Самоорганизация материальных систем

Общая диалектическая идея саморазвития материального мира по­лучала свою эмпирическую и теоретическую конкретизацию посте­пенно. Причем «сверху вниз»: от высших форм движения материи — к низшим. Сначала тенденцию самопроизвольного нарастания сложно­сти и порядка обнаружили в обществе (просветители, Гегель, Маркс), затем ту же закономерность зафиксировали в живой природе (Ламарк, Дарвин). И только вXX в. ту же способность признали и за всем ос­тальным материальным миром, начиная с элементарных частиц и за­канчивая Метагалактикой, или Вселенной в целом.

В классической науке и недиалектической фи­лософии вплоть до середины XX в. господство­вало убеждение, что материи изначально при­суща тенденция к разрушению всякой упоря­доченности, стремление к исходному равнове­сию. Ну кто же не знает, что вода всегда течет под уклон, а любая предоставленная самой себе материальная вещь неизбежно разру­шается? Теоретический базис под эти «здравомыслящие» сообра­жения подвела классическая термодинамика — наука о взаимопре­вращениях различных видов энергии. Ею было установлено, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выде­ленная самой природой направленность. И легче всего различные виды энергии переходят в самую простую ее форму — тепловую. Теплота же, как известно, может «перетекать» только в одну сторо­ну—от горячего тела к холодному, стремясь к состоянию термо­динамического равновесия.

Знаменитое второе начало термодинамики гласит: при само­произвольных процессах в системах, имеющих постоянную энер­гию, энтропия всегда возрастает. Энтропия — это мера беспорядка системы. Физический смысл возрастания энтропии сводится к то­му, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это — наиболее простое и одновременно наиболее вероятное состояние системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором дви­жение частиц хаотично. Максимум энтропии означает полное тер­модинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Но если возрастание энтропии — фундаментальный закон при­роды, и, следовательно, материальный мир может эволюциониро­вать только к хаосу, то как же наша Вселенная смогла возникнуть и сорганизоваться до ее нынешнего упорядоченного состояния? И если этот закон столь фундаментален, почему же ему не подчиня­ется живая природа, демонстрирующая стремление прочь от термо­динамического равновесия и хаоса, т.е. непрерывный рост сложно­сти и организованности своих структур (уменьшение энтропии)?

Частично ответ на эти вопросы заключается в том, что второе начало термодинамики действительно только для закрытых систем, которые не обмениваются веществом или энергией с внешней сре­дой. Но живые организмы — системы открытые, существующие за счет обмена веществ. Поэтому уменьшение в них энтропии (при формировании организма, например) компенсируется ее увеличе­нием во внешней среде.

Американский физик С. Хоукинг проделал любопытный под­счет. Если мы запомнили каждое слово в книге из двухсот страниц, то наша память записала около двух миллионов единиц информа­ции. Именно на столько единиц увеличился порядок в нашем мозгу (уменьшилась энтропия). Но за время чтения книги мы пе­реработали не менее 1000 ккал упорядоченной энергии в виде пи­щи в неупорядоченную в виде рассеянного в атмосфере тепла. Эта распыленная тепловая энергия увеличила беспорядок во Вселенной в 10²⁰ раз больше, чем увеличился порядок в нашем мозгу. Таким образом, уменьшение энтропии в маленьком фрагменте материаль­ного мира дает существенный ее рост для более широкой системы, и второе начало термодинамики в целом не страдает.

А как быть со Вселенной в целом? Ей-то где увеличивать бес­порядок, чтобы образовать свои разномасштабные структуры? Со­временная наука полагает, что такой внешней средой для нашей Вселенной является вакуум, нарушение упорядоченных структур которого и привело когда-то к ее возникновению.

Таким образом, был обойден запрет на возрастание порядка для обширного класса систем. Стало ясно, что материальные объекты в принципе способны осуществлять работу против термодинамиче­ского равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться. Но объявить эту способность законом, т.е. всеобщей характеристикой материального мира, решилась только синергетика — наука о самоор­ганизации систем. Это междисциплинарное научное направление, раз­работка которого началась несколько десятилетий назад (И. Пригожин, Г. Хакен), претендует на роль новой научной парадигмы.

Принципы синергетики

Один из ее основателей, немецкий исследователь Герман Хакен (р. 1927), пытаясь объ­яснить широкой публике суть синергетических построений, изложил их так: Я бы выбрал следующие ключевые положения, раскрывающие сущность синергетики.

1. Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одина­ковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.

2. Эти системы являются нелинейными.

3. При рассмотрении физических, химических и биологических сис­тем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия.

4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.

5. Системы могут стать нестабильными.

6. Происходят качественные изменения.

7. В этих системах обнаруживаются эмерджентные новые качества.

8. Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.

9. Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими.

10. Во многих случаях возможна математизация".

(Синергетике — 30 лет. Интервью с профессором Г. Хакеном //Вопросы филосо­фии. 2000. № 3. С. 55.)

Говоря в более общем плане, производимые синергетикой ми­ровоззренческие сдвиги можно выразить следующим образом:

• процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равновозможны;
• процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченно­сти) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в ко­торых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе.

Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядо­ченным формам организации.

Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по мень­шей мере двум условиям:

• они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;
• они должны также быть существенно неравновесными, т.е. на­ходиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Но именно такими являются большинство известных нам сис­тем. Изолированные системы классической термодинамики — это определенная идеализация, в реальности такие системы — исклю­чение, а не правило.

Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно не­равновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упоря­доченности. В цикле развития такой 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 устойчивое состояние с большей степенью слож­ности и упорядоченности.

Описанный процесс сильно напоминает механизм действия диалектического закона перехода количественных изменений в ка­чественные. Однако в синергетических представленияхоб этом механизме есть важная отличительная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критиче­ских параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее ус­тойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифурка­ции)эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана, решает случай! Но после того, как «выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда, между прочим, следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать вари­анты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем — однозначно спрогнозировать нельзя.

Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности — хорошо изученное в гидродинамике яв­ление, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, нахо­дящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между ниж­ним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движе­ния не происходит. Однако при достижении им некоторого крити­ческого значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроско­пическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты.

Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики совершенно невероятно. Ведь оно свидетельствует о том, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жид­кости как по команде начинают вести себя скоординированно, со­гласованно, хотя до этого пребывали в совершенно хаотическом движении. Создается впечатление, что каждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Само слово «синергетика», кстати, как раз и означает «совместное действие».) Классические статистические законы здесь явно не ра­ботают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образова­лась бы случайно, что почти невероятно, то она тут же распалась бы. Но она не распадается при поддержании соответствующих ус­ловий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникновение таких структур нарастающей сложности — не слу­чайность, а закономерность.

Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других клас­сах открытых неравновесных систем вроде бы обещает быть ус­пешным: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова — Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов при­водят к образованию устойчивых и сложных макроструктур, все это примеры самоорганизации систем самой различной природы.

Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следую­щими позициями:

1) хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструкти­вен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность). Порядок и хаос не исключают, а дополняют друг друга: порядок возникает из хаоса;

2) линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а скорее исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции;

3) развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Значит, случайность — не досадное недоразу­мение, она встроена в механизм эволюции. А еще это значит, что нынешний путь эволюции системы может быть и. не лучше отверг­нутых случайным выбором.

Такое видение процессов развития сложных систем является крупным научным достижением последней трети XX века. Оно су­щественно конкретизирует и видоизменяет общедиалектические принципы анализа материального мира. Некоторые философы да­же полагают, что «диалектика трансформируется в синергетику» как теорию универсальной эволюции. (Кутырев В.А. Оправдание бытия //Вопросы философии. 2000. № 5. С. 18.)

Прививая современному мышлению нелинейность и универ­сальный эволюционизм, синергетика по-новому освещает и про­блему бесконечности и необратимости развития. Создатель нерав­новесной термодинамики (одного из направлений синергетики) бельгийский физик И. Пригожин считает, что прежняя физика «свела бесконечное к бесконечному повторению одного и того же» (Пригожин И. Переоткрытие времени //Вопросы философии. 1989. № 8. С. 7.)

В классической динамике, равно как и в динамике квантовой, релятивистской время выступает лишь как внешний параметр, не имеющий выделенного направления. Из классических дисциплин необратимость времени вводила лишь термодинамика (законом возрастания энтропии). То есть фактически стрела времени опре­делялась лишь деградацией материальных структур. Постулируя всеобщность противоположных процессов в открытых неравновесных системах, синергетика, по мнению И. Пригожина, дает физике «новую точку опоры в открытии времени во всех областях физиче­ской реальности».