kse

были подготовлены условия для исследований химических элементов, их применения в медицине и практической науке.

Начиная с XVI в. алхимия в Европе утрачивает свое назначение, и ей на смену пришло совершенно новое понимание задач химии. Это назначение состояло в приготовлении лекарств и получило название ятрохимии. Основателем ятрохимии считают швейцарского врача и естествоиспытателя Парацельса.

Ятрохимия сыграла положительную роль в развитии химии как науки. Она освободила ее от алхимии, расширила знания о многих жизненно важных соединениях. Но затем она превратилась в помеху для развития химии, т.к. сужала поле ее исследований. Поэтому в XVII в. многие исследователи отказались от принципов ятрохимии.

С XVII в. начинает развиваться наука Нового времени, для которой характерны большое количество экспериментов и коллективные исследования. В это время создаются общества и объединения прогрессивных ученых в Италии, Франции, Англии.

Одним из основателей такого общества в Англии стал Р. Бойль. Он предложил считать истинными элементами такие вещества, которые не подвергаются дальнейшему разложению. Число таких элементов сразу возросло (у Аристотеля их было всего 5) и эти элементы получили реальное, экспериментальное обоснование.

ВXVIII в. большое значение приобрела новая теория флогистона, заслуга, в создании которой принадлежит немецкому химику Г. Шталю. Согласно этой теории такие горючие вещества, как водород, сера, уголь, а также металлы содержат в своем составе особую «субстанцию», называемую флогистоном. При нагревании флогистон удаляется из вещества и остается чистый элемент. Но теория не могла объяснить, почему вес окалины больше, чем вес чистого металла. Приходилось предполагать, что флогистон может иметь отрицательную массу. Т.е., теория имела внутренние противоречия, для преодоления их нужны были серьезные количественные исследования.

Такая работа в XVIII в. была проделана М.В. Ломоносовым и завершилась открытием закона сохранения и превращения энергии. Этим был заложен прочный фундамент под все последующие количественные исследования.

ВXIX в. дальнейшие количественные исследования Д. Дальтона, Ж. Гей-Люссака, А. Авогадро позволили создать атомно – молекулярное учение, основные положения которого были приняты в 1860 г. на международном конгрессе химиков в Карлсруэ. Эти положения сохраняют силу и сегодня. На этом же конгрессе были приняты и другие основополагающие принципы, теории и законы химии. Так химия заявила о себе как о самостоятельной науке.

Блестящим развитием атомно – молекулярного учения явилась классическая теория химического строения, созданная А.М. Бутлеровым в 1861 г. Он обосновал утверждение, что структурные формулы открывают последовательность химических связей атомов в молекулах. В создании классической теории химического строения большую роль имели также работы А. Кекуле, Я. Вант – Гоффа и В.В. Марковникова.

Теория химического строения создала все необходимые предпосылки для целенаправленного синтеза разнообразных органических веществ заданного состава и строения. Она позволила планировать синтез новых органических веществ: лекарственных препаратов, взрывчатых веществ, красителей. С 60 – 80 – гг. XIX в. появился термин «органический синтез».

Гениальным завершением развития учения о химических элементах явилось открытие Д.И. Менделеевым периодического закона – важнейшего обобщения в химии, которое имело и имеет громадное значение для развития всего естествознания.

ВXX в. раскрыт физический смысл периодического закона и дано квантово – механическое обоснование строения атомов химических элементов периодической системы Менделеева.

Все перечисленные научные достижения заложили прочный фундамент для развития основных химических концепций:

61

1.Учения о химическом составе;

2.Структурной химии;

3.Учения о химических процессах;

4.Эволюционной химии.

2.7.2. Концептуальные системы химических знаний, их краткое содержание Учение о химическом составе охватывает три основные проблемы: анализ состава

химического элемента; определение состава химического соединения; применение все большего числа химических элементов для производства новых материалов.

Вистории развития учения о составе вещества решение первой из обозначенных проблем началось с ошибочного представления о химическом элементе. Первая научная теория химии – теория флогистона, касающаяся состава вещества, оказалась неверной. Примерно, до середины XVII в. не был известен ни один химический элемент. И только в 1660 г. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о «простом теле» или как о пределе разложения вещества. Постепенно были открыты истинные химические элементы.

ВXVIII в. А. Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических элементов. В свою систему он включил кислород, водород, азот, серу, фосфор, углерод, 7 известных к тому времени металлов, а также известь, магнезию, глинозем и кремнезем (потому что они не поддавались дальнейшему разложению). Все элементы своей системы А. Лавуазье считал неделимыми.

