Самоорганизация в природе
Классическая физика постулировала обратимость основных физических законов. Обратимость предполагает равноправие путей развития как от прошлого в будущее, так и из будущего в прошлое. Крайним выражением этого понятия стал лапласовский детерминизм, утверждавший теснейшую взаимозависимость всего сущего в этом мире. Так, при известных параметрах, определяющих состояние динамической системы в какой-то определенный момент времени, предполагалось возможным описать все ее прошлые состояния и предсказать все будущие состояния. При такой точке зрения становилось непонятным, почему в Природе наблюдаются необратимые процессы, как объяснить существование «стрелы времени», то есть однонаправленного во времени развития событий, как в таких условиях может возникать новое в мире.5
Термодинамика выступает здесь в противовес классической физикой. Она подтверждает необратимость некоторых процессов и их нелинейность, существование стрелы времени.
Раздел, получивший название равновесной или классической термодинамики, изучал подобные процессы, происходящие в изолированных системах, не обменивающихся с внешней средой энергией и/или веществом, и находящихся при этом в состояниях, близких к равновесным. Каждый акт совершения внутри системы работы сопровождался необратимыми потерями части энергии, превращавшейся в тепло, равномерно рассеивавшегося в системе. При отсутствии притока энергии извне система вынужденно деградировала, достигая, в конечном счете, состояния полного термодинамического равновесия, самого простого состояния конкретной системы. На пути к термодинамическому равновесию в системе разрушалась всякая упорядоченность, всякая структурная организованность. Термодинамическое равновесие характеризуется полным отсутствием упорядоченности в нем.6
Классическая термодинамика утвердила в науке представление о единственном пути развития подобных систем, деструктивном пути, завершающимся «тепловой смертью» системы. Но ко второй половине ХХ века выяснилось, что все разномасштабные развивающиеся системы, изучаемые в разных научных дисциплинах, являются открытыми неравновесными системами. Это означает, что все такие системы в той или иной степени взаимодействуют с внешней средой, обмениваясь с ней энергией и/или веществом.7
Рассмотрим динамику природных систем. Как и все системы процесс развития можно разделить на два этапа.
Первый этап характеризуется стационарностью, на всем его протяжении не происходят принципиальные качественные изменения в состоянии системы. Эволюционные процессы жестко детерминированы, будущие состояния предсказуемы, если выявлена общая тенденция развития. Однако пребывание системы в стационарном состоянии требует протекания определенных внутренних и внешних взаимодействий, позволяющих системе устойчиво сохранять внутреннее равновесие при ее неравновесности с окружающей средой. Для биологических систем такие взаимодействия называют гомеостазом. В случае развивающихся неорганических систем внутреннее равновесие поддерживается либо постоянной выработкой энергии внутри системы, либо постоянным притоком необходимой энергии извне. Примером первого случая служит стационарная звезда, устойчиво сохраняющая внутреннее равновесие благодаря протеканию ядерных реакций, сопровождающихся выделением необходимого количества энергии. Благодаря такой внутренней деятельности устанавливается равновесие между стремлением массы звезды сжаться под действием сил гравитации, и противоположным стремлением расшириться под действием давления, создаваемого выделяющейся энергией. Один из примеров второго случая – лазер, стационарно испускающий высокоорганизованное оптическое излучение при постоянной его накачке энергией от внешнего источника питания.
Второй этап характеризуется решающей ролью флуктуаций в системе, которые определяют по какому пути пойдет развитие системы.
