы геологии», вышедшем в свет в 1830-1833 гг. Эта работа произвела научную революцию во взглядах его современников на происхождение всего, что окружает нас. В ней было показано, что природа обладает способностью саморазвития, что для этого не требуется не только усилий Творца, но и вообще каких-то внешних исключительных толчков. На основе анализа фактов Лайель пришел к выводу, что «...все изменения, которые произошли в течение геологической истории, происходили постепенно под влиянием факторов, которые действуют и в настоящее время. Следовательно, для объяснения этих изменений совершенно не нужно прибегать к представлениям грандиозных катастроф -- необходимо лишь допустить очень длительный срок существования Земли*.

Эволюционные идеи Лайеля сыграли свою роль и в создании Чарльзом Дарвином его теории происхождения видов, после появления которой учеными стали активно разрабатываться проблемы конкретных механизмов эволюции прежде всего по отношению к органическому миру, а потом к миру в целом. Было замечено, что эволюция жизни идет в сторону усложнения, а сама жизнь есть грандиозное усложнение по сравнению с неживой природой. И именно загадка возникновения жизни, как уже отмечалось ранее, которая противоречит основным законам классической термодинамики, подтолкнула Илью Пригожина на создание им новой неравновесной термодинамики необратимых процессов.

В проблеме эволюции, начиная с Дарвина, основными вопросами были: что является движущей силой эволюции? Как осуществляется переход к новой структуре? Конкретно в отношении биологической эволюции Дарвин предложил в качестве движущей силы случайные изменения и естественный отбор, а в качестве механизма -- постепенное накопление признаков, улучшающих конкурентоспособность. Эти положения Дарвина оспаривались многими учеными, оспариваются и сейчас, но не столько в принципе, сколько в конкретных деталях.

Впоследствии дарвиновский эволюционный подход был распространен и на другие природные объекты: географические ландшафты, геологические структуры, планеты, планетные системы, звезды, галактики и, наконец, Вселенную. При этом он был уточнен и скорректирован в соответствии с последними достижениями науки, особенно с достижениями науки в XX веке.

В отношении общей эволюции нашего мира сейчас можно сказать, что движущей силой является расширение Вселенной и диссипация, а ее механизм не такой гладкий, перманентный, как его предполагал Дарвин. Он, прежде всего, включает резкие скачкообразные преобразования структур. Изменение и, в частности, усложнение структур, происходит не путем непрерывного накопления малых изменений, а путем скачков, связанных с резкой глубокой перестройкой. Это последнее положение, очевидно, следует в значительной степени распространить и на биологические структуры, переформулировав (если это вообще возможно по отношению к данной теории) в этом смысле теорию Дарвина.

Действительно, наш эволюционирующий мир дискретен, корпускулярен: вещество собрано в галактики, звезды, планеты; звезды закономерно эволюционируют, проходя несколько дискретных, четко различимых стадий; на Земле мы видим четко различающиеся типы геоструктур, такие как материки и океаны, горы и равнины; в биологии -- множество (миллионы) отчетливо различающихся видов. Если бы эволюция осуществлялась путем постепенных переходов, из одного состояния в другое, то такой дискретной картины видов мы бы не наблюдали. Все границы мира были бы смазаны, всегда в нем присутствовали бы многочисленные промежуточные формы, но за последние 150 лет они так никем и не обнаружены!

Мы видим дискретность и в вещественной -- пространственной -- структуре Вселенной и каждой ее части, а в протекании любых эволюционных процессов, меняющих эту структуру -- дискретность во времени. Одно (пространство) неразрывно, как впервые показал это Минковский, связано с другим (временем). Четырехмерное многообразие мира Эйнштейна-Минковского требует, чтобы наблюдаемая дискретная пространственная структура создавалась дискретными во времени процессами.

Как осуществляются скачкообразные переходы одной структуры в другую? Каждая диссипативная структура представляет собой динамическую систему, которая сохраняет свою идентичность, стабильность, благодаря непрерывному обмену с окружающей средой и такому характерному свойству, как устойчивость. Устойчивость свойственна как статическим, равновесным структурам, так и динамическим. Смысл понятия устойчивости в нечувствительности структуры к изменению внешних условий (в определенных конечных пределах) и в возможности для данной структуры воспроизводиться при воспроизведении тех же условий.