Ошибку эту исправил в дальнейшем Д.И. Менделеев, когда сформулировал свой периодический закон и составил периодическую систему химических элементов.

Проблема химического соединения — вторая проблема учения состава вещества. В конце XVIII в. — начале XIX в. французский ученый Ж. Пруст установил закон постоянство состава, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей.

Вдальнейшем этот закон теоретически обосновал Д. Дальтон. Он показал, что все индивидуальные вещества в отличие от смесей состоят из мельчайших частиц — молекул, которые, в свою очередь, состоят из простых атомов разных химических элементов.

Вконце XIX — начале XX вв. русский химик Н.С. Курнаков в результате исследований интерметаллических соединений (соединений, состоящих из двух металлов: магний – серебро, кадмий – мышьяк и т.д.) установил образование настоящих индивидуальных соединений переменного состава. Он назвал их бертоллидами, а за соединениями постоянного состава оставил название дальтониды (в честь выдающихся химиков К. Бертоле и Д. Дальтона).

Как показали результаты физических исследований, суть проблемы химических соединений состоит не столько в постоянстве или непостоянстве химического состава, сколько в физической природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово

–механическую систему — молекулу.

Врезультате того, что физика XX в. открыла природу химизма как обменного взаимодействия электронов, химия стала принципиально по-новому решать и проблему химического соединения.

Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет взаимодействия (химической связи) объединены в частицы — молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Т.е., химические соединения могут состоять как из одного, так и из многих химических элементов.

Наконец, третья проблема учения о составе — применение химических элементов для производства новых материалов. Известно, что 98, 6 % физически доступного слоя Земли составляют всего 8 химических элементов. Это кислород, кремний, алюминий,

62

железо, кальций, натрий, калий, магний. Более всего используется железорудное сырье, а железо по распространенности на четвертом месте.

Вообще же, материально-техническую базу современного производства примерно на 90 % составляют два вида материалов — металлы и керамика. В настоящее время все больше открывается возможностей для замены металлов керамикой. Керамика используется как строительный материал, посуда, тепло - и электроизолятор. Производство ее выгоднее как в техническом, так и экономическом отношении отношениях.

В XX в. получено очень много новых материалов. В 60-е гг. синтезирован сверхтвердый гексанит – Р (разновидность нитрида бора) с температурой плавления > 3 200 0 С и твердостью, близкой к твердости алмаза. Этот материал относится к керамике.

Начиная с середины XX, новые химические элементы стали использоваться и в синтезе элементоорганических соединений (от алюминия до фтора). В результате появились абсолютно новые соединения, которые используются в качестве химических реагентов, а также для производства фторорганических соединений, которые исключительно устойчивы даже в самых агрессивных средах. Эти материалы можно использовать для протезов внутренних органов человека.

Второй концепцией в химии или обширным пластом ее знаний является структурная химия. «Структурная химия» — понятие условное. В этом разделе химии особое внимание обращено на структуру любой молекулы. Возникновение структурной химии означало, что появился инструмент целенаправленного качественного преобразования веществ. Комбинация атомов химических элементов дала возможность сначала получения новых структурных формул веществ, а затем указала и на путь их синтеза.

Изначально большое влияние на развитие этого раздела химии оказала теория валентности Ф. Кекуле. Он предложил изображать формулы схематически, это натолкнуло исследователей на попытки синтеза некоторых веществ.

Активным действиям в этом направлении способствовала и теория химического строения А. М. Бутлерова, которая появилась в 1861 году. Именно она дала толчок к развитию органического синтеза.

Однако оказалось, что структурная химия ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно, чтобы управлять процессами синтеза.

Тем не менее, современная структурная химия достигла высоких результатов: синтезированы многие лекарства и душистые вещества, полимеры для энергетики и авиапромышленности, фторорганические материалы, которые используются в медицине.

Внастоящее время исследования в области структурной химии идут по двум направлениям:

1.Синтез кристаллов для получения материалов с высокими техническими показателями — максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и пр. В этих случаях необходимо исключать влияние некоторых внешних факторов (например, гравитации). Поэтому эксперименты по выращиванию таких кристаллов проводятся в космосе на орбитальных станциях.

2.Создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для получения материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами. Эти процессы сопровождаются появлением незапрограммированных дефектов, поэтому такие работы весьма сложны. Однако они проводятся и небезрезультатно.

