Синергетика

Природа даже в состоянии хаоса может действовать только правильно и слаженно.

И. Кант

Концепция самоорганизации – новое междисциплинарное направление научных исследований, и оно еще продолжает формироваться. По своему влиянию оно сравнимо с кибернетикой, с системными исследованиями и с эволюционной теорией в биологии. Поэтому неслучайно говорят, что концепция самоорганизации становится парадигмой исследования обширного класса систем и процессов различной природы.

В свое время теория Ч. Дарвина послужила толчком для развертывания исследований развития природных и социальных систем. Эволюционная концепция заставила даже физиков по-иному взглянуть на свой предмет и на природу в целом. Дело в том, что у биологов и физиков существовали прямо противоположные взгляды на эволюцию природы.

В классической механике утвердились представления об обратимости физических процессов. Считалось, что для описания движения достаточно задать начальные условия, прежде всего координаты и скорость. Тогда с помощью законов механики можно будет определить положение движущегося тела в любой момент будущего и прошедшего времени. Иначе говоря, фактор времени там не играл существенной роли. Эти традиции нарушила термодинамика: в середине XIX века физики при изучении тепловых процессов ввели фактор времени, который стал отражать соответствующие изменения в состоянии систем. Этим, однако, не преодолевались коренные различия между физикой и биологией, поскольку эволюция в термодинамике понималась совсем иначе, чем в биологии.

Если в биологии эволюция связывалась с совершенствованием и повышением организации живых систем, то в термодинамике она соотносилась с ростом энтропии, то есть с дезорганизацией и разрушением систем. Это является логическим следствием II начала термодинамики, в котором утверждается, что в замкнутых изолированных системах происходит необратимый процесс возрастания энтропии.

Чтобы ослабить столь резкое противоречие, физики должны были сделать шаг навстречу биологам. Одним из первых сделал такой шаг австрийский физик Э. Шредингер (1887-1961) в своей работе «Что такое жизнь с точки зрения физика?» С одной стороны, он отстаивал мысль о том, что законы физики лежат в основе образования биологических структур. С другой стороны, он обосновывал, что живые организмы существенно отличаются от закрытых термодинамических систем тем, что постоянно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Если термодинамические системы закрыты, то живые организмы – открытые системы.

По Шредингеру получается, что и II начало сохраняется (в мире происходит необратимый процесс возрастания энтропии), и в биологических системах происходит повышение организации. Совмещаются эти противоположные процессы за счет того, что организмы извлекают из окружающей среды упорядоченность, используют ее для своего развития и тем самым повышают энтропию окружающей среды.

В развитие идей Э. Шредингера в 60-х годах XX века возникла новая отрасль термодинамики – термодинамика открытых систем, которые обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Особенностью открытых систем является их неравновесность, их состояние может изменяться в широких пределах в зависимости от влияний среды.

Поэтому ввели даже изменение в название: старую термодинамику термически изолированных систем стали называть термостатикой, а для теории открытых неравновесных систем сохранили название термодинамики.

Между термодинамикой и термостатикой имеются существенные различия. Процессы в замкнутых, термически изолированных системах выражаются простыми (часто говорят – линейными) зависимостями, поскольку они описываются математическими уравнениями в первой степени. Например, при постоянной скорости движения тела пройденный путь прямо пропорционален времени движения. В отличие от этого неравновесные процессы в открытых системах выражаются нелинейными зависимостями, так как описываются уравнениями во второй или третьей степени. Поэтому и сами такие системы для краткости выражения называют нелинейными. Следует отметить еще одно отличие если в замкнутых линейных системах используется отрицательная обратная связь, посредством которой система удерживается в заданных границах состояний, то в открытых нелинейных системах используется положительная обратная связь, посредством которой система выводится из состояния равновесия.

Мы остановимся кратко на особенностях нелинейных систем, потому что термодинамика открытых систем стала одним из источников нового научного направления исследований - синергетики.