Все эти условия устойчивости в точности могут быть выполнены только в идеале, в реальности же всегда что-то меняется и никогда не возможно, повторяя опыт, точно воспроизвести все условия. Поэтому практически устойчивость означает отсутствие существенных отклонений, сохранение основных, важных для структуры характеристик при приблизительном воспроизведении условий.

Если бы структуры не обладали устойчивостью, нельзя было бы говорить о них как о структурах вообще, они рассыпались бы под действием постоянно имеющих место флуктуаций -- случайных колебаний внешних условий и параметров внутреннего состояния системы. Устойчивость структуры связана с ее реакцией как системы, на демпфирование (от нем. Dampfen -- глушить), гашение флуктуаций: в устойчивой системе, вслед за флуктуацией, возникают процессы, приводящие к изменениям, противоположным флуктуации, гасящим ее. Например, случайное изменение плотности газа в небольшом объеме приводит к возникновению градиента концентрации молекул на его границе, и диффузия немедленно начинает сглаживать это изменение плотности.

В более сложных системах более сложны и многообразны и процессы, обеспечивающие устойчивость. Сопротивление судна переворачиванию обусловлено формой его корпуса и закономерностью распределения груза, благодаря чему при крене возникает возвращающий в вертикальное положение момент. Поднятие гор активизирует процессы их разрушения, а прогибание впадин -- процессы их заполнения осадками. Поэтому Земля устойчиво сохраняет очень близкую к идеально шарообразной форму. Особенно сложен комплекс процессов, способствующих стабильности внутренней среды живого организма при очень сильно меняющихся внешних условиях. Например, температура тела теплокровного животного сохраняется с точностью до 0,1 градуса при изменении температуры внешней среды на величину во много десятков градусов.

Природные диссипативные структуры (стихии)

Очень эффектные диссипативные структуры постоянно возникают у всех на глазах и часто являются «катастрофами» не только по механизму своего образования, который описывается теорией катастроф, но и в обычном смысле по своему воздействию на жизнь человека. Это, прежде всего, различные атмосферные явления, а также извержения вулканов и землетрясения.

Облака -- наверное, самые разнообразные и красивые образования, имеющие отчетливую и наглядную диссипативную структуру (а, кроме того, они еще и фрактальные по своей геометрической природе, о чем будет сказано в следующем параграфе). Это динамические образования, существующие лишь при условии непрерывного переноса влаги потоками воздуха. Облака очень упорядоченные структуры, и существует не так много стандартных типов облачности, связанных с совершенно определенными динамическими процессами в атмосфере (хотя мелкие детали формы облаков очень разнообразны и поэтому до сих пор не удалось автоматизировать наблюдения за облаками).

Тропический циклон (от греч. kyklon -- кружащийся), он же тайфун (китайское название), он же ураган (классификация по шкале Бофорта) -- это сложнейшая вихревая структура, обеспечивающая скачкообразное усиление рассеяния энергии, накопленной в нагретой воде некоторого участка океана. Нагреваемая Солнцем вода океана длительное время спокойно отдает свое тепло и влагу атмосфере, там возникают конвекционные потоки, появляются облака, выпадают дожди, часть тепла в виде длинноволнового излучения уходит в космос. В открытое пространство. Но вдруг, по достижении потоком тепла, отдаваемого океаном, определенной интенсивности на участке поверхности достаточно большой площади, характер теплоотдачи резко меняется -- возникает тропический циклон. Огромная скорость ветра и волнение моря приводят к увеличению теплоотдачи с его поверхности в десятки раз. Основное количество тепла отнимается у воды путем испарения. Когда влага конденсируется в облаках, она отдает скрытую теплоту парообразования атмосфере -- это очень эффективный механизм теплопередачи. Часть тепла преобразуется в энергию ветра, который усиливает теплоотдачу. Раз начавшись, благодаря такой положительной обратной связи, циклон очень быстро набирает максимальную интенсивность -- происходит скачок системы в новое состояние с определенным образом упорядоченной вихревой структурой. А по существу, это такая же перестройка, усложнение структуры, способствующее усилению диссипации, как возникновение правильных конвективных ячеек в подогреваемой снизу жидкости (бинаровская конвекция).

Циклон (тайфун, ураган) -- структура устойчивая: раз возникнув, он сохраняется и при довольно значительном изменении условий, перемещаясь по поверхности океана на большие расстояния туда, где он никогда бы не мог возникнуть, и даже выходит на сушу. Здесь работает принцип максимального промедления.

