29. Химические системы

Можно сказать что до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834—1907) не существовало той объединяющей системы, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал, а следовательно, представить все наличное знание как систему теоретической химии.

Характер любой химической системы, как известно, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула, и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества.

Попытку раскрытия структуры молекул и синтезирования новых веществ предпринял известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829—1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии в школе. В этих формулах элементы связывались друг с другом по числу единиц их валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки.

Эволюция понятия химической системы осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой — установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.

Важной компонентой, характеризующей химические процессы, является их энергетика, представляющая собой потенциал взаимодействия элементов химической системы.

26. Порядок и беспорядок в природе.

Актуальная проблема современного естествознания – природа

причинности и причинные отношения в мире. Концепция детерминизма –

концепция, которая основывается на принципах причинности и

закономерности. Механистический детерминизм или жесткий детерминизм,

основанный на понимании причинной связи как однозначной и постоянной и

идее полной предопределённости всех будущих событий. Критика

концепции детерминизма Эпикуром, его учение о неустранимой случайности

в движении атомов. Механи(сти)ческий детерминизм как: утверждение о

единственно возможной траектории движения материальной точки при

заданном начальном состоянии; лапласова концепция полной выводимости

всего будущего (и прошлого) Вселенной из её современного состояния с

помощью законов механики. Для механистического детерминизма

характерен ньютоновский тип законов, где случайность не принимается во

внимание. Детерминистское описание мира: динамическая теория, которая

однозначно связывает между собой значения физических величин,

характеризующих состояние системы. Примеры динамических теорий:

механика, электродинамика, термодинамика, теория относительности,

эволюционная теория Ламарка, теория химического строения.

Невозможность абсолютно точного задания начального состояния системы

вследствие неизбежной погрешности измерений. Невозможность достаточно

точного задания начального состояния систем с динамическим хаосом, для

которых любая допущенная в измерениях или расчётах погрешность очень

быстро нарастает с течением времени. Примеры систем с динамическим

хаосом: погода и климат, турбулентность, фондовые рынки.

Статистический или вероятностный детерминизм – результат

взаимодействия большого числа элементов, индивидуальнодетерминированных в соответствии с другими типами детерминации.

Событие, в котором имеется несколько альтернатив. Статистическая форма

детерминации. Основные типы природных и общественных законов в

биологии, квантовой физике, общественных отношениях, истории носят

вероятностный характер. Описание систем с хаосом и беспорядком:

статистическая теория, которая однозначно связывает между собой

вероятности тех или иных значений физических величин. Основные понятия

статистической теории: случайность (непредсказуемость), вероятность

(числовая мера случайности), среднее значение величины, флуктуация

(случайное отклонение системы от среднего (наиболее вероятного)

состояния. Примеры статистических теорий: молекулярно-кинетическая

теория, теории квантовой физики, эволюционная теория Дарвина,

молекулярная генетика.

Соответствие динамических и статистических теорий: их предсказания

совпадают, когда можно пренебречь флуктуациями; в остальных случаях

статистические теории дают более глубокое, детальное и точное описание

реальности.

Этимология понятия «хаос». Примеры хаоса. Проявления хаоса во всех

научных дисциплинах. Отличие хаоса (непредсказуемость возникает

вследствие слишком сильной чувствительности поведения системы к

начальным условиям) от беспорядка (поведение системы определяется

постоянно действующими на неё неконтролируемыми факторами). Поиск

механизмов объяснения порядка и хаоса. Переход от беспорядка к порядку в

сильно неравновесных условиях. Энтропия определяет качество системы.

Роль энтропии как меры хаоса.

Неравновесная термодинамика. Согласно теореме И.Р. Пригожина,

если открытую термодинамическую систему при неизменных во времени

условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии будет уменьшаться

до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния

динамического равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будетминимальным. Например, в течение времени жизни живой системы ее

элементы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих процессов

положительна (возникает неупорядоченность). Для компенсации распада

должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза

элементов взамен распавшихся. Следовательно, эта внутренняя работа

является процессом с отрицательной энтропией – негэнтропией. Жизнь как

один из возможных негэнтропийных процессов. Таким образом, с позиций неравновесной термодинамики, живым системам присущи процессы, уменьшающие энтропию систем и поддерживающие их организованность. Самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы,

переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии

критического состояния, в новое, устойчивое состояние с более высоким

уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое

состояние – состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой

неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного

эволюционного развития.

