2.2. Порядок и беспорядок в природе. Хаос

2.2.1. Понятие «организации материи» (10). Упорядоченность материальных объектов в естествознании называют организацией материи. Понятие организации материи является сравнительно новым. В отличие от понятий «материя», «движение», «пространство», «время», введенных в научный оборот с эпохи античности, понятие «организация материи» стало систематически разрабатываться только во второй половине XX века. Но античные философы проявляли интерес к понятию организованности, правда, рассматривали ее только в двух крайних проявлениях: хаос и порядок.

По понятиям натурфилософии, хаос — это полный беспорядок. Таким образом, эти два понятия в эпоху античности были альтернативными, полностью исключающими друг друга. Античные философы научились измерять в практических целях материю, движение, пространство и время (знали меры веса, длины, времени, имели для этого измерительные приборы, разработали календари, ввели понятие скорости движения и т. д.). Но понимания «степени порядка», «неполного порядка», «частичного порядка», то есть градаций, измерений упорядоченности, греки не знали.

Не произошло значительных изменений в научных разработках упорядоченности и во все последующие века. Только в середине XX века естествоиспытатели всерьез занялись организованностью материальных объектов и процессов и научились ее измерять. По современным концепциям естествознания схема упорядоченности отличается от античной.

Полнейший Промежуточная Идеальный

беспорядок ………. степень ……….. порядок

(хаос) упорядоченности («абсолют»)

Рис. 8 . Концепции упорядоченности в современную эпоху

Ч

«Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры».

Д.И. Менделеев

етких границ между показанными на рис. 8 состояниями упорядоченности установить нельзя, эти границы могут быть только условными. Но очень важно то, что сегодня современные ученые могут более или менее точно измерять степень упорядоченности материальных систем и процессов и, как следствие, научно их исследовать. Наука об организации материи оказалась тесно связанной с другими новыми науками: кибернетикой, теорией информации, общей теорией систем (ОТС). И кроме того, понятие «организации материи» оказалось таким же важным в естествознании, как и материя, движение, пространство, время, тесно с ними связанным, неотделимым от них.

Материя находится в непрерывном движении, происходящем не иначе как в пространстве и времени, при этом материя непрерывно меняет свою организацию.

2.2.2. Виды организации материи. На примере различного расположения группы кирпичей представим различие между хаосом и порядком при учете степени упорядоченности.

Если в пространстве материя организована так, что ее распределение неоднородно, то существует порядок, и его степень повышается с ростом неоднородности.

На рис. 9а — кирпичи можно обнаружить в очень большом объеме пространства — степень неоднородности маленькая (рисунок разбросанных кирпичей равномерный), т. е. степень порядка маленькая.

На рис. 9б — «материя» сосредоточена в гораздо меньшем объеме кучи, в окружающем пространстве «материи» нет, т. е. степень неоднородности возросла (как говорит русская пословица, где густо, а где пусто), т. е. степень неоднородности возросла, степень порядка – тоже возросла.

На рис. 9в — стенная кладка, неоднородность распределения материи еще более возросла, пустот становится меньше, смещения кирпичей не может произойти, степень порядка самая высокая.

На рис. 9а — разбросанная на большом пространстве совокупность кирпичей (полный хаос).

На рис. 9б — все кирпичи собраны в кучу (увеличение упорядоченности).

На рис. 9в — из кирпичей построена стена (кирпичная кладка) — самый высокий порядок в сравнении с рис. 9а, 9б.

Получается, что любая неравномерность распределения материи в пространстве уже создает порядок. Чем более неравномерно распределена материя, тем выше порядок.

Структура — стабильная во времени неравномерность распределения материи в пространстве.

Периодическая структура – если в пределах структуры наблюдается периодизм в распределения элементов в пространстве.

2.2.3. Структура организации материи. Все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурные иерархии организованных систем.

Система — это совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое.

Иерархия — части или элементы целого располагаются в порядке от низшего к высшему элементу. Физическая картина мира охватывает все уровни организации вещества.

На рис. 10 ветви структурной организации приведены обобщенно, детально мы их рассмотрим дальше. Кружки с вопросами в местах ответвлений показывают своеобразные «точки бифуркации» (от лат. — «раздвоение») в эволюции материи, где осуществлялся скачок развития с переходом на качественно более высокий уровень организации. Механизмы таких скачков (происхождение жизни и происхождение разума) наукой еще не познаны и относятся к основным проблемам современного естествознания.

Рис. 10. Уровни структурной организации материи

Ряды вопросов показывают области, где заканчивается научное знание и возникают только предположения.

Все структуры материального мира не могли бы существовать (и сам мир тоже), если бы между элементами материи не существовало взаимодействий, которые связывают материальные объекты в системы, поддерживают структурное мироустройство. Таких фундаментальных взаимодействий известно четыре: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Их мы рассмотрим чуть позже.