Явление Эль-Ниньо -- перегрев больших масс воды в восточной экваториальной зоне Тихого океана, ослабление пассатов, оттеснение к югу холодного Перуанского течения -- это опять перестройка структуры атмосферной циркуляции, только еще большего масштаба, чем восточноазиатский тихоокеанский тайфун.

Наконец, еще более крупные перестройки -- глобальные оледенения, ледниковые периоды. Это тоже скачки из одного устойчивого состояния в другое. Оледенение, раз возникнув, способно поддерживать само себя: лед и снег обладают большой отражательной способностью и сильно уменьшают поглощение поверхностью Земли солнечного тепла. Охлаждающее действие постоянных ледников продлевает продолжительность снежного покрова там, где он не постоянный. Лес заменяется тундрой, которая также поглощает тепла меньше, а отражает больше. Таким образом, раз начавшись после преодоления какой-то критической грани, процесс оледенения способен поддерживать сам себя длительное время -- опять мы имеем дело с положительной обратной связью и принципом максимального промедления. Но переход от межледникового к ледниковому и обратно происходит очень резко, катастрофически.

Возникновение и жизнь вулканов -- это процесс, в известном смысле, аналогичный процессу возникновения и жизни ураганов. Здесь также возникают устойчивые диссипативные конвективные структуры, резко интенсифицирующие рассеяние внутрипланетной тепловой энергии. Вулканы (вулканические центры), так же как и ураганы, зарождаются в определенных тектонически активных районах при определенных условиях и также через какое-то время прекращают свою активность. Значительно большее время жизни вулканического центра, по сравнению с временем жизни урагана, связано с значительно большими характерными временами процессов тепло- и массопереноса в недрах Земли по сравнению с атмосферой.

Аналогичную картину можно увидеть и в экономике. Два листа поверхности равновесия (сборки) могут описывать, например, состояния, соответствующие низкому уровню производства в сочетании с низким уровнем потребления и высокому уровню производства с высоким уровнем потребления. Эти состояния отчетливо видны: мир разделен на две хорошо различающиеся системы или группы -- на группу промышленно развитых и группу отсталых (довольно лицемерно называемых «развивающимися») стран. Пропасть между этими группами стран продолжает углубляться, а промежуточные устойчивые состояния отсутствуют. Перейти из бедной в богатую группу можно только скачком. Здесь также присутствует положительная обратная связь: снижение потребления сужает рынок, заставляет снижать производство, порождая безработицу и тем самым дальше снижая потребление. Бедность приводит к снижению уровня образования, квалификации и технологии, что еще больше усиливает эту бедность. Расщепляющим параметром здесь может служить степень диверсификации и монополизации производства: при натуральном хозяйстве кризисы исключены (как скачки вниз, так и скачки вверх), они возможны только, когда есть общественное разделение труда и глубина их тем больше, чем сильнее такое разделение и чем монополизиро-ваннее отдельные отрасли. С нормальным параметром здесь сложнее -- экономическая наука, во всех ее существующих ипостасях, пока не в состоянии учесть, при формализации задачи, факторы индивидуальной и массовой психологии, идеологии и политики. Простой сборкой здесь не обойтись, но на некоторую (вот только непонятно на какую конктретно) комбинацию сборок в соответствии с общей теорией катастроф, очевидно, можно разложить и экономику, и социологию и многие другие гуманитарные науки.

Фракталы, сети и сетевые структуры природы и общества

На оснований всех этих примеров и глядя вокруг себя мы убеждаемся, что эволюция происходит не гладко. Эта негладкость связана с образованием и преобразованием структур. Причем характерно, что малый толчок, не очень значительное изменение лишь одного или немногих параметров часто приводит к фундаментальнейшей перестройке структуры, иногда к очень сильному ее усложнению. Думается, что именно с не учетом этой особенности поведения динамических систем связаны отмечаемые многими учеными противоречия классической дарвиновской теории эволюции живого мира.

Программа строения и всей жизни существа записана в его геноме, при помощи последовательности четырех нуклеотидов -- аденина, гуанина, тимина и цитозина. Алфавит наследственности состоит всего из четырех букв и текст ее написан трехбуквенными словами, которые в молекуле ДНК образуют цепочку более чем двухметровой длины, сложным образом многократно свернутую спиралью. На отдельных участках этой огромной записи закодированы все белки, из которых строится организм, вся программа последовательного построения этих белков, их сочетания в более сложные структуры и совместного функционирования. Как такую грандиозную программу можно было создать путем случайных мутаций и отбора? И как поместить ее в таком ограниченном объеме?

