Негэнтропийный вектор "устойчивого развития"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Негэнтропийный вектор "устойчивого развития"

Доктор технических наук, профессор В.В. БУШУЕВ

(журнал «Энергия: экономика, техника, экология», №5, 1999, стр. 55-58)

Возникнув несколько млрд. лет назад из газового облака, Земля стала не просто уплотняться (концентрировать массу), но и структурироваться - появились вода и минералы, реки и горы, растения и животные, человек и ноосфера.

Процесс структурирования есть объективный процесс динамического перехода "от простого - к сложному" по пути повышения степени организованности большой системы, какой является и вся наша планета и населяющее ее человечество.

Разумеется, структурируется не только вещество, обладающее массой, но и любое материальное (в широком смысле этого слова) образование, в том числе энергия и информация.

Любая сложная система имеет, как минимум, три среза (страты) своего описания: морфологическое, функциональное и информационное, причем "в наибольшей степени морфологические свойства связаны с распределением вещества, функциональные - с преобразованием энергии, а информационные - с организацией" Дружинин В.В., Конторов Д.С. Проблемы системологии. М.:Сов. Радио, 1976..

Каждая из этих страт не существует сама по себе, они являются лишь разными гранями (разными представлениями) единой материальной системы, находящейся в непрерывном взаимодействии с окружающей средой. В процессе этого взаимодействия система реализует свой "жизненный цикл", причем разные страты трансформируются зависимо друг от друга.

Перераспределение вещества в системе связано с энергетическими потоками, а преобразование энергии сопровождается преобразованиями информации.

Известная формула

Е = mс²

имеет простой физический смысл: любое изменение массы физического тела (m) сопровождается изменением его энергетического уровня на величину Е (и наоборот). Аналогично можно сказать: любое изменение энергии системы (Е) меняет уровень ее негэнтропии, или организованности, (Э), т.е. предполагается наличие связи

(1)

энергия система негэнтропия информация

Если коэффициент связи "с" (скорость света) отражает скорость фотона как волнового эквивалента овеществленной частицы, то, по-видимому, коэффициент "b" будет характеризовать некую связь между изменением энтропии (уровня организации системы) и соответствующим изменением ее энергетического уровня.

Известное в термодинамике выражение

где к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, а - Q = Е есть величина диссипирующей энергии, переходящей в тепло и повышающей энтропию (уменьшающей негэнтропию) системы, является лишь частным случаем более общей зависимости между энергией и негэнтропией, характеризующей уровень организации системы,

где, в свою очередь, р - распределение вероятности разрешенных в объеме V структурно-энергетических состояний системы, в которых могут находиться ее элементы.

Другой формой проявления этой зависимости является процесс активного измерения (снятия энтропийной неопределенности), сопровождающийся внесением в объект некоторой порции энергии Поплавский Р.П. Термодинамика информационных процессов. М.. - Наука, 1981..

Энергия берется из внешней среды не только для придания системе импульса движения, но и для наполнения ее энергетического потенциала в виде запасенной энергии, в частности, потенциальной, характеризующей структурную организованность системы. Энергия структуры есть негэнтропийная характеристика системы. Она эквивалентна той работе (физической либо интеллектуальной), которую может совершить система без подпитки извне за счет запасенного потенциала.

Более высокоорганизованная система обладает большим энергетическим потенциалом. Так, кристаллический алмаз более энергоактивен, чем такое же по массе количество углеродистой сажи. Энергия зеленого листа есть запасенная энергия солнечного света, сконцентрированная в самой структуре листа, являющейся как бы отражением его функционального предназначения. Высокоорганизованный субъект обладает более высокими способностями и производит гораздо больше полезной работы, чем хаотично действующий человек.

Энергия сообщества выше суммы энергетических возможностей его отдельных членов (i = 1,…,n) на величину E_s, характеризующую эффект организованной системы

3

Этот системный эффект определяется запасенной структурной энергией, которая пропорциональна негэнтропии системы (АЭ), характеризующей ее структурную организацию (S ДЭ).

В информатике величину структурной негэнтропии (а, следовательно, и величину запасенной структурной энергии) отождествляют с понятием тезауруса системы. Тезаурус (S) есть сумма накопленных системой знаний о себе самой и о внешней среде, с которой она взаимодействует, т.е. тезаурус есть самоотображение системы и определяет степень организованности вещества и энергии, стабильность и способность реагировать на внешние воздействия.

