7.3. Энтропия и информация
В отличие от термодинамики, где под энтропией понимают меру беспорядка изолированной системы, в ОТС энтропия означает величину разнообразия системы. Под разнообразием понимается степень неопределённости, возникающей при выборе из большого числа вариантов. Системы обладают высокой или низкой энтропией (разнообразием, неопределённостью, неупорядоченностью). Для уменьшения энтропии необходимо уменьшить существующую неопределённость, что достигается путём получения информации. Информация характеризуется специальной величиной, связанной с числом возможных вариантов выбора в системе. Например, при случайном выборе информации тем больше, чем меньше вероятность выпавшего варианта. Бросание шестигранного кубика даёт шесть битов информации, а бросание монеты – два бита. Количество получаемой информации равно величине, на которую уменьшилась энтропия. Эквивалентность энтропии и количества информации была установлена Винером и Шенноном.
Рассмотрим термодинамический парадокс, известный под названием парадокс Максвелла. Смысл его заключается в следующем. Изолированная система, состоящая из разделённого на две части резервуара с газом и дверцей в перегородке, содержит также «демона» (существо или автомат), наделённого способностью отличать быстрые молекулы от медленных. Демон открывает дверцу только в том случае, если к ней справа подлетает быстрая молекула. Поэтому газ в левой части резервуара будет нагреваться, а в правой – остывать. Т.о., в изолированной системе тепло будет переходить от холодого тела к горячему с понижением энтропии системы в противоречии со вторым законом термодинамики. Решение этого парадокса было предложено многими авторами. Смысл всех решений заключается в следующем: для определения состояния молекулы – холодная или горячая – необходимо получить информацию. А информацию нельзя получить бесплатно. За неё приходится платить энергией, в результате чего энтропия системы повышается на величину, равную её понижению за счёт получения информации.
Понятия энтропии и количества информации можно использовать для того, чтобы дать характеристику живым и неживым системам. Неживые системы (рассматриваемые обычно как замкнутые) имеют тенденцию развиваться по направлению к состоянию максимальной неупорядоченности и энтропии. Отличительной чертой живых (а значит открытых) систем является их сопротивляемость процессу разупорядочивания и их развитие по направлению к состояниям более высокой организации. Эту тенденцию можно объяснить, основываясь на следующих фактах:
получение информации приводит к соответствующему уменьшению энтропии;
получение энергии из внешней среды противодействует естественному процессу разупорядочивания.
Таким образом, необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции:
Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.
7.4. Синергетика – теория самоорганизации
Синергетика (с гр. - совместное действие) как наука возникла несколько десятилетий назад. Термин «синергетика» в научный лексикон ввёл Г. Хакен. Большой вклад в развитие теории самоорганизации внёс И. Пригожин. Синергетика – это область научных исследований, целью которых является выявление общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы.
Возникновение организованного поведения может обуславливаться внешними воздействиями (вынужденная организация) или являться результатом развития собственных внутренних неустойчивостей в системе (самоорганизация). В последнем случае процесс упорядочивания связан с коллективным поведением подсистем, образующих систему.
В настоящее время синергетика развивается на основании двух постулатов:
Процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны;
Процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.
Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, при помощи которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе.
Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным.
В настоящее время известно множество примеров образования упорядоченных состояний в результате неравновесных процессов. Такие состояния И. Пригожин назвал диссипативными структурами. Этим названием подчёркивается, что они возникают в системах с рассеиванием (диссипацией) энергии в ходе необратимых неравновесных процессов. Диссипативные структуры образуются только в открытых системах, в которых возможен приток энергии или вещества. Эти структуры возникают в макроскопических системах, состоящих из большого числа элементарных составляющих (атомов, клеток, звёзд – в зависимости от масштаба явления).
Диссипативные структуры являются устойчивыми, стационарными образованиями. Их устойчивость зависит только от устойчивости и времени существования источников энергии. Согласно современным концепциям причиной самоорганизации открытых неравновесных систем является внешний поток энергии и (или) вещества, который «уносит» возникающую в системе энтропию. При этом система будет находиться в стационарном состоянии «проточного равновесия», при котором производство энтропии минимально (теорема И. Пригожина).
Рассмотрим такой пример. При подогреве вязкой жидкости (ртуть), находящейся в плоской посуде типа сковороды, между нижним и верхним её слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Пока градиент мал, перенос тепла происходит за счёт теплопроводности жидкости. Однако при достижении градиентом некоторого критического значения в жидкости внезапно, скачком возникают ячейки конвективных потоков с регулярным течением – ячейки Бенара. Сверху такая упорядоченная ячеистая структура выглядит как пчелиные соты. То есть возникает упорядоченная структура при некоторой степени неравновесности системы. При этом отдельная ячейка Бенара содержит 1021 атомов.
Приведём примеры самоорганизации систем в природе и обществе: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова - Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, спиральные галактики, рыночная экономика, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур.
Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых неравновесных систем протекает путём нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:
период плавного эволюционного развития, с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;
выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.
Важная особенность второй фазы заключается в том, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров (точка бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости как бы сваливается в одно из возможных, новых для неё устойчивых состояний.
В точке бифуркации эволюционный путь системы разветвляется и принципиально невозможно предсказать, какая именно ветвь развития будет выбрана. Этот выбор случаен. Процесс перехода системы в качественно новое устойчивое состояние необратим. Идеи синергетики носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому синергетика – одна из важнейших составляющих современной научной картины мира.
