Концепция развития

В развитии открытых неравновесных систем любого уровня сложности различают два этапа: эволюционный и скачок, выводящий систему из кризисного состояния в качественно новое, устойчивое, с более высоким уровнем упорядоченности.

Эволюционные этапы описываются линейными уравнениями и весьма жестко детерминированы. Поведение системы предсказуемо и управляемо, если имеются необходимые средства.

В критических точках (точках бифуркации) господствует случайность. Состояние системы на этом этапе описывается нелинейными уравнениями. В таких точках нельзя предугадать новое устойчивое состояние, в которое система перейдет в ходе скачка. А следующий эволюционный этап стартует именно от случайного перехода системы на новый уровень. Точка бифуркации образно предстает в виде перекрестка с несколькими ответвлениями пути, и на нем выбор пути означает выбор судьбы.

Концепция самоорганизации и термодинамика

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс.

Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии.

Второй закон термодинамики: невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. В наиболее простой форме этот закон можно сформулировать в следующей форме: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.

Немецкий физик Р. Клаузиус ввел понятие энтропии, а австрийский физик Л.Больцман интерпретировал его как изменение порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе.

С использованием понятия энтропии второй закон термодинамики формулируется следующим образом: энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, пока не достигнут точки термодинамического равновесия.

Такое понятие об эволюции системы отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Ч.Дарвина. Дарвинская эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации. В термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией. Это противоречие оставалось неразрешимым до 60-х годов двадцатого века, когда появилась неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов.

Кроме того, имелось и второе противоречие. Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы. Р. Клаузиус распространил законы термодинамики и на Вселенную: энергия Вселенной всегда постоянна; энтропия Вселенной всегда возрастает. Следовательно, все процессы направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, а значит, тепловая смерть Вселенной неизбежна.

Только в 60-е годы двадцатого века стало ясно, что закрытые системы – не более чем идеализация, а все реальные системы являются открытыми, то есть обмениваются с окружением веществом, энергией, информацией.

В открытых системах также производится энтропия, т.к. в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, а выводится в окружающую среду. Таким образом, открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. Отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия.

Материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. С поступлением новой энергии или вещества неравновесность системы возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается, между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению ее элементов. Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощное оптическое излучение. Хаотические колебательные движения его частиц благодаря поступлению энергии извне, при достаточной его «накачке», приводятся в согласованное движение, которое и обеспечивает мощность лазерного излучения.

Герман Хакен, изучая процессы самоорганизации в лазере, назвал новое направление исследований синергетикой. Самоорганизация в химических реакциях исследовалась Белоусовым и Жаботинским. Бельгийский ученый Илья Пригожин создал теоретическую модель самоорганизующихся систем, которой дал название «брюсселятор».

Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы имеет огромное научное и философское значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого «здания материи», то есть способность к самоорганизации является фундаментальным свойством материи.