Третий пласт химических знаний — это учение о химических процессах. Это учение связывает способность взаимодействия различных химических веществ с условиями протекания химических реакций.

Воснове этого учения лежат химическая термодинамика и кинетика, которые традиционно относятся к физической химии. Отсюда деление методов управления химическими процессами на термодинамические и кинетические.

63

Термодинамические методы лежат в основе химической термодинамики, изучающей закономерности химических процессов в зависимости от изменения температуры и тепловых воздействий. О принципе подвижного равновесия химических реакций впервые заговорил французский химик А. Ле Шателье. В дальнейшем было выяснено, что смещение равновесия возможно при изменении температуры, давления и концентраций реагирующих веществ.

Вопросами управления скоростью химических реакций занимается химическая кинетика. В настоящее время установлено, что скорость химических реакций зависит от строения исходных веществ, их концентрации, наличия катализаторов и других добавок, способов смешивания реагентов, конструкции реакторов и др.

ВXIX в. большой вклад в изучение действия катализаторов внес акад. К. Кирхгоф,

ав 60-е гг. XX в. лауреат Нобелевской премии Н.Н. Семенов. На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Четвертый пласт химических знаний сравнительно свежий. Это эволюционная химия — наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем, которая стала развиваться с 60 – 70 –х гг. нашего столетия.

Эволюционная химия базируется на синтезе соединений, который протекает самопроизвольно (без участия человека). Истоки этой химии уходят в далекое прошлое. Они связаны с давнишней мечтой химиков — освоить опыт протекания химических реакций в живых организмах и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с ней и жизнь.

Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в живых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Я. Берцелиус (XIX в.). Он установил, что основой лаборатории живого организма является биокатализ. В XX в. много внимания каталитическому опыту живой природы уделял Н.Н. Семенов.

Современные химики пришли к выводу, что, используя закономерности химических реакций, протекающих в живых организмах, можно будет построить совершенно новую химию.

Для освоения каталитического опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленном производстве химики наметили четыре перспективных направления.

Первое направление — это развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Этот катализ обогащается приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях.

Второе направление — моделирование биокатализаторов (т.е. ферментов, которые по своей природе являются белками). Некоторые модели уже получены, но они пока не в состоянии заменить природные биокатализаторы живых систем.

Третье направление — развитие химии иммобилизированных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции. При этом ферменты превращаются в гетерогенные катализаторы со стабильным и непрерывным действием. В этом направлении в 70 – 80-х гг. нашего столетия много сделал И.В. Березин и его школа.

Четвертое направление — изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы (опыта формирования фермента, клетки и даже организма). Это направление связано с теорией химической эволюции и биогенеза, выдвинутой в 1964 г. А.П. Руденко. Эта теория в настоящее время служит основанием эволюционной химии.

Сущность этой теории состоит в утверждении, что химическая эволюция

64

происходит естественный отбор тех каталитических систем, которые обладают наибольшей активностью.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, которые развиваются на базе экзотермических реакций.

Поэтому базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции. Согласно этому закону с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Врезультате развития этого направления химикам открылись перспективы создания

иразвития такой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие промышленные технологии.

Контрольные вопросы

1.Что изучает химия?

2.Каковы основные этапы развития химических знаний?

3.Как объясняли свойства вещества в древние времена?

4.В чем сущность «теории» флогистона?

5.Кто и когда предложил теорию химического строения вещества? 6.Какие концептуальные системы химии Вы знаете?

7.В чем состоит суть учения о химическом составе? 8.Что изучает структурная химия?

9.Какие проблемы охватывает учение о химических процессах?

10.Что изучает эволюционная химия?

Литература

1.Будрейко Н.А. Философские вопросы химии. — М., 1970. 2.Васильева Т.С., Орлов В.В. Химическая форма материи. — М., 1983. 3.Данцев А.А. Философия и химия. — Ростов – на Дону, 1991. 4.Соловьев Ю.И., Курашов В.И. Химия на перекрестке наук. — М., 1989. 5.Фигуровский Н.А. История химии. — М., 1979.

Контрольные задания к теме 2.7.

№1. Дайте определение химии, когда она возникла как наука.

№2. Дайте определение алхимии и назовите период ее господства.

№3. Вставьте в предложение нужные фамилию ученого и другие обозначения.

№4. Поясните, что изучает эволюционная химия.

