Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Организация мироздания. Тектология ХХI. Монография
.pdf
На рис. 5.2 графически изображена эволюционная динамика изменения
Количество связей
количества связей в организациях. Пунктирные кривые в заштрихованной области относятся к организациям, которые воспринимаются сознанием как хаос.
Количество первобытных связей (кривая 1) постоянно уменьшается, т.к.
они расходуются на появления новых структур. Однако их первичное количество настолько велико, что для науки они до сих пор представляются хаосом
(темное вещество, вакуумные структуры, сетчатый мировой субстрат).
Кривая 2 отражает рост количества вновь образованных связей в новых организациях. Простые (понятные) организации с малым количеством новых связей сознание относит к упорядоченным. В ходе эволюции количество новых
связей и элементов растёт. Возрастающее количество новой информации воспринимается как рост сложности. Этим объясняется парадигма увеличения
сложности в ходе развития. Поэтому сплошная кривая 2 переходит в пунктирную.
1 ХАОС
2 ПОРЯДОК
Э В О Л Ю Ц И Я
Рис. 5.2. Эволюционная динамика объективного изменения количества связей
в организациях: 1 — уменьшение количества первобытных связей;
2 — возрастание количества вторичных, агрегатных связей
Сказанное можно пояснить следующим примером. Вода в целом имеет хаотическое и сложное строение, но, когда при охлаждении из неё образуется
кристаллик льда, сознание ощущает появление упорядоченной структуры. При
дальнейшем охлаждении образуется множество кристалликов разного размера
и формы, описание этого агрегата снова вызывает ощущение сложности (хаоса). От ощущения первобытного хаоса мы приходим к ощущению вторичного
хаоса, непознаваемой упорядоченности.
Если рассматривать процесс эволюции с учётом причинно-следственных
связей, то следует обратить внимание на то, что для образования новых связей
потребовалось множество первобытных, субстратных связей. Аналогично для
111
изготовления одного кирпича требуются миллионы пылинок глины. А для изготовления одного дома — десятки тысяч кирпичей. Миллионы пылинок исследовать сложнее, чем изучить свойств одного кирпича. Кирпич проще (понятнее), чем килограмм глины. Итак, Мир развивается от сложного порядка
к более простым агрегатам, вероятно, это является одной из причин
наблюдаемого тренда эволюции. Очевидно, хаос относится к гносеологиче-
ским проблемам.
5.2. Энтропия
Завершение темы о природе хаоса невозможно без упоминания об энтропии (меры хаоса). Впервые понятие «энтропия» эмпирически было выведено
Клаузисом в 1865 г. Эта функция вида S = Q/T (Q — теплота, Т — температура)
трактуется как часть внутренней энергии системы, которая не может быть переведена в работу. Л. Больцман (1872 г.) для идеального газа теоретически вывел выражение энтропии S = K ln W, где К — константа; W — термодинамическая вероятность (количество перестановок молекул газа, не влияющее на макросостояние системы) [119]. Для многих гуманитариев приведенные формулы
ни о чем не говорят. Они обращают внимание только на выводы, в которых энтропия Больцмана трактуется как мера беспорядка, мера хаоса системы.
А.А. Петрушенко справедливо отмечает, что энтропия — это функция, «привязанная» к поведению простых атомарно-молекулярных систем. «Энтропия проявляется в разных формах, а термодинамическая форма энтропии является
лишь частным случаем» [173].
Представления о хаосе и порядке субъективны. Энтропия количественно
характеризует беспорядок только простых систем. Для сложных систем еще
предстоит найти способ, характеризующий порядок — беспорядок. Сложные
системы многоплановые. Беспорядок в одних функциях может компенсироваться порядком в других. Ученый может быть очень упорядочен в своих умозаключениях, но совершенно беспомощен в бытовых вопросах. Философ способен гносеологически организовать мир, но не умеет починить водопроводный
кран.
Прежде чем продолжить анализ, следует обратить внимание, что Больцман
упростил Мир до предела, представив его идеальным газом, не учитывая того,
что все молекулы гетерогенны, отличаются энергией, взаимодействуют друг с
другом, находятся в поле тяжести, имеют предпочтительные состояния. Несмотря на это, энтропию некритично стали привлекать для описания сложных
112
развивающихся объектов. Еще Больцман использовал энтропию для характеристики биологических явлений и сверхсложной Вселенной. Согласно Больцману, жизнь уменьшает свою энтропию, а Вселенная идет к тепловой смерти.
