Возникновение и становление концепций постнеклассического естествознания

Концепции постнеклассического

Естествознания и теорий

самоорганизации

Возникновение и становление концепций постнеклассического естествознания

Важным аспектом совершенствования методологии познания является всесторонний анализ проблемного поля современной науки. До сегодняшних дней господствующая научная картина мира по существу распадалась на три части (неорганическую, органическую и социальную), в которой процессы самодвижения, самоорганизации имели место, но с точки зрения общего эволюционизма они не были объединены.

Прорыв в понимании того, как инертная материя может приобретать свойства самоорганизации, произошел в последней четверти XX века и, естественно, вызвал взрыв интереса к попыткам построения единой теории самоорганизации материи.

Интерес этот еще более возрос, когда физики и математики ввели в научный оборот и теоретически обосновали кардинальные концепции и понятия теорий самоорганизации материи — диссипативные структуры (Пригожин), синергетику (Хакен), теорию катастроф (Том, Арнольд), теорию автопоэза или теорию Сантьяго (Матурана, Варела) и др. Многие понятия теорий самоорганизации стали переосмысливаться в новой единой пост-неклассической картине мира, в которой магистральная эволюция непротиворечивым образом объединяет и то, как материя движется, и то, как она мыслит.

Абстрактная формулировка идеи всеобщего эволюционизма (от Аристотеля до Пригожина и Моисеева) сменилась на научно оформленную теорию в результате ассимиляции этой идеи физикой (эволюционирующие космогонические модели Вселенной, особо термодинамических процессов), химией (каталитические системы, элементарные каталитические системы А. Руденко), биологией (биогенез, синтетическая теория эволюции, несводимость макроэволюции к микроэволюционным изменениям), социологией (тектология А. Богданова).

Разработка теоретического механизма всеобщего (глобального) эволюционизма осуществлялась после закрепления в естественных науках синергетического подхода (Хакен; Князева; Курдюмов; Моисеев) и идей теории дис-сипативных структур (Пригожин).

Хотя специфика картины мира допускает многоголосие средств выражения идеи всеобщего развития, но язык диссипативных структур и синергетического (корпоративного) эффекта наиболее адекватно описывает процессы самоорганизации, самосозидания (автопоэза) и самодвижения. Таким образом, в рамках эволюционно-синер-гетического диссилативно-структурного подходов самоорганизация предстает как одна из форм организации материи. При этом определяются, с одной стороны, равновесные формы организации, отличающиеся от самоорганизации, а с другой — под «крышей» указанных подходов объединяются в особый класс — нелинейно-динамический, практически все физические, химические и биологические структуры, которые ранее принципиально не сводились вместе.

Мир полон мифов линейного, классического мышления. Так, вплоть до настоящего времени многих пугал и продолжает путать хаос, ибо хаос представляется сугубо деструктивным началом мира. Случайность всегда тщательно изгонялась из научных теорий. Она считалась со времен классической эпохи науки второстепенным, побочным, не имеющим принципиального значения фактором. Существовало убеждение, что случайности никак не сказываются, забываются, стираются, не оставляют следа в общем течении событий природы, науки, культуры. А мир, в котором мы живем, рассматривался как не зависящий не только от микрофлуктуаций на нижележащих уровнях бытия, но также и не зависящим от малых влияний космоса.

Картина мира, рисуемая классическим разумом (классической наукой) — это мир жестко причинно-следственных связей, согласно которым результат внешнего управляющего воздействия есть однозначное, линейное, предсказуемое воздействие. Чем больше вкладываешь, например, энергии, тем больше будто бы должна быть и отдача, следствие прямо или линейно пропорционально причине.

Еще один из господствующих по сей день мифов линейного (классического) мышления — это представление о том, что процессы бурного роста (например, возрастания народонаселения земного шара, рост научного знания, «экономическое чудо») происходят по экспоненциальной зависимости, т. е. предполагался весьма и весьма быстрый рост. На самом деле, большинство процессов лавинообразного роста происходят даже не по экспоненте, а в так называемом режиме с обострением, когда рассматриваемые величины, хотя бы часть времени, изменяются по закону неограниченного возрастания за конечное время.

Выдающийся современный мыслитель Илья Пригожин приложил немало усилий к тому, чтобы включить в парадигму современного научного сознания концепции, известные как «самоорганизация», или «возникновение порядка из хаоса». Самоорганизация — это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Система называется самоорганизующейся, если она стремится сохранить свои свойства и природу протекающих процессов за счет структурных изменений.

