Глава 9 . Эволюционно-синергетическая

ПАРАДИГМА

9.1. Необратимость времени.

Самоорганизация в живой и неживой природе

9.1.1. Эволюция и стрела времени. С понятием эволюции тесно связано понятие времени как возраста природных систем (11).

В рамках эволюционной концепции для любого объекта становится естественным описание, учитывающее неразрывное единство трех стадий:

• рождение (самоорганизация);

• развитие (смена упорядоченных форм);

• распад (переход к иной определенной упорядоченности или неупорядоченному равновесному состоянию).

Н еизменная последовательность этих стадий задает так называемую стрелу времени.

Ориентировочным масштабом на стреле (шкале) времени служит период, характерный для типичного материального объекта, принадлежащего к некоторому уровню организации материи (например, длительность геологической эпохи или период деления биологической клетки).

Таким образом, различным иерархическим уровням организации материи соответствует свой характерный масштаб шкалы времени. Направленность же стрелы времени едина и определяется сутью процессов эволюции в природе — развитием всех природных структур в направлении увеличения разнообразия и сложности.

Эволюционные процессы необратимы. Необратимо и время, течение которого связано с эволюционными процессами в отдельных природных подсистемах и с глобальным эволюционным процессом — эволюцией Вселенной.

9.1.2. Необратимость времени и его физический смысл. Иногда в кино мы можем наблюдать сцены, которые нам показывают в обратном временном порядке (собирается сама из разбитых кусков ваза и устанавливается с пола на место на столе и т. п.). Но жизнь — это не кино! Никогда и никому не удавалось повернуть время вспять, и прошлое никогда не вернется — жизнь «начерно» прожить невозможно. Это одна из неумолимых жестокостей в нашей жизни.

Однако законы механики (законы Ньютона) подобного обращения времени не запрещают. Вспомните задачу о теле, брошенном под углом к горизонту: под каким углом оно вылетело, под таким углом и закончит свой путь. Следовательно, поменяв местами время старта и финиша, мы получим точно такую же траекторию полета тела.

В жизни такое ни за что не получится! Виной всему торможение тела в процессе полета, сопротивление среды (воздуха, например) или изменение гравитационных условий полета тела (Земля вращается, Луна тоже, кометы летают!). Иными словами, в процессе полета тела его первоначальная энергия реализуется не только в движение, но частично рассеивается в пространстве, причем безвозвратно! Никакими силами, никакими способами невозможно заставить эту рассеянную энергию вернуться в летящее тело, поэтому идеальная, по Ньютону, парабола траектории полета превратится в деформированную. Все артиллеристы знают о такой особенности траектории летящего снаряда и учитывают это при стрельбе.

Но в необратимости времени, в наличии направленности стрелы времени «виновато» не только рассеивание энергии при протекании любого реального процесса. Для математического описания любого процесса времени необходимо знать не только закон, по которому он протекает, но и начальные условия в той системе, в которой этот процесс будет происходить.

Однако для выяснения начальных условий (то есть состояния системы в начальный момент времени t₀) необходимо проанализировать всю историю этой системы до начального момента времени. В реальной жизни начальные условия никогда не задаются (если не считать задач на экзаменах). Они проистекают из тщательного исследования прошлого всей системы. Итак, прошлое пытается управлять будущим. Но между прошлым и будущим есть интервал настоящего. События, происходящие в интервале настоящего, обусловлены не только внутренней сложностью системы, но и включают в себя случайные внешние воздействия. Все это вместе способствует тому, что система в будущем может повести себя совершенно не по тому сценарию, который предлагает прошлое. Система даже может прекратить свое существование или, наоборот, саморазвиться, самоорганизоваться в нечто иное по сравнению с запланированным. Всем известны примеры, когда в запретной зоне Чернобыля вместо нормальных, запланированных ходом предыдущей эволюции биологических объектов реализуются их мутанты. Например: земляника размером с яблоко, двухголовые поросята, липы с размерами листьев в лист лопуха и т. д.

Как мы видим, хотя прошлое в чем-то управляет будущим, определяя тем самым направленность времени, возможности такого управления не безграничны — чем отдаленнее будущее, тем хуже управление, прогноз становится все менее точным и на каком-то этапе — вовсе бессмысленным. Время подобно летящей стреле, острие которой маячит перед нами в тумане прогноза.