Исчерпывающего ответа пока нет, но некоторые соображения имеются. Очевидно у природы есть некие заложенные в нее сущности, встроенные программы создания программ, общие алгоритмы, один из которых, очевидно, так называемые фрактальные структуры. При помощи фракталов очень сложную структуру можно «записать» в виде относительно короткой и простой программы. Вероятно, что-то подобное и имеет место при построении и эволюции биологических объектов.

Целостное, возникающее сейчас вновь, холистское, мировоззрение, холизм, в аспекте постнеклассической парадигмы, является прямым наследником мифологии (с ее антропоморфизмом) и античной натурфилософии (с ее космоцентризмом) и философии Средневековой алхимии. Существует почти прямая связь античной неисчерпаемости гомеомерий Анаксагора и идей Парменида и Зенона Элейского, с современной концепцией фрактальности и фрактальных множеств. Развиваемое с 1875 года понятие фрактальности в работах Фату, Жюлиа, Пуанкаре, Хаусдорфа, Безиковича, приобрело современный смысл в монографии 1977 года Бенуа Мандельброта «The Fractal Geometry of Nature». Как и философские точки зрения Анаксагора и Парменида -- Зенона претендовали на всеобщую целостность и единство мира, так и фрактальность претендует на всеобщность, единство и целостность любых возможных систем -- естественных и гуманитарных.

Сам Мандельброт так определил фрактал (от лат. fractus -- состоящий из фрагментов): «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому» или еще его же другое определение: «Фрактал -- самоподобная структура, чье изображение не зависит от масштаба». Здесь отмечено одно важное свойство фракталов -- самоподобие, или скейлинг, но остаются не раскрытыми многие другие свойства. Какие? Во-первых, непрерывное увеличение разрешающей способности наблюдения (приближение к структуре) позволяет обнаруживать «деталь за деталью», а не одну какую-нибудь точку, во-вторых, структуры имеют крайне запутанное, нерегулярное строение, не поддающееся классическому описанию, в-третьих, вблизи каждой детали строения есть бесконечное число других, разделенных промежутками разной длины, так что фрактал дыряв на всех масштабах рассмотрения, поэтому-то, в-четвертых, фрактальная размерность дырявой субстанции обычно дробное число, в-пятых, математически фрактал характеризуется как вырождено непрерывное, всюду не дифференцируемое множество. Все отмеченные свойства могут либо частично, либо полностью принадлежать одному фрактальному множеству, но целостность фрактала проявляется в том, что какая-либо одна и та же форма встречается в структуре среды в разных его местах и имеет разные размеры. Поэтому, в физике, например, отпадает необходимость в усреднении, т. е. в стирании мелких деталей, так как во фрактальном описании учитывается самоаффинная (инвариантно неизменная, самоподобная) структура среды. В заключение отметим, что фрактальность или ее отсутствие в мире структур, вовсе не научная или философская панацея от всех проблем, ибо, как сказал английский биолог Джон Холдейямл., «мир устроен не только причудливей, чем мы думаем, но и причудливей, чем мы можем предполагать».

Фундаментальные концепции постнеклассического естествознания

Сформулируем основные, фундаментальные понятия постнеклассической или эволюционно-диссипативной парадигмы, развивающейся парадигмы современного естествознания. Известно, что материальное единство мира находит свое отражение и в исследованиях взаимосвязи целого и его частей. Постнеклассицизм описывает процессы, в которых целое обладает такими свойствами, которых нет у его частей, проявляется так называемое свойство эмерджентности. Новая парадигма ставит задачу отыскать единую основу организации мира, как для простейших, так и для сложных его структур.

До настоящего времени в естествознании преобладающим был подход, согласно которому часть всегда рассматривалась как более простое, чем целое. В постнеклассицизме делается попытка описать развитие мира в соответствии с его внутренними законами развития (дао, согласно воззрениям Лаоцзы) и при этом на основании результатов всего комплекса естественных наук. Одним из наиболее фундаментальных понятий постнеклассицизма является понятие нелинейности.

