Экзамен / КСЕ (Концепции современного естествознания) / lekcii_estestvoznanie / 05-КСЕ / КСЕ-Лекции / 09-Синегетика

Лекция 09. Науки о сложных системах: синергетика

1/ Сложные системы в химии

2/ Неравновесные системы 3/ Эволюция и ее особенности

4/ От термодинамики закрытых систем к синергетике

5/ Гипотеза рождения материи

1 Сложные системы в химии

На химию в XX веке возлагалось много надежд, вплоть до провозгла­шения в СССР лозунга: «Коммунизм — это советская власть плюс электрификация всей страны и химизация народного хозяйства». Повышение урожайности сельскохозяйственных культур благода­ря применению минеральных удобрений и ядохимикатов дало воз­можность говорить о «зеленой революции», но это же привело к за­грязнению почв и самих производимых продуктов, так что в большей цене оказались продукты, выращенные «без химии». В промышлен­ности новые химические вещества дали возможность существенно обогатить производственный потенциал, но и это повлекло за собой отрицательные экологические последствия, так как большинство новых химических веществ не усваивалось природной средой и та­ким образом тоже становилось ее загрязнителями. Химия нашла широкое применение в быту, в частности, в косметике (появилось выражение «сделать химию»), что также имело свою обратную эко­логическую сторону.

Но в данном разделе нас интересует то, как химия со своей стороны подошла к изучению сложных систем. Выдающимся до­стижением химии явилось то, что она открыла так называемые цепные реакции еще до того, как в физике был обнаружен радиоак­тивный распад.

Суть цепной реакции Н. Н. Семенов описывает так: «Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора рас­палась на отдельные атомы. Каждый из них активнее первоначаль­ной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водо­рода. Она также двухатомна. Один из ее атомов вместе с атомом хло­ра дает молекулу продукта — хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободен. Теперь он легко вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора... Это повторяется много-много раз, возникает как бы длинная цепь реакций» (И. Пригожий. Краткий миг торжества.-М., 1989.-С. 13).

Советскому ученому Н. Н. Семенову предстояло открыть раз­ветвленные цепные реакции. «Я уже сейчас не помню хорошо, когда у меня мелькнула догадка, что реакция окисления фосфора отлича­ется от реакции хлора с водородом... Не помню, как мне пришла в го­лову главная мысль, что в ходе этой реакции образуются не обычные молекулы пятиокиси фосфора, а молекулы возбужденные — имею­щие избыточную энергию, что и является причиной испускания све­та при соединении фосфора с кислородом. Но иногда возбужденная молекула пятиокиси фосфора может столкнуться с неактивной мо­лекулой кислорода, еще не успев испустить свет. Тогда эта избыточ­ная энергия вызывает расщепление кислородной молекулы на ак­тивные атомы, каждый из которых, в свою очередь, начинает боден-штейновскую прямую цепь реакции окисления фосфорных паров» (Там же.-С. 13-14).

Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению⁴ исследований —г химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.

2 Неравновесные системы

В химии были также открыты колебательные реакции, получив­шие название «химических часов». «Ведь, что, в самом деле, про­исходит? Основа колебательной реакции — наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой — В (синие). Мы привыкли ду­мать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум 'столкновения частиц. По этой логике взаимные превраще­ния А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия дале­ки от равновесных, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Подуча­ется, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макро­скопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сиг­нал, по которому все А или все В реагируют разом». Такое поведе­ние традиционно приписывалось только-живому — теперь же яс­но, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых» (Там же.-С. 313-314).

Отличия неравновесной структуры от равновесной заключа­ется в следующем:

1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное по­ле и т. п.).

2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории.

3. Приток энергии создает в системе порядок, и стало быть эн­тропия ее уменьшается.

4. Наличие бифуркации — переломной точки в развитии си­стемы.

5. Когерентность: система ведет себя как единое целое и как ес­ли бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекуляр­ного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10~⁸ см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии систе­мы в целом.

Различают также области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом сущест­венно меняется, что можно представить в таблице: Неравновесная область Равновесная область

1. Система «адаптируется» к внешним 1. Для перехода из одной структуры условиям, изменяя свою структуру. кдругой требуются сильные возмуще­ ния или изменения граничных условий.

2. Множественность стационарных 2. Одно стационарное состояние, состояний.