Влияние прошлого на будущее нельзя не учитывать, даже если предположить, что все силы торможения равны нулю, ведь нам приходится признаваться, что начальные (или конечные) условия необра­тимы. В определенном смысле это есть влияние на реальные процессы интервала настоящего. Итак, дважды в одну и ту же реку не войдешь. Все течет, все меняется, всему есть причина, и иногда совершенно случайная.

Развитие всех событий во времени можно изобразить раскручивающейся спиралью, в центре которой — стрела времени (см. рис. 24). С какой бы степенью точности ни повторялись события, например смены времен года, возвраты прежних общественных формаций и прочее, стрела времени не позволит им быть идентичными. Стрела времени превращает историческое движение по окружности в движение по спирали, а то, что каждый виток этой спирали становится все больше в диаметре, обусловлено рассеянием энергии, которое вовлекает в течение каждого события все новые и новые объекты и понятия.

Т аким образом, можно с большой долей истины утверждать, что время необратимо в силу внутренних связей в системе и внешнего воздействия на систему. Следовательно, время есть физическая величина, отражающая принцип причинности мира, но необратимость времени может выступать как непредсказуемое самоорганизующее начало.

9.1.3. Самоорганизация в живой и неживой природе. Самоорганизация — это наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции.

Природа полна проявлений самоорганизации в различных системах. Повсеместно мы встречаем упорядоченность, пространственно-временные структуры: вихри в потоках жидкостей или газов, регулярная структура барханов и облаков и т. д.

Примеров самоорганизации материи в неживой природе можно привести очень много. Один из них — нынешнее упорядоченное состояние нашей Вселенной.

Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности — хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара. На поверхности жидкости при определенных условиях возникает организованная, упорядоченная пространственная структура из правильных шестиугольных ячеек. Какова физика этого процесса? На подогреваемую сковороду (или любой другой сосуд круглой или прямоугольной формы) наливают масло с металлическими опилками, и поэтому сверху образуется тяжелый слой. За счет подогрева, т. е. возникающей разницы температур, в результате действия сил: 1) тяжести и 2) выталкивающей архимедовой подогретые легкие и тяжелые верхние слои стремятся поменяться местами. До какого-то момента этим внутренним движениям противодействует внутреннее трение — вязкость, но при достижении некоторой критической разницы температур возникает организованный конвекционный поток и поверхностный слой масла вдруг, скачком, разделяется на правильные шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты.

Чем-то похож и процесс самоорганизации в тонком (доли микрометра) слое расплава на поверхности сильно нагретого кристалла кремния. Большие значения разницы температур на поверхности расплава и теплового потока обусловили образование множества одинаковых микрокапель и кооперативное их поведение — согласованное движение вдоль направления, совпадающего с разницей температур на поверхности кристалла в расплавленном слое.

Интересна и модель атмосферных процессов Э. Лоренца. Конвективное движение молекул воздуха в атмосфере возникает в результате совместного действия гравитационного поля Земли и разницы температур, создаваемой внешним источником тепла, например океаном, нагретым Солнцем. В результате создаются конвективные потоки нагретого воздуха вверх и холодного воздуха — вниз. Это типичный хаотический процесс, т. е. неорганизованный и случайный. Однако ситуация может существенно измениться, если разница температур превысит некоторое критическое значение. Тогда в общей атмосфере могут образовываться такие зоны, области, внутри которых теплый воздух поднимается вверх, а по краям этих зон холодный воздух движется вниз. Это приводит в саморегуляции теплового потока, и в целом возникает уже упорядоченное макроскопическое движение воздуха. Хаотическое движение становится упорядоченным. Хаос превращается в порядок.

Другой пример относится к самопроизвольным периодическим химическим реакциям, впервые открытым Б. Белоусовым в 1951 г., в которые никто из химиков не хотел поверить, т. к. из традиционной химии известно, что химические реакции необратимы. Суть периодических реакций (как и в моделях Лоренца и Бенара) — в возникновении организованных потоков и структур, но только реализованных в химических реакциях, где важную роль играл специфический катализатор. При реакции окисления лимонной кислоты с присутствием такого катализатора в определенной последовательности возникали окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. Подобные реакции в дальнейшем широко исследовали и использовали для разных веществ, и они получили название реакций Белоусова – Жаботинского (химические часы).

Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других классах открытых неравновесных систем обещает быть успешным: механизм действия лазера, рост кристаллов.

В масштабах Вселенной самоорганизация проявляется в эволюции космологических сильнонеравновесных систем. Процессы самоорганизации имеют место и при формировании геологического облика Земли (геологическая эволюция). Живой организм, биологический вид, популяция, экосистема и биосфера представляют собой открытые системы, далекие от равновесия, которые характеризуют определенной упорядоченностью. К процессам самоорганизации относятся кооперативное поведение насекомых, эффекты самодостраивания (регенерация живых тканей, интуиция в процессе мышления) и вся жизнь на Земле, а также ее возникновение (3).

9.1.4. Синергетика — теория самоорганизации. К

Кстати, американские студенты-физики, чтобы лучше запомнить законы термодинамики, заучивают следующую фразу: «Если первый закон утверждает, что вы не можете выиграть, то второй закон говорит, что у вас даже нет шанса остаться при своих».

лассическая термодинамика и проблемы «порядка и беспорядка в природе». В классической науке (XIX век) господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле означало неупорядоченность, т. е. хаос. Такой взгляд сформировался под воздействием образцовой физической дисциплины — равновесной термодинамики (см. раздел 5.2. «Энтропия и вероятность». Ч. 1. С. 135). Эта наука занимается процессами взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны. Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно (см. 2-й закон термодинамики). Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность! Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не происходит. Вот эту односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало.

Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие — энтропия. Как вы помните, под энтропией стали понимать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (т. е. с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это наиболее простое состояние системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное динамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Получается, что необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую. Эта тепловая энергия рассеется, т. е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь.

Но если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как же она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Однако этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, так как формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался. Кроме того, получалось, что дарвиновская парадигма эволюции жизни — от простых форм к сложным, более упорядоченным — противоречит этой физической модели классической термодинамики. Живая природа почему-то не «хотела» выполнять законы термодинамики. Это несоответствие некоторым образом удивляло ученых.

Удивление это многократно возросло после замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов — от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем. Ведь если принцип энтропии так универсален, то как же могли возникнуть такие сложные структуры?

Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться (11).

Основная идея неравновесной термодинамики и синергетики. На волне вышеописанных проблем и возникла синергетика — теория самоорганизации. Ее разработка началась несколько десятилетий назад, и в настоящее время она развивается по нескольким направлениям:

• синергетика, основоположник — немецкий физик Герман Хакен (род. 1927), специалист в области физики лазеров и нелинейной оптики,

• неравновесная термодинамика, основоположник — Илья Пригожин (род. 1917) — бельгийский физик.

Не будем вдаваться в детали и оттенки развития этих направлений, охарактеризуем общий смысл предлагаемого ими комплекса идей, называя их синергетическими (термин Г. Хакена).

Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный синергетикой, можно выразить следующим образом:

• процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равноправны,

• процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации.

Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют, по меньшей мере, двум условиям:

• они должны быть открытыми, т. е. обмениваться веществом и энергией с внешней средой,

• они должны также быть существенно неравновесными, т. е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики — это определенная идеализация, в реальности такие системы исключение, а не правило. Сложнее со всей Вселенной в целом: если считать ее открытой системой, то что может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум (9).

Пути развития систем согласно синергетическим понятиям. Синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдается две фазы:

• период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию,

• выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке (ее называют бифуркацией) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана — решает случай! Но после того как «выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер.

Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем, однозначно спрогнозировать нельзя.

На рис. 25 показана диаграмма, отображающая развитие системы. По оси ординат показана интенсивность потока системы. Это, например, поток в масле с металлическим опилками в опыте с ячейками Бенара, или конвективный поток молекул в модели Лоренца атмосферных процессов и т. д. По оси абсцисс показана обобщающая движущая поток сила. Это соответственно перепад температур между верхним и нижним слоем масла (ячейки Бенара), перепад давления (в модели Лоренца). В результате движущих сил и возникают потоки тепла, вещества и т. д.

I, II, III — зоны различных состояний системы.

