Пути формирования синергетики

Наука, как и все виды искусства, требует воображения. Первое, для чего оно нужно, – это увидеть предмет исследования.

Дж. Дж. Томсон,

английский физик

Научные представления о процессах самоорганизации в открытых неравновесных системах сначала (в 60-х годах XX века) формировались разрозненно и независимо в разных дисциплинах. Позже (в 70-х годах) они стали предметом сравнения и в них обнаружилось много общего.

И. Пригожин вышел на свою теорию самоорганизации через разработку термодинамики сильнонеравновесных систем. Однако этому варианту термодинамики предшествовала разработка теории более слабого неравновесия – теории стационарных, или устойчивых, неравновесных систем. Стационарное неравновесие достигается, когда внешнее воздействие выводит систему из состояния равновесия, но поскольку это воздействие недостаточно велико, то неравновесное состояние системы удерживается вблизи от состояния равновесия.

Для ученых такие состояния оказались интересными по двум причинам. Во-первых, для таких случаев с некоторыми поправками применим ранее разработанный теоретический аппарат термостатики. Поскольку стационарные неравновесные системы открыты, то они обмениваются со средой веществом и энергией. В них существуют потоки вещества и энергии и, следовательно, происходит рост энтропии.

И. Пригожин доказал теорему о том, что в таких системах производится минимальная энтропия. Полная энтропия таких систем будет оставаться постоянной только при поступлении в систему извне отрицательной энтропии, то есть негэнтропии, или информации. Поэтому при поступлении в систему извне минимальной негэнтропии неравновесное состояние будет устойчивым (стационарным).

Во-вторых, для феноменологического объяснения устойчивости неравновесных состояний может использоваться принцип Ле Шателье- Брауна.

В 1884 году Ле Шателье сформулировал принцип: «Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот». В 1887 году этот принцип был обобщен немецким физиком К. Брауном. В современном изложении этот принцип означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия.

Иначе говоря, системы, находящиеся в стационарном неравновесном состоянии, обладают от природы свойством устойчивости.

Общая теория устойчивости разрабатывалась выдающимся отечественным математиком А.М. Ляпуновым (1857-1918). Согласно этой теории, устойчивые состояния не теряют своей устойчивости при флуктуации физических параметров. Система за счет внутренних взаимодействий способна погасить возникающие флуктуации. Неустойчивые системы, наоборот, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и в результате нарастания амплитуды возмущений система с ускорением (то есть нелинейно) переходит из стационарного неравновесия в неустойчивое неравновесное состояние, ведущее к хаосу.

Логика научного развития, включая новые экспериментальные данные, потребовала в 50-60-х годах XX столетия

перейти от рассмотрения слабонеравновесных к изучению сильнонеравновесных систем, от стационарных неравновесных состояний к исследованию неустойчивых неравновесных состояний. Здесь и завязка проблемы.

Дело в том, что в изучении сильнонеравновесных состояний неприменим теоретический аппарат термостатики, а также и принцип Ле Шателье - Брауна.

Это значит, что для сильнонеравновесных состояний требовалось заново разрабатывать теорию. И когда эту работу И. Пригожин выполнил, то оказалось, что данная теория есть новая концепция самоорганизации химических и физических систем.

Такова вкратце логика движения И. Пригожина к разработке теории самоорганизации, а конкретные факты этого движения следующие. Внимание И. Пригожина привлекла химическая реакция, названная ре акцией Белоусова-Жаботинского.

Эту весьма экзотическую реакцию открыл в 1951 году отечественный химик Б.П. Белоусов. Он установил, что в растворе серной и малоновой кислот, сульфат церия и бромид калия при добавлении в качестве индикатора фероина можно зрительно следить за ходом окислительно-восстановительных реакций по изменению цвета промежуточных продуктов. Как только все эти вещества сливались в пробирку, раствор начинал менять цветовую окраску с красной на синюю и наоборот. При этом цвет менялся строго периодически на протяжении получаса. Из-за строгой периодичности в изменениях цвета эту реакцию назвали «химическими часами».

Реакция была столь необычна, что не поддавалась теоретическому объяснению. Поэтому издательства научных журналов отказывались публиковать сообщение Б.П. Белоусова, хотя в начале 50-х годов английский математик и кибернетик А. Тьюринг теоретически обосновал вывод о возможности периодического чередования промежуточных продуктов определенных химических реакций. И лишь после того как молодой биофизик А.М. Жаботинский в 60-х годах исследовал много сходных химических реакций и раскрыл их механизм, реакция Белоусова-Жаботинского привлекла внимание ученых и скоро стала приводиться в качестве классического примера.

В начале 70-х годов этой реакцией заинтересовался И. Пригожин. Сопоставив ход реакции Белоусова-Жаботинского с теорией Тьюринга, группа бельгийских ученых во главе с Пригожиным переформулировала теорему Тьюринга и выдвинула свою теоретическую модель самоорганизации.