Антитезой Больцману выступали эволюционисты. В частности, Дарвин
показал, что процессы, происходящие в Мире, в ходе эволюции (возникновение
жизни) не только не деградируют, но все время усложняются (понятие сложности рассматривалось выше). Первая половина XX в., вопреки прогнозу Л. Больцмана, принесла человечеству модель рождения и эволюции Вселенной, где над
деструктивными процессами преобладали процессы самоорганизации и агрегации вещества. В главе 8 будет показано, что, вопреки Больцману, главным
трендом развития является агрегация вещества и переход связанной энергии в
кинетическую. В разделе 2.3 приводится схема развития агрегатов вещества.
Понятием «энтропия» продолжают пользоваться не только биологи. В
1948 г. К. Шеннон ввел понятие «энтропия» в теорию информации [232]. Если
сигнал на выходе канала связи является точной копией сигнала на входе то, с
точки зрения теории информации, это означает отсутствие энтропии. Формулы
Больцмана (S = K ln W) и Шеннона (H = -∑Pi log2 Pi) имеют лишь внешнее
сходство. Смысл энтропии Шеннона сводится к достоверному отличию одного
сигнала от другого. Сам Шеннон предостерегал от чрезмерного расширение его
энтропии и сопоставления её с термодинамической энтропией. Но произошло
то, чего остерегался Шеннон.
Приведём пример, когда развитие изолированной системы не сопровождается ростом беспорядка [236, 237]. Безусловно, состояние жидкой воды более
хаотично, чем состояние кристаллической воды (льда). Поместим смесь льда и
воды в изолированную камеру. Температура льда существенно ниже температуры воды. Если льда в смеси больше, чем воды, то через некоторое время вся
вода замерзнет. В термостате не окажется хаотической воды, а будет только
упорядоченный лед. Получается, что в изолированной системе идет самопроизвольный процесс роста упорядоченности, а это противоречит утверждениям
термодинамики. Если взять избыток жидкой воды и мало льда, то процесс пойдет в обратном направлении. Лед перейдет в жидкую воду. Итак, при некото-
рых условиях процесс самоорганизации в изолированной системе может
быть направлен не к хаосу, а к макроскопическому порядку. Для того что-
бы окончательно избавиться от догмы, накладывающей запрет на возможность
развития изолированных систем, рассмотрим ряд примеров.
Изолированная система представляет собой некоторую совокупность
элементов и связей, помещённых в оболочку, непроницаемую для вещества и
113
потоков энергии. В такой изолированной системе должны соблюдаться законы
сохранения энергии и вещества. Если бы из системы «утекало» вещество, то
внутри системы законы сохранения не соблюдались бы. Принято считать, что
развитие в некоторой системе может протекать только с использованием
ресурсов, которые находятся во внешней среде. Покажем, что это не все-
гда так.
Построим изолированную систему, в которую включим источники ресурсов и подсистемы утилизации «отходов». В такой изолированной системе будут
протекать любые процессы, в том числе и развитие с усложнением, пока не истощатся запасы ресурсов. Промышленные предприятия могут работать месяцами на запасенных ресурсах. Морской лайнер без дозаправки может пересечь
океан. Солнце и Солнечная система, которая очень слабо связана с другими
звездными системами в нашей галактике, развивается уже 5 млрд лет. Энергия
Солнца черпается из внутренних процессов синтеза «тяжелых» элементов.
Наша Вселенная развивается за счет энергии, выделившейся при Большом
взрыве в начальной стадии эволюции. Если наша Вселенная изолированная, то
она развивается на внутреннем источнике ресурсов. Сложившееся заблужде-
ние о косности изолированных систем основывается на опытах, проведенных на системах очень малой энергоёмкости, где затухание процессов протекало быстро, и переходные состояния из наблюдения исключались. Не-
заметно лабораторные представления перенесли на макро- и мегасистемы.
В свете изложенного материала целесообразно обсудить утверждение, что
свойствами диссипативных систем являются открытость, неравновесность и
нелинейность. Это утверждение не вызывает возражения, но такие же свойства
могут присутствовать и в изолированных системах. Следует добавить, что
«изолированность» понятие не абсолютное. Полностью изолированных систем
не бывает. Существуют системы с очень ограниченным обменом с окружением.
С момента изоляции система может длительно дрейфовать к равновесному состоянию, поэтому и в изолированной системе присутствует состояние «неравновесности». Наша планета до сих пор не пришла к равновесному состоянию и
продолжает миллиарды лет остывать. На глубинах 40–80 километров температура превышает 1000о С.
