Принципы самоорганизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самоорганизация

Проблема самоорганизации материальных систем в XX веке становится одной из центральных проблем науки. Существенный вклад в решение этой проблемы вносит системный и информационный подходы. Терминология, выработанная в этих областях исследования, приобрела общенаучный характер в описании и объяснении процессов самоорганизации. Но обе эти области исследования имеют дело в основном с материальными системами уже достаточно высокого уровня организованности: биологические системы, социальные, технические и т.д. Процессы самоорганизации в неживой природе остаются вне интересов этих подходов.

Решение этой задачи берет на себя научная дисциплина, именуемая синергетикой. Ее основоположниками считаются Г. Хакен и И. Пригожин. Закономерности явлений самоорганизации, открываемые синергетикой, не ограничиваются областью неживой природы: они распространяются на все материальные системы. Как отмечает Г. Хакен, принципы самоорганизации, изучаемые этой наукой, распространяются «от морфогенеза в биологии, некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики до космических масштабов эволюции звезд, от мышечного сокращения до вспучивания конструкций» («Синергетика». М., 1980. С. 16).

Г. Хакен и И. Пригожин делают акцент, прежде всего, на процессуальности материальных систем. Все процессы, протекающие в различных материальных системах, могут быть подразделены на два типа: во-первых, это процессы, протекающие в замкнутых системах, ведущие к установлению равновесного состояния, которое при определенных условиях стремится к максимальной степени неупорядоченности или хаоса, и, во-вторых, это процессы, протекающие в открытых системах, в которых при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать упорядоченные структуры, что и характеризует стремление к самоорганизации. Основными характеристиками первого типа процессов является равновесность и линейность, главными характеристиками второго типа процессов, в которых проявляется способность к самоорганизации и возникновению диссипативных структур, является неравновесность и нелинейность. Природные процессы принципиально неравновесны и нелинейны; именно такие процессы синергетика рассматривает в качестве предмета своего изучения. Постулирование универсальности неравновесных и нелинейных процессов позволяет ей претендовать на статус общеметодологической дисциплины, сопоставимой с теорией систем и кибернетикой.

По мнению ряда ученых, возникновение синергетики, возможно, знаменует начало новой научной революции, поскольку она не просто вводит новую систему понятий, но меняет стратегию научного познания, способствует выработке принципиально новой научной картины мира и ведет к новой интерпретации многих фундаментальных принципов естествознания. Суть предлагаемых изменений в стратегии научного познания, по мнению основателей новой науки, заключается в следующем. Традиционная наука в изучении мира делала акцент на замкнутых системах, обращая особое внимание на устойчивость, порядок, однородность. Все эти установки как бы характеризуют парадигмальное основание и способ подхода к изучению природных процессов традиционной науки. Синергетический подход акцентирует внимание ученых на открытых системах, неупорядоченности, неустойчивости, неравновесности, нелинейных отношениях. Это не просто дополнительный в «боровском» смысле взгляд на мир, а доминантный взгляд, который должен характеризовать науку будущего. По мнению И. Пригожина синергетический взгляд на мир ведет к революционным изменениям в нашем понимании случайности и необходимости, необратимости природных процессов, позволяет дать принципиально новое истолкование энтропии и радикально меняет наше представление о времени. Предисловие к английскому изданию книги «Порядок из хаоса» И. Пригожин публикует под заголовком «Новый диалог человека с природой».

Свое понимание феномена самоорганизации И. Пригожин связывает с понятием диссипативной структуры -- структуры спонтанно возникающей в открытых неравновесных системах. Классическими примерами таких структур являются такие явления, как образование сотовой структуры в подогреваемой снизу жидкости (т.н. ячейки Бена-ра), «химические часы» (реакция Белоусова -- Жаботинского), турбулентное движение и т.д.