2

Хромосомы — органоиды клеточного ядра, состоят из молекулы ДНК и белков, содержат набор генов с заключенной в них наследственной информацией. Каждая хромосома — двойная структура, она построена из двух сестринских хроматид, соединенных между собой. Каждая хроматида — это будущая хромосома дочерней клетки.

Ген — единица наследственной информации, участок молекулы ДНК хромосомы, контролирует синтез органических соединений в организме и как следствие определяет его признаки.

Мейоз — процесс деления половых клеток (от греч. «мейозис» — уменьшение).

.2.4. Случайные процессы в живой и неживой природе. Хаос. Иногда достаточно четкая структурная организация материи нарушается, т. е. в природе существуют случайные процессы, нарушающие порядок на мега-, макро- и микроуровне.

Поясним на примерах живой природы, где тоже существуют процессы случайного свойства, например кроссинговер. Как известно, хромосомы образуют пары. Гены, представляющие собой фрагменты длинной цепи ДНК, следовательно, тоже образуют пары (каждая пара хромосом в клетках любого организма составлена хромосомами, ведущими начало от обоих родителей). В процессе мейоза каждая пара разделяется, и ее части обязательно попадают в сперматозоид или яйцеклетку, а затем передаются потомству. Зная этот механизм передачи наследственной информации, можно предсказывать, как гены родителей проявят себя в потомстве. Но существует процесс, нарушающий строгую закономерную передачу наследственных признаков. Дело в том, что в начале мейоза хроматиды, плотно прилегающие на этой стадии друг к другу, могут обмениваться кусочками ДНК. Это явление и называется кроссинговером (от англ. crossing-over — «перекрест»). Эволюционное преимущество таких перестановок в том, что комбинации признаков, полученных потомками от родителей, могут оказываться гораздо богаче. А значит, у потомства больше шансов приспособиться к меняющимся условиям жизни.

Другой пример — мутации. Генетическая информация в генах записывается с помощью четырех «букв» — четырех химических соединений, которые называются нуклеиновыми основаниями и обозначаются русскими буквами А, Г, Т, Ц (по первым буквам их названий: аденин, гуанин, тимин и цитозин).

Соединение азотистого основания (А, Т, Г или Ц), дезоксирибозы, а также остатка фосфорной кислоты носит название нуклеотидов. В одну молекулу (цепочку) может входить 10⁸ нуклеотидов. Своеобразие каждого гена и заключается как раз в том, в каком порядке располагаются в нем эти четыре буквы: А, Т, Г и Ц (см. рис. 11). Изменения в генах называют мутациями (от лат. mutatia — «изменение», «перемена»). При мутации в гене либо выпадают отдельные основания — «буквы», либо одно заменяется на другое, либо изменяется их порядок. Однажды возникнув, мутация наследуется, т. е. проявляется в потомстве того организма, в котором она возникла. Мутации случайны и ненаправлены — мутировать может любой ген, вызывая изменеия как незначительных, так и жизненно важных признаков, мутации могут возникать повторно.

Мутации известны у всех организмов, в том числе и у людей, чаще всего они возникают под воздействием вредных факторов внешней среды: иприт — боевое отравляющее вещество, излучения — рентгеновские лучи, гамма-излучения, нейтроны. Почти все они вредны, а многие несовместимы с жизнью.

Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая механика, раскрывающая законы микромира нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания считаются простыми. Простыми, потому что в них входит небольшое число независимых переменных. То есть величин, меняющих свое значение, и потому взаимоотношения между ними поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам. Пример: гравитационная система, которая в соответствии с законом всемирного тяготения имеет две независимые переменные — массу и расстояние.

Помимо простых существуют сложные системы, которые состоят из большого числа независимых переменных и, стало быть, большого числа связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта — выведение закономерностей его функционирования. Трудность изучения таких систем объясняется еще и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы (4).

Рис. 11. Соединение полинуклеотидных цепей ДНК

Именно потому, что метеорология изучает сложные системы, процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксальным. Можно точно определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-нибудь другое небесное тело через миллионы лет, но предсказать погоду на завтра удается не всегда. Потому что климатические процессы представляют собой гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними. Такие процессы во многом хаотичны. Сложные системы изучает, например, метеорология — наука о климатических процессах. Хаотические системы нельзя описать однозначно детерминистично (определенно), то есть, зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий (4).

С одной из мутаций знакомит пример наследования гемофилии в королевских домах Европы. Сын последнего российского императора Николая II , царевич Алексей, страдал тяжелой болезнью — гемофилией, или несвертываемостью крови. Сам Николай Александрович и его жена Александра Федоровна были здоровы, здоровы были и сестры царевича. Но многие дальние родственники царской семьи были больны гемофилией. Все они являлись прямыми потомками знаменитой английской королевы Виктории.

