Принцип производства минимума энтропии
В энергетических процессах открытых систем имеет место принцип Пригожина—Гленсдорфа – принцип производства минимума энтропии. Здесь под производством энтропии понимают отношение изменения энтропии dS к единице объема системы. Производством энтропии по этому принципу можно определить степень упорядоченности. Как известно, изменение энтропии выражается уравнением
dS = dSi + dSe,
где dS – полное изменение энтропии в системе; dSi – изменение энтропии, связанное с происходящими внутренними необратимыми процессами в системе; dSe – энтропия, перенесенная из внешней среды через границы системы.
Из уравнения следует, что в изолированной системе энтропия dSe равна нулю, а внутренняя энтропия dSi > 0, так как dSe может компенсировать dSi, произведенную внутри системы, или быть больше ее. Из этого следует, что dSe < 0. Таким образом, энтропия в систему не поступает, а только может из нее выводиться. Условие dS =0 означает стационарное состояние, а dS < 0 – усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению dSe < dSi. Соотношение показывает, что энтропия, обусловливаемая необратимыми процессами внутри системы, выносится в окружающую среду.
Свой принцип И. Пригожин и П. Гленсдорф выразили следующим образом: при неравновесных фазовых переходах, что соответствует точкам бифуркации, через которые проходит процесс самоорганизации, система движется по пути, соответствующему меньшему значению производства энтропии. Значит, чем меньше производство энтропии, тем более организованна система. В этом главный смысл процесса самоорганизации, то есть в создании определенных структур из хаоса неупорядоченного состояния. Открытые системы будто бы структурируют энергию окружающей их среды, причем упорядоченная часть энергии остается внутри системы, а неупорядоченная энергия сбрасывается системой обратно в окружающую среду.
Таким образом, неравновесный термодинамический процесс создает условия для состояния, когда приток энергии извне не только компенсирует (гасит) рост энтропии, но и снижает ее количество.
Нелинейные системы (нелинейность)
Открытый характер большинства природных систем указывает на то, что в мире должны доминировать не равновесие и стабильность, а неустойчивость и неравновесность. Сама неравновесность порождает избирательность системы, ее специфические реакции на воздействия внешней среды. Тесная связь со средой отражается на функционировании систем; они как бы приспосабливаются к внешним условиям. Например, слабые воздействия среды могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем более сильные, но не гармонирующие с тенденцией развития системы. Отсюда следует, что на нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции, то есть когда действие двух факторов на ситуацию вызывает эффект, который не имеет ничего общего с результатами отдельного действия каждого фактора. В нелинейных системах развитие идет по нелинейным законам, приводящим к многовариантности путей выбора и альтернатив выхода из состояния неустойчивости.
В нелинейных системах процессы могут носить резко пороговый характер, когда при постепенном изменении внешних условий наблюдается скачкообразный их переход в другое качество. При этом старые структуры разрушаются, переходя к качественно новым структурам.
Неравновесные, открытые нелинейные системы постоянно создают и поддерживают неоднородность в среде. Здесь между средой и системой могут создаваться отношения положительной обратной связи, которые еще более усиливают отклонения системы от равновесия. В результате такого взаимодействия открытой системы со средой могут наблюдаться самые неожиданные последствия.
Неравновесная термодинамика
Классическая термодинамика (закрытые системы) утверждает, что рост энтропии означает необратимость термодинамического процесса. Поэтому, если считать Вселенную закрытой системой, то с точки зрения второго закона термодинамики в ней постепенно произойдет выравнивание температур и установится полное равновесие, что соответствует «тепловой смерти» Вселенной. Энтропия будет расти и вместе с ней станет возрастать степень хаоса.
Эти утверждения не согласуются с гипотезой возникновения Вселенной и со всем дальнейшим ходом глобального эволюционного процесса. Вывод о росте беспорядка в мире противоречит как химическому, так и биологическому развитию систем, да и всему процессу самоорганизации систем во Вселенной. Однако рост энтропии, согласно второму закону термодинамики, выделяет направление термодинамических процессов, что означает одномерность времени, или так называемую «стрелу времени».
Неклассическая термодинамика изучает реальный мир открытых систем, проявляющийся в неживой и живой природе, с позиций синергетики. Это потребовало новых идей, понятий образов, а также пересмотра старых. В большей степени это относится к представлениям о порядке и хаосе. В синергетике хаос – это то, что отличается от порядка некоей структуры. Это не полное отсутствие структуры, а тоже структура, но определенного типа (как бы нарушенная структура). Подструктурой понимается совокупность устойчивых связей объекта (с другими объектами), обеспечивающая его целостность. Иначе говоря, структура – это взаиморасположение и связь составных частей чего-либо, то есть определенная организация объекта. Она характеризуется устойчивостью, четкостью внутренних связей, способностью к сопротивлению внешним факторам и изменениям. Структура – ключевое понятие в синергетике (самоорганизации). Открытые системы, как уже указывалось, постоянно обмениваются со средой энергией и веществом, находясь в относительно стабильном термодинамическом неравновесии. Биологической системе (живому организму) для устойчивого динамического состояния характерно минимальное производство энтропии, а для неустойчивого стационарного – максимальное неживое состояние. Вероятнее всего, что развитие живого осуществляется через неустойчивости, хотя в целом оно стремится к устойчивому состоянию на микроскопическом уровне за счет запасенной свободной энергии. При стремлении к устойчивому состоянию организм «сбрасывает» в окружающую среду ненужный избыток энтропии, тем самым постоянно поддерживая неравновесное термодинамическое состояние.
Диссипативные структуры
Диссипативная структура – одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом несколько упорядоченной, организованной. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами (от лат. dissipation – разгонять, рассеивать свободную энергию), в которых при значительных отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния. В процессе образования этих структур энтропия возрастает, изменяются и другие термодинамические функции системы. Это свидетельствует о сохранении в целом ее хаотичности. Диссипация как процесс рассеяния энергии играет важную роль в образовании структур в открытых системах. В большинстве случаев диссипация реализуется в виде перехода избыточной энергии в тепло. Образование новых типов структур указывает на переход от хаоса и беспорядка к организации и порядку. Эти диссипативные динамические микроструктуры являются прообразами будущих состояний системы, так называемых фракталов (от лат. fractus – дробный, изрезанный). Большинство фракталов либо разрушается, полностью так и не сформировавшись (если они оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы), либо иногда остаются как отдельные архаичные остатки прошлого (например, древние обычаи народов, древние слова и т. д.). В точке бифуркации (точке ветвления) идет своеобразный естественный отбор фрактальных образований. «Выживает» образование, оказавшееся наиболее приспособленным к условиям окружающей среды.
При благоприятных условиях новая структура (фрактал) «разрастается» и преобразуется постепенно в новую макроструктуру – аттрактор. При этом система переходит в новое качественное состояние. В этом новом состоянии система продолжает свое наступательное движение до следующей точки бифуркации, то есть до следующего неравновесного фазового перехода.
В целом диссипация как процесс рассеивания энергии, затухания движения и информации играет весьма конструктивную роль в образовании новых структур в открытых системах. Для диссипативной системы невозможно предсказать конкретный путь развития, поскольку трудно предугадать начальные реальные условия ее состояния.
Теория бифуркаций
Открытая нелинейная самоорганизующаяся система всегда подвержена колебаниям. Именно в колебаниях система развивается и движется к относительно устойчивым структурам. Этому способствует постоянный обмен системы энергией и веществом с окружающей средой.
Аномальные изменения в среде могут вывести систему из состояния динамического равновесия, и она станет неравновесной. Например, усиливающийся приток энергии в систему вызывает флуктуации и делает ее неравновесной и нерегулируемой. Организация системы все более расшатывается, изменяются свойства системы.
Если параметры системы достигают определенных критических значений, то система переходит в состояние хаоса.
Состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса называют точкой бифуркации. Точки бифуркации – это точки равновесия как устойчивого, так и неустойчивого точки «выбора» дальнейшего пути развития системы.
Для синергетики важны неустойчивые состояния. Появление неустойчивых состояний создает потенциальную возможность системе перейти в новое качественное состояние. Оно будет характеризоваться новыми параметрами системы и новым режимом ее функционирования.
В состояниях выбора пути, то есть в точках бифуркаций большое значение имеют случайные флуктуации (колебания). От них зависит, по какому пути из множества возможных система будет выходить из состояния неустойчивости. Многие флуктуации рассеиваются, некоторые не оказывают влияния на дальнейший путь развития системы как очень слабые. Но при определенных, пороговых условиях за счет случайных внешних воздействий эти флуктуации могут усиливаться и действовать в резонанс, подталкивая систему к выбору определенного пути развития (определенной траектории).
В точках бифуркации самоорганизующаяся система, стоя перед выбором путей развития, образует множество диссипативных динамических микроструктур, как бы «эмбрионов» будущих состояний системы – фракталов. Набор таких состояний в точках бифуркаций перед выбором дальнейшего пути и образует детерминированный, или динамический, хаос. Однако большинство этих будущих прообразов системы – фрактальных образований гибнет в конкурентной борьбе. В результате выживает та микроструктура, которая является наиболее приспособленной к внешним условиям. Весь этот процесс носит случайный и неопределенный характер. Выжившая в конкурентной борьбе фрактальных образований формирующаяся макроструктура получила название аттрактора (см. выше). В результате этого система переходит в новое качественно более высокое организационное состояние. Направление движения этого аттрактора начинает подчиняться необходимости. Система теперь ведет себя как жестко детерминированная.
Таким образом, аттрактор представляет собой отрезок эволюционного пути от точки бифуркации до определенного финала (им может быть другая точка бифуркации). Обычные аттракторы характеризуются устойчивостью динамической системы. Аттрактор как бы притягивает к себе подобно магниту множество различных траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. Здесь очень важную роль играют кооперативные, совместные процессы, которые основываются на когерентном, то есть согласованном, взаимодействии всех элементов зарождающейся устойчивой структуры.
Аттрактор можно сравнить с конусом или воронкой, которые своей широкой частью обращены к зоне ветвления, то есть к точке бифуркации, а узкой частью – к конечному результату, то есть к упорядоченной структуре. Если система попадает в сферу действия определенного аттрактора, то она эволюционирует именно к нему. Разными путями эволюция выходит на одни и те же аттракторы. В результате этого формируются параметры порядка, то есть устойчивого динамического состояния. В этом состоянии система может находиться до тех пор, пока в силу каких-либо причин, а также случайных флуктуаций она вновь не придет в неустойчивое положение. Эти причины связаны с дисгармонией, несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям окружающей ее среды. Вследствие этого система теряет свою устойчивость, возвращаясь к хаотическому состоянию, и у нее вновь появляется множество новых путей развития. Для наглядности бифуркационный процесс эволюции системы можно представить в виде бифуркационного дерева (рис. 8.1).
По подобному принципу в виде эволюционного дерева можно представить развитие биологических видов или антропогенеза.
В точках бифуркации даже маленькое случайное изменение может привести к серьезному возмущению системы. Поэтому самоорганизующимся системам нельзя грубо навязывать определенные пути развития. Здесь необходимо исследовать и найти пути совместной жизни природы и человека, стараться глубоко познать природу их совместной эволюции, коэволюции.
Основы теории бифуркаций были заложены в начале XX в. французским математиком А. Пуанкаре и русским математиком А. Ляпуновым. В дальнейшем эта теория получила развитие в школе русского физика А. Андронова. Теория бифуркаций в настоящее время находит широкое применение в междисциплинарных науках, а также в физике, химии, биологии.
Рис. 8.1.Бифуркационный характер эволюции системы (X, Z – параметры системы, t – время, А и В – точки бифуркации)
Эволюционное движение системы обязательно связано с необходимостью перестройки адаптивных механизмов на качественно новый, более высокий уровень. Если система благодаря внутренней перестройке смогла (успела) адаптироваться к новым условиям, то она приобретает новое, организационно более высокое, устойчивое состояние; если нет, то она разрушается и гибнет. В адаптированном устойчивом положении система может находиться до следующей случайной флуктуации, после которой ситуация повторяется. По этой схеме идет эволюционное развитие всех систем на всех структурных уровнях, хотя скорость этого процесса различна. Так, химическая эволюция Вселенной продолжается от времени Большого взрыва до наших дней – это около 20 млрд лет, эволюция живой материи – 3,7 млрд лет, эволюция человека – около 2 млн лет, а человеческого общества – порядка нескольких десятков тысяч лет.
С точки зрения синергетической самоорганизации жизнь зародилась в диапазоне сложных систем. В этом случае следует считать жизнь совокупностью («сборкой») физико-химических элементов.
С позиций синергетики закономерным представляется и эволюция мира живого, которая по линии развития древесных млекопитающих привела к появлению человека как биологического вида, а также человеческого общества как социальной системы.