Источник самоорганизации Пригожин усмотрел в случайных неоднородностях, или флуктуациях, среды, которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Далее случайные микрофлуктуации перерастают в состояние хаоса. Но когда в систему с хаотическим состоянием поступает из среды достаточно большое количество свежей энергии, то из хаоса рождаются крупномасштабные флуктуации макроскопического уровня. Эти макроскопические флуктуации представляют собой коллективные формы поведения множества микрочастиц, которые назвали модами. Между модами (их называют еще конфигурациями) возникает конкуренция и происходит отбор наиболее устойчивых из них. Так, по Пригожину, из хаоса рождаются макроскопические состояния, так он объясняет самоорганизацию физических и химических систем.

Анализ промежуточных продуктов химических реакций, а именно периодичности их возникновения, показал сходство этих процессов с автоколебаниями систем различной природы (химических, электромагнитных, механических, биологических ритмов и др.). Автоволновые процессы исследовались советскими учеными. Сам термин «автоволны» был введен академиком Р.В. Хохловым (1926-1977). Теория автоколебательных процессов разрабатывалась школой академика Л.И. Мандельштама (1873-1944), школой академика А.А. Андронова (1901-1952) и др.

Автоволны – это волны, которые автоматически поддерживают свои физические параметры за счет энергии той среды, в которой они распространяются. Типичный пример автоволны – нервный импульс, который бежит без затухания по нервному волокну диаметром менее 0,025 мм и длиной до 1,5 м.

Нервное волокно – очень плохой проводник, его электрическое сопротивление во много раз больше сопротивления медного провода того же сечения, и потому без подпитки энергией нервного волокна такой импульс затух бы очень быстро. На этот счет имеется яркое высказывание известного специалиста в области нейрофизиологии А. Ходжкин, в котором подчеркивается, что «проведение нервного возбуждения напоминает скорее горение порохового заряда, чем распространение электрического заряда по кабелю».

Но биоэлектрические импульсы генерируют электрические и магнитные волны.

Исследования показывают, что обработка информации в коре головного мозга осуществляется не в форме активности отдельных нейронов (как в ЭВМ), а на уровне взаимодействий между автоволнами возбуждения и торможения, которые охватывают обширные участки головного мозга.

Аналогично регулируется и работа сердца: один раз в секунду по сердцу пробегает автоволна – волна временного уменьшения разности электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны сердечных клеток. Распространяясь по сердцу, эта волна возбуждения запускает механизм сокращения сердечной мышцы. Именно этот электрический потенциал, создаваемый волной возбуждения, и регистрируется на электрокардиограмме. Не останавливаясь на автоволновых процессах более, отметим лишь, что их теория, как нам кажется, содержит большие возможности для углубления представлений о процессах самоорганизации.

Известный немецкий физик Герман Хакен пришел к концепции самоорганизации через разработку проблем квантовой электроники, точнее – от изучения механизмов образования лазерного луча. Он отмечал особую роль коллективного поведения подсистем, образующих систему, и ввел для обозначения процессов самоорганизации обобщающее название «синергетика», о чем сказано в начале §5.1.

Самоорганизация, по Хакену, – это «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса». Переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному происходит за счет совместного и синхронного действия многих подсистем (или элементов), образующих систему.

Г. Хакен выделил кооперативные (коллективные) процессы во всех самоорганизующихся системах. Так, коллективно самоорганизуются атомы в узлах кристаллической решетки; коллективно выстраивается одинаковая ориентация элементарных магнитных моментов в ферромагнетике; коллективно и согласованно самоорганизуются вихри внутрь жидкости, порождая видимую на макроскопическом уровне турбулентную структуру. Возбуждаясь в рабочем веществе лазерной установки, атомы самосогласованно и коллективно испускают когерентное излучение.

Роль рабочего вещества в твердотельном лазере выполняет монокристалл, в котором имеются активные атомы, возбужденные энергией, подведенной извне в процессе так называемой «накачки» энергии. Возбужденные в кристалле атомы работают как излучающие микроантенны, испускающие световые волны.

Пока мощность накаченной энергии мала, атомы в кристалле возбуждаются несогласованно и излучают световые микроволны тоже разрозненно по времени и направлению. В этом случае лазер испускает рассеянный свет, как осветительная лампа. Но когда накачка энергией активного вещества лазера достигает порогового значения мощности, то все возбужденные в кристалле атомы-антенны внезапно начинают излучать свет синхронно и однонаправленно, и от сложения множества микроизлучений образуется один мощный направленный луч света, лазерная установка переходит в режим генерации.

Это соответствует в опыте с вязкой жидкостью образованию ячеек Бенара, то есть при генерации лазерного луча в атомной системе кристалла происходит самоорганизация. Это означает также, что лазер является системой, находящейся вдали от равновесия и что такая система может находиться в устойчивом состоянии только за счет поступления энергии извне.

