История и философия науки. Учебное пособие-1

эволюциисистемы,причемэтотвыборнеобратимичащевсегоне может быть однозначно предсказан.

Вестествознаниипервымифундаментальныминауками,столкнувшимися с необходимостью учитывать особенности исторически развивающихся систем, были биология, астрономия и науки о Земле. Представление об исторической эволюции физических объектов постепенно входит в картину физической реальности через развитие современной космологии, разработку идей термодинамики неравновесных процессов и синергетики.

Синергетика возникла в 1960-х гг. как физико-математическая теория диссипативных систем, то есть систем открытых, взаимодействующихсокружающейсредойисохраняющихсвоесуществованиеблагодаряпостоянномуобменуснейвеществомиэнергией. Начало ей положили работы И. Пригожина (Бельгия), а название «синергетика» дал Г. Хакен (Германия). Были обнаружены универсальныесвойстваизакономерностисамоорганизациивсамых разнообразных системах. По мнению сторонников общей теории систем,синергетикапревращаетсявмеждисциплинарноенаучное направление, которое становится источником философско-мето- дологических выводов и обобщений.

Идеи эволюции и историзма – основа синтеза картин реальности, вырабатываемых в фундаментальных науках. Историчность системного комплексного объекта и вариабельность его поведения предполагаютширокоеприменениеособыхспособовегоописанияи предсказаниясостояний–построениесценариеввозможныхлиний развитиясистемывточкахбифуркации.Сидеаломпостроениятеории как аксиоматически дедуктивной системы конкурируют теоретическиеописания,основанныенапримененииметодааппроксимации,теоретическиесхемы,использующиекомпьютерныепрограммы.

Аппроксимация(отлат.approximare–приближаться)–прибли- женноевыражениекаких-либовеличинчерездругие,болееизвестные величины. Процессы аппроксимации приобрели особо актуальное значение в связи с ростом числа исследований сложных систем. Аппроксимированная модель – упрощенная модель какой-ли- бо сложной системы. Эрнест Резерфорд любил проверять новых сотрудников на способность выстраивать гипотетические модели

121

илиприкинутьпорядокцифр,задаваявопросытипа:«ЕсливЛондоне живет девять миллионов человек, то сколько среди них настройщиков роялей?» – и просил дать ответ через 10 секунд.

История становления теории самоорганизации.Начинаяс60-хгг.

ХХв.вниманиеученыхразличныхотраслейестествознанияпривлекаютнаблюдаемые,нонеобъясненныепроцессысамоорганизации в сложных системах. Подобные процессы ученые зафиксировали не только в живой природе, но также на уровне химическом

ифизическом (в виде самопроизвольно возникающих структур

ипериодических процессов – автоколебаний). Долго оставалась необъясненной химическая реакция, открытая в 1951 г. советским химиком Б. П. Белоусовым, который установил особые закономерности в автокаталитических химических реакциях – строгую периодичностьсменыцветавпроцессеопределеннойокислитель- но-восстановительнойреакции,которуюможнобылопроверятьпо часам.Периодичностьизмененияцветаговорилаоповторяющемся чередовании промежуточных продуктов реакции. В 60-х гг. биофизикА.М.Жаботинскийобъяснилмеханизмреакции,открытой Б.П.Белоусовым,исследовавсходныехимическиереакции.Периодичность возникновения промежуточных продуктов химических реакцийуказываланасходствопротеканиятакиххимическихреакцийсавтоколебаниями,характернымидляразличныхфизических (механических,электромагнитных)системибиологическихритмов.

Теорию автоколебательных процессов разрабатывали в отече-

ственнойнаукевсерединеХХв.школыакадемикаЛ.И.Мандель- штама(1873–1944)иакадемикаА.А.Андронова(1901–1952).Раз- виваяэтутеорию,академикР.В.Хохлов(1926–1977)ввелвоборот понятиеавтоволны,обозначавшееособыйродволн,автоматически поддерживающихфизическиепараметрызасчетсреды,вкоторой они распространяются.

