Идущие по пустыне: время - Кретов Юрий Васильевич

Синергетическая картина мира принципиально отличается от физической. В таблице 1 сопоставлены изучаемые объекты и их свойства в физической и синергетической картине мира.

Таблица 1

* Флуктуация (от лат. fluctuatio – колебание) – термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение. При этом либо все тело колеблется в пространстве как единое целое, не изменяя своей формы, либо колеблются частицы, составляющие тело. Оба вида колебаний могут существовать как раздельно, так и совместно (Википедия).

Предметом изучения синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы.

О самоорганизующихся системах

Что такое самоорганизующаяся система? Как трактует философская энциклопедия, самоорганизующаяся система – это сложная динамическая система, способная при изменении внешних или внутренних условий ее функционирования и развития сохранять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта. Примерами таких систем являются живая клетка, организм, биологическая популяция, человеческий коллектив [8]. Но не только! Это и вся Вселенная со своими метагалактиками, галактиками, солнечными системами и планетами!

Самоорганизующейся системой может быть только открытая система, способная обмениваться энергией с окружающей средой.

По определению Хакена, самоорганизация – это спонтанное (самопроизвольное) образование высокоупорядоченных структур из хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем. Именно таким образом при самоорганизации из хаоса рождается порядок [9].

Необходимо отметить, что в настоящее время существуют два подхода к рассмотрению физической сущности явления самоорганизации. Один из них связывает эту сущность с диссипацией (неравновесная термодинамика И. Р. Пригожина), а второй – с внутренней полезной работой против равновесия (концепция эволюционного катализа А. П. Руденко).

Согласно подходу И. Пригожина, автора теории неравновесной термодинамики, директора отделения физики и химии Брюссельского университета, лауреата Нобелевской премии 1977 года, главным условием самоорганизации, принимается необратимость процесса, причиной считается диссипация, а движущей силой – негэнтропия[5], поглощаемая открытой системой из окружающей среды при обмене веществ [10].

И. Р. Пригожин полагает, что процессы самоорганизации систем могут происходить произвольно, но только в результате случайных флуктуаций. За их образование несет ответственность та самая диссипативная энергия, которая рассеивается в пространстве при превращении энергии в тепловую. С точки зрения Пригожина, диссипативная энергия способна порождать сложные системы из простых, а энтропия оказывается тем самым «сырьем», из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать – это дело случая!) более высокую, чем прежде, упорядоченность (подробнее об этом рассказывается в главе 5, разделе «Диссипативная энергия»).

– Возможность случайного появления Вселенной исключается?

Аструс: Нет.

– А случайное зарождение жизни на Земле?

Аструс: Нет. Жизнь возникла не случайно.

– Значит, жизнь на Земле создавалась целенаправленно?

Аструс: Да. Высшей духовной силой.

– Значит, для процессов жизни на Земле случайность исключается?

Аструс: Так.

Для того чтобы в некой системе начались процессы самоорганизации, она должна быть, как минимум, выведена из состояния стабильного равновесия. Важным результатом новой неравновесной термодинамики, разработанной И. Пригожиным, является возможность получения устойчивых решений, далеких от состояния равновесия. Расчет таких систем (открытых, диссипативных, неравновесных) стал возможным благодаря работам И. Пригожина.

И. Р. Пригожин внес существенный вклад в термодинамику нелинейных необратимых процессов, то есть в термодинамику систем, далеких от равновесия (1947), выдвинув принцип локального равновесия.

Этот принцип заключается в следующем. Рассматриваемая система может быть мысленно разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но в то же время достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко к состоянию равновесия. Такое предположение справедливо для очень широкого класса физических систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики.

И. Пригожин в 1947 году доказал теорему о неравновесных процессах, которая гласит: «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 будет минимальным» [10].

Иными словами: производство энтропии для необратимых процессов в открытой системе стремится к минимуму.

Еще в 1943 году знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Э. Шредингер опубликовал свои лекции, прочитанные в Тринити-колледже в Дублине, в которых поставил вопрос: что такое Жизнь с точки зрения физики? Он писал:

«Жизнь – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Средством, при помощи которого организм поддерживает себя на высоком уровне упорядоченности, (равно на достаточно низком уровне энтропии) является энергия, получаемая организмом из окружающей среды с продуктами питания… Живая материя избегает прихода к равновесию[6]» [11].

Шредингер обратил внимание на то, что живой организм как открытая система в процессе жизнедеятельности может как увеличивать, так и уменьшать энтропию.

Если мы удерживаем систему от равновесия, то должны постоянно компенсировать рост энтропии, то есть «питать» систему свободной энергией или веществом, богатым энергией. Эта энергия используется для поддержания определенных реакций, которые не дают системе прийти в инертное или «мертвое» состояние равновесия. Иными словами, упорядоченность в организме должна поддерживаться за счет использования упорядоченности извне. Но Шредингер не объяснил, как одна упорядоченность поддерживается другой упорядоченностью, которая сама каким-то образом возникла из неупорядоченности.

Трудность возникает в связи с тем, что недостаточно разделить мир живого только на «упорядоченность» и «неупорядоченность». Однако можно четко разделить мир по двум физическим принципам, управляющим процессами, имеющими разную направленность: к равновесию и против равновесия.

Все материальные объекты можно разделить на объекты с равновесной и неравновесной структурной организацией вещества. Равновесная структурная организация вещества образуется в ходе процесса, стремящегося к равновесию (энтропийный процесс) и сопровождается выделением энергии, а неравновесная образуется в ходе процесса, стремящегося к неравновесию (антиэнтропийный процесс) и сопровождающегося поглощением энергии [12].

Автор теории эволюционного катализа А. П. Руденко считает, что необратимость не играет основополагающей роли в самоорганизации, и утверждает, что причиной самоорганизации является внутренняя полезная работа, направленная против равновесия, а не диссипация.