По Г. Хакену, характерными чертами процессов самоорганизации являются: кооперативность действия элементов и подсистем, образующих систему; неравновесность состояния, поддерживаемая за счет энергии среды; нелинейность процесса, выражаемая уравнениями второй или третьей степени; пороговый характер процессов самоорганизации.

Еще одним независимым источником идей синергетики стали работы немецкого ученого М. Эйгена, специалиста в области молекулярной биологии. Он показал, что при благоприятных условиях среды сложные органические молекулы способны к самовоспроизводству и усложнению организации на предбиологическом уровне. При этом, как полагает М. Эйген, с усложнением организации органических молекул начинает действовать дарвиновский принцип естественного отбора.

Интересной представляется и концепция самоорганизации А.П. Руденко, разработанная им в начале 60-х годов, – концепция эволюции открытых каталитических систем. Согласно этой теории катализаторы, принимающие участие в базовых химических реакциях, обнаруживают способность к совершенствованию (развитию) своей организации за счет энергии базовой химической реакции. При своевременном отводе отработанной энергии и усвоении свежей энергии базовой химической реакции каталитическая система поэтапно и последовательно совершенствуется (эволюционирует) на предбиологическом уровне вплоть до возникновения живых систем.

Таким образом, исследование процессов самоорганизации в начале 60-х годов ограничивалось отдельными естественнонаучными дисциплинами. Вначале исследователи не видели общего характера этих научных идей. Но в 70-х годах ученые постепенно начали выходить за рамки своих дисциплин и заметили, что их идеи аналогичны. В 70-80-х годах стали проводиться совместные научные конференции представителей разных дисциплин и стало оформляться новое научное направление – синергетика, или общая теория самоорганизации систем различной природы. Вместе с оформлением синергетики как общей теории обнаружился ее системный характер.

Раньше синергетики возникла другая дисциплина, развивавшаяся в русле системных исследований и имеющая отношение к процессам саморегуляции – кибернетика. Но синергетика существенно отлична от кибернетики, которая изучает самоорганизацию и саморегуляцию в равновесных системах, тогда как синергетика исследует процессы самоорганизации существенно неравновесных системах. Поэтому кибернетика опирается на использование отрицательных обратных связей, ведущих к сохранению исходных систем. Синергетика же, наоборот, основывается на положительной обратной связи, которая сначала ведет к дезорганизации исходной системы, а затем при использовании энергии среды хаотичное до того состояние может обрести новую организацию.

В синергетике изучаются механизмы возникновения состояний новых структур и форм, а не поддержание исходных состояний, что характерно для кибернетики.

Необходимо отметить, что формирование синергетики как общенаучного направления не завершено и еще продолжается. Но несмотря на это, у синергетики появились адепты, представляющие ее в качестве панацеи при решении проблем развития в широком значении этого слова (например: Князева Е.Н. и Курдюмов С.П., 1994; Рузавин Г.И., 1997 и др.). Действительно, идея эволюционизма, особенно ее биологическая интерпретация, оказалась в кризисном состоянии и нуждается в адекватном теоретическом переосмыслении. Но не выдают ли адепты желаемое за действительность? Ведь теория развития должна по меньшей мере установить надежные критерии прогрессивного развития, чтобы утверждать, что переход от некоторого исходного состояния через хаос к новому состоянию есть развитие. Но в синергетике такого вопроса даже не поставлено. Теория самоорганизации фактически не является теорией развития.

Когда говорят о трансформации ламинарного течения жидкости в турбулентное или рассеянного светового излучения в когерентное, то это не прогрессивное развитие, а превращения структуры состояния на качественно одном уровне сложности. Этот узкий концептуальный контекст формирует столь же узкое и условное смысловое содержание понятия «зародыш новой структуры». Но это не «зародыш» в смысле онтогенетического развития.

Поэтому, строго говоря, концепция эволюции органических молекул М. Эйгена, а также теория эволюции открытых каталитических систем А.П. Руденко не укладываются в парадигму синергетики, а существенно выходят за ее рамки.

Поэтому М. Эйген широко пользуется понятием информации, что вполне правомерно, так как структуры нового уровня организации возможны лишь на базе новой информации, которая, как и энергия, может черпаться только извне. Но вопрос в такой плоскости в синергетике опять-таки не поставлен.

Поэтому не удивительно, что биологи, особенно эволюционисты, относятся к синергетике настороженно и даже отчужденно. В синергетике до сих пор не получил адекватного решения главный вопрос – об истинных источниках самоорганизации. А без этого само понятие самоорганизации остается недостаточно осмысленным и условным, имеющим лишь рабочее значение. В этом отношении более гибкую и конструктивную позицию занял сам Г. Хакен, когда во введении к своей работе дал обоснование термину «синергетика»:

«Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин» [48].

Таким образом, имеющиеся в синергетике наработки не должны волевым способом распространяться на другие дисциплины. Наоборот, изучение специфических потребностей разных дисциплин должно служить стимулом для развития самой синергетики.