§1. Синергетика

Всем хорошо известен принцип обучения ребенка – «от простого к сложному». Но известен также и принцип «онтогенез повторяет филогенез», т.е. развитие индивидуума в какой-то мере повторяет развитие человечества.

Так и в естествознании, например, в физике по мере ее развития анализ более простых, замкнутых систем и равновесных процессов заменяется на исследование более сложных, открытых систем и неравновесных процессов. Исследование таких систем и процессов привело физиков и химиков во второй половине двадцатого века к удивительному выводу – из хаоса спонтанно может возникать порядок!

Приведем по одному примеру из физики и химии. Пример из физики относится к гидродинамической неустойчивости в жидкости, открытой Бенаром в 1900 г. Если на подогреваемую сковородку налить масло и насыпать металлических опилок, то вверху образуется более плотный слой. Подогреваемый и поэтому менее плотный нижний слой масла стремится поменяться местами с верхним более плотным слоем. До какого-то момента этому препятствует вязкость масла. По достижении некоторой критической разности температур возникает организованный конвекционный поток, и поверхностный слой масла скачком разделяется на правильные шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты – ячейки Бенара.

Пример из химии относится к самопроизвольным химическим реакциям, открытым Б. Белоусовым в 1951 г. (реакции Белоусова – Жаботинского). В таких окислительно-восстановительных реакциях раствор самопроизвольно периодически меняет цвет, например, с красного на синий и наоборот. А начиная с некоторого числа колебаний, определяемого концентрацией, спонтанно образуются неоднородности концентрации и возникают красные и синие слои, сохраняющиеся в течение получаса.

С 70-х годов двадцатого века бурно развивается теория неравновесных процессов в физических, химических и биологических системах, которая быстро переросла в новую интегральную науку о самоорганизации сложных систем – синергетику. Термин «синергетика» предложил немецкий физик Герман Хакен (от греческого «син» - вместе и «эргон» - действие, буквально совместное действие). Развивающие это же направление наш соотечественник лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин и его Брюссельская школа предпочитают термин «неравновесная термодинамика».

Концепция синергизма состоит в том, что в открытых системах, т.е. системах, обменивающихся с окружающей средой массой, в общем случае энергией, совместное действие малых флуктуаций (случайных возмущений на микроуровне) может привести к процессу самоорганизации на макроуровне. При этом система должна находиться в критическом состоянии, т.е. состоянии крайней неустойчивости подобно шарику на вершине горки.

Важно отметить, что процессам самоорганизации в открытых системах свойственна нелинейность, т.е. этим процессы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, решениям которых свойственны неединственность, неустойчивость и необратимость во времени. В отличие от линейных дифференциальных уравнений, для которых характерны единственные, устойчивые и обратимые решения. Поведение равновесной системы, описываемое линейными дифференциальными уравнениями, строго определено. Малым возмущениям соответствуют малые следствия, и система всегда имеет возможность вернуться в прежнее состояние. В сложных открытых системах возможен необратимый переход в новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Еще одним важным выводом синергетики является спонтанность и принципиальная непредсказуемость процессов самоорганизации. Для открытой системы, подошедшей к критическому состоянию – в так называемой точке бифуркации или точке разветвления, комбинация флуктуаций может оказать такое сильное воздействие, что более хаотическое состояние перейдет в более упорядоченное. Причем для системы, находящейся в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие системы.

Синергетика, надеемся, позволит решить сложнейшую и важнейшую задачу естествознания – объяснить возникновение и эволюцию живого. Действительно, с точки зрения синергетики нет ничего удивительного в том, что на определенном этапе сложные физико-химические системы стали биологическими. Закономерна с синергетических позиций и эволюция живого, приведшая к появлению Homo Sapiens.