1.2 Переход от хаоса к порядку

Статистические законы описывают поведение систем - ансамблей, которые состоят из большого числа элементов. В этих ансамблях возникают события, имеющие во многом случайный характер, например, для молекул в газе или растворе при концентрации 1019 молекул в см3, для особей в биологических популяциях, например, содержащих 109 китайцев. Поэтому статистические предсказания носят не абсолютно достоверный, а вероятностный характер. Статистические закономерности возникают как результат взаимодействия большого числа элементов, составляющих ансамбль. Поэтому они характеризуют не столько поведение отдельных элементов, сколько ансамбля в целом. Необходимость, которая проявляется в статистических законах, возникает благодаря проявлению и взаимной компенсации множества случайных факторов. Если нет детерминации, то реализация любого выбранного состояния системы может быть рассмотрена как процесс случайного перехода от «хаоса» к порядку. В переносном смысле понятие «хаос» означает отсутствие порядка, беспорядок, неразбериху. Хаосом в древнегреческой мифологии также называлась беспредельная первобытная масса, из которой впоследствии образовалось все существующее. Оба значения понятия «хаос» интересны для сегодняшнего естествознания. Хаотизация систем приводит к отсутствию локальных и других неоднородностей, к отсутствию процессов переноса массы, энергии, тепла, движения и т.п. в системе. Иными словами к установлению в системах устойчивого равновесия. Что это означает? Брошенный в пруд камень приводит к появлению на поверхности воды расходящихся и угасающих кругов. Через некоторое время, необходимое для релаксации [релаксация - процесс установления равновесия) системы, круги исчезнут и поверхность пруда опять станет ровной. Энергия, переданная камнем водной поверхности, в процессе диссипации (рассеяния) превратится в тепло, частички воды будут снова хаотизированы. То есть ровная поверхность пруда - признак того, что он находится в равновесии или хаотизирован. Возбуждение, переданное пруду камнем, приводит к установлению некоторого порядка - состояния, при котором существуют затухающие колебания на поверхности воды, являющиеся неким новым «объектом» для пруда. В этом примере мы видим, что внешнее воздействие на короткий отрезок времени перевело хаос в «порядок».

Обычно рассматривают термодинамическое равновесие (термодинамика - раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, такие как температура, давление, объем) для закрытых систем, т.е. не обменивающихся с другими системами ни энергией, ни веществом. Примером может служить идеальный газ, находящийся в изолированном объеме, молекулы газа хаотизированы - не имеют выраженного направления движения и распределены равномерно по всему объему, двигаются хаотически, участвуя в т.н. «броуновском движении». В реальном мире подобных систем не существует, любая система при внимательном рассмотрении должна быть представлена в виде термодинамически открытой системы, обменивающейся с внешним окружением, как минимум, теплом. В этом случае равновесие системы и его устойчивость зависят от флуктуации какого-либо параметра. Например, при вакуумной откачке объемов в сильно разреженном газе плотность молекул на входе вакуумного насоса намного меньше средней по объему, в результате равновесие системы газовых молекул нарушается и возникает поток откачки, статистически направленный внутрь вакуумного насоса. Можно говорить о том, что хаос газовых молекул приведен в «порядок» - их движение упорядочено и ориентировано в направлении к насосу. В неустойчивом состоянии (в синергетике это динамическое состояние системы называется бифуркацией) система может перейти в произвольное непредсказуемое состояние, которое устойчиво до времени возникновения новой бифуркации и т.д. Примером подобной самоорганизации является переход ламинарного (отлат. lamina - тонкий слой) спокойного слоистого течения газа или жидкости в турбулентное (от лат. turbulentus - беспорядочный).

Проведенные исследования показали, что внешне беспорядочное турбулентное течение, не имеющее определенных линий тока, с завихрениями и колебаниями вихрей обладает очень сложной упорядоченной структурой внутри завихрений. Внешняя среда отражающая три возможности перехода систем от состояния «хаоса» к состоянию «порядок». Три возможности рассматриваются по аналогии с вариантами равновесия механических систем (шарик в ямке, шарик на горке, шарик на плоскости). Под «хаосом» здесь подразумевается система в равновесном состоянии, под «порядком» - система в неравновесном, например, в возбужденном состоянии. Иллюстрацией варианта а) служит пример с камнем, брошенным в пруд. В этом примере происходит диссипация внешней энергии; неустойчивые системы переходят из состояния «хаос» к состоянию «порядок» через бифуркации, с развитием неравновесия и образованием новых структур по варианту б), в котором внешняя энергия не только компенсирует потери на диссипацию, но и освобождает часть внутренней энергии системы, в результате чего элементы системы действуют совместно (синергетически) спонтанно при образовании упорядоченных структур, например, завихрений в турбулентном потоке; вариант в), в котором внешняя энергия прямо идет на создание новых структур, может быть проиллюстрирован явлением, происходящим в калейдоскопе (трубке с зеркальными пластинами и осколками разноцветного стекла, в которой при встряхивании можно наблюдать сменяющиеся симметричные цветные узоры). Особое значение синергетический подход приобрел при изучении эволюции биологических систем, для которых их открытость в термодинамическом смысле имеет принципиальное значение. Если при изучении систем в физике можно с хорошим приближением использовать идеализацию изолированной системы, то в биологии это невозможно, т.к. всякий биологический живой организм функционирует во взаимодействии со средой своего обитания. При установлении эволюционной связи между неорганической и органической природой вопрос перехода от «первичного хаоса» к «организованному порядку» является главным. Рассмотрение порождения «хаосом» упорядоченных структур обязательно включает учет качественных переходов - «революционных скачков» в точках бифуркаций, которые приходят на смену равновесным процессам при эволюции «хаоса». Процесс возникновения бифуркаций вблизи расположения «странных аттракторов» (странный аттрактор - область существования системы, в которой произвольным образом исчезает линейность характеристик системы) в системах аналогичен поведению живых организмов, например, высшие животные руководствуются не только факторами, детерминирующими их поведение, но и такими внутренними импульсами, которые являются спонтанным проявлением свободы их воли. Наличие «странных аттракторов» позволяет сделать вывод о том, что система способна к непредсказуемому изменению даже тогда, когда исходные условия ее существования строго детерминированы. [4, c. 246-249]