В книге И. Пригожина и И.Стенгерс «Порядок из хаоса» процесс возникновения диссипативных структур объясняется следующим образом. Пока система находится в состоянии термодинамического равновесия, ее элементы (например молекулы газа) ведут себя независимо друг от друга, как бы в состоянии гипнотического сна, и авторы работы условно называют их генами. В силу такой независимости к образованию упорядоченных структур такие элементы неспособны. Но если эта система под воздействием энергетических взаимодействий с окружающей средой переходит в неравновесное «возбужденное» состояние, ситуация меняется. Элементы такой системы «просыпаются от сна» и начинают действовать согласованно. Между ними возникают корреляции, когерентное взаимодействие. В результате и возникает то, что Пригожин называет диссипативной структурой. После своего возникновения такая структура не теряет резонансного возбуждения, которое ее и порождает, и одним из самых удивительных свойств такой структуры является ее повышенная «чувствительность» к внешним воздействиям. Изменения во внешней среде оказываются фактором генерации и фактором отбора различных структурных конфигураций. Материальная система такого типа включается в процесс структурогенеза или самоорганизации. Если предполагается, что именно неравновесность является естественным состоянием всех процессов действительности, то естественным оказывается и стремление к самоорганизации как имманентное свойство неравновесных процессов. Схематическое описание возникновения диссипативных структур и связанного с ними процесса структурогенеза объясняет и название дисциплины. Термин «синергетика» образован от греческого «синергиа», которое означает содействие, сотрудничество. Именно «совместное действие» или когерентное поведение элементов диссипативных структур и является тем феноменом, который характеризует процессы самоорганизации.

Значение синергетического подхода к изучению природных процессов трудно переоценить. Этот подход позволяет решить вопрос, который «мучил» основателей термодинамики: почему вопреки действию закона возрастания энтропии, который характеризует естественное стремление материальных систем к состоянию теплового равновесия и беспорядку, окружающий нас мир демонстрирует высокую степень организации и порядка. Именно этот вопрос в свое время пытался решить Л.Больцман с помощью своей флуктуационной гипотезы. Синергетический подход подводит конкретно-научную базу под умозрительные философские постулаты о внутренней активности материи, ее стремлении к структурной самоорганизации. Он выступает основанием для развития эволюционной концепции, или, как говорит И. Пригожин, революционной парадигмы в физике на всех уровнях описания. «Есть все основания верить, что со временем эволюционная парадигма позволит установить генетическую связь между структурными уровнями существования материальных систем, подобно тому как дарвиновская теория эволюции позволила установить такую связь между живой и неживой природой. Как замечает И. Пригожий, «жизнь при нашем подходе перестает противостоять «обычным» законам физики. Впредь физика с полным основанием может описывать структуры, как формы адаптации к внешним условиям» (Пригожий И., Стенгерс И. «Порядок из хаоса». М., 1986. С. 55). Аналогичным образом оценивает перспективу синергетического подхода Г.Хакен. Он говорит о возможности развития концепции «обобщенного дарвинизма, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир...» («Синергетика». М., 1980. С. 41).

Возникновение синергетики в значительной степени стимулировало исследования в области теории происхождения жизни. Так, западный ученый М. Эйген, опираясь на исследования И. Пригожина, развил принципиально новую теорию биогенеза (см.: Эйген М., Винклер Р. «Игра жизни». М., 1979).

Можно утверждать, что именно синергетика на настоящий момент является наиболее общей теорией самоорганизации. Она формулирует общие принципы самоорганизации, действительные для всех структурных уровней материи, на языке математики описывает механизмы структурогенеза, в ее рамках способность к самоорганизации выступает как атрибутивное свойство материальных систем.

Один из основателей кибернетики, американский ученый Н. Винер в своей книге «Кибернетика и общество», изданной в Лондоне в 1954 году, писал: «Мы погружены в жизнь, где мир в целом подчиняется второму закону термодинамики: беспорядок увеличивается, а порядок уменьшается... В мире, где энтропия в целом стремится к возрастанию, существуют местные и временные островки уменьшающейся энтропии, и наличие этих островков дает возможность некоторым их нас доказывать наличие прогресса» (русск. перевод, М., 1958. С. 49). «Рано или поздно мы умрем, и очень вероятно, что вся окружающая нас Вселенная, когда мир будет приведен в состояние единого громадного температурного равновесия, где не происходит ничего действительно нового, умрет в результате тепловой смерти. Не останется ничего, кроме скучного единообразия, от которого можно ожидать только небольших и незначительных местных отклонений» (там же. С. 43). Далее Н.Винер констатирует, что в нашей, небольшой части Вселенной, все же имеются отдельные процессы антиэнтропийного характера: возрастает организация, а с ней и информация, представленная в деятельности живых существ, в функционировании машин. В целом же мир, по его убеждению, обречен.

Н. Винер считает правильной с научной и мировоззренческой точек зрения концепцию тепловой смерти Вселенной. Она была разработана еще в середине прошлого столетия специалистами по термодинамике В.Томпсоном и Р. Клаузиусом. синергетика самоорганизация материя природный

В основании этой теории лежит попытка экстраполяции второго начала термодинамики или закона возрастания энтропии на всю Вселенную. Энтропия является физической величиной, характеризующей процессы превращения энергии. Согласно закону возрастания энтропии при реальных термодинамических процессах энтропия замкнутой системы возрастает. Закон возрастания энтропии определяет течение энергетических превращений: все они в замкнутых системах происходят в одном направлении. Достижение термодинамической системой состояния с максимальной энтропией соответствует достижению состояния теплового равновесия. Это означает, что в системе, предоставленной самой себе, рано или поздно происходит выравнивание температур и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие формы энергии.