Наука о самоорганизации любых сложных систем – синергетика,

возникла в 70-х годах XX века, основателями которой считают И.Р.

Пригожина, И. Стенгерса и Г. Хакена.

Для процесса самоорганизации необходимо несколько условий: 1)

открытость системы; 2) существенная неравновесность, достигающая при

определенных состояниях критического состояния (точка бифуркации),

сопровождаемая потерей устойчивости; 3) выход из критического состояния

происходит скачком типа фазового перехода; 4) нелинейность.

Диссипация (рассеяние) энергии в неравновесной системе.

Диссипативная структура – неравновесная упорядоченная структура,

возникшая в результате самоорганизации. Пороговый характер (внезапность)

явлений самоорганизации. Точка бифуркации как момент кризиса, потери

устойчивости. Рост флуктуаций по мере приближения к точке бифуркации.

Стабилизация флуктуаций за точкой бифуркации (порядок из хаоса). Синхронизация частей системы в процессе самоорганизации. Понижение

энтропии системы при самоорганизации и повышение энтропии окружающей

среды при самоорганизации.

Явления самоорганизации в различных системах: возникновение ячеек

Бенара в подогреваемой жидкости, протекание циклических химических

реакций, лазерное излучение, развитие Вселенной, эволюция живых

организмов, палеонтологические вымирания и эволюция биосферы,

процессы самоорганизации в явлениях жизни. Самоорганизация в

популяциях и экосистемах, в социально-экономических процессах, обществе,

культуре.

Новый взгляд на концепцию детерминизма: в окружающем нас мире

действуют и жесткий детерминизм, характерный для плавного, эволюционного

развития систем, и случайность, характерная для поведения системы в точке

бифуркации. После того, как путь для системы выбран (один из многих

возможных) вновь вступает в силу детерминизм. В природе преобладают

необратимые процессы, что сказывается на необратимости времени.

Необратимые процессы при определенных условиях (открытость системы)

порождают высокие уровни организации.

Универсальный эволюционизм как научная программа современности,

его принципы: всё существует в развитии; развитие как чередование

медленных количественных и быстрых качественных изменений

(бифуркаций); законы природы как принципы отбора допустимых состояний

из всех мыслимых; фундаментальная и неустранимая роль случайности и

неопределенности; непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации

(прошлое влияет на будущее, но не определяет его); устойчивость и

надежность природных систем как результат их постоянного обновления.

В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее

распространение не только в естествознании, но и социально-гуманитарном

познании.

27. СТАТИСТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ (закономерности жесткой детерминации и статистические закономерности) — два класса закономерностей, различающиеся характером лежащих в их основе связей и зависимостей. Представления о динамических закономерностях являются исторически первыми. Они сформировались под воздействием развития классической физики и прежде всего — классической механики. Механика исходит из изучения законов движения отдельных, индивидуализированных макротел. Основной задачей ее является определение траектории движения макротел под воздействием сил. Весьма существенно, что эта траектория определяется единственным образом. Логическая структура механики легла в основу характеристики динамических закономерностей. Соответственно, в качестве определяющей черты класса динамических закономерностей рассматривается строго однозначный характер всех без исключения связей и зависимостей, отображаемых в рамках соответствующих представлений и теорий. Представления о статистических закономерностях сформировались во 2-й пол. 19 в. в ходе становления классической статистической физики, которая исходит из изучения газов как систем, образованных из огромного числа отдельных однотипных объектов (молекул), состояние которых взаимонезависимо. В общем случае статистические системы суть системы, образованные из независимых или квази-независимых сущностей. Соответственно этому при анализе их оснований существенны идеи и методы системного анализа, важнейшим понятием которого является понятое структуры. Математическим аппаратом статистических теорий является теория вероятностей, а структура статистических систем выражается через представления о вероятностных распределениях. Статистические закономерности и есть закономерности, которые выражаются на языке вероятностных распределений — как законы взаимосвязи межау распределениями различных величин, характеризующих объекты исследования, и как законы изменения во времени этих распределений. Зависимости между распределениями и их изменения во времени определяются вполне однозначным образом. С позиций распределений делаются заключения как о целостных характеристиках систем, так и о свойствах отдельных элементов этих систем. Специфика статистических систем выражается через понятия случайности, независимости, иерархии (уровней внутреннего строения и детерминации). Тем самым устанавливается самоценность статистических закономерностей. Встает вопрос: как возможно образование (устойчивых) систем из независимых сущностей? Ведь обычно считается, что системы образуются благодаря наличию устойчивых взаимосвязей между элементами, образующими сами системы. Особенностью статистических систем является то, что устойчивость им придают внешние условия, внешние воздействия, которые накладываются на поведение систем и их элементов.

