Синергетика эволюционизирующих систем

Синергетика родом из физических дисциплин – неравновесной термодинамики и радиофизики; она становится одним из важнейших принципов построения современной научной картины мира.

Стоит отметить, что постулат о способности материи к саморазвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. Разработка постулата осуществляется по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др., но общий смысл развиваемого ими комплекса идей носит название синергетического (термин Г. Хакена).

Главный мировоззренческий сдвиг, который производит синергетика, можно выразить следующим образом:

а) процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равноправны;

б) 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, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

а) они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;

б) они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Но именно такими являются большинство известных нам природных систем. Изолированные системы классической термодинамики - это определенная идеализация,

в реальности такие системы - исключение, а не правило.

Что касается Вселенной как универсальной системы организации материи, если считать ее открытой системой, то возникает вопрос, что же может служить ее внешней обменной средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.

Точка бифуркации. Случайность и закономерность в

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

А) Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.

Б) Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как

42

бы «сваливается» в одно измногих возможных новых для нееустойчивых состояний. В этой точке (точки бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана — решает случай! Но после того как «выбор сделан», и система перешла в качественно новое устойчивое состояние — назад возврата нет. Процесс этот необратим. Отсюда следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем - однозначно спрогнозировать нельзя.

Классические статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образовалась бы случайно, что почти невероятно, то она тут же распалась бы. Но она не распадается при поддержании соответствующих условий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникновение таких структур нарастающей сложности не случайность, а закономерность.

Внастоящее время осуществляется поиск и разработка процессов самоорганизации открытых неравновесных систем различных уровней организации и не безуспешно. К таким процессам отнесены механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова - Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика. Все это - примеры самоорганизации систем самой различной природы, но одной общности, когда хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур.

Врамках физических представлений синергетических моделей - цивилизация в целом и конкретное общество в частности рассматриваются как сложные неравновесные системы, устойчивость которых обеспечивается взаимопониманием внешних и внутренних причин развития. Синергетические модели современной физики находят применение и в самоорганизации социально-экономических процессов, кризисов развития человеческого общества, процессов глобализации.

Современное естествознание становится по существу постнеклассической интегративной наукой с ведущей ролью новой «синергетической физики» и тенденцией перехода от познавательной сущности науки к научному методу решения проблем экономического, социального, политического и культурного характера, получению обоснованных прогнозов будущего развития.

Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями:

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

•Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а, скорее, исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

•Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Следовательно, случайность — не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. А еще это значит, что нынешний путь эволюции системы может

43

Классические примеры самоорганизующихся систем

Ячейки Бенара. Классическим примером образования структур нарастающей сложности из хаотического движения считается явление в гидродинамике, а точнее состояние гидростатической неустойчивости в жидкости. названное ячейками Бенара.

В 1900 году была опубликована статья Х. Бенара с фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты (рис. а, б).

Рис. Ячейки Бенара: а) общий вид структуры б) отдельная ячейка.

Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как температурный градиент превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (может быть и другая вязкая жидкость) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой (ячейка Бенара). В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается.

Возникающая на поверхности жидкости (ртути) при определенных условиях диссипативная пространственная структура, была названа ячейками Бенара.

Механизм образования ячеистой структуры:

При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур Т = Т2 - Т1. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит (для малых до критических разностей Т < Тkp жидкость остается в покое, тепло снизу вверх передается путем теплопроводности). При достижении температуры подогрева критического значения Т2 = Тkp (соответственно Т = Тkp) начинается конвекция. Однако при достижении некоторого критического значения градиента в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры, так называемые пространственно диссипативные структуры. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. С позиции физики происходит фазовый переход – образовалась новая структура, но переход неравновесный, и требует подвода внешней энергии.

44

Итак, при возникновении организованного конвекционного потока огромное число микрочастиц (молекул жидкости) как «по команде» начинают вести себя согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом движении, каждая молекула как бы «знает», что делают все остальные, и «желает» двигаться в общем строю.

Реакция Белоусова-Жаботинского. Другой пример относится к

самопроизвольным периодическим химическим реакциям, впервые открытым Б. Белоусовым в 1951 г. Как и с ячейками Бенара, суть периодических реакций – в возникновении организованных потоков и структур. При реакции окисления лимонной кислоты с присутствием специфического катализатора в определенной последовательности возникали окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. В последствии подобного типа, проделанные с другими веществами, получили названия реакций БелоусоваЖаботинского.

Реакции, приводящие к временным структурам, в химии отнесены к колебательным реакциям – или автокаталитическим по химической терминологии, или к автоволновым процессам по физической терминологии. В автокаталитических реакциях продукты каталитически ускоряют саму реакцию и скорость ее растет с ростом концентрации ее продуктов. Автоволны – это самоподдерживающие волны, которые распространяются в активных средах с распределенной запасенной энергией или средах, с подводимой энергией извне. Автоволновые процессы, относящиеся к самоорганизующимся процессам, получили свое наибольшее развитие в работах представителей русской школы теории колебаний, в том числе в нелинейных средах, Л. Мандельштама (18791944), А. Андронова (1901-1952) и др. Так называемый «русский подход» к проблемам самоорганизации имеет более глубокий смысл, поскольку на его основе анализируют многие процессы в природе и обществе. Следует отметить, что И. Пригожин и его школа, занимающаяся неравновесной термодинамикой, пользуются своей терминологией для описания динамики неустойчивых структур, а не синергетической, введенной Г. Хакеном (термин «синергетика» означает «совместное действие»).

45