Основные положения синергетики

В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние -- это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития.

Понятия “простой” и “сложный” всегда относительны, их смысл выявляется только при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, протон сложен относительно кварков, но прост относительно атома водорода; атом сложен относительно протона и электрона, но прост относительно молекулы и т.д. При этом мы видим, что сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Таким образом, «природу можно представить как цепочку нарастающих по сложности элементов».

Процессы объединения “простых” элементов с образованием “сложных” систем протекают лишь при выполнении определенных условий. Например, если температура (энергия) окружающей среды превышает энергию связи двух частиц, то они не смогут удерживаться вместе. При снижении температуры до значений, при которых энергия среды и энергия связи частиц окажутся равными, наступает критический момент, и дальнейшее снижение температуры делает возможным процесс фиксирования частиц (например, протона и электрона) в атоме водорода. Намного сложнее обстоит дело при соединении атомов в молекулы. Здесь также существуют пороговые значения параметров (температуры, плотности), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен. Затем идут новые уровни сложности и упорядоченности вещества. Наиболее высокий уровень упорядоченности, известный науке, демонстрирует феномен жизни и порождаемый им разум. Долгое время считалось, что феномен жизни противоречит господствовавшим физическим представлениям о стремлении материи к хаосу. Жизнь представлялась упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не талька на тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Эта проблема впервые была четко сформулирована в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера “Что такое жизнь?”. Анализ, проделанный им, показывал, что феномен жизни разрушает постулат о единственной тенденции развития вещества -- от случайно возникшей упорядоченности к неупорядоченности, рожденный классической термодинамикой. Живые системы оказались способны поддерживать упорядоченность вопреки “естественной” тенденции.

После выхода книги Шредингера создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция -- неизбежно разрушать любую упорядоченность, возникшую в результате случайных отклонений от равновесия. И лишь сравнительно недавно стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Нужны лишь подходящие условия для ее проявления.

Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и пространстве.

Разработка теории самоорганизации началась буквально в последние десятилетия, причем по нескольким, сходящимся направлениям. Это синергетика (Г. Хакен), термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожий), теория катастроф (Р. Том).

Синергетика (это понятие означает кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы) по определению ее создателя Г. Хакена занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем саман различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди… Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

В синергетике возникновение упорядоченных сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно эти системы состоят из большого числа подсистем. При изменении определенных условий, которые называются управляющими параметрами, в системе образуются качественно новые структуры. Эти системы обладают способностью переходить из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний.

Этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии или вещества уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т.д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Концепция неравновесной термодинамики И. Пригожина имеет несколько иной аспект. Ее основоположник И. Пригожин отметил, что в теоретической химии и физике возникло новое направление, находящееся в самом начале своего развития, в нем важнейшую роль будут играть термодинамические концепции. Задачей новой науки является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка. В 1977 г. за работу по неравновесной термодинамике химических процессов Пригожин удостоен Нобелевской премии. Эти работы, поначалу показавшиеся только специальными, в дальнейшем получили весьма широкую интерпретацию общенаучного и философского характера. В 1985 г. на русском языке издана книга “От существующего к возникающему”, в 1986 г. вышла в свет написанная им совместно с его сотрудницей И. Стенгерс книга “Порядок из хаоса”. В 1989 г. журнал “Вопросы философии” опубликовал статью И. Пригожина “Переоткрытие времени”, а в 1991-м -- статью “Философия нестабильности”.

У Пригожина, как отмечают его критики и последователи, парадигма (основополагающая идея) классической науки сменяется принципиально новой парадигмой самоорганизации. Это означает, в частности, что направление времени, а также направление эволюции любой системы не предзадано извне. Оно творится постоянно на уровне элементарных физико-химических Процессов. Саморазвитие, согласно Пригожину, -- это постоянно осуществляемый “выбор на молекулярном уровне”, где господствует случайность, неустойчивость. Таким образом, преодолевается противоречие между концепциями классической физики с ее признанием принципиальной обратимости процессов и фактом геологической, биологической и социально-исторической необратимой эволюции.

И.Р. Пригожин пишет, что в настоящее время мы переживаем глубокие изменения в научной концепции природы и в структуре человеческого общества. Эти изменения породили потребность в новых отношениях между человеком и природой так же, как и между человеком и человеком. Старое априорное различие между научными и этическими ценностями более неприемлемо. Человеческое общество это очень сложная система, способная претерпевать множество бифуркаций, т.е. взрывных изменений, дающих новые, непредсказуемые направления эволюции, что подтверждается множеством культур, сложившихся на протяжении сравнительно короткого периода в истории человечества. Мы знаем, пишет Пригожий, что столь сложные системы обладают высокой чувствительностью по отношению к флуктуациям, т.е. отклонениям от средних, равновесных состояний (экологические и цивилизационные кризисы). Это вселяет в нас одновременно и надежду и тревогу: надежду на то, что даже малые флуктуации могут усиливаться и изменять всю их структуру (это означает, в частности, что индивидуальная активность вовсе не обречена на бессмысленность); тревогу потому, что наш мир, по-видимому, навсегда лишился гарантий стабильных, непреходящих законов.

С легкой руки Ильи Пригожина был отвергнут однолинейный плоский детерминизм лапласовского типа, было дано новое понимание взаимодействия “порядка” к “хаоса”, показано, что нет мира однозначного причинения, а есть многозначная ветвящаяся древовидная крона возможных ходов движения космоса, биосферы и истории.

Известно, что фундаментальным понятием синергетического мировидения является “нелинейность”. Смысл этого пришедшего из математики понятия состоит в отрицании однозначных решений и признаний вероятностного развития тех или иных систем, в том числе социальных, осуществления разных, даже противоположных версий грядущего. Развитие через неустойчивость, “вспышки” в критических точках (точках бифуркации), обострение ситуации все это вошло в арсенал постнеклассической парадигмы науки.

2. Сложные системы в химии. Неравновесные системы