В том, как протекают такие переходные процессы, не всё до конца ясно. В случае сложных систем решающее значение имеет их открытость, взаимодействие с внешней средой, откуда поступает энергия и/или вещество, обеспечивающие выход из состояния кризиса. Из классической термодинамики известно, что при отсутствии такого взаимодействия (изолированные системы) любые процессы преобразования одних видов энергии в другие, сопровождаемые совершением работы, завершаются необратимыми переходами части участвующей энергии в тепло, которое равномерно рассеивается внутри системы. Необратимые потери энергии создают увеличение неупорядоченности, численно характеризуемое увеличением энтропии. Так что в изолированных системах неизбежен исторический процесс производства энтропии вплоть до достижения ею максимального значения в состоянии термодинамического равновесия, которое является самым простым состоянием данной системы.8
Вернемся к затронутой проблеме развития вселенной. По второму началу термодинамики закрытые системы и в том числе наша вселенная движется в сторону упрощения и ничего нового не возникает
Каким образом мы можем распознать нечто новое, не отрицая его, не сводя к монотонному повторению одного и того же? Жак Моно был первым, кто привлек наше внимание к конфликту между понятием законов природы, игнорирующих эволюцию, и созданием нового. Для Моно возникновение жизни представляет собой статистическое чудо: число, на которое мы поставили, выпало в космической игре случая. Но в действительности рамки проблемы еще шире. Само существование нашей структурированной Вселенной бросает вызов второму началу термодинамики: как мы уже знаем, по мнению Больцмана, единственное нормальное состояние Вселенной соответствует ее “тепловой смерти”. Все различия между диссипативными процессами, такими как образование звезд или галактик, надлежит понимать лишь как временные флуктуации.9
“Сумеем ли мы когда-нибудь преодолеть второе начало?” Этот вопрос люди из поколения в поколение, от цивилизации к цивилизации продолжают задавать гигантскому компьютеру в рассказе Айзака Азимова “Последний вопрос”-. У компьютера нет ответа: “Данные недостаточны”. Проходят миллиарды лет, гаснут звезды, умирают галактики, а компьютер, теперь напрямую связанный с пространством-временем, продолжает сбор данных. Потом новая информация перестает поступать — ничего более не существует, но компьютер продолжает вычислять, открывая все новые и новые корреляции. Наконец, ответ готов. Не осталось никого, кому бы можно было сообщить его, но зато компьютер теперь знает, как преодолеть второе начало. “И стал свет...”10
Речь идет о том, что на кризисном этапе развития системы заканчивается однозначный эволюционный путь, характерный для ее предыдущего стационарного этапа. Возникает несколько ветвей потенциально возможных продолжений развития после выхода из кризиса. Количество таких переходов определяется особенностями развивающейся системы и условиями ее взаимодействия с внешней средой. «Выбор» одной из таких ветвей определяется воздействием на систему одной из возникающих в этот период времени флуктуаций.11
В открытой системе, попавшей в кризисную ситуацию, при наличии внешнего источника энергии в систему осуществляется приток свежей энергии. Если величина поступающей энергии не превысит потерь энергии внутри системы, то выход из кризиса произойдет деструктивным путем, путем частичного или полного разрушения упорядоченного состояния системы. Деструктивный путь выхода из кризиса реализуется механизмами достижения равновесных состояний. Переход неравновесной системы в некоторое промежуточное равновесное состояние сопровождается ростом энтропии, что означает снижение уровня организованности. При деструктивном выходе из кризиса нередко наблюдается однозначность перехода. Например, после выработки в недрах звезды ядерного горючего катастрофический ее переход в качественно новое состояние однозначно определяется исходной массой. В новом облике белого карлика или нейтронной звезды достигается неустойчивое состояние внутреннего равновесия при более низком уровне организованности, чем в исходном стационарном состоянии. Другой пример: любой многоклеточный организм, исчерпавший свои жизненные возможности, завершает жизненный путь летальным выходом из кризиса, достижением полного равновесия с окружающей средой.
Однако существует и конструктивный выход из кризиса поддержанный большим перекрытием поступающей энергии дефицита энергии. Это является необходимым, но недостаточным условиям. Это происходит при гигантской коллективной флуктуации, когда отдельные частицы системы становятся способны к дальнедействию. Способность эта может быть описана на одном из состояний вещества – плазме. Частицы обычного газа способны только к близкодействию, а ионы плазмы чувствуют друг друга на расстояниях, благодаря кулоновскому взаимодействию (для примера выбрана классическая плазма – ионно-электронный газ).
Для плазмы аналогично можно привести состояние равновесия. Равновесие достигается при компенсации пространственных зарядов электронов и ионов. Если равновесия не существует, в плазме возникают электрические токи (электроны устремляются к избытку положительных зарядов). Магнитные ловушки могут породить изменение упорядоченности ионов и электронов. Обычно заряд иона экранируется облаком электронов. В магнитном поле система выйдет из зарядового равновесия и сформирует новую структуру, возможно более сложную.