Если в формуле (2) р = 0, т.е. все элементы системы находятся в хаотическом состоянии, ее структура отсутствует, S = 0, Э = 0 и E_s = 0.

Если р = 1, т.е. поведение системы жестко детерминировано, ее отклик на входной сигнал однозначен. Такая "застывшая" система не обладает никакой структурной энергией, которая может быть использована как характеристика адаптационных возможностей системы и ее естественного развития. Одним из наиболее важных для живучести "большой" системы адаптационных свойств является способность к размножению, которое можно трактовать как переход в некоторое новое структурное образование.

В процессе своего развития негэнтропия системы (ее структурная организованность - тезаурус S) возрастает с 0 (при р = 0) до некоего максимума, а затем вновь спадает, но более полого, до нуля (при р = 1). В период максимума негэнтропии (максимальный тезаурус) система становится предрасположенной к своему воспроизводству, когда запасенной энергии и информации достаточно для обеспечения жизнеспособности и основного организма и для начала жизни нового образования, отражающего в себе основные структурные черты "родителя" (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Изменение тезауруса системы за несколько поколений (качественное представление для устойчиво развивающейся системы)

За счет смещения максимума (срок до наступления "возраста", при котором система начинает "размножаться", меньше, чем срок последующей жизнедеятельности данной системы) общее число элементов "семейства", состоящего из нескольких поколений систем (1, 2, 3,...), неуклонно растет.

При этом растет и тезаурус "семейства" S, отражающий своей структурной организацией накапливающийся опыт поколений S > 0 есть признак "устойчивого развития".

При нарушении условия (4) в случае S = 0 наступает стагнация системы, а в случае S< 0 - ее деградация.

Обеспечение условия (4) определяется энергоинформационным взаимодействием системы с окружающей средой. В условиях замкнутой системы, когда такого взаимодействия нет, развитие невозможно. "Устойчивое развитие" возможно только для принципиально открытых систем (необходимое условие). Связность нашего мира, когда любая система является частью более общего структурного образования - сообщества систем ("семейство" - один из вариантов такого сообщества), обеспечивает выполнение этого необходимого условия.

Достаточность же достигается тем, насколько "занимаемая" из окружающей среды энергия преобразуется в процессе жизнедеятельности системы в энергию более высокого качества (более высокоорганизованную энергию в виде потенциальной структурной энергии "семейства"), трансформирующуюся впоследствии в более содержательные энергоинформационные выходные сигналы, наполняющие окружающую среду - ноосферу.

Разумеется, само "семейство" входит в более общее структурное сообщество, в котором действуют аналогичные схемы, но при этом все время будет меняться соотношение "система - окружающая среда".

Для единичной системы окружающее "семейство" уже будет окружающей средой, а для "семейства" в качестве среды будет сообщество и т.д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Обмен энергией между системой и средой

Важным является то, что энергия среды впитывается системой, преобразуясь в структуру и пополняя тезаурус системы, которая, в свою очередь, отдает часть себя для воспроизводства нового поколения. Но процесс превращения энергии в массу сопровождается изменением структуры и не является однонаправленным.

Одновременно идет и процесс выделения из системы в окружающую среду энергии различного вида: и низкопотенциального тепла Е_н = Q, выделяемого при совершении системой любой работы, и высокопотенциальной энергии (Е_в) как продукта творческой жизнедеятельности данной системы (рис. 2).

Энергия среды Е° тоже неоднородна по качеству: низкопотенциальная энергия Е впитывается системой и количественно повышает ее массу и энергонасыщенность, может трансформироваться в более качественные виды, в том числе и в структурную энергию; высокопотенциальная энергия среды E служит как бы информационным катализатором такого преобразования. Так, мысль организует поток информации, а сама информация структурирует энергетический поток; энергия же, в свою очередь, формирует структуру и массу тела.

Поэтому в открытой системе неизбежно будет нарушаться традиционный закон сохранения энергии - часть ее будет превращаться в массу, а часть - в особый вид потенциальной энергии, ее структуру (негэнтропийную организованность, запас информации - тезаурус), так же как и часть этого запаса (структуры) может, высвобождаясь, давать дополнительную энергию. Примером тому является процесс образования нефти и угля, в структуре которых концентрируется многовековой поток солнечной энергии, а также процесс радиоактивного распада с высвобождением большого количества ядерной энергии.