У предков английской королевы Виктории гемофилии не было. Значит, гемофилия явилась результатом мутации одной из двух клеток, давших начало младенцу, будущей королеве Виктории. Девочка выросла здоровой и через много лет стала королевой. Однако злополучный ген был передан потомству. Королева Виктория, имевшая девятерых детей, передала свои гены представителям династий, правящих в Великобритании, Германии, России, Испании. Ее потомки породнились также и с монархами Швеции, Дании, Румынии, Норвегии, Югославии, Греции. Подчеркнем, что все больные были мужского пола. Кроме потомков герцога Леопольда (больного), все остальные страдавшие гемофилией внуки и правнуки королевы Виктории происходили от нее по женской линии.

Эта болезнь явно наследственная. Она передается как по мужской, так и по женской линии, но заболевшими оказываются только мужчины. Если в семье несколько сыновей, то одни из них здоровы, другие больны. В целом картина такая, какую и следует ожидать, если ген гемофилии располагается в Х-хромосоме. У женщин две Х-хромосомы и ген гемофилии не проявляется, т. к. «прикрыт» нормальной хромосомой. У мужчин — одна Х-хромосома, которую они получают от матери, и если в этой хромосоме находится ген гемофилии, он проявляется. У женщины — носительницы гена гемофилии половина сыновей будут здоровыми, а половина больными, так как сын получает одну из двух Х-хромосом своей матери. Относительно семьи Николая II можно утверждать, что хотя бы одна из его четырех дочерей, будь у нее мужское потомство, также имела бы больных гемофилией сыновей.

Впервые с хаосом мы сталкиваемся в неживой природе на примере броуновского движения — беспорядочного движения твердых частиц, находящихся в жидкости (визуально наблюдаемого и научно обоснованного). Это очевидное доказательство теплового движения молекул.

С увеличением температуры интенсивность его растет. Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга. Броуновское движение — это хаотическое движение.

Тепловое движение молекул называют тепловым движением. Движение это тоже беспорядочно, хаотично.

Хаос более присущ организации движения материи на всех ее структурных уровнях, чем порядок: начиная от полевого движения микрочастиц и россыпей небесных тел в мегамире и заканчивая поведением тех же частиц в микромире (неопределенность поведения электрона в атоме). Примерами могут служить броуновское движение и движение песчаных масс в пустыне, рассосредоточение геологических пород и рельеф местности планет, движение воздушных масс и неупорядоченность биологических существ и т. д. Их организованность можно предсказать лишь с большой долей вероятности.

Порядок можно наблюдать в основном в отдельно взятых локальных замкнутых областях или системах. Но это, как правило, временные явления, до первого возмущения извне.

Наука о «хаосе» начала формироваться с середины 60-х годов XX века (3). Выяснилось, что хаос — не отсутствие структуры, а тоже структура, но определенного типа. Это впервые было отмечено в работах Э. Лоренца, который в 1963 г. попытался математически описать на основе тепловой конвекции в атмосфере и с учетом земного тяготения глобальные метеорологические процессы на нашей планете. Было показано, что хаотический процесс может быть описан математически — довольно сложными нелинейными уравнениями, с привлечением численных компьютерных расчетов, что означает наличие в нем некоего внутреннего порядка, пусть и достаточно сложного. В расчетах Лоренц применил метод математического моделирования с использованием трех дифференциальных нелинейных уравнений.

В действительности в открытых системах ввиду их сложности возможно образование различных структур, т. е. организация материи. Поэтому имеет смысл рассматривать степень неупорядоченности той или иной структуры и количественные критерии упорядоченности или хаотичности различных состояний открытых систем (см. выше «Виды организации материи»). В качестве критериев можно было бы ввести, например, меру беспорядка и меру порядка, между которыми должны быть гармонические соотношения целого и его частей. Но встает резонный вопрос: что (или кто) является причиной этой организации?

Ученые считают, что объективные законы природы в состоянии сами по себе организовывать материю, т. е. материя обладает свойством самоорганизации. Исходя из этого, ученые создали науку о самоорганизации материи, эта наука устанавливает объективные законы самоорганизации материи, раскрывает механизмы такой самоорганизации.

Но поскольку существует организация материи, следовательно, должна существовать и дезорганизация (разупорядочивание) материи. Существует и наука о самодезорганизации материи и механизмах самодезорганизации.

Можно считать, что процессы самоорганизации участвуют в эволюции систем наряду с процессами деградации.

Дальнейшее развитие теории хаоса связано с объяснением путей самоорганизации систем, биологической эволюции, всеми направлениями информационных технологий, становлением синергетики и др.