Эволюция открытых систем. Синергетика
Рассмотрим развитие открытых систем с точки зрения термодинамики. К таким системам относятся живые организмы (человек, в частности). Термодинамика, которую мы до сих пор изучали, – это термодинамика равновесных замкнутых систем. В равновесных или почти равновесных системах не может происходить образование новых структур, нет биологического отбора и эволюции. Но в системах, находящихся вдали от равновесия и описывающихся неравновесной термодинамикой, это возможно. Такие системы называются диссипативными: в отдельных точках системы происходят химические превращения, диффузия и другие процессы переноса (то есть диссипативные процессы). Связь между соседними элементами объёма происходит за счёт явлений переноса. Возникающие в неравновесных системах флуктуации (случайные отклонения параметров от средних значений) в результате взаимодействия со средой будут усиливаться и в конце концов приведут к разрушению прежнего порядка и возникновению новой структуры.
Между элементами системы возникают новые согласованные связи; структура усложняется.
В диссипативных системах порядок и новая структура возникают благодаря усилению флуктуаций, а они зависят от интенсивности взаимодействия со средой.
Эволюция – непрерывное взаимодействие среды и системы.
Общие условия развития процессов самоорганизации:
1) Появление неустойчивости в исходной системе (неравновесность);
2) Открытость системы.
В открытой системе возникает стационарное состояние, которое может находиться далеко от равновесия. Эволюция таких неравновесных динамических систем определяется её динамическими свойствами и механизмами регуляции, а не статистической упорядоченностью начального и конечного состояний (согласно классической термодинамике). Возникающая структура поддерживается за счёт постоянного притока энергии и вещества извне и может быть только в открытых системах. Поток энергии и вещества в этих условиях может упорядочить систему и уменьшить её энтропию.
Система в ходе эволюции производит энтропию, которая рассеивается в окружающей среде. Вместо неё из среды поступает «негэнтропия» (отрицательная энтропия) вместе с энергией и веществом. Для открытой системы приращение энтропии dS равно сумме двух вкладов:
dS=diS+deS,
где diS – производство энтропии внутри системы, diS≥0; deS – поток энтропии, обусловленный обменом веществом и энергией со средой. В стационарном состоянии должно быть: dS=0, то есть стационарное состояние поддерживается только за счёт увеличения энтропии среды: deS<0. Производимая в системе энтропия должна уходить во внешнюю среду, энтропия среды увеличивается.
Шрёдингер: «Организм питается отрицательной энтропией (негэнтропией)».
Отрицательный поток энтропии в систему может компенсировать производство энтропии внутри системы.
Действие второго закона термодинамики для системы организм+среда сохраняется. Таким образом, возникновение и развитие жизни на Земле не противоречит второму закону термодинамики.
Синергетика
Синергетика – наука о закономерностях самоорганизации сложных неравновесных открытых систем.
Синергетика претендует на то, чтобы объяснить и дать возможность спрогнозировать поведение самых разных структур и систем: рынки акций, транспортные потоки, общественное поведение насекомых, развитие опухоли и погоды и т.д.
Синергетика – теория всего на свете. Методы и модели одной науки применяются в другой. В многих случаях такие подходы оказываются продуктивными: выявляются общие законы развития сложных систем, будь то системы физические, биологические или социальные.
Результаты, полученные в термодинамике, были обобщены и расширены таким образом, что биологическая эволюция согласуется с термодинамикой.
Для решения технологических и технических проблем необходимо глубокое понимание сущности процессов, что позволяет оптимизировать технологические процессы, снижая их энергоёмкость, материалоёмкость и т.д. Фундаментализация инженерных разработок существенно повышает эффективность технологических процессов, снижает влияние на окружающую среду.