Основным вопросом, который постнеклассицизм обсуждает в своих задачах, является вопрос о том, как возникает порядок из беспорядка, как в однородной, в среднем неравновесной среде, появляются вполне определенные структуры.

Основой постнеклассики служит единство явлений, моделей и методов, с которыми приходится сталкиваться при исследовании процессов «возникновение порядка из беспорядка» в химии (реакция Белоусова-Жаботинского), космологии (спиральные галактики, крупномасштабная структура Метагалактики), экологии (организация сообществ) и т. д. Примером самоорганизации в гидродинамике служит образование в подогреваемой жидкости (начиная с некоторых градиентов температуры) шестиугольных «медовых» ячеек Бенара или возникновения тороидальных вихрей (вихрей Тейлора) между вращающимися цилиндрами.

Постнеклассическая парадигма наделена необычными идеями и представлениями.

Во-первых, становится очевидным, что сложноорганизованным системам нельзя навязывать пути их развития. Скорее необходимо понять, как способствовать их собственным тенденциям развития, как выводить системы на эти пути.

Во-вторых, она демонстрирует нам, каким образом и почему хаос может выступать в качестве созидающего начала, конструктивного механизма эволюции, как из хаоса собственными силами может развиться новая организация, возникать новая структура.

В-третьих, новая парадигма свидетельствует о том, что для сложных систем, как правило, существует несколько альтернативных путей развития. Несмотря на то, что путей эволюции много, но с выбором конкретного дальнейшего пути развития в точке ветвления (точке бифуркации), выбора возникающего при достижении определенных стадий эволюции, она проявляет себе как некая предопределенность, предзаданность, преддетерминированность развертывания процесса. Настоящее состояние системы определяется не только ее прошлым, но и строится, формируется из будущего (!), в соответствии с грядущим порядком.

В-четвертых, постнеклассика открывает новые принципы суперпозиции, сборки сложного эволюционного целого из частей, построение сложных развивающихся структур из структур простых. Но объединение простых структур не сводится к их простому сложению: имеет место перекрытие областей локализации структур с дефектом энергии. Целое уже не равно сумме частей -- проявляется то, что принято называть эмерджентностью. Вообще говоря, оно не больше и не меньше суммы частей, оно качественное иное. Появляется и новый принцип временного согласования частей (сосуществование структур разного возраста в одном темпоритме (времени)).

В-пятых, она дает знание о том, как надлежащим образом оперировать со сложными системами и как эффективно управлять ими. Оказывается, главное -- не сила, а правильная топологическая конфигурация, архитектура воздействия на сложную систему (среду).

В-шестых, постнеклассика раскрывает закономерности и условия протекания быстрых, лавинообразных процессов и процессов нелинейного, самостимулирующего роста. Важно понять и знать, как можно инициировать такого рода процессы в открытых нелинейных средах, например, в среде экономической, социальной, в любой иной, и какие существуют требования, позволяющие избежать вероятностного распада сложных структур вблизи моментов максимального развития.

Модели постнеклассицизма -- это модели нелинейных неравновесных систем, подвергающихся действию флуктуации. В момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно несколько устойчивых состояний, то флуктуации отбирают лишь одну из них. При анализе сложных систем, например в биологии или экологии, синергетика исследует простейшие основные модели, позволяющие понять и выделить наиболее существенные механизмы «организации порядка» (избирательную неустойчивость, вероятностный отбор, конкуренцию или синхронизацию подсистем и другие).

Большинство изучаемых природных и гуманитарных систем -- физических, биологических, химических, экологических и т. д. -- как ранее отмечалось, диссипативные, т. е. поглощающие и растрачивающие (рассеивающие) энергию. Общность нелинейных процессов в открытых диссипативных системах, которая и стала основой постнеклассицизма, приводит к тому, что появляется возможность описывать явление из самых разных областей с помощью близких математических моделей.

Подытоживая проведенный краткий анализ фундаментальных основ нового видения мира, мира синергетического, диссипативно-структурированного, можно привести те ключевые положения, раскрывающие их сущность, которые указал Герман Хакен, родоначальник этого научного направления, в интервью по случаю 30-летия синергетики (в 1999 году):

Исследуемые системы состоят из нескольких или многих, одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.

Эти системы являются нелинейными.

При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия.

Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.

Системы могут стать нестабильными.

Происходят качественные изменения.