Возвращаясь к энтропии, можно добавить, что все законы термодинамики
носят статистический характер и «работают» только в системах, где элементами являются атомы или молекулы, причём при высокой плотности вещества.
Если рассматривать очень разряженные газы, когда в 1 см³ имеются единицы
молекул, то в этих случаях законы термодинамики и понятие «энтропия»
114
неприемлемы. Если молекула всего одна, то можно говорить о её внутреннем
состоянии, но не о количестве возможных перестановок с другими молекулами.
Следовательно, даже не все молекулярные системы можно характеризовать энтропией.
В мегамире имеются системы, содержащие сотни миллиардов кинетических единиц. Например, галактики содержат сотни миллиардов звезд. Каждая
звезда обладает кинетической энергией (движение). Звёзды связаны силами
гравитации в скоплениях (галактики), которые довольно стабильно сохраняют
свою форму. Однако звездные агрегаты и звезды не принято характеризовать
энтропией. В процессе жизненного цикла звезда от состояния плазмы (хаос)
самопроизвольно переходит к более упорядоченной нейтронной звезде. Видим
стремление от хаоса к порядку, а не наоборот.
Обратимся к миру живых и социальных систем и посмотрим, есть ли там
место для энтропии. Проследим, как изменяется количество элементов в единице объема при восхождении по эволюционной лестнице.
В нормальных условиях в 1 см³ газа содержится около 1019 молекул. В живой клетке плотность вещества выше, но элементами являются не атомы, а гигантские белковые молекулы. Оценим приблизительно 1014–1015 молекул
в 1 см3. Живые ткани содержат в 1 см3 ~ 10 9 клеток. Организм имеет несколько
сот органов. Чем выше иерархический уровень объекта, тем меньше кинетических элементов содержится в единице объема. Но при малом количестве элементов энтропия «теряет свои полномочия», так как функция S = K ln W статистическая.
В научном мышлении существует мнение, что живое создает вокруг себя
беспорядок (хаос), но повышает свою упорядоченность (Винер, Шредингер).
Это следует понимать так. Живое потребляет высокоупорядоченные ресурсы, а
сбрасывает в окружающую среду нечто мало организованное. Докажем, что это
стойкое заблуждение, как и использование понятия «энтропия» для биологических объектов.
Растения потребляют из атмосферы газы (CO2), из почвы воду и некоторые
микроэлементы. В окружающую среду они отдают газы (O2, CO2, H2O), некоторые метаболиты и рассеивают тепло. В первом приближении энтропия входных
и выходных материальных потоков отличается мало (на входе газ и на выходе
газ). Животные, потребляющие кроме газов и воды высокоорганизованную материю в виде белков, жиров, углеводов, трансформируют их в свое тело аналогичной сложности. В биосфере отходы одних организмов являются высокока-
115
чественным питанием для других, поэтому ценные метаболиты организмов
нельзя считать веществом с высокой энтропией.
Более того, живое вещество по Вернадскому не упрощает косную материю, а даже усложняет, множит разнообразие. Нефть, уголь, месторождения
железа, бокситов, мела, известняка и многих других минералов созданы живым
веществом. Поддержание неравновесного состояния кислородной атмосферы
Земли является следствием деятельности живого [74]. Тогда о какой же деградации окружающей среды идет речь?
Однако наблюдается деградация энергии. «Высококачественная» световая
энергия Солнца превращается в энергию химических связей тканей растений,
которая затем деградирует в тепло. Однако переход света в тепло не является
исключительной спецификой живого. Этот процесс еще с большей интенсивностью осуществляется неживой материей. Поверхность Земли поглощает весь
свет Солнца и в виде тепла излучает энергию обратно в космос, а живое вещество утилизирует всего несколько процентов солнечной энергии.
Оппоненты могут возразить, что человек уменьшает разнообразие биосферы и этим увеличивает ее энтропию. Действительно человек уменьшает разнообразие «дикой» биосферы, но при этом увеличивает разнообразие «культурной» биосферы (домашние животные и растения). Невероятно быстро растет
разнообразие техносферы, естественно входящей в понятие внешней среды для
человека. Кроме того, разнообразие системы прямо никак не связано с величиной энтропии. Принято считать, что кристаллический порядок содержит минимум энтропии, но трудно придумать что-либо более однообразное, чем кристалл. Наиболее развитые предприятия и организации общества стремятся
упростить систему управления, но это никак нельзя связывать с деградацией.
