Синергетика

Большинство процессов в природе носит необратимый характер, но долгое время физика изучала только обратимые процессы. В классической механике достаточно было задать систему координат и скорость движущегося тела для того, чтобы определить характер его движения. С помощью математических вычислений, зная начальные условия, можно было определить положение тела в любой момент: в прошлом, в настоящем и в будущем. Время в классической науке не играло никакой роли. Впервые фактор времени ученые учли при описании тепловых процессов в термодинамике. В науку было введено понятие энтропии – меры беспорядка в системе.

Классическая термодинамика сформулировала несколько принципов, которые привели к важным мировоззренческим выводам. Первое начало термодинамики утверждает, что количество теплоты, сообщенное телу, увеличивает его внутреннюю энергию и идет на совершение им работы. Иными словами, любая система обладает внутренней энергией теплового движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия, и при всех превращениях выполняется универсальный закон сохранения энергии. Первое начало термодинамики отвергает возможность создания вечного двигателя.

Второе начало термодинамики утверждает, что невозможно осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, энтропия замкнутой системы постепенно возрастает и достигает максимума в состоянии теплового равновесия. То есть термодинамические процессы необратимы, предоставленная самой себе система стремится к тепловому равновесию, в котором ее температура сравняется с температурой окружающей среды. В системе, достигшей термодинамического равновесия, без внешнего вмешательства невозможны никакие процессы. Второе начало термодинамики часто формулируют так: тепло не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему. Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии.

Распространение второго начала термодинамики на всю Вселенную, которую классическая наука и философия понимали как закрытую систему, привело к созданию теории тепловой смерти, в середине XIX в. ее разработали Уильям Томсон и Рудольф Клаузиус. Согласно этой теории, все процессы в мире ведут к состоянию наибольшего равновесия, т.е. к хаосу, энтропия Вселенной увеличивается. Теория тепловой смерти утверждала, что со временем все виды энергии во Вселенной превратятся в тепловую, и она не будет больше изменяться и преобразовываться в другие формы. Состояние теплового равновесия, которое в конце концов неизбежно наступит, будет означать смерть Вселенной, при этом общее количество энергии в мире останется тем же самым. С точки зрения авторов теории тепловой смерти наличие в нашей уже давно существующей Вселенной многообразных форм энергии и движения необъяснимо. Теория тепловой смерти Вселенной подводила ученых к выводу о существовании таинственной силы, которая периодически выводит мир из теплового равновесия. По сути дела, теория Томсона и Клаузиуса вела к представлению о Боге, который вновь и вновь творит Вселенную из хаоса.

Сразу же после создания теории тепловой смерти ученые и философы подвергли ее критике. В частности, появилась флуктуационная теория австрийского физика Людвига Больцмана, согласно которой Вселенная выходит из состояния равновесия с помощью внутренне присущих ей флуктуаций. Кроме того, критики теории тепловой смерти Вселенной говорили, что неверно распространять второе начало термодинамики на весь мир, а последний нельзя рассматривать как замкнутую систему с ограниченным числом элементов. Наиболее последовательным опровержением теории тепловой смерти Вселенной в конце XX в. стала синергетическая концепция Ильи Пригожина и Германа Хакена. Однако она появилась не на пустом месте, к ней привели столетние поиски и исследования в физике, химии и биологии.

Первыми против представлений о необратимости процессов в классической термодинамике восстали биологи. Они обратили внимание, что понятия энтропии явно конфликтуют с тем, что происходит в живой природе. Вопреки законам возрастания энтропии эволюция живых систем приводит к их усложнению и повышению организации. Отчетливо противоречие физических и биологических представлений было осознано в конце XIX в. после создания эволюционной теории Чарльза Дарвина.

Конфликт физических и биологических представлений удалось разрешить после того, как наука обратилась к понятию открытой системы. Закрытые системы, которые классическая физика рассматривала как естественные, не обмениваются энергией и веществом с внешним миром, все процессы в них движутся от упорядоченности через равновесие к хаосу. Такие системы стремятся к максимальной неупорядоченности. Основными характеристиками процессов в замкнутых системах являются равновесность и линейность.

Открытые системы, напротив, обмениваются энергией, веществом и информацией с внешним миром, в них при определенных условиях могут появляться новые структуры, которые повышают степень организации всей системы. Основными характеристиками процессов в открытых системах являются неравновесность и нелинейность.

