Закономерности самоорганизации в живой и неживой природе

Основные вопросы

Детерминизм как идея полной предопределенности всех будущих событий. Детерминистское описание природы через динамические теории (механика, электродинамика, термодинамика, теория относительности, теория химического строения). Понятие динамического хаоса.

Закономерное и случайное в природе. Соотношение динамических и статистических закономерностей. Основные понятия статистической теории: случайность, вероятность, среднее значение величины, флуктуация. Макроскопические явления и микроскопические механизмы. Понятие энтропии, информации, их взаимосвязь. Принцип возрастания энтропии в макроскопических процессах. Основные статистические теории: молекулярно-кинетическая теория, квантовая механика, эволюционная теория Дарвина, молекулярная генетика.

Неравновесная термодинамика: описание открытых неравновесных систем. Закономерности самоорганизации. Точка бифуркации. Порядок из хаоса. Диссипативные структуры. Хаос как конструктивная сила, организующая порядок более высокого уровня развития. Синергетика как новое прикладное направление исследования самоорганизации в живой и неживой природе. Принципы универсального эволюционизма.

Методические указания

При рассмотрении раздела следует понять, что понятие состояния физической системы подразумевает совокупность данных, характеризующих особенность рассматриваемого объекта или системы в данный момент времени. Оказывается, что для описания поведения какого-либо объекта одних только законов природы недостаточно, важно знать также условия, описывающие состояние данного объекта в начальный момент времени. Состояние физической системы – это конкретная определенность системы, однозначно детерминирующая ее эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходимо: 1) определить совокупность физических величин – параметров состояния системы; 2) выделить начальные условия рассматриваемой системы; 3) применить законы движения, описывающие эволюцию системы.

Так, параметрами, характеризующими состояние механистической системы, являются совокупность всех координат и импульсов материальных точек, составляющих эту систему. Основная задача динамики состоит в том, чтобы, зная начальное состояние системы и законы движения (законы Ньютона), однозначно определить состояние системы во все последующие моменты времени, то есть однозначно определить траектории движения частиц. Траектории движения получаются путем интегрирования дифференциальных уравнений движения и дают полное описание поведения частиц в прошлом, настоящем и будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости. Здесь полностью исключается элемент случайности, все заранее жестко причинно-следственно обусловлено. Точное знание начального состояния системы и законов движения ее предопределяет попадание системы в заранее выбранное, «нужное» состояние.

В этом сущность принципа жесткого детерминизма, провозглашенного Лапласом. Тем самым, трансдисциплинарной концепцией естествознания в классический период его развития становится представление о том, что только динамические законы полностью отражают причинность в природе. Динамический закон – физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно.

С философской точки зрения можно сказать, что в динамических теориях нет места взаимопревращению необходимости и случайности. Случайность понимается как некая досадная помеха в получении истинного результата, а не как необходимость, проявленная в действительности.

История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом и молекулярно-кинетическом. Молекулярно-кинетическая теория явилась развитием кинетической теории вещества. Она характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название – статистическая физика. Оформившись к середине XIX в., оба эти направления, подходя к рассмотрению изменения состояния вещества с различных точек зрения, дополняют друг друга, образуя единое целое.

Следует разобраться, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, состояние системы характеризуют не полным набором значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных интервалов. Статистическая механика в некотором смысле нарушает традиции классического описания физической реальности. Ведь идеалом классического описания считалась динамическая детерминированная форма законов физики. Поэтому первоначально физики негативно относились к введению вероятности в статистические законы. Многие считали, что вероятность в законах свидетельствует о мере нашего незнания. Однако это не так. Статистические законы также выражают необходимые связи в природе. Действительно, во всех фундаментальных статистических теориях состояние представляет собой вероятностную характеристику системы, ее уравнения движения по-прежнему однозначно определяют состояние (статистическое распределение) в любой последующий момент времени по заданному распределению в начальный момент.

Следует понять, что главное отличие статистических законов от динамических состоит в учете случайного (флуктуации). В философии давно выработано представление о диалектическом тождестве и различии противоположных сторон любого явления. В диалектике необходимое и случайное – это две противоположности единого явления, две стороны одной медали, которые взаимообусловливают друг друга, взаимопреврашаются, не существуют друг без друга. Главное различие между динамическими и статистическими законами с философско-методологической точки зрения состоит в том, что в статистических законах необходимость выступает в диалектической связи со случайностью, а в динамических – как абсолютная противоположность случайного. А отсюда вывод: динамические законы представляют собой первый низший этап в процессе познания окружающего нас мира, статистические законы обеспечивают более современное отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания.

В п. 2.2 (макромир, описание объектов с позиций классической термодинамики) мы познакомились с функцией состояния, характеризующей направленность процессов в изолированных системах. Вспомните, что одно и то же макросостояниесистемы может реализовываться большим количеством микросостояний. Причем, чембольше микросостояний соответствует одномумакросостоянию, тем более вероятным оно будет. Поэтому система самопроизвольно стремится прийти в состояние с наиболее высокой вероятностью (принцип возрастания энтропии в макроскопических процессах).