Более того, разнообразие биосферы изменялось многократно без вмешательства
человека. Палеонтология отмечает массовые вымирания в океанах на протяжении 600 млн лет [202].
Нельзя понять сложное явление, опираясь на очень простые модели. Попытайтесь описать архитектуру здания, зная только структуру кирпича. Хотя
законы термодинамики способны описать газ, но для характеристики дома их
явно недостаточно.
Можно показать, что в сложных системах законы термодинамики не
нарушаются. Они там просто не действуют. Законы термодинамики действуют
в идеализированных системах, где из триединого ВЭИ во внимание принимается только тепловая энергия. Не включаются в функции термодинамической системы другие стороны объектов (вещество, информация, структура, саморазви-
116
тие, управление, форма, цвет, запах эмоции, сознание и пр.). Термодинамика
«слепа» ко многим сторонам мира. В сложных объектах, которые являются совокупностью множества различных систем, энтропия «работает» на уровне молекулярных агрегатов. В качестве метафоры можно привести образ дома.
Допустим, нижний этаж состоит из молекул. Рост «энтропии» фундамента
(выравнивание температуры, гомогенизация состава бетона, рассасывание
внутренних напряжений) только укрепляет фундамент и не влияет на состояние
крыши и настроение жильцов верхних этажей.
Несмотря на сказанное, понятием «энтропия» оперируют в разных науках,
следовательно, в этом есть некоторая потребность. Попытаемся её понять.
В молекулярных системах в ряду газ — жидкость — кристалл энтропия
уменьшается. Визуально в этом ряду возрастает и способность сохранять
структуру (форму). Газ стремится неограниченно расшириться и не имеет формы. Капля жидкости уже оформлена (сфера), но ещё непрочно. Кристалл представляет образец устойчивости. Живое вещество существует и сохраняет
устойчивость, упорядоченность, но не вследствие понижения энтропии, а благодаря агрегированию и процессам управления. По своей сути и энтропия
Шеннона, характеризуя устойчивость сигнала к помехам, является мерой неустойчивости, мерой «зашумленности» канала связи. Итак, в случае с энтропией произошла подмена понятий, под энтропией стали понимать меру
устойчивости системы.
5.3. Устойчивость и флюктуации
Факт, но ничего вечного во Вселенной нет. Рано или поздно даже самый
устойчивый объект неизбежно переходит в другое состояние. Каждая организованность имеет свой средний срок существования. Молекулы водяного пара
(Т > 100о C) сталкиваются, образуют кластеры, которые тут же распадаются,
возникают вновь и опять распадаются. Время жизни таких кластеров составляют менее 10
-9
с. [194]. В жидкой воде кластеры существуют дольше, чем в газе.
Лед может существовать десятки тысяч лет, если Т < 0о C.
На фоне устойчивого процесса всегда наблюдаются флюктуации — апе-
риодические отклонения параметров организации от некоторой средней
величины. При моделировании организации часто на флюктуации внимания
не обращают, используя усреднённые характеристики. Это может привести к
анекдотическим заключениям типа «у пациентов больницы средняя температура находится в норме».
117
В главе 3 мы ввели понятие стохастический каркас псевдосейф-систем.
Стохастические связи порождают флюктуации. Одни связи разрушаются, а
другие возникают, в среднем всё идёт нормально. Усреднения маскируют многие тонкие процессы самоорганизации, выводят их из поля исследования. Если
сравнить размер звезды (10
10
см) и размер нашей Вселенной ~ (10
28
см), то
взрыв отдельной звезды — это ничтожная флюктуация. Однако взрыв звезды
для её планет и возможной жизни на них «не пустяк».
Все законы термодинамики носят статистический, усреднённый характер.
Например, второй закон термодинамики утверждает, что тепло не может передаваться от холодного тела к горячему, но это только в среднем. Если рассматривать передачу энергии на уровне одной молекулы, то второй закон термодинамики уже неприменим.
1
2 V2
V3
V1
Рис. 5.3. Схема перераспределения энергии между молекулами
В «холодном» теле всегда есть определенная доля «горячих» молекул, которые могут передавать свою энергию к более нагретому телу (по средней температуре). На рис. 5.3 представлена схема такого события.