Теория автоколебаний нашла применение в нейрофизиологии. В частности, нервный импульс, который распространяется без затухания по длинному (до 1,5 м) тонкому нервному волокну (диаметром менее 0,025 мм), представляет собой пример автоволны. По такому же принципу работают сердце и головной мозг. Обработка информации в коре головного мозга происходит на

122

уровневзаимодействиямеждуавтоволнамивозбужденияиторможения, которые охватывают обширные участки головного мозга. Работа сердца также регулируется волной возбуждения, которая

спериодичностью в секунду распространяется по сердцу и вызывает сокращение сердечной мышцы. Волна возбуждения связана

свременным уменьшением разности электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны сердечных клеток, которая регистрируется на электрокардиограмме в виде периодического всплеска.

В60-хгг.ХХв.выдвигаетсяещеоднаконцепциясамоорганиза- ции в области химии (А. П. Руденко), объясняющая способность катализаторов к собственному структурному совершенствованию в ходе химической реакции. Это оказывается возможным за счет энергии базовой химической реакции в открытой системе. Присвоевременномотводеотработаннойэнергиииусвоенииэнергиибазовойхимическойреакциикаталитическаясистемапоэтапно совершенствуется (эволюционирует).

Исследуяповедениеорганическихмакромолекулнауровненеживых, доклеточных структур, микробиолог М. Эйген установил закономерностиусложненияорганизациимакромолекулнапредбиологическомуровне,ккоторымприменимопонятиеестественногоотбора,ииспользовалтерминсамоорганизацииприописании наблюдаемых процессов 44.

Одной из предпосылок возникновения нового направления в исследовании сложных систем, несомненно, послужили работы в области кибернетики, где еще в 50-х гг. ХХ в. была поставлена задача создания самосовершенствующихся автоматов 45. Найти решениетогданеудалось,ноначалоисследованиюпроблемысамоорганизациивширокоммеждисциплинарномконтекстеположено.

Ученые, работавшие в области кибернетики, не только были математиками, но и хорошо ориентировались в других областях естествознания и техники. Исследуя диффузионные процессы,

44См.: Эйген М. Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул / М. Эйген, П. Шустер. М. : Мир, 1982.

45В архиве Дж. фон Неймана были обнаружены записи о структуре самовоспроизводящегося автомата.

123

Н.ВинервместесбиологомА.Розенблютомрассмотрелзадачуорадиальномнесимметричномраспределенииконцентрациивсфере. АнглийскийматематикА.Тьюрингпредложилмодельструктурообразования(морфогенеза)ввидесистемыдвухуравненийдиффузии сдополнением,котороеописывалореакциимеждувозникающими структурами (морфогенами). Он показал, что в реактивной диффузионной системе (обменивающейся со средой энергией) может существовать неоднородное распределение концентраций, котороепериодическименяетсявопределенныепромежуткивремени. Непрерывная модель самовоспроизведения автоматов Дж. фон Нейманатакжеосновываласьнанелинейныхдифференциальных уравненияхвчастныхпроизводных,описывающихдиффузионные процессы в жидкости.

Вобласти физики процессы самоорганизации вначале исследовались в связи с изучением турбулентности и созданием новой лазерной техники. Отечественные математики и физики опирались на достижения ученых первой половины ХХ в. (развитие математических методов нелинейной динамики А. М. Ляпуновым, Н. Н. Боголюбовым). К проблеме самоорганизации приводили исследования неравновесных структур плазмы в термоядерном синтезе,разработкатеорииактивныхсред,биофизическиеисследования. В 60-х гг. процессы самоорганизации исследовались в отдельных дисциплинах (химия, биология, физика), между которыми ученые не видели связи. В 60–70-е гг. была создана теория турбулентности (А. Н. Колмогоров, Ю. Л. Климонтович). За теориюгенерациилазерагруппаученых(Г.Б.Басов,А.М.Прохоров, Ч. Таунс) получила Нобелевскую премию.