Наглядными примерами образования структур нарастающей сложности являются описанные выше в разделе «Самоорганизация в живой и неживой природе» процессы (С. 105). В дополнение к рассмотренным примерам существования бифуркаций можно привести и другие примеры из явлений природы и техносферы. Природный электрический разряд в атмосфере Земли — молния имеет вид зигзагообразных вспышек, точки поворота которых тоже есть бифуркация. Усталость металла в машинах и механизмах и последующая их поломка — накопление дефектов и смена упорядоченного состояния на неупорядоченное — это тоже бифуркация (не предсказуемо, где сломается, где порвется) (3).

9.1.5. Синергетика в политических системах, психологии, истории, спорте. В политической структуре общества также возможна самоорганизация (самоуправление) вплоть до локальных гражданских систем и даже с представлением политических и экономических инициатив рядовым гражданам. Однако многие демократические идеалы (многопартийность, мажоритарный принцип избирания властей, либерализация экономики и т. д.) оказались социально не эффективными из-за отсутствия настоящей самоорганизации на местах. Именно поэтому и возникают точки бифуркации в развитии социума, угрожая его деградацией, распадом. В связи с этим возрастает необходимость понимания роли самоорганизации для повышения оптимальных качеств социума.

Можно привести примеры и из области психологии. Вы помните не очень давние российские очереди за дефицитным товаром? Если хвост очереди невелик, товара достаточно, то напряжение невелико и система находится на участке устойчивого равновесия. Это означает, что в очереди соблюдается порядок, благодаря которому каждому достается равная с остальными доля. Любые попытки отдельных несознательных граждан обойти порядок естественным образом пресекаются — равновесие в системе устойчиво. А что произойдет, если продавец объявит, что торговля подходит к концу? Напряжение в очереди резко возрастет, система окажется в состоянии неустойчивого равновесия — стоит только кому-нибудь одному попытать счастья в обход очереди, как это произведет эффект детонатора — порядок оказывается безвозвратно утерянным, система разделяется на группы: одной, благодаря их физической силе и наглости, достанется все, другая окажется оттесненной. При чрезмерном напряжении состояние «порядка» в очереди становится неустойчивым.

Можно рассмотреть с этой точки зрения и историческую ситуацию. В 1380 году на Куликовом поле сошлись полки Древней Руси и войско степных кочевников, державших уже три века княжества Руси под своим игом. Битва длилась долгое время, не принося никому преимущества. Напряжение нарастало, но паритет противоборствующих сторон сохранялся. Когда напряжение достигло высшей точки (бифуркации!), неожиданно появился засадный полк русского князя, внесший замешательство в лагерь противника и обративший его в бегство. Интересно, что сам по себе засадный полк не представлял значительной силы. Если бы он участвовал в битве с самого начала или был введен в бой раньше времени, то не оказал, скорее всего, никакого влияния на результат. Все дело оказалось в том, что этот полк был задействован именно в тот момент, когда система оказалась за критической точкой, в состоянии неустойчивого равновесия. Он оказался тем малым управляющим параметром, который и вызвал резкий перелом событий в системе противоборствующих сторон.

Любопытный пример изменения состояния можно привести из психологии спорта айкидо. Этот японский вид единоборства основывается на неожиданности поведения спортсмена. Борец должен победить не за счет большой физической силы или мощного удара. Борец айкидо вообще не должен себе позволить нападение на человека. Цель борца айкидо — своими неожиданными движениями вывести нападающего на него соперника из состояния равновесия. После этого противника можно будет обезоружить и уронить движением, которое не потребует большой силы. Высшим мастерством считается добиться победы, совершенно не касаясь соперника!

Самоорганизующимся системам нельзя навязывать пути их развития. Тут важнее понять пути совместной жизни природы и человека, пути их совместной эволюции, коэволюции. В точках бифуркации маленькое случайное изменение может привести к сильному возмущению системы. Здесь главное — не сила, а правильная топологическая конфигурация, некая архитектура воздействия на сложную систему. Малые, но правильно организованные резонансные воздействия на такие системы очень эффективны. Тысячу лет назад это современное представление синергетики выразил в озадачивающей форме основатель даосизма Лао-Дзы: слабое побеждает сильное, мягкое побеждает твердое, тихое побеждает громкое и т. д. В целом же, как отмечал И.Р. Пригожин, «наша Вселенная следует по пути, включающем в себя последовательности бифуркаций. В то время как другие миры могли избрать другие пути, нам повезло, что наша Вселенная направилась по пути, ведущему к жизни, культуре и искусствам».