3. Чувствительность к флуктуациям 3. Нечувствительность (небольшие влияния приводят к большим к флуктуациям. последствиям, внутренние флуктуации

становятся большими).

4. Неравновесность — источник порядка 4. Молекулы ведут себя независимо (все части действуют согласованно) друг от друга.

м сложности.

5. Фундаментальная неопределенность 5. Поведение системы определяют ли- яоведения системы, нейные зависимости.

Будучи предоставлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне, система стремится к состоянию равновесия — наибо­лее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной ну­лю. Пример равновесной структуры — кристалл.

К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. сис­темы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу си­стемы носят название открытых.

Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.

3 Эволюция и ее особенности

ЭВОЛЮЦИЯ (от лат. evolutio — развертывание), в широком смысле — представление об изменениях в обществе и природе, их направленности, порядке, закономерностях; определяет состояние какой-либо системы рассматривается как результат более или менее длительных изменений ее предшествовавшего состояния; в более узком смысле — представление о медленных, постепенных изменениях в отличие от революции.

Понятие хаоса в противоположность понятию космоса было изве­стно древним грекам. Пригожий и Стенгерс называют хаотически­ми все системы, которые приводят к несводимому представлению в терминах вероятностей. Другими словами, такие системы нельзя описать однозначно детерминистично, т. е. зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент сле­дующий.

«Экстраполяция динамического описания... имеет наглядный образ — демон, вымышленный Лапласом и обладающий способнос­тью, восприняв в любой данный момент времени положение и ско­рость каждой частицы во Вселенной, прозревать ее эволюцию как в будущем, так и в прошлом». В контексте классической динамики де­терминистическое описание может быть недостижимым на практи­ке, тем не менее оно остается пределом, к которому должна сходить­ся последовательность все более точных описаний» (И. Пригожий, И. Стенгерс. Порядок из хаоса.- М., 1986.- С. 124).

Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необра­тимость, вероятность и случайность становятся объективными свой­ствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микро­уровне, как было установлено в квантовой механике.

«Модели, рассмотрением которых занималась классическая физика, соответствуют, как мы сейчас понимаем, лишь предель­ным ситуациям. Их можно создать искусственно, поместив систему в ящик и подождав, пока она не придет в состояние равновесия. Искусственное может быть детерминированным и обратимым. Есте­ственное же непременно содержит элементы случайности и нео­братимости... Материя — более не пассивная субстанция, описыва­емая в рамках механистической картины мира, ей также свойст­венна спонтанная активность»(Там же.- С. 50) / «Если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые хаотичес­кие системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и буду­щим» (И. Пригожий, И. Стенгерс. Время, хаос, квант.- М., 1994*-С. 255-256), т. е. «стрелу времени». «Будущее при нашем подходе пе­рестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означа­ет конец классического идеала всеведения. Мир процессов, в котором мы живем и который является частью нас, не может более отвергать­ся как видимость или иллюзия, определяемая нашим ограниченным способом наблюдения. На заре западного мира Аристотель ввел фун­даментальное различие между божественным и вечным небесным ми­ром и изменяющимся и непредсказуемым подлунным миром, к кото- рому принадлежит и наша Земля. В определенном смысле классиче­ская наука была низведением на Землю аристотелевского описания небес. Преобразование, свидетелями которого мы являемся сегодня, можно рассматривать как обращение аристотелевского хода; ныне мы возвращаемся с Земли на небо» (Там же.- С. 20).

Эволюция должна удовлетворять трем требованиям:

1) нео­братимость, выражающаяся в нарушении симметрии между про­шлым и будущим;

2) необходимость введения понятия «событие»;

3) некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.

Условия формирования новых структур:

1) открытость систе­мы;

2) ее нахождение вдали от равновесия;

3) наличие флуктуации.

Чём сложнее система, тем более многочисленны типы флукту­ации, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах сущест­вуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивос­тью из-за флуктуации, зависит порог устойчивости системы.

Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состо­яние, называемое точкой бифуркации.

БИФУРКАЦИЯ (от лат. bifurcus — раздвоенный), в биологии— раздвоение, вилообразное разделение, напр. трахеи на 2 главных бронха.

В ней система становится не­устойчивой относительно флуктуации и может перейти к новой об­ласти устойчивости, т. е. к образованию нового вещества. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эво­люции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке нача­лом эволюции в совершенно новом направлении, который резко из­менит все ее поведение. Это и есть событие.