Впоследней трети ХХ в. предметом анализа становится аналогия процессов самоорганизации в системах различной природы. Значительный шаг к концептуальному обобщению в объяснении процессов самоорганизации был сделан в начале 70-х гг. Группа бельгийскихученыхвоглавесПригожинымсопоставилареакцию Белоусова–Жаботинскогосабстрактноймодельюсамоорганизации английского математика и кибернетика Тьюринга и выдвинула собственную теоретическую модель самоорганизации физических и химических систем. Источник процесса самоорганизации

124

Пригожинсвязалсослучайныминеоднородностями(флуктуации, микрочастицы, микросреды), которые до некоторого времени гасятся силами внутренней инерции. Нарастание случайных микрофлуктуаций ведет к состоянию внутреннего хаоса в системе. Но когда в систему с хаотическим состоянием поступает большое количествовнешнейэнергии,товозникаютмакроскопическиекон- фигурации (или моды), представляющие собой коллективные формы поведения множества микрочастиц. Среди возникающих мод происходит отбор, остаются наиболее устойчивые.

Следующий, и самый решительный, шаг в становлении общей науки о самоорганизации сделал немецкий физик Герман Хакен (р.1927),отметившийособоезначениеколлективныхпроцессовворганизацииповедениявсехсложныхсистем.Общностьизначениеэтих процессов для самоорганизации сложной системы он и подчеркнул введеннымтермином«синергетика».Слово«синергия»переводится каксогласование(отгреч.συνεργέτυκός–совместный,согласованно действующий).ВШтутгартскоминститутесинергетикиитеоретическойфизикиподруководствомпрофессораХакенабылаизданасерия книгпосинергетике,авторыкоторых–ученыеизразныхстранмира.

Исследуя согласованные процессы в различных физических и химических системах, Хакен отметил фундаментальную роль коллективного поведения подсистем в процессе самоорганизации – в возникновении новой устойчивой неравновесной структуры. Поегомнению,переходсистемыотнеупорядоченного(хаотичного) состояния к упорядоченному происходит за счет совместного, синхронного действия многих образующих ее элементов. С этого времени синергетика ассоциируется с теорией совместного действия и теорией самоорганизации. Под самоорганизацией понимают возникновение упорядоченных структур и форм движения из первоначально неупорядоченных, нерегулируемых форм без специальных упорядочивающих внешних воздействий 46.

Проблема самоорганизации, перехода от хаоса к порядку, которая приобрела особую остроту в 80-х гг. ХХ в., до настоящего

46 См.: Новое в синергетике. Загадки мира неравновесных стуруктур.

М., 1996. С. 61.

125

времени привлекает внимание исследователей самых разных областей науки.

Вновомнаправленииестествознания,возникшемв80–90-егг. XX в. и получившем название синергетика, в качестве основного предметаисследованиявыделилсяпоискобщихзакономерностей согласованного поведения сложных систем различной природы. По сравнению с кибернетикой, исследующей саморегуляцию в равновесных сохраняющихся системах на основе отрицательной обратной связи, системный подход, ставший к этому времени традиционным, претерпевает существенные изменения. В новом направлении главный акцент ставится на положительной обратной связи, выводящей систему из состояния равновесия, и на механизмах возникновения нового упорядоченного состояния. Всовременнойлитературесинергетикучастоопределяюткакнауку о самоорганизации в системах, далеких от равновесия. Такие системыхарактеризуютсянелинейностью(процессывнихописываются математическими уравнениями второй и третьей степени) иоткрытостью(способностьюзасчетобменаэнергиейудерживать состояние вне термодинамического равновесия).

Вконце ХХ в. синергетика как общая теория самоорганизации становитсяпопулярнымнаучнымнаправлением,ориентированным на исследование связей между структурными элементами, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химиче- скихидр.)благодаряинтенсивномуобменувеществомиэнергиейс окружающейсредойвнеравновесныхусловиях.Особыйпонятийный аппарат синергетики разрабатывается на базе физической химии и термодинамики,математическойтеориислучайныхпроцессов,нелинейныхколебанийиволн.Всовременнойлитературесинергетика определяетсякакоднаизфундаментальныхтеорийпостнеклассической науки, изучающей поведение сложных нелинейных систем47  .