Пусть молекула 1 со скоростью V1 сталкивается с молекулой 2, движущейся со скоростью V2. В результате молекула 2 изменит траекторию своего движения, и будет двигаться с большей скоростью V3. Таким образом, энергия от
«холодной» молекулы 1 передалась «горячей» молекуле 2. Для мифических
существ, живущих на молекуле, усредненный закон о невозможности такого
события будет слабым утешением.
Второй закон термодинамики «запрещает» вечный двигатель с такой категоричностью, что заявки на изобретение вечного двигателя не принимаются к
рассмотрению. «Вечный» означает, что без притока энергии извне он долго не
работает. Поскольку мы постулировали, что изолированных систем в природе
не существует, то постановка вопроса о вечном, изолированном двигателе не
имеет смысла. Через каждый «двигатель» должен протекать поток ВЭИ. Неясно, как долго должен работать двигатель, чтобы считаться «вечным»? Солнце
работает на внутренней энергии миллиарды лет, Вселенная — десятки милли-
118
ардов лет. Если Вселенная является изолированной системой, то мы имеем
Потенциальная энергия
С
В
А
вибрация
1
2
прецедент вечного движения. Очевидно, законы термодинамики, как и все другие «законы», имеют ограниченную область применения.
Рис. 5.4. Механическая модель флюктуационного двигателя эволюции
Можно показать, как не любимые термодинамикой флюктуации, исполняющие роль организаторов развития, являются двигателями эволюции (рис. 5.4).
В ямке 1 находится множество шариков. Имитация флюктуаций осуществляется хаотической вибрацией всей системы «вверх-вниз». Амплитуды вибрации недостаточно, чтобы сразу перебросить шарик в ямку 2. Перескок влево
требует большей энергии, чем вправо, что детерминирует движение вправо.
Однако в ходе хаотических столкновений шаров и флюктуаций энергии иногда
некоторый шар может достигнуть впадины А, где задержится на какое-то время. Сама впадина А может быть следствием некоторой флюктуации пространства. Она может появляться и исчезать. Если она появилась в нужный момент,
когда шарик до нее долетел, то впадина сыграет роль трамплина. После этого
она может исчезнуть. От вибрации шарик может вернуться обратно в ямку 1,
что более вероятно, но иногда может перескочить в ямку В (менее вероятно).
Точно так же он может достигнуть устойчивого положения С. При достаточно
большой длительности эксперимента какой-то из шаров сумеет по флюктуационной «лестнице эволюции» достигнуть более высокого уровня. Попав в ямку 2, шар приобретает устойчивое состояние и обратно вернуться не сможет,
если не усилить амплитуду вибрации.
Итак, что невозможно было сделать в одно движение, удалось осуществить
в результате хаотических множественных столкновений шаров и случайных
ступенек. Для реализации эволюционного скачка потребовалась асимметрия
системы и наличие нескольких переходных, неустойчивых промежуточных со-
стояний. Итак, для направленной эволюции необходимы: асимметрия сил
(связей), источники энергии и множество попыток. Предсказать такое раз-
119
витие событий классическая термодинамика неспособна, т.к. оперирует только
В
1
А
среднестатистическими значениями.
В неживых системах устойчивость (длительное существование) достижима
при условии минимизации энергии системы, т.е. нахождения объекта в некоторой потенциальной энергетической «яме». «Яма» является препятствием для
внешних дестабилизирующих воздействий. Кроме минимума внутренней энергии важно, чтобы диссипация энергии была минимальной («экономная система»). В живых системах изобретен другой, динамический способ поддержания
устойчивого неравновесия (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Принцип динамической устойчивости
Допустим, человек находится на ступеньке 1, куда невозможно поставить
две ноги и удерживать равновесие. На другой стороне ямы есть такая же ступенька 2. Избежать падения можно только в том случае, если человек будет
непрерывно перепрыгивать со ступени 1 на ступень 2 и обратно. Такой способ
избегания падения требует источника энергии и средств обработки информации
(ритм прыжков). Именно таким способом живые системы, не дожидаясь смерти, воспроизводят потомство, сохраняют свой гомеостазис.
Таких примеров саморегуляции живых и кибернетических систем очень
много. Велосипедист удерживает равновесие благодаря непрерывному падению. Ракета находит цель благодаря непрерывному «рысканию» (отклонению
от курса) и т.д. Способы стабилизации хорошо изучены в кибернетике и основаны на обратных связях [46].
Пример рис. 5.5А иллюстрирует стабилизацию (гомеостазис) системы, работают отрицательные обратные связи. Рис. 5.5В моделирует изменчивость
(гомеокинез), скачки по лестнице усложнения.
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]