В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остает­ся от системы, на новый путь развития, а после того, как один из мно­гих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерми­низм и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.

По мнению Пригожина и Стенгерс, большинство систем от­крыты — они обмениваются энергией или веществом или информа­цией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчи­вость и неравновесность, т. е. все системы непрестанно флуктуиру­ют. В особой точки бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принци­пиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хао­тическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который они назвали диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.

Диссипативные структуры существуют лишь постольку, по­скольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следователь­но, производит энтропию. Из энергии возникает порядок с увеличе­нием общей энтропии

ДИССИПАЦИЯ (лат. dissipatio), рассеяние. ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ (от лат. «диссипацио» — рассеивание) — новые структуры, требующие для своего становле­ния большого количества энергии.

Таким образом, энтропия - не просто безос­тановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думали сторонники «тепловой смер­ти» Вселенной), а при определенных условиях становится прароди­тельницей порядка.

С одними и теми же граничными условиями оказываются сов­местимыми множество различных диссипативных структур. Это — следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последстви­ям. Следовательно, граничные условия необходимы, но не достаточ­ны для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие к «выбору» од­ной из возможных структур. Именно поэтому (а также в силу некото­рых других причин) мы и приписываем таким системам определен­ную «автономию», или «самоорганизацию».

Исследования, о которых только что говорилось, проводятся в рамках науки, получившей название синергетики.

^;

4 От термодинамики закрытых систем к синергетике

Классическая термодинамика XIX века изучала механическое дей­ствие теплоты, причем предметом ее исследований были закрытые системы, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика XX века изучает открытые системы в состояниях, далеких от равнове­сия. Это направление и получило название синергетики (от «синер­гия»—сотрудничество, совместное действие).

Синергетика сформулировала принцип самодвижения в нежи­вой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела слу­чайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выво­ды механики для микроскопического уровня. Синергетика подтверди­ла вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.

С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Веще­ство — это застывшая энергия. Энергия - понятие, характеризую­щее способность производить работу, но энергия сейчас может пони­маться не только в смысле механической работы, но и как созидатель новых структур.

Энтропия — это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия — творец, энтропия — мера творчества. Она характеризует результат.

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эво­люция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества при­роды. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «Дайте мне энергию, и я создам мир».

5. Гипотеза рождения материи

Новая наука, которая сначала называлась термодинамикой откры­тых систем, а затем получила название синергетика, изменила пред­ставление о мире. Мы говорили о моделях Вселенной и могли пони­мать, что Вселенная появилась после того, как некое существо нажа­ло на кнопку. Физика XX века сначала изменила отношение к тому, что считать материей и как она соотносится с пространством и вре­менем, а в конце XX века по-новому взглянула на процесс развития. Развитие понимается в синергетике как процесс становления каче­ственно нового, того, что еще не существовало в природе и предска­зать которое невозможно.

На пороге XXIвека наука подошла к тому, чем всегда занима­лась мифология — к вопросу о происхождении мира и материи. Ки­бернетика решает проблему рождения разума, синергетика — про­блему рождения материи. Механизм, который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркаций, экспо­ненциальный процесс до определенного момента.

Дуализм ньютоновской Вселенной (с одной стороны, прост­ранство-время, с другой — материя) сменился эквивалентностью пространства-времени и материи в уравнениях Эйнштейна. .«Предлагаемая нами модификация уравнений Эйнштейна, учитывающая рождение материи, выражает «неэквивалентность» материи и про­странства- времени. В нашем варианте уравнения Эйнштейна уста­навливают взаимосвязь не только между пространством- временем и материей, но и энтропией. Вводимый нами космологический меха­низм приводит к необратимому «разделению фаз» между материей и гравитацией. В первоначальном вакууме они смешаны, в сущест­вующей ныне Вселенной мы наблюдаем материю, переносчик грави­тации, «плавающей» а пространстве-времени* Фундаментальная двойственность нашей Вселенной представляется нам сегодня ре­зультатом первичного всплеска энтропии» (И. Пригожий, И. Стен- герс. Время, хаос, квант...- С. 238). Причиной всплеска энтропии мо­жет быть распад чего-то высокоорганизованного, что заставляет вспомнить стоиков, Плотина и «Веды».