Развитие фундаментальных наук о природе со 2-й пол. 19 в. неотделимо от статистических закономерностей. К таким наукам, помимо статистической физики, относятся общая теория эволюции, генетика, квантовая теория, кибернетика (как общая теория управления и информации). Однако, несмотря на силу и глубину воздействия статистического образа мышления на развитие современной науки, он все еще должным образом не ассимилирован современным мировоззрением. Широко распространены утверждения, что к статистическим представлениям мы вынуждены обращаться вследствие неполноты наших знаний об исследуемых объектах и системах. Во многом это обусловлено тем, что на природу статистических закономерностей смотрятс позиций концепции жесткой детерминации.

Закономерности жесткой детерминации и статистические закономерности характеризуют громадные области бытия. Принято рассматривать концепцию жесткой детерминации и вероятностные взгляды на мир как два предельных, диаметрально противоположных подхода к анализу бытия и познания. Соответственно, становление новой концептуальной парадигмы выступает как своеобразный синтез концепции жесткой детерминации и вероятностного подхода. Связывая познание сложных систем, познание нелинейных процессов с разработкой “стохастической динамики”, известные представители Нижегородской школы изучения нелинейных процессов А. В. Гапонов-Грехов и М. И. Рабинович указывают: “В последние годы интерес физиков к “стохастической динамике” непрерывно возрастает: это связано как с появлением большого числа конкретных задач в различных областях, так и с наметившейся возможностью продвинуться в фундаментальной проблеме о связи динамических и статистических законов физики, прежде противопоставлявшихся друг другу” (Гапонов-Грехов А. В., Рабинович М. И. Нелинейная физика. Стохастичность и структуры.— В кн.: Физика 20 в. Развитие и перспективы. М., 1981, с. 228). Рассматриваемая проблема ставится также и в школе И. Пригожина, исследующей концептуальные преобразования в современном научном мышлении. “То, что возникает буквально на наших глазах, — пишут И. Пригожий и И. Стернгерс, — есть описание, промежуточное между двумя противоположными картинами — детерминистическим миром и произвольным миром чистых событий. Реальный мир управляется не детерминистическими законами, равно как и не абсолютной случайностью. В промежуточном описании физические законы приводят к новой форме познаваемости, выражаемой несводимыми вероятностными представлениями” (Пригожий И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994, с. 262). Анализируя рассматриваемые концепции с широких эволюционных позиций, следует подчеркнуть, что жесткая детерминация символизирует собою неумолимо наступающие события, выражает неизменное, сохраняющееся начало мира, а статистическая концепция с ее опорой на вероятность — наличие внутренней независимости во взаимосвязях событий, наличие подвижного, изменчивого начала мира, дающего возможность возникновения истинно нового, ранее в эволюции не имевшего места. Решение проблемы синтеза законов жесткой детерминации и статистических закономерностей направлено на раскрытие особенностей взаимопроникновения жесткого и пластичного начал мира, что характерно для познания сложно-организованных динамических систем как основного пути концептуального развития современной науки.

Ю. В. Сачков