№5. Назовите теорию, объяснявшую процесс горения выделением из тел особого летучего, невидимого и невесомого вещества.

№6. Укажите, где и когда возникла ятрохимия, и кто явился ее создателем.

№7. Поясните, когда появился термин «органический синтез».

№8. Вставьте в предложение фамилию ученого.

« … является автором периодического закона и периодической системы химических элементов».

№9. Объясните, какой химический элемент больше всего используется в настоящее время на Земле. Почему?

№10. Выберите правильный ответ.

Бертолиды – это соединения … а) постоянного состава; б) переменного состава; в)

смеси.

№ 11. Объясните основные положения:

65

а) атомно – молекулярного учения; б) учения о химическом составе; в) учения о химических процессах.

№ 12. Поясните связь химии экстремальных состояний с достижениями научно – технического прогресса.

ТЕМА 2.8. КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

2.8.1. Понятие о самоорганизации Самоорганизация — это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или

совершенствуется организация сложной динамической системы.

Системы, в которых могут иметь место процессы самоорганизации должны обладать высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жесткий, а вероятностный характер. К раскрытию тайн существования и функционирования таких систем естествознание пришло лишь в XX столетии.

Основы теории самоорганизации были заложены еще в 30 – 40 –х годах нашего века, когда ученые обратили внимание на живые системы. Важную роль здесь сыграла книга Э. Шредингера «Что такое жизнь», в которой впервые четко формулировалось положение о том, что высокая упорядоченность, присущая живой природе, принципиально связана с сильной неравновестностью живых систем и с наличием потока энергии, проходящего через них.

Начиная со второй половины XX в, было обнаружено, что подобные системы изучаются не только биологией, но и физикой, и химией. Активное изучение явлений самоорганизации в неорганической природе было подготовлено накоплением многочисленных наблюдений, данных физических и химических систем, в которых из хаотических состояний возникают высокоупорядоченные, временные или пространственные структуры.

Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы (физические, химические, биологические или социальные) имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям.

Поэтому разработка теории самоорганизации идет сразу по нескольким сходным направлениям. Так современное естествознание ищет пути теоретического моделирования сложных систем, присущих природе, систем, способных к самоорганизации и саморазвитию.

Основными свойствами таких систем являются: открытость, нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными, диссипативными системами, далекими от равновесия.

Открытые системы — это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянное поступление энергии, вещества или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, стремящихся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию.

Открытые системы — системы необратимые, в них важным оказывается фактор времени. В открытых системах ключевую роль, наряду с закономерным и необходимым, могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается.

Неравновесность системы порождает ее избирательность, т.е. необычные ее реакции на внешние воздействия среды. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Например, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы (т.е., когда совместные действия причин А и В вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности).

66

Такие процессы часто носят пороговый характер - при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Скачок — это крайне нелинейный процесс. Т.о., неравновесные, открытые системы, являясь нелинейными, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. Поэтому между системой и средой могут иногда создаваться отношения положительной обратной связи.

Такие системы могут приобретать особое динамическое состояние, названное диссипативностью. Диссипативность — качественное своеобразие макроскопических проявлений процессов, протекающих на микроуровне. Иными словами, неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микрокомпонентом.

Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку от организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» тех микропроцессов, которые не вписываются в общую тенденцию развития; в когерентности или согласованности микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития и т.п.

Итак, в современном естествознании появилась возможность единого теоретического описания систем разного порядка, но имеющих одни и те же характеристики. Этим и занимаются синергетика, термодинамика неравновесных процессов и теория катастроф.

2.8.2. Синергетика теория самоорганизации Понятие синергетики было введено в науку проф. Штутгарского университета Г.

Хакеном, хотя впервые этот термин употреблен английским физиологом Ч. Шеррингтоном около ста лет назад. Название «синергетика» происходит от греческого «sinergeia», что означает совместное или кооперативное действие. Такое действие непременно присутствует в процессах самоорганизации.

Под синергетикой Г. Хакен предложил понимать область науки, которая занимается изучением эффектов самоорганизации в физических системах, а также родственных им явлений в более широком классе систем. Новый ракурс, предложенный синергетикой для изучения проблем самоусложнения и развития материальных систем, имеет ряд несомненных достоинств.

Синергетика включила в свою сферу практически все мыслимые объекты и сконцентрировала внимание на изучении конкретных механизмов возникновения и совершенствования организации.