В этих системах обнаруживаются эмерджентные (внезапно возникающие) новые качества.

Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.

Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими.

Во многих случаях возможна математизация.

С нашей точки зрения, среди основных положений синергетики должно быть место для пространственно-временной необратимости, признака как живой, так и неживой природы, необратимости, которой нет в классических науках.

Синергодиссипативное познание имеет новый образ, новую парадигму, которую несет в себе современная наука, вступившая в принципиально новый «постнеклассический», «бифуркационный» (называют и так) этап своего развития. Пока сам термин «постнеклассическое познание» носит условный смысл, так как все еще происходит становление науки с не принятым еще конкретным названием. В синергетике Хакена, равно как в теории диссипативных структур Пригожина, в теории катастроф Тома-Арнольда, как новых междисциплинарных (и даже трансдисциплинарных) научных направлениях, сфокусированы главные, ключевые особенности парадигмы постнеклассической науки, обусловленные, прежде всего, присущей ей нелинейным стилем мышления, плюрализмом, неоднозначностью теоретических представлений и формулировок, наконец, -- новым пониманием роли хаоса в мироздании, как его необходимого конструктивного начала, необходимого созидательного момента общей картины становящейся, самоорганизующейся реальности. Необходимо усвоить не только нелинейное мышление, но главное -- в контексте поснеклассического познания понять, что «порядок и беспорядок представляются не как противоположности, а как-то, что неотделимо друг от друга» (И. Пригожин).

Мир синергетики, катастроф и диссипативных структур -- это мир, в котором жизнь и человек существуют не случайно, и в котором антропный принцип (см. главу 7) выступает в качестве фактически центрального интегрального принципа самоорганизации.

Жизнь и человек не случайны потому, что в этом мире есть место хаосу -- этому универсальному «клею» эволюции, хаосу -- особому чувствительному состоянию системы к самым слабым флуктуациям. Открытие хаоса в современном научном естествознании -- это открытие временного горизонта принципиальной непредсказуемости многих будущих событий.

Получает новое видение, новый смысл антропный принцип, суть которого американские физики Барроу и Типлер сформулировали примерно так: эволюционирующая, становящаяся Вселенная -- это самонаблюдающая, самоизмеряющая, самовычисляющая Вселенная, в которой существует внешний, находящийся вне времени и пространства наблюдатель -- законодатель для всех происходящих в нашем мире событий.

Однако наше осознание занять в постнеклассических исследованиях атемпоральную (вневременную) точку зрения только еще начинает возникать, нам сильно мешает не только ньютоново картезианская и лапласово детерминистская классическая парадигмы, но и весь научный язык, и многое другое, связанное с особенностями развития западной культуры, западной цивилизации, порожденной древнегреческой натурфилософией и естествознанием. Проблемы науки оказывается в самом человеке, в сопряженности его внешнего и внутреннего опыта, в его месте и роли в сложноорганизованном природном мире.

Это позволяет говорить о постнеклассике нескольких уровней. Постнеклассика первого уровня -- это наука наблюдаемых систем, постнеклассика второго уровня -- это наука наблюдающих систем, находящихся в отношении дополнительности (по Бору) друг к другу. Возникающий диалог между ними, через посредство ряда основополагающих принципов, ведет к концепции общего постнеклассического гиперпространства становящегося бытия и его познания. Осмысление (или точнее -- освоение) этого гиперпространства с необходимостью ведет к постнеклассике третьего уровня -- постнеклассике человека, со своим внутренним языковым пространством исследовательского поиска подлинно личностных и эволюционных оснований человеческого бытия.

Подытожим общее знание о космосе, жизни и природе: все существующие научные данные и обобщения говорят нам, что наш мир -- это мир направленно эволюционирующий. Направление эволюции задано процессом рассеяния первоначально чрезвычайно сконцентрированной энергии. В процессе этого рассеяния в результате гравитационных и гидродинамических неустойчивостей возникают разнообразные структуры возрастающей сложности. Эти структуры представляют собой диссипативные динамические системы, устойчивость которых поддерживается тем же потоком рассеяния энергии. Теоретические прогнозы говорят, что такой процесс усложнения должен будет смениться упрощением, когда поток рассеяния станет недостаточным для поддержания всей сложной иерархии диссипативных структур. Однако сейчас локальное усложнение структур в отдельных частях Вселенной -- это основной, определяющий эволюцию процесс. И таким он останется еще многие миллиарды, а возможно, и десятки миллиардов лет.