Основным понятием предстает понятие неустойчивости. Если что-то есть, то устойчивость невозможна. Возникает спонтанная флуктуация. Так из хаоса (неустойчивости) рождается космос. При спонтанной флуктуации поля начинается самопроизвольный про­цесс порождения частиц вплоть до какого-то момента, когда он пре­кращается. Частицы порождаются энергией по модели, сформули­рованной в синергетике.

Первые частицы, которые появились, были нестабильными элементарными частицами без массы покоя и с кратчайшим време­нем существования. Затем они превратились в стабильные, сущест­вующие поныне. Нестабильные частицы Пригожий отождествляет с черными мини-дырами, которые распадаются на обычную материю и излучение.

«Существует некоторая аналогия с переохлажденной жидкос­тью и пороге перехода в кристаллическое состояние. Мы можем на­блюдать в переохлажденной жидкости флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристаллов, которые то появляются, то сно­ва растворяются. Но если образуется крупный кристалл, то происхо­дит необратимое событие: кристаллизация всей жидкости... Анало­гично, очень малая вероятность критической функции в вакууме Минковского указывает на то, что стрела времени уже существует в нем в латентной, потенциальной форме, но проявляется, только когда неустойчивость приводит к рождению Вселенной. В этом смысле вре­мя предшествует существованию Вселенной» (там же, с. 238).

В модели Пригожина имеет место производство энтропии, пропорциональное скорости рождения частиц. И преобразование пространства- времени производит энтропию. Причем сначала воз­никает пространство- время, а затем оно производит частицы, по­скольку процесс производства пространства- времени из материи невозможен.

Итак, последовательность рождения материи из ваку­ума:

спонтанная флуктуация
	точка бифуркации
		черные ми­ни-дыры
			пространство-время
				частицы

Квантовый вакуум отличается от ничто тем, что имеет универ­сальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства. Тут вспоминаются и Абсолютная Идея Гегеля, и «мир идей», и «пус­тота» буддистов. Философских аналогов очень много.

Модель рождения материи Пригожина принадлежит к классу неустойчивых вероятностных систем. Конец рождения материи свя­зан с временем жизни черных мини-дыр. Высшая цель данной «иг­рушечной модели» — построение «дарвиновской теории» элемен­тарных частиц.

Какова судьба Вселенной, исходя из данной гипотезы? «Стан­дартная модель предсказывает, что в конце концов наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия («страшный треск»). Для Вселенной, родившейся под знаком неус­тойчивости из вакуума Минковского, это уже не так. Ничто не меша­ет нам предположить возможность повторных неустойчивостей» (Там же.- С. 244-245). Размеры Вселенной растут в модели Пригожи-на по экспоненте как следствие неустойчивости вакуума. В резуль­тате расширения Вселенной при нерождении материи Вселенная приближается к первоначальному состоянию вакуума. Потом воз­можна новая флуктуация.

«Эйнштейновская космология стала венцом достижений клас­сического подхода к познаваемости- В стандартной модели материя задана: она эволюционирует только в соответствии с фазами расши­рения Вселенной. Но, как мы видели, неустойчивость возникает, сто­ит нам только учесть проблему рождения материи. Таким образом, особая точка Большого Взрыва заменяется рождением материи и кривизны пространства-времени. Эйнштейновское пространство-время, соответствующее искривленной Вселенной, при нашем под­ходе возникает как следствие необратимых процессов. Стрела вре­мени становится принципиально важным элементом, лежащим в ос­нове самих определений материи и пространства-времени. Однако наша модель не соответствует рождению стрелы времени из «ниче­го». Космологическая стрела времени уже предполагается неустой­чивостью квантового вакуума» (Там же.- С. 257-258).

Наконец, еще один вопрос: можно ли создать единую теорию физики, или, как ее называют еще, «теорию всего». «Если такая уни­версальная теория когда-нибудь будет сформулирована, она долж­на будет включать в себя динамическую неустойчивость и таким об­разом учитывать нарушение симметрии во времени, необратимость и вероятность. И тогда надежду на построение такой «теории всего», из которой можно было бы вывести полное описание физической ре­альности, придется оставить» (там же, с. 245). Другими словами, нет знания, которое овладело бы универсальным ключом ко всем без ис­ключения явлениям природы.