Предположение о том, что Вселенная является открытой системой, говорит, что данный объект обменивается с чем-то веществом и энергией. Подтверждением этому стало открытие господствующей в нашем мире темной энергии. Оно стало возможным с появлением мощных компьютеров и лучших численных методов. При решении задачи о движении тел в солнечной системе было выявлено, что планеты должны разлетаться, чего не происходит. Было высказано предположение, что дополнительную гравитацию создаёт темная материя. Она не детектируется Эта пока непонятная науке субстанция предположительно представляет собой невещественную форму материи, входящую составной частью в физический вакуум . Пока темная энергия проявляет себя через гравитацию, составляя не менее 75% всей тяготеющей массы Вселенной. Теперь о Вселенной можно говорить в общем смысле, как о системе, включающей в свой состав все известные (а возможно и неизвестные) формы материи. Господствующая темная энергия предстает в качестве базовой формы материи в ней. Термин «вещественная Вселенная» предполагает ту часть общей Вселенной, которая состоит из вещества, это, скорее всего, производная от базовой формы. В таком представлении вещественная Вселенная рассматривается как высокоорганизованная открытая система, внешней средой для которой выступает физический вакуум, включающий в себя господствующую темную энергию. По оценкам атомарное вещество и излучения, образующие вещественную Вселенную, составляют в Мегамире только 5% от общей тяготеющей массы. Как открытая высокоорганизованная система вещественная Вселенная обнаруживает признаки направленного развития.
Необходимость объяснить существование направленного развития сложных систем создает определенные трудности. Сама по себе самоорганизация при подходящих условиях случайным образом осуществляет единичный акт перехода системы в состояние с более высоким уровнем организованности, чем в исходном положении. Но направленный процесс развития состоит из последовательности взаимосвязанных одиночных актов усложнения. Сомнительна возможность объяснить согласованное существование таких одиночных актов случайностью. На приведенном выше примере программного развития земных организмов возникает понимание того, что необходимое согласование последовательных актов самоорганизации возможно при условии существования информации о будущих состояниях развивающейся системы. И такая информация должна содержаться в самой системе. Здесь можно вспомнить слова Пригожина о том, что вне равновесия материя прозревает, придав прозрению смысл наличия необходимой информации в сочетании с самоорганизацией.
Разветвление эволюционных путей в кризисных точках развития, случайный или неопределенный характер «выбора» послекризисного эволюционного пути дальнейшего развития, исключают возможность точного предсказания будущего системы на основании тенденций, наблюдаемых на предшествовавшем стационарном этапе.
Теория точек бифуркаций не противоречит теории эволюции академика Павлова. Хотя вероятность зарождения жизни и равна сборке самолета Боинг пролетевшим над свалкой смерчем, это не отрицает смещения вероятностей действием сил. В результате вмешательства силы вероятность зарождения жизни могла быть искусственно повышена.
Процессы самоорганизации происходят и в памяти человека при создании новых смысловых блоков. Теория голографической модели памяти человека основана на предположении, что память человека функционирует подобно объемным наложенным голограммам. По теории В.В. Орлова высказано предположение. При восстановлении объёмных наложенных голограмм возникают перекрёстные помехи и искажения, обусловленные многократной дифракцией волн на решетках голограмм. Кроме того, если процесс записи голограмм нелинеен, то у них возникают дополнительные решетки, дифракция на которых также вызывает перекрестные помехи голограмм. Орлов предположил, что совокупность объектных волн наложенных голограмм описывается унитарной матрицей так, как при этом искажения и перекрёстные помехи отсутствуют. Согласно этой модели сенсорная информация о внешнем мире храниться в памяти человека в виде произвольной матрицы, которая в результате высших форм психической деятельности расширяется до унитарной матрицы, что соответствует гештальтпсихологии о том, что совокупность нескольких образов содержит новую информация, не содержащуюся в отдельных образах. Естественно предположить, что образы, хранимые в памяти человека, организованы таким образом, чтобы извлекать их из памяти без искажений. Не возникает сомнений, что память имеет все условия для самоорганизации и является открытой и нелинейной системой. Рассмотренный им метод формирования унитарных матриц позволяет сказать, что у взрослого человека новая информация записывается в уже существующий смысловой блок. При этом это вызывает изменение всех образов данного блока, меняются все строчки и столбцы матрицы. А при запоминании нового смыслового блока, порядок квазидиагональной унитарной общей матрицы увеличивается. Это идет с тем фактом, что новые образы у взрослого человека формируются и запоминаются по аналогии с уже существующими. Этот процесс усложняет память человека, что характерно для явления самоорганизации.