Источникисинергетикикакобщейтеориисамоорганизации,изучающей единый алгоритм перехода от менее сложных и неупорядоченных состояний к более сложным и упорядоченным, – работы

47 См.: Лебедев С. А. Философия науки: Словарь основных терминов /

С. А. Лебедев. М., 2004. С. 225.

126

в области математической теории катастроф (Р. Том, В. И. Арнольд), неравновесной термодинамики (И. Пригожин), согласованных (когерентных) процессов в физике (Г. Хакен).

Математическаятеориякатастроф,котораябыласформулиро- ванав70-хгг.XXв.,посвоемувлияниюнаразвитиенаукисравни- валасьспереворотом,вызваннымвведениемдифференциального исчисления. В три последних десятилетия века теория катастроф эффективно применялась в естествознании, технике, экономике, лингвистике, психологии, социологии, особенно в обосновании хлопковупругихконструкций,втеорииопрокидываниякораблей.

Основной предмет теории катастроф – ситуации, когда небольшиепостепенныеизмененияведуткнеожиданному,резкому,непредсказуемомуповедениюсистемы.Термин«катастрофа»связывается именно с такими скачкообразными изменениями, возникающими при плавно меняющихся параметрах. В теории катастроф разрабатываются методы факторного анализа. Математические модели критических ситуаций, которые были построены на этой основе, выявилизависимостьповедениясистемывкритическихситуацияхот еепредыстории(этаситуацияназывается«гистерезис»).Факторный анализ поведения системы позволил также обнаружить основные факторы, влияющие на неожиданно возникающий беспорядок в системе.Вчастности,прииспользованиитеориикатастрофвисследовании динамики поведения в тюрьме в качестве таких факторов выявлена напряженность (вызванная чувством безысходности) и разобщенность (взаимное отчуждение, разбиение на два лагеря)48.

Теория катастроф выделила нелинейность в качестве фундаментальной характеристики поведения сложной системы в критической ситуации, ввела в оборот понятие бифуркации (от лат. bifurcus – раздвоенный). Содержание этого понятия в математике определено изменением числа (или устойчивости) решений определенного типа для модели, описывающей систему при изменении управляющих параметров. В точке бифуркации система имеет разные ветви решений и как бы совершает выбор, который определяет ее эволюцию. Но этот выбор не чисто субъективный,

48 См.: Арнольд В. И. Теория катастроф / В. И. Арнольд. М., 1990.

127

он зависит от случайных, непредсказуемых факторов. Представители естественных наук к термину «бифуркация» относятся осторожно и полагают, что в физических, химических, биологических системах точек бифуркации не так уж много. Для естественных систем типичны устойчивые состояние и развитие.

Теориюнеравновесныхпроцессоввтермодинамикевыдвинулбель-

гийский ученый Илья Романович Пригожин (1917–2003), нобелевский лауреат 1977 г. в области физической химии. Пригожин с группой ученых исследовал процессы в незамкнутых системах, обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией. Еготеориясоздананаэкспериментальномматериалеприисследованиифазовыхпереходов.ВисследованияхПригожинаотправной точкой в отличие от обычных фазовых переходов стала чувствительностьнеравновесныхфазовыхпереходовкконечнымразмерам образца, форме границ и другим факторам.

Представление о равновесии сложной системы в физике конца ХХ в. претерпело изменение. С точки зрения молекулярно-кине- тической теории в замкнутой изолированной системе положению равновесияотвечаетсостояниесвысокойэнтропией,равнозначное состояниюмаксимальногохаоса(всмыслеброуновскогодвижения частиц).Сложнаясистема,стремяськтакпонимаемомуравновесию (состоянию с максимальной энтропией), не всегда его достигает из-заограничивающихусловий,которыемогутбытьпостоянными, амогутизменяться.Еслиограниченияпостоянны(например,определенная температура на границах), то переменные состояния системыстремятсякнезависимымотвременивеличинамидостигают квазистационарногоилистационарногосостояния.Такиесостояния сложнойсистемыЛ.фонБерталанфиназвалтекущимравновесием.