Оба процесса идут параллельно -- и концентрация в структуре системы низкопотенциальной энергии окружающей среды под каталитическим воздействием упорядоченных (информационных) сигналов E , и высвобождение энергии во внешнюю среду в виде собственно энергетического воздействия E (в первую очередь, тепла) либо в виде организующего воздействия E, идущего, в свою очередь, на повышение структурной упорядоченности (структурной энергии) других систем.

Разумеется, в процессе "устойчивого развития" не вся масса вещества превратится в энергию, а энергия - в информацию. Наличие всех трех субстанций (всех страт) системы является условием ее существования, ибо превращение всех нас в "лучистое человечество" (по Циолковскому) будет означать исчезновение нашей цивилизации и превращение ее в совершенно иную систему. И все же, общий принцип развития любой открытой системы (совокупности систем и среды) - "отдать больше, чем взять", т.е. вектор развития направлен в сторону увеличения негэнтропийности системы, повышения качества производимого ею продукта своей жизнедеятельности.

На начальной стадии своего жизненного пути система (тело, объект, субъект) подпитывается энергией среды, а затем она (система) подпитывает саму среду своими излучениями в виде потоков низкоорганизованной (тепловой шум) и высокоорганизованной энергии (информации). При этом часть запасенной в самой системе структурной энергии (негэнтропии) является как бы новым источником энергии, идущей на ее адаптацию к изменяющимся внешним воздействиям, а также на размножение собственной системы (на развитие семейства).

Для слабоорганизованных (малоинтеллектуальных) систем затраты E были большими, и эта энергия шла на количественное увеличение массы системы и ее элементов. Но большая единичная неструктурированная масса (у динозавров - большое тело при маленькой голове) приводила к вырождению организма, неспособного приспособиться к изменениям окружающей среды. Лучше выживаемость - у семейств с той же общей массой, но меньшей - в одной особи, за счет их количества и стадной организации. Даже такая примитивная организация обеспечила многовековое существование муравьев и термитов, рыб и птиц, травы и кораллов. Гибнут - отдельные особи, но сохраняется семейство (популяция).

Так же и в энергетике. Крупные объекты хотя и более экономичны, но менее надежны. Распределенные энергосистемы обладают большей надежностью и живучестью.

Во всякой динамической системе в процессе энергоинформационного обмена со средой возникает опасность развития неустойчивости и потери живучести. Если считать среду источником бесконечно большой мощности (по энергии и информации), то неустойчивость самой системы определяется отставанием развития ее тезауруса от разрушительных внешних воздействий, в результате чего система не успевает приспособиться к среде. "Родители", подпитывающие систему высокоорганизованной энергией Е пополняют тезаурус "дитя", усиливая его организованность и адаптационные возможности. Для устойчивости необходимо, чтобы Е > Е тезаурус во времени рос, т.е. S() > 0. Для того, чтобы и среда не оскудевала, система со временем должна выделять (порождать) из себя высокопотенциальную энергию Е, т.е. ее организованность (негэнтропия) должна непрерывно возрастать, вначале - за счет внутреннего тезауруса, а затем - за счет порождения новых объектов и организации их взаимодействия между собой и с окружающим миром. Поэтому для устойчивого существования и развития любой открытой системы, в том числе и цивилизации, опасность представляет не исчерпание энергии вообще (запасы рассеянной солнечной энергии на несколько порядков превышают все разумные потребности человечества), а исчерпание высокоорганизованной материи (структурной энергии, полезной информации, идей). Засорение среды низкопотенциальным теплом и шумовой информацией, разрушающей структуру высокоорганизованной системы, - вот главные опасности для человечества. Путь "устойчивого развития" - это путь энерготрансформации от низкопотенциальной энергии среды Е, поступающей в систему, к высокопотенциальной энергии Е, выделяемой в среду. В этом случае слабо организованный поток на входе увеличивает массу системы (не единичную массу одного тела, а массу множества элементов семейства), трансформируется в процессе жизнедеятельности системы в высокопотенциальную структурную энергию взаимодействующих элементов. В результате на выходе системы в окружающую среду (в ноосферу) поступают энергоинформационные сигналы, содержащие больше негэнтропии, чем на входе. Устойчивость развития определяется такой системой взаимоотношения человечества и окружающей среды, при которой достигается общий рост негэнтропии.

Размещено на Allbest.ru