В методологическом плане синергетика представляет собой общую парадигму эволюции, охватывающую как живые, так и открытые диссипативные системы неживой природы. Синергетика делает возможным изучение процессов усложнения и эволюции материи с точки зрения ее самоорганизации на разных уровнях развития. Она претендует на открытие универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация, как в живой, так и в неживой природе.

Синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы можно выделить две фазы:

1)период плавного эволюционного развития, с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2)выход из критического состояния скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

67

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Она переживает и переломные моменты — точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации,

ироль случайных факторов резко возрастает.

Впереломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации. В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В этой точке эволюционный путь системы разветвляется, и какая именно ветвь будет выбрана, — решает случай!

Но после того, «как выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние — назад возврата нет. Этот процесс необратим. Т.е., развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер.

Итак, новизна синергетического подхода заключается в следующих положениях:

хаос не только разрушителен, но созидателен и конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

линейный характер эволюции сложных систем, не правило, а исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер, т.е. для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точке бифуркации.

Т.к. идеи синергетики носят междисциплинарный характер, они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез.

Как выясняется, переход от хаоса к порядку вполне поддается математическому моделированию. Более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности (в живой и неживой природе, в обществе – его истории, экономике, духовной культуре и пр.) подчиняются одному и тому же математическому сценарию.

2.8.3. Понятие о неравновесной термодинамике, теории катастроф и критичности Принципы неравновесной термодинамики и ее понятийный аппарат стал активно

использоваться в становлении теории самоорганизации с 70-х гг. XX в. Основоположником этого направления является И. Пригожин. Основной задачей нового направления является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка.

В противоположность представлениям классической термодинамики, утверждающей неизбежность и непрерывность роста беспорядка или энтропии, И. Пригожин доказал, что неравновесность состояния термодинамически открытой системы может стать причиной возникновения в ней порядка, что необратимые процессы могут приводить к возникновению нового типа динамических систем, названных им диссипативными структурами.

Понятие диссипативных структур занимает одно из центральных мест в его концепции. Оно обозначает новое состояние вещества, которое индуцируется потоком свободной энергии в неравновесных условиях. Пригожин утверждал, что в этом новом состоянии мы имеем новую физическую химию на супермолекулярном уровне, в то время как законы, относящиеся к молекулярному уровню, остаются неизменными и выражаются через квантово - механические и классические уравнения движения.

И. Пригожин, а затем и Г. Николис показали, что появление диссипативных структур на предбиологической стадии могло привести систему к условиям, далеким от равновесия, а также к сохранению этих условий, что необходимо для возникновения определенных ключевых реакций, обеспечивающих дальнейшую эволюцию.

68

Представление о диссипативных структурах стало методологическим регулятивом молекулярно – эволюционных исследований. В понятии «диссипативные структуры» отражается не просто термодинамический подход к проблемам жизни, но и то новое видение мира в целом, которое формируется благодаря современным достижениям естественных наук.

Возникновение новой структуры — диссипативной — в открытой системе всегда является результатом нестабильности. Флуктуации усиливаются в области, удаленной от равновесия, где образуется «порядок через флуктуацию».

Согласно И. Пригожину и Г. Николису, создание структур может осуществляться по определенным нелинейным кинетическим законам вне области стабильности состояний, отвечающих термодинамическому поведению. Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, ученые назвали точкой бифуркации.

И. Пригожин и Г. Николис развивают не только основы нелинейной неравновесной термодинамики, но и дают философский анализ таких категорий, как случайность и необходимость, выходя на обсуждение такой важной проблемы, как детерминизм.

Они считают что, когда речь идет о системах, обладающих большим числом степеней свободы, то жестко детерминированное описание может быть недостаточным. Существование многих степеней свободы автоматически приводит к флуктуации, т.е. к спонтанным отклонениям от некоторого от некоторого среднего макроскопического поведения. При этом в большинстве случаев появление флуктуации данного типа можно отнести к случайным событиям, подчиняющимся определенным вероятностным законам.

С другой стороны, как предполагают И. Пригожин и Г. Николис, система откликается на возникшую флуктуацию в соответствии с некоторыми макроскопическими законами, имеющими истинно детерминистический характер, и стремится к возвращению в исходное положение. И только в точке образования новой структуры флуктуации усиливаются, достигают макроскопического уровня и, наконец, делают устойчивым новый режим, представляющий структуру, возникающую вслед за неустойчивостью.

Т.о., налицо не конфликт случайности и детерминизма, а скорее их кооперирование. Такая взаимодополнительность случайного и необходимого рассматривается Пригожиным как веское доказательство общих черт физического и биологического познания.

