Современная естестественно-научная картина мира
вляется
понятие энтропии. Это понятие относится к закрытым системам, находящимся в
тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой Т.
Изменение энтропии определяется формулой: d E = d Q / T , где d Q -
количество тепла, обратимо подведенное к систем или отведенное от нее.
Именно по отношению к закрытым системам и были сформулированы два
начала термодинамики. В соответствии с первым началом термодинамики, в
закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные
формы.
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия
никогда не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет
максимума. Иначе говоря, согласно второму началу термодинамики запас
энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к
тепловой смерти. Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы
воспрепятствовать возрастанию энтропии. Со временем способность Вселенной
поддерживать организованные структуры ослабевает и такие структуры
распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены
случайными элементами. По мере того как иссякает запас энергии и возрастает
энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет
все более однородное будущее.
Вместе с тем, уже во второй половине ХIХ века, и особенно в ХХ веке,
биология - и, прежде всего, теория эволюции Дарвина - убедительно показали,
что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и
обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. История и эволюция
Вселенной развивают ее в противоположном направлении - от простого к
сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к
более организованному. Иначе говоря, со временем, старея, Вселенная
обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало
термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были
безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности
открытых систем. И только в конце ХХ века, с переходом естествознания к
изучению открытых систем появилась возможность такого согласования. Что
такое открытые системы?
Открытые системы - это такие системы, которые поддерживаются в
определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии
или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является
необходимым условием существования неравновесных состояний в
противоположность замкнутым системам, которые неизбежно стремятся (в
соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному
состоянию. Открытые системы - это системы необратимые; в них важным
оказывается фактор времени.
В открытых системах ключевую роль - наряду с закономерным и
необходимым - могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы.
Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая прежде
организация не выдерживает и разрушается.
2.1.4. Нелинейность.
Но если большинство систем Вселенной носят открытый характер, то это
значит, что во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а
неустойчивость и неравновесность. Неравновесность, в свою очередь,
порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние
воздействия среды. Неравновесные системы обретают способность воспринимать
различия во внешней среде и “учитывать” их в своем функционировании. Так,
некоторые воздействия, хотя и более слабые, но могут оказывать большее
воздействие на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но
не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, на нелинейные
системы не распространяется принцип суперпозиции: в нелинейных системах
возможны ситуации, когда совместные действия причин А и В приводят к
эффектам, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия А и В
по отдельности.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто имеют пороговый
характер - при плавном изменении внешних условий поведение системы
изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия,
очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих
сложившуюся структуру и способствующих радикальному качественному изменению
этой структуры.
Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и
поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях могут иногда
создаваться отношения обратной положительной связи между системой и ее
средой. Положительная обратная связь означает, что система влияет на свою
среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые,
в свою очередь, обратно воздействуют на изменения в самой этой системе.
(Примером может служить ситуация, когда в ходе химической реакции или
какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого
стимулирует производство его самого). Последствия такого рода
взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и
необычными.
2.1.5. Диссипативность.
Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней
средой, могут приобретать особое динамическое состояние - диссипативность.
Диссипативность - это качественно своеобразное макроскопическое
проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание
множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую
на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с
каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в
неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, может
совершаться переход от хаоса и беспорядка к порядку и организации,
возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах. И в способности
“забывать” детали некоторых внешних воздействий, И в факторе “естественного
отбора” среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает
общей тенденции развития. И в факторе когерентности (согласованности)
микропроцессов, устанавливающем в них некий общий темп развития и др.
Понятие диссипативности тесно связано с понятием о “параметрах
порядка”. Самоорганизующиеся системы - это обычно очень сложные открытые
системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако
далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее
функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое
количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым
“подстраиваются” остальные. Такие основные степени свободы системы получили
название “параметров порядка”.
Параметры порядка отражают содержание основания неравновесной системы.
В процессе самоорганизации возникает множество новых свойств и состояний. И
очень важно, что, обычно, соотношения, связывающие параметры порядка,
оказываются намного проще, чем математические модели, в которых дается
детальное описание всей новой системы. Это делает задачу определения
параметров порядка одной из главных при конкретном моделировании
самоорганизующихся систем.
2.1.6. Закономерности самоорганизации.
Главная идея синергетики - это идея о принципиальной возможности
спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в
результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации
является образование петли положительной обратной связи. С образованием
такого типа связи системы и среды система начнет самоорганизовываться и
будет противостоять тенденции ее разрушения средой. Например, в химии
аналогичное явление принято называть автокатализом. В неорганической химии
автокаталитические реакции встречаются редко, но, как показали исследования
последних десятилетий по молекулярной биологии, петли положительной
обратной связи (вместе с другими связями - взаимный катализ, отрицательная
обратная связь и др.) составляют самую основу жизни.
Становление самоорганизации во многом определяется характером
взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система
самоорганизуется вовсе не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация
переживает и переломные моменты - точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации
в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов
резко возрастает.
В переломный момент самоорганизации (точка бифуркации) принципиально
невозможно сказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее
развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на
новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые
переходы и диссипативные структуры - лазерные пучки, неустойчивости плазмы,
явления флаттера, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке
бифуркации система как бы “колеблется” перед выбором того или иного пути
организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент
случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в
некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном)
направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других
направлениях.
Как выясняется, переход от порядка к Хаосу вполне поддается
математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж
много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых
различных сферах действительности (в природе и в обществе - его истории,
экономике, демографических процессах, в духовной культуре и др. )
подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе
существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития
природы - это история образования все более и более сложных нелинейных
систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию приро
| |  скачать работу |
Современная естестественно-научная картина мира |