Распространение действия второго начала термодинамики на всю Вселенную ведет к выводу, что со временем все виды энергии перейдут в тепловую, а последняя, в силу выравнивания температур, потеряет способность превращаться в другие виды энергии и Вселенная придет в состояние теплового равновесия, выход из которого естественным путем невозможен. Наступление состояния теплового равновесия будет означать тепловую смерть Вселенной. Теория тепловой смерти Вселенной не отрицает количественного сохранения энергии, но отрицает качественную неуничтожимость энергии и движения.

При всей своей внешней логичности и ссылках на фундаментальные законы физики теория тепловой смерти ведет к парадоксальным выводам. Вселенная существует бесконечно долгое время и в принципе должна бы уже давно достигнуть состояния теплового равновесия. Однако мы наблюдаем в мире существование многообразия видов энергии и движения, что с точки зрения сторонников теории тепловой смерти Вселенной является необъяснимым фактом. Выход может быть предложен двоякий: можно допустить, что наша Вселенная либо существует конечное время, недостаточное для достижения состояния теплового равновесия, либо она много раз достигала такого состояния, но некоторая, пока неизвестная науке сила, время от времени выводила из него Вселенную. Оба эти предположения ведут к идее сотворения мира или вмешательства в ход физических процессов сверхъестественных сил.

Современная наука накопила много данных, свидетельствующих о несостоятельности этой концепции с естественнонаучной точки зрения.

Прежде чем подвергать критике теорию тепловой смерти Вселенной с позиций естествознания, следует напомнить, что, хотя сторонники этой теории апеллируют ко второму началу термодинамики, недопустимо отождествлять теорию тепловой смерти Вселенной с законом возрастания энтропии. Закон возрастания энтропии -- хорошо обоснованный закон физики и критике не подлежит. Теория же тепловой смерти Вселенной -- мировоззренческая концепция, которая базируется не столько на втором начале, сколько на попытке его экстраполяции на всю Вселенную, что предполагает ряд произвольных допущений о структуре Вселенной. Естественнонаучная критика этой теории направлена не против самого второго начала термодинамики, а против правомерности его экстраполяции на всю Вселенную.

В настоящее время естественнонаучная критика теории тепловой смерти Вселенной опирается на несколько доводов. Второе начало термодинамики было сформулировано для замкнутых изолированных систем. Кроме того, статистическая трактовка закона возрастания энтропии обязательно предполагает, что система должна состоять из сколь угодно большого, но конечного числа частиц. Только при этих условиях можно говорить о возрастании энтропии как переходе от менее вероятных к более вероятным состояниям системы. Но Вселенная не является изолированной системой, и она состоит из бесконечного числа частиц. Последнее означает, что все состояния в ней одинаково равновероятны и понятие термодинамического равновесия для ее характеристики оказывается неприменимым. Отсюда следует, что в основе рассматриваемой теории лежит неправомерная экстраполяция второго начала термодинамики с конечных замкнутых систем на бесконечную Вселенную.

По мнению многих ученых, решающий довод против теории тепловой смерти Вселенной следует из релятивистской термодинамики, которая учитывает действие во Вселенной гравитационных полей. Гравитационные поля имеют переменный характер, зависят от координат и времени и выступают в качестве внешних условий протекания во Вселенной термодинамических процессов. Термодинамическая система достигает состояния термодинамического равновесия, только если она находится в стационарных (не зависящих от времени) условиях. В силу наличия внешних нестационарных условий, в качестве которых выступают гравитационные поля, возрастание энтропии во Вселенной не ведет к достижению ее термодинамического равновесия. В свете данных релятивистской термодинамики теория тепловой смерти Вселенной теряет доказательный характер и обнаруживает свою несостоятельность.

Разрабатываемая в наше время концепция самоорганизации (синергетика) также убеждает нас в наличии природных сил антиэнтропийного характера.

Материя неуничтожима и в количественном, и в качественном отношениях. Все те формы движения и уровни структурной организации материи, которые уже известны (а наука, несомненно, обнаружит еще новые), заключены в самой материи, внутренне ей присущи, связаны между собой и способны при определенных условиях переходить друг в друга. Материя неотрывна от движения, от разнообразия, от самоорганизации.

Размещено на Allbest.ru