5.2. Синергетика – объединяющая концепция современной научной картины мира

Это вопиющее противоречие было разрешено только после того, как физика повернулась к рассмотрению открытых систем, т. е. систем, обменивающихся с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Выяснилось, что при определенных условиях в открытых системах возможны процессы самоорганизации, сопровождаемые процессами диссипации (от лат. dissipatio – рассеяние) энергии, т. е. перехода части энергии упорядоченных процессов в энергию процессов неупорядоченных и, в конечном итоге, в теплоту. Таким образом, понимание процессов самоорганизации оказалось связанным с изучением взаимодействия открытых систем с окружающей средой.

Стало очевидным, что признание наличия у материи наряду с тенденцией к дезорганизации также и созидательной тенденции позволяет создать новую, непротиворечивую картину мира. Речь идет о способности материи, говоря на языке механики, совершать работу против термодинамического равновесия, т. е. самоорганизовываться и самоусложняться. Так возникла синергетика, или теория самоорганизации.

Видными теоретиками синергетики, ее создателями считаются немецкий физик Герман Хакен и бельгийский физико-химик И. Р. Пригожин, русский по происхождению. Если Г. Хакен пришел к идее синергетики, изучая так называемые кооперативные (коллективные) процессы в твердотельных лазерах, то И. Р. Пригожин – от исследования специфических химических реакций, приводящих к образованию упорядоченных пространственных структур. Заметим, что сам термин «синергетика», который был введен Г. Хакеном (от греч. sσιυεργεια – совместное действие), отражает именно коллективный характер упомянутых процессов. Признание способности систем к самоорганизации отнюдь не отвергает действия деградационных процессов. Общий смысл понятия синергетики определяется поэтому следующим образом:

– процессы эволюции и деградации во Вселенной равноправны;

– эволюционные процессы, т. е. процессы нарастания упорядоченности и сложности не зависят от природы систем, в которых они происходят.

Речь, таким образом, идет о некотором универсальном механизме, в соответствии с которым осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе. Подчеркнем, что под самоорганизацией понимается спонтанный, самопроизвольный переход открытой неравновесной системы любой природы к более высокому уровню упорядоченности. Итак, теория самоорганизации имеет объектами исследования системы, отвечающие как минимум двум условиям. Они должны быть открытыми, т. е. иметь канал обмена с внешней средой, и существенно неравновесными, т. е. значительно отклоняться от состояния термодинамического равновесия. Именно таким и является большинство реальных систем.

Очевидно, что если система находится в состоянии термодинамического равновесия, то она обладает максимальной энтропией, т. е. максимально дезорганизована. Если же она находится вдали от точки равновесия, то приоритет получает процесс уменьшения энтропии, т. е. происходит самоорганизация. Чем же определяется грань между двумя противоположными направлениями изменения системы? Всё дело в интенсивности диссипации: если использованная системой энергия рассеивается в окружающую среду и восполняется свежей энергией из нее, то это и свидетельствует о нахождении системы в существенно неравновесном состоянии, т. е. о ее способности к самоорганизации.

В связи с диссипацией энергии можно говорить о том, что любая система производит энтропию, только из открытой и существенно неравновесной системы энтропия выводится и рассеивается в окружающую среду, а в изолированной или близкой к равновесию системе энтропия накапливается. Здесь снова проявляется роль окружающей среды в отборе структур, способных к самоорганизации или эволюции. В этой связи возникает вопрос о том, является ли сложнейшая из всёх возможных систем – Вселенная – открытой и неравновесной. Что, при положительном ответе на этот вопрос, служит для нее внешней средой? Согласно воззрениям современной квантовой физики, для вещественной Вселенной такой средой является физический вакуум.

Физический вакуум вводится в квантовой теории как низшее энергетическое состояние квантованных полей, для которого характерно отсутствие каких-либо реальных частиц. Все квантовые числа такого состояния равны нулю. Однако состояние физического вакуума рассматривается не как простое отсутствие электромагнитного поля (вследствие отсутствия заряженных частиц), а как одно из возможных состояний поля, обладающее определенными свойствами, которые могут проявляться на опыте. Понятие физического вакуума тесно связано с соотношением неопределенностей между энергией и временем, из которого следует невозможность одновременного равенства нулю и числа частиц, и напряженностей электрического и магнитного полей. При взаимодействии реальных частиц с физическим вакуумом из него рождаются, а затем аннигилируют виртуальные пары частиц – античастиц (например, электрон-позитронные пары).

Виртуальными частицами в квантовой теории называются частицы, имеющие такие же квантовые числа, как и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычное, справедливое для реальных частиц, соотношение между энергией и импульсом. Поэтому виртуальные частицы могут существовать только в промежуточных (имеющих малую длительность) состояниях, что препятствует их экспериментальной регистрации. Особая роль виртуальных частиц состоит в том, что они являются переносчиками взаимодействия. В частности, два электрона взаимодействуют посредством испускания одним из них и поглощения другим виртуального фотона. Понятие физического вакуума является в квантовой теории одним из основных, так как его свойства определяют свойства всех остальных состояний, поскольку любое из них может быть получено из вакуумного вследствие рождения частиц.