Суждения И. Пригожина об универсальных чертах самоорганизации и в целом ее оценка как универсального свойства материи пронизаны собственно научными достижениями, полученными как бы независимо от философских посылок. Такие философские по сути вопросы, как возникновение порядка из хаоса, единство вероятностных и казуальных событий, зависимость характеристик структуры от ее предистории, иерархия структур, необратимость времени обсуждаются так, что ответы на них вытекают из неравновесной термодинамики, примененной к определенным типам нелинейных систем, далеких от равновесия. Поэтому неравновесная термодинамика оказывается тем фундаментом, на котором базируются очень многие положения общей теории эволюции.

Проблемами самоорганизации занимается также еще одно направление, которое получило название теории катастроф и теории критичности. Основопожником теории катастроф является Р. Том. В понятии катастрофы отражен пороговый характер процессов самоорганизации, т.е. скачкообразное изменение системы, вызванное плавными внешними воздействиями. Развитие теории катастроф позволило свести множество сложных случаев к небольшому набору схем, которые точно и подробно исследованы. Поэтому эта теория превратилась в универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений. Теория катастроф используется в оптике, метеорологии, гидро- и аэромеханике, теории кооперативных явлений и пр.

Согласно теории самоорганизованной критичности (над ней работали П. Бак, К. Визенфельд, Ч. Танг и Г. Хелд), каждая часть большой системы стремится к своему

69

критическому состоянию, в котором малое изменение какого-либо параметра может вызвать цепную реакцию, способную повлиять на любое число частей всей системы. Было установлено, что малые события вызывает тот же механизм, что и крупные. Кроме того, составные части системы никогда не достигают равновесия, а эволюционизируют от одного метастабильного состояния к другому.

В этой теории считается, что глобальные характеристики не зависят от микроскопических механизмов, поэтому их нельзя понять, разбивая большую систему на подсистемы и анализируя части отдельно. Эта теория улучшила понимание процессов в эволюции земной коры, на рынке акций, в экосистемах и других больших системах, которые ранее анализировали по частям.

Развивая теорию самоорганизованной критичности, ученые пришли к выводу о том, что в эволюции подобных систем большое значение имеет фликкер – шум или шум мерцания, а также фракталы. Фракталами называются мгновенные «срезы» самоорганизующихся критических процессов. Фрактальные структуры и шум мерцания являются пространственными и временными «отпечатками» самоорганизованной критичности.

В 60-е гг. нашего столетия Ю. Вигнер и др. установили, что случайные воздействия могут повлиять и на простые динамические системы, приводя их в хаотическое состояние. Такие системы являются нелинейными колебательными системами – электрическими или механическими. Эволюцию таких систем прослеживают в фазовом пространстве, изучая их фазовые траектории.

Особенностью фазовых траекторий этих систем является наличие аттракторов — точек, отражающих стремление систем к равновесию. По аттракторам можно установить устойчивость движения системы и переход ее к состоянию хаоса. Область, заполненная хаотическими траекториями, названа странным аттрактором. Важнейшим свойством странных аттракторов является фрактальность.

Фракталы — это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число деталей. Хаос порождает фракталы, а фазовая траектория фракталов обладает самоподобием, т.е. при выделении двух близких точек на фазовой траектории фрактала и последующем увеличении масштаба траектория между этими точками окажется столь же хаотичной, как и вся в целом. По мнению Б. Мандельброта введение фрактальных множеств позволяет объяснить и предсказать многие явления в самых различных областях.

Итак, мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма лежит присущая материи способность к самоорганизации, исследование которой продолжается.

Контрольные вопросы

1.Что такое самоорганизация?

2.Когда были заложены основы теории самоорганизации?

3.Какие закономерности присущи самоорганизации?

4.Какие ученые оставили след в формировании теории самоорганизации? 5.Какие свойства проявляют самоорганизующиеся системы?

6.Что такое синергетика?

7.Почему синергетику называют общей парадигмой эволюции?

8.Как синергетика трактует развитие открытых, неравновесных систем? 9.Что такое бифуркация?

10.В чем заключается новизна синергетического подхода?

11.Почему основы неравновесной термодинамики используются в становлении теории самоорганизации?

12.В чем сущность теории катастроф и критичности?

Литература

1.Арнольд А.И. Теория катастроф. — М., 1990. 2.Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. — М., 1986.

70