Всложнойсистемепроцессам,нарушающимтекущееравновесие, противостоит внутренняя релаксация (восстанавливающий, возвратныйпроцесс).Есливозмущающиепроцессыменееинтенсивны, чем релаксационные, то говорят о локальном равновесии (существующемвмаломобъеме),котороеможетвозникатьнезависимо от состояний других частей системы. Идею локального равновесияПригожиниллюстрировалнапримерегаза,находящегося между плоскостями, нагретыми до 100 и 0 °С. Поскольку процесс

128

теплопередачи происходит медленно, газ находится в неравновесном состоянии, но все-таки где-то будет существовать малая область локального равновесия газа.

Равновесное и неравновесное состояние тел в термодинамике характеризуетсяколичествомэнтропии.В1947г.Пригожинвыдвинул теоремуоминимумепроизводстваэнтропиивстационарномсостоянии(т.е.всостояниитекущегоравновесия),котороеотвечаетнебольшимзначениямтемпературныхградиентов.Еслиграничныеусловия не позволяют системе прийти в устойчивое равновесие, в котором производство (прирост) энтропии равно нулю, то система придет в состояние с минимальным производством энтропии. Устойчивость стационарныхсостоянийсминимальнымпроизводствомэнтропии называют устойчивым неравновесным состоянием. Эта идея Приго-

жинаперекликаласьспринципомЛеШателье,сформулированным в 1884 г.: если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, то происходит реакция, компенсирующая измененияивозвращающаясистемувсостояниеравновесия49  .Способность возвращаться в исходное состояние – свойство саморегулирующихся систем, которые в природе встречаются часто. Этот принцип известен в физике как принцип наименьшего действия, в биологии – как закон выживания, в экономике – как закон спроса и предложения. Для всех вариантов общим является то, что система стремится выйти из преобразований с наименьшими потерями.

Принцип локального равновесия и теорема о минимуме производства энтропии в стационарных состояниях были положены Пригожинымвосновутермодинамики необратимых процессов,ко-

торая,поегомнению,должнапреодолетьразрывдвухкартинмира:

– физической (структурной и стационарной, описывающей обратимые процессы, происходящие в абстрактном геометрическом мире, где события предстают траекториями в неизменном трехмерном евклидовом пространстве);

49 Современную форму этот принцип принял после обобщения его немецкимфизикомКарломБрауномв1887г.:система,выведеннаявнешнимвоздействиемизсостояниясминимальнымпроизводствомэнтропии, стимулируетразвитиепроцессов,направленныхнаослаблениевнешнего воздействия.

129

–биологической(эволюционной,описывающейнеобратимые процессы, происходящие в функциональном мире, локализованном во времени и пространстве).

§ 2. Универсальный эволюционизм – основа современной научной картины мира. Экофилософия

История научной мысли показывает, что построение картины мира выступает главным познавательным стимулом развития математикиифизики,начинаяснаучнойреволюцииXVIIв.Система классическогоестествознанияГалилея–Декарта–Ньютонавозни- каеткакматематизированнаянатурфилософия,котораяоперирует

абстракциейфизическойреальности,раскрывающейонтологические принципы единства мира и причинного действия. Развитие представлений о физической реальности выступает целью построения научной картины мира на протяжении дальнейшей истории естествознания. В философии позитивизма формулируется установка на сведение всех научных построений к языку физического описания природы, получившая название физикализм.

ВначалеXXIв.возможностьсведенияфеноменовкфизическому описаниюнаосновеинтерпретацииквантовойтеориисоставляет один из важнейших вопросов физики 50, однако универсальность принципа физической редукции оказывается под сомнением. ВформированиикартинымиравестествознанииконцаXXв.ключевую роль играют междисциплинарные принципы системности и самоорганизации.

Принципсамоорганизациивформированииестественнонаучной картины мира опирается на два положения синергетики:

1. Мир состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых осуществляется по единому алгоритму, имеющему две фазы: линейную и нелинейную. Линейная фаза представляет

50 См.: Гинзбург В. Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются особенно важными и интересными в начале XXI века? // В.Л.Гинзбург.Онауке,осебеиодругих:статьиивыступления.3-еизд., доп. М. : Физматлит, 2003.

130