Изучением открытых неравновесных систем как раз и занимается синергетика. Синергетика возникла на стыке физики и химии в 70-е гг. XX в., а затем приобрела статус междисциплинарного подхода. Термин "синергетика" происходит от греческого слова sinergia – "сотрудничество", "содействие". Синергетика, так же как кибернетика, изучает системы с обратной связью, но в отличие от кибернетики, которая рассматривает стабилизацию и динамическое равновесие в самоорганизующихся системах, синергетика исследует возникновение новых структур за счет разрушения старых.

В современной науке синергетика является наиболее общей теорией самоорганизации и изучает закономерности во всех типах материальных систем, она претендует на открытие универсальных механизмов самоорганизации в живой и неживой природе. Как утверждает ее создатель Герман Хакен, принципы самоорганизации распространяются от молекулярной физики до эволюции звезд, от сокращения мышц до вспучивания металлических конструкций.

Исходным принципом синергетической концепции является различие процессов в открытых и закрытых системах. По мнению ее создателей, именно открытые системы, а не закрытые, как считала классическая физика, являются универсальными. Искусственное может быть обратимым, а естественное непременно содержит элементы случайности и необратимости. Система называется самоорганизующейся, если она без специального воздействия извне обретает новую пространственную, временную или иную структуру. Главные свойства открытых самоорганизующихся систем – неустойчивость и нелинейность развития.

Опираясь на это знание, синергетика предлагает следующее объяснение механизма возникновения порядка из хаоса. Пока система находится в состоянии термодинамического равновесия, все ее элементы ведут себя независимо друг от друга и на создание упорядоченных структур неспособны. В какой-то момент поведение открытой системы становится неоднозначным. Та точка, в которой проявляется неоднозначность процессов, называется точкой бифуркации (разветвления). В точке бифуркации изменяется роль внешних для системы влияний, ничтожно малое воздействие приводит к значительным и даже непредсказуемым последствиям. Между системой и средой устанавливается отношение положительной обратной связи, т.е. система начинает влиять на окружающую среду таким образом, что сама формирует условия, которые ее изменяют. Таким образом система противостоит разрушительным влияниям среды и меняет условия своего существования.

Под влиянием энергетических взаимодействий с окружающей средой в открытых системах возникают так называемые эффекты согласования и кооперации, когда различные элементы начинают вести себя в унисон друг с другом. Такое согласованное поведение синергетика называет когерентным. Как следствие, происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса новых структур. После возникновения новая структура, в синергетике ее называют диссипативной, включается в дальнейший процесс самоорганизации материи. Диссипативные структуры возникают за счет рассеяния (диссипации) энергии, которую система уже использовала, и получения новой энергии из окружающей среды. Диссипативная структура как бы извлекает порядок из окружающей среды, повышает собственную внутреннюю упорядоченность, увеличивает хаос и беспорядок во внешнем мире.

Таким образом, внешние взаимодействия оказываются фактором внутренней самоорганизации систем, которые, в свою очередь, помогают самоорганизации других систем. То есть взаимодействие системы со средой становится условием ее эволюции. Направление развития системы после прохождения точки бифуркации невозможно предсказать, ведь ключевую роль в развитии играют случайные обстоятельства. "Будущее при нашем подходе, – пишут Илья Пригожин и Изабелла Стенгерс в книге “Порядок из хаоса”, – перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всеведения". Представление об объективности случайных факторов становится фундаментальным принципом современной науки.

Синергетический подход позволяет ответить на вопрос, почему вопреки действию закона энтропии в мире царят порядок и организация. К тому же хаос понимается как особый вид регулярной нерегулярности и более не рассматривается как разрушительное состояние. Хаос созидателен, поскольку развитие и самоорганизация систем происходят через хаотичность и неустойчивость. Синергетика утверждает, что законы самоорганизации действуют во всем мире, на всех уровнях материи, поэтому синергетический подход позволяет преодолеть разрыв между живой и неживой природой и объяснить происхождение жизни через самоорганизацию неорганических систем. Создатель концепции Илья Пригожин считает, что синергетический взгляд на мир меняет наше представление о случайности и необходимости, трансформирует привычное представление о времени и позволяет иначе понять сущность энтропии. Синергетический подход получил признание не только в естествознании, но и в гуманитарных науках. Более того, синергетика постепенно вырастает из статуса междисциплинарного научного исследования и превращается в новую мировоззренческую парадигму.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >