
- •Естественнонаучная и гуманитарная культура
- •3. Развитие научных исследовательских программ и картин мира
- •4. Развитие представлений о материи
- •5. Развитие представлений о движении основные сведения
- •6. Развитие представлений о взаимодействии
- •Пространство, время, симметрия
- •7. Принципы симметрии, законы сохранения
- •8. Эволюция представлений о пространстве и времени
- •9. Специальная теория относительности
- •10. Общая теория относительности
- •12. Системные уровни организации материи основные сведения
- •13. Структуры микромира
- •14. Процессы в микромире
- •Примеры тестовых заданий
- •15. Химические системы
- •Примеры тестовых заданий
- •16. Реакционная способность веществ
- •Примеры тестовых заданий
- •18. Принципы воспроизводства живых систем
- •IV. Порядок и беспорядок в природе
- •21. Принцип возрастания энтропии
- •22. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма
- •23. Космология
- •24. Геологическая эволюция
- •25. Происхождение жизни
- •26. Эволюция живых систем
- •28. Генетика и эволюция
- •29 Экосистемы
- •30. Биосфера
- •31. Человек в биосфере
22. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
В природе существует множество примеров возникновения порядка в первоначально беспорядочных структурах. Наиболее явственно и наглядно подобные явления демонстрирует живая природа. Однако и в неживой природе немало процессов, которые протекают в направлении от беспорядка к порядку. Всем знакомые снежинки, обладающие высокосимметричной структурой, образуются из бесструктурного водяного пара. В спокойном течении реки при огибании препятствий или при ускорении течения в области сужения русла могут возникнуть структуры в виде вихрей. Классическим примером образования структур из полностью хаотической фазы в лабораторных условиях являются конвективные ячейки Бенара. Другим примером образования структур являются автоколебания (звуковые, электрические, оптические, в том числе лазерные). Автоколебания возникают и в некоторых химических реакциях. Классическим примером самоорганизации является реакция Белоусо-ва-Жаботинского (периодическое изменение цвета раствора). Известны примеры образования структур и в мегамире (звезды, туманности и т. п.).
В последнее время ученые начинают активно исследовать такие примеры, что, в частности, объясняется их важностью в силу универсального характера. И хотя успехи в этом направлении пока еще весьма скромные по сравнению, например, с исследованиями в физике микромира, многие качественные особенности такого рода задач становятся понятными. Соответствующее научное направление выделилось в отдельную область, для которой Г. Хакен (1973) предложил название синергетика. Предметом этой новой области науки было названо изучение общих принципов функционирования систем, в которых из хаотических состояний самопроизвольно возникают упорядоченные пространственные, временные и пространственно-временные структуры. Синергетика призвана построить физическую модель этих процессов и подобрать для их описания адекватный математический аппарат.
Самоорганизация — это процесс эволюции от беспорядка к порядку. Общие свойства систем, способных к самоорганизации, следующие. Во-первых, все подобные системы должны быть открытыми, т. е. обмениваться с окружающей средой либо веществом, либо энергией или и тем, и другим. Так как в открытых структурах энергия системы может переходить в окружающую среду (теряться), то такие структуры называются диссипатив-ными. Во-вторых, самоорганизация происходит в неравновесных системах, т. е. таких системах, состояние которых в данный момент существенно отличается от теплового равновесия. В-третьих, самоорганизующиеся системы должны быть достаточно большими, т. е. состоять из многих частиц (подсистем). Дело в том, что только в таких системах возможно возникновение флуктуации — макроскопических неоднородностей. В-четвертых, эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. Именно в нелинейных системах малые флуктуации способны возрастать и приводить к бифуркациям.
Самоорганизация имеет пороговый характер. Это означает, что до некоторого значения какой-то физической величины (например, энергии), описывающей состояние рассматриваемой системы, последняя ведет себя «обычным образом», в соответствии с известными динамическими и статистическими законами. При увеличении значений этой физической величины и отклонении от равновесного состояния в системе нарастают флуктуации, неконтролируемые изменения состояния, которые в обычном состоянии достаточно малы. Наконец, в точке бифуркации система скачком переходит в новое состояние с иной структурой, иными свойствами. Обычно в точке бифуркации у системы имеется несколько (обычно две) возможностей образовать новую структуру. Однако предсказать, какая из этих структур реализуется, принципиально невозможно.
Процессы самоорганизации и изучающая их наука синергетика являются основой научной программы, которая охватывает не только естественные, но и гуманитарные науки. Именно эта научная программа призвана построить модель эволюционных процессов самого общего вида. Такой «эволюционный» подход к природе и обществу, к Вселенной в целом получил название универсальный эволюционизм. Основные принципы универсального эволюционизма следующие:
Все в природе существует в развитии.
Эволюционные процессы объективны и познаваемы.
Известные законы природы следует воспринимать как принципы отбора допустимых состояний из всех возможных.
В эволюционных процессах фундаментальную и неустранимую роль играют случайности и неопределенности (в точках бифуркации).
Любое развитие следует рассматривать как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций).
Поведение системы в точках бифуркации непредсказуемо (прошлое влияет на будущее, но не определяет его).
Устойчивость и надежность систем в природе и обществе обусловлены их постоянным обновлением в ходе эволюции.
Окружающую среду не следует рассматривать просто как «термостат», имеет место совместная эволюция (коэволюция) системы и окружающей среды.
ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ
Задание 22.1 (выберите несколько вариантов ответа). Синергетика является ...
Варианты ответа:
Прикладной наукой.
Лженаукой.
Теорией самоорганизации.
Междисциплинарным научным направлением.