Можно отметить такую закономерность: возникающие по мере эволюции Вселенной более сложные структуры все более локальны, занимают меньший объем и связаны со все меньшими потоками энергии. Системы звезд, галактик и их скоплений включают в себя все вещество Вселенной и связаны с потоком рассеяния энергии Большого взрыва; звезды и планетные системы связаны с потоком энергии, рассеиваемой звездой; сложная структура планет «земной группы» возникает лишь в планетах, составляющих по массе намного меньше одного процента от массы всех звезд и планет и связана с потоком энергии, рассеиваемой планетой; наконец, жизнь покрывает тонкой пленкой лишь поверхность некоторых, а, может быть, всего одной планеты земной группы и обеспечивается энергией медленных химических реакций, преобразующих часть попадающей на планету энергии излучения центральной звезды -- Солнца.

Существующие структуры образуют иерархию по масштабам и сложности и обладают устойчивостью в определенном диапазоне условий существования, которые непрерывно меняются. При достаточно сильном изменении условий эта устойчивость нарушается и возникают новые типы структур. Механизм возникновения новых структур можно назвать диссипативным, а можно и бифуркационным. В этот процесс включается элемент случайности. В точке бифуркации потерявшая устойчивость структура может перейти в одно из нескольких одинаково вероятных состояний, где снова возникает устойчивость и этап детерминированной эволюции. Выбор системой дальнейшего пути в точке бифуркации определяется случаем.

Такой бифуркационной перестройкой стало на Земле возникновение жизни и образование биосферы. Надо подчеркнуть, что биосфера должна была возникнуть сразу как целое, как сбалансированная система, обеспечивающая свою устойчивость благодаря замкнутым циклам преобразования вещества, и можно предполагать, что для Природы реализовавшийся у нас вариант в то далекое время был не единственным возможным. Усложнение структур -- процесс закономерный, но то что возникла именно жизнь, такая какой мы ее видим, определил случай.

Биологическая система -- биосфера -- в процессе своей эволюции попадала на точки бифуркации меньшего ранга не раз. Наиболее фундаментальных этапов перестройки биосферы можно выделить два. Первый имел место примерно два миллиарда лет назад, когда появилась кислородная атмосфера и аэробная жизнь. При этом изменились не только потенциальные возможности жизни и темп ее эволюции, но и вся географическая оболочка и геологическая среда верхней части земной коры.

Второй такой же по значимости (а может быть, и более значимый, равнозначный появлению жизни) этап неустойчивости мы переживаем сейчас. Он связан с появлением человека, обладающего разумом. Человек принципиально изменил характер эволюции биосферы -- он начал превращать ее в ноосферу. Этот термин придумали французы Леруа и Тейяр де Шарден в начале XX века, но современный смысл ему придал великий русский ученый В. И. Вернадский. В ноосфере фактором, определяющим развитие структуры, становится разум. Он меняет коренным образом структуру географической оболочки и темпы эволюции. Сейчас мы стоим на точке бифуркации -- состояние биосферы неустойчиво, человек ломает, преобразовывает сбалансированные структуры и каково будет новое устойчивое состояние -- возникнет ли стабильная ноосфера, как она будет выглядеть будет ли это искусственная техносфера, или что-то другое, или разум уничтожит сам себя и развитие биосферы пойдет совсем иным путем -- пока можно строить только предположения. Ясно одно: никакая простая экстраполяция тенденций предшествовавшего развития не поможет нам сделать прогноз и разработать стратегию выживания. Ноосферу будет создавать разум, и только изучение самых общих законов мироздания и познание самого себя может ему в этом помочь.

В заключение параграфа укажем ключевые слова текущего постнеклассического (эволюционно-диссипативного или бифуркационного) этапа науки: диссипативные структуры, синергетика, жизнь, автопоэз, космогенез, глобальный эволюционизм, антропный принцип.

Список литературы:

Галимов Э. М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. -- М., 2001. -- 256 с.

Горохов В. Г. Концепции современного естествознания. -- М., 2003. -- 412 с.

Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -- М., 1994.

Крюков Р. В. Концепции современного естествознания (конспект лекций). -- М., 2005. -- 176 с.

Степин В. С., Горохов В. Г., Розов М. А. Философия науки и техники. -- М., 1995. -- 384 с.