Т. е. энтропию можно определить как меру неупорядоченности системы,меру дезорганизации системы любой природы. Эта мера простирается от максимальной энтропии (S = 1), т. е. хаоса, полной неопределенности, до исчезновения энтропии (S = 0), соответствующего наивысшему уровню организации, порядка.

Наибольшей вероятностью осуществления обладает состояние термодинамического равновесия. При переходе системы из неравновесного состояния в состояние равновесия вероятность состояния возрастает, система переходит от состояния порядка к состоянию хаоса, беспорядка.

Сопоставьте, что в равновесной классической термодинамике изучались замкнутые системы, а неравновесная термодинамика изучает процессы в открытых системах, находящихся далеко от равновесного состояния. Рассмотрите основные свойства открытых систем: 1) реакцию системы на внешние условия; 2) случайный характер поведения системы; 3) наличие переломных точек в развитии системы – точек бифуркации; 4) согласованное поведение всех частей системы, ее когерентность.

Следует понять, что именно изучение поведения открытых систем позволило прийти к пониманию целого ряда вопросов эволюции в неживой и живой природе. Отметим термодинамический аспект синергетики: открытые системы способны не только поддерживать упорядоченность сис­темы, но и создавать ее из хаоса, беспорядка. Такие системы носят название диссипативных систем. Диссипативные системы рассеи­вают энергию в окружающую среду, т. е. производят энтропию. В результате этого в системе возникает порядок, а общая энтропия (энтропия системы и окружающей среды) возрастает.

Прогресс в познании сложных систем способствовал преодолению противопоставления простого и сложного, пониманию их относительности, а самое главное – раскрытию роли сложноорганизованных процессов в ходе эволюции и развития биологического и социального мира. Для сохранения непротиворечивости общей картины мира стало необходимым постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Т.е. материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываясь и самоусложняясь.

На стыке физики и химии в 70-е годы 20 в. возникает новое научное направление – синергетика (греч. Sinergia – «сотрудничество, содействие»). Основоположниками являются И. Пригожин и Г. Хакен.
В настоящее время синергетика приобрела статус междисциплинарного подхода, ориентированного на выявление и познание общих закономерностей, управляющих процессами самоорганизации в системах разной природы, в том числе и живой. Самоорганизация – спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее – к более сложным и упорядоченным формам организации.

Объектом синергетики могут быть системы, удовлетворяющие, по меньшей мере, двум условиям:

– они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом и энергией с внешней средой;

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

В цикле развития такой открытой неравновесной системы наблюдаются две фазы:

1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2) выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое более устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Обратите внимание, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния крайней неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных для нее устойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюционный путь системы разветвляется, и какая именно ветвь будет выбрана – решает случай.

После перехода системы в выбранное устойчивое состояние обратного пути нет. Процесс будет необратим. Из этого следует, что развитие таких систем имеет непредсказуемый характер. Действие лазера, рост кристаллов, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых сложных макроструктур – все это примеры самоорганизации систем самой различной природы.

Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный синергетикой, можно выразить через следующие постулаты:

– процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции в материальном мире (во всей Вселенной) по меньшей мере, равноправны. Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность);

– эволюция сложных систем носит нелинейный характер, т. е. всегда существует несколько возможных путей эволюции;

– развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей в точках бифуркации.

Таким образом, идеи синергетики носят междисциплинарный характер, они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный процесс. Поэтому в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной научной картины мира.

Синергетика утверждает, что законы самоорганизации действуют на всех уровнях материи, поэтому синергетический подход позволяет преодолеть разрыв между живой и неживой природой и объяснить происхождение жизни через самоорганизацию неорганических систем. Синергетический взгляд на мир меняет наше представление о случайности и необходимости, необратимости материальных процессов, трансформирует привычное представление о времени, позволяет иначе понять характер и сущность энтропийных процессов. В настоящее время синергетический подход получил признание не только в естествознании, но и в гуманитарных и социальных науках.

Вопросы для самоконтроля

1. Объясните принцип лапласовского детерминизма. Как через динамические теории реализуется представление о существовании в природе жестких причинно-следственных связей?

2. Какими понятиями оперируют статистические теории? Поясните, почему понятие случайности и вероятности события являются определяющими в статистических теориях. Приведите примеры статистических теорий.

3. Дайте определения новым понятиям, применяемым для описания открытых неравновесных систем: динамический хаос, флуктуация, точка бифуркации.

4. Рассмотрите принцип уменьшения энтропии – как показатель самоорганизации неравновесной, открытой, взаимодействующей с окружающей средой системы.

5. Какие объекты изучает новое междисциплинарное направление – синергетика? Почему взгляд на мир через призму синергетики меняет наше представление о случайности и необходимости, эволюции и деградации?

6. Почему возможно объяснение эволюции живого мира с позиций синергетики?