Обоснование ответа. Синергетика изучает общие свойства систем, способных к самоорганизации, независимо от природы и структуры этих систем. В этом отношении синергетика близка к теории колебаний, которая также изучает колебательные процессы в системах независимо от того, что представляют собой эти системы. Поэтому из предложенных вариантов ответа следует выбрать третий и четвертый. Несмотря на то что выводы синергетики имеют важное практическое значение, считать эту науку прикладной сейчас вряд ли возможно. И конечно, никак нельзя синергетику считать лженаукой, так как она опирается на широкую эмпирическую базу и развитые теоретические модели.
Правильными являются варианты ответов: 3) теорией самоорганизации; 4) междисциплинарным научным направлением.
Задание 22.2 (выберите несколько вариантов ответа). Процессы самоорганизации происходят ...
Варианты ответа:
При получении новых веществ в замкнутых реакторах.
В ходе развития Земли.
Во всех равновесных реакциях.
В колебательных реакциях Белоусова-Жаботинского.
Обоснование ответа. Процессы самоорганизации происходят в открытых нелинейных системах, находящихся вдали от состояния (теплового) равновесия. В связи с этим следует сразу отбросить первый и третий варианты ответа. Второй и четвертый варианты относятся к процессам, где возможны (и происходят) процессы самоорганизации: это геологическая эволюция, характеризующаяся структурированием первоначально однородного вещества Земли, и химическая колебательная реакция Белоусова-Жаботинского, когда смесь реагентов циклически меняет свой состав и соответственно цвет.
Правильными являются варианты ответов: 2) в ходе развития Земли; 4) в колебательных реакциях Белоусова-Жаботинского.
Задание 22.3 (выберите несколько вариантов ответа).
К числу необходимых условий самоорганизации относятся ...
Варианты ответа:
Неравновесность системы.
Присутствие живых организмов в системе.
Химическая неоднородность системы.
Нелинейность системы.
Обоснование ответа. Процессы самоорганизации происходят в открытых нелинейных системах, находящихся вдали от состояния (теплового) равновесия. Это утверждение позволяет выбрать в качестве подходящих первый и четвертый варианты ответа. Ни химическая неоднородность системы, ни присутствие живых организмов не являются условием возникновения
процессов самоорганизации, что легко иллюстрируется многочисленными примерами.
Правильными являются варианты ответа: 1) неравновесность системы; 4) нелинейность системы.
Задание 22.4 (выберите несколько вариантов ответа).
К закономерностям самоорганизации в любой системе относится ...
Варианты ответа:
Возрастание устойчивости системы перед формированием диссипативной структуры.
Возрастание неустойчивости системы перед формированием диссипативной структуры.
Плавность, постепенность формирования диссипативной структуры.
Внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры.
Обоснование ответа. Самоорганизация в любых системах характеризуется тем, что резко возрастают флуктуационные колебания, система становится неустойчивой и в какой-то момент (точка бифуркации) резко, скачком переходит в новое состояние с другой структурой. Эти свойства самоорганизации описываются вторым и четвертым вариантами ответа.
Правильными являются варианты ответа: 2) возрастание неустойчивости системы перед формированием диссипативной структуры; 4) внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры.
Задание 22.5 (выберите один вариант ответа).
Процессы самоорганизации в открытых системах изучает ...
Варианты ответа:
1. Информатика. 2. Евгеника.
3. Генетика. 4. Синергетика
Обоснование ответа. Как уже неоднократно говорилось выше, синергетика изучает общие свойства систем, способных к самоорганизации, независимо от природы и структуры этих систем. Поэтому выбор варианта ответа в этом задании очевиден.
Правильным является вариант ответа: 4) синергетика.
Задание 22.6 (укажите соответствие между условием и вариантом ответа). Установите соответствие между научной дисциплиной и ее предметной областью:
Термодинамика.
Теория относительности.
Синергетика.
Варианты ответа:
А. Общие закономерности процессов самоорганизации в природных и социальных системах.
Б. Общие пространственно-временные свойства всех природных процессов.
В. Всеобщие принципы бытия, познания, отношений между человеком и миром.
Г. Общие закономерности процессов взаимопревращения различных форм энергии.
Обоснование ответа. Из четырех предложенных вариантов ответа один должен оказаться «лишним», так как в условии задания указаны только три научные дисциплины. Очевидно, этим «лишним» вариантом является вариант В, так как всеобщие принципы бытия, познания, отношений между человеком и миром — это область интересов философии. Что касается оставшихся вариантов, то ясно, что общие вопросы самоорганизации должны быть связаны с синергетикой (3 — А). Теория относительности в широком смысле занимается пространственно-временными свойствами процессов (2 — Б). А термодинамика (точнее, феноменологическая термодинамика) изучает общие закономерности процессов взаимопревращения различных форм энергии (1 — Г).
Правильным является соответствие: 1 — Г; 2 — Б; 3 — А.
Задание 22.7 (укажите соответствие между условием и вариантом ответа). Установите соответствие между научной дисциплиной (исследовательской программой) и ее предметом исследований:
Синергетика.
Биологический эволюционизм.
Универсальный эволюционизм.
Варианты ответа:
A. Происхождение и развитие живых систем.
Б. Универсальные закономерности самоорганизации в природе и обществе.
B. Эволюция и форма существования Вселенной.
Г. Пути преодоления глобального экологического кризиса современности.
Обоснование ответа. Как уже неоднократно указывалось выше, синергетика изучает универсальные закономерности самоорганизации. Биологический эволюционизм занимается вопросами происхождения и развития живых систем. Универсальный эволюционизм рассматривает со своих позиций все вопросы эволюции и формы существования Вселенной. Для четвертого варианта ответа соответствующей научной дисциплины (исследовательской программы) в условии задания нет.
Правильным является соответствие: 1 — Б; 2 — А; 3 — В.
ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