Класс систем, способных к самоорганизации, — это открытые, нелинейные системы. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, обмена веществом, информацией и энергией с окружающей средой.

Открытость системы — необходимое, но не достаточное условие для ее самоорганизации: то есть всякая самоорганизующуюся система открыта, но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Все зависит от взаимодействия двух противоположных начал: создающего структуры, наращивающего неоднородности в сплошной среде (работы объемного источника), и рассеивающего (диссипирующего), размывающего неоднородности, т. е. начал самой различной природы. Обсудим некоторые детали и механизмы возникновения сложноорга-низованных систем и структур.

12.2. Динамика возникновения диссипативных структур

Как уже отмечалось в п. 3.4, 3.5, главах 4-7, для возникновения структур, составленных из тех или иных элементов, необходимо существование достаточно прочных связей между этими элементами. Для образования таких связей необходима возможность диссипации, рассеяния, передачи в окружающую среду энергии связи. Необходима внешняя «окружающая среда» и в ней должна быть какая-то исходная неоднородность, к которой переходит часть энергии извне. Для примера рассмотрим явления во Вселенной.

Первопричина структурирования нашей Вселенной -в ее исходной неоднородности во времени, проявленной в пространственных масштабах. Вселенная расширяется и остывает, энергия рассеивается, энтропия растет, но это расширение ведет к появления потока рассеяния, непрерывного движения и направленного изменения состояния вещества. Этот поток и привел к образованию макроскопических неоднородностей — структур всех масштабов.

Астрономы наблюдают крупномасштабные пространственные неоднородности во Вселенной, точнее, в Метагалактике: материя сконцентрирована в звездах, звезды — в галактиках, галактики в скоплениях и сверхскоплениях, и только в масштабах, значительно больших, чем размеры сверхскопления (это сотни мегапарсек или сотни миллионов световых лет), Метагалактика пространственно однородна.

Неоднородность, структурированность отдельных частей Метагалактики связана с их конечностью и открытостью: для каждой такой части можно говорить о внешней среде, с которой происходит обмен энергией и энтропией. Микронеоднородности, флуктуации возникают и исчезают непрерывно, случайным образом, из-за принципиально вероятностной природы микропроцессов и процессов в больших стохастических системах. Для превращения же флуктуаций в макронеоднородности и в сложные, развитые структуры необходим направленный поток энергии и вещества, который изначально и задается рассеянием при расширении.

При возникновении и усложнении структуры происходит локальное (местное) возрастание порядка и, соответственно, уменьшение энтропии данной структуры, тогда как в большем масштабе в системе, включающей также и часть внешней среды, энтропия возрастает. Из того, что нам известно к настоящему времени, следует, что все структуры во Вселенной возникли в результате протекания процессов диссипации первоначально концентрированной тепловой энергии. При этом энтропия Вселенной в целом непрерывно возрастала, каждое местное уменьшение энтропии при возникновении упорядоченных структур с избытком компенсировалось ее увеличением за счет рассеяния энергии (следует отметить, что не существует закона сохранения энтропии, а отмечается всего лишь ее непрерывное возрастание).

Практически все наиболее сложные структуры вокруг нас - это структуры диссипативные, они могут существовать только при наличии непрерывного «сквозного» потока энергии или вещества. Простейший, классический пример диссипативной структуры — это уже обсуждавшиеся ячейки Бенара — правильные шестигранные конвективные ячейки, возникающие в плоском слое жидкости, подогреваемой снизу. Внутренняя структура Земли — также диссипативная структура, порожденная конвективным переносом тепла и подвижных легких компонентов вещества из глубины к поверхности (обсуждалось ранее в связи с проблемой начала жизни и возникновения кислорода в атмосфере Земли). Структура земной поверхности — результат как внутриземных диссипативных процессов, так и потока солнечной энергии.

Как же возникают структуры на фоне диссипации? Ведь естественные процессы — это самопроизвольно протекающие процессы, связанные с возрастанием энтропии, а производство энтропии эквивалентно производству беспорядка и связано с разрушением структур?

Противоречия здесь нет. Возникновение диссипатив-ных структур связано с производством избыточной энтропии. При определенных условиях, вдали от равновесия, неравновесная стационарная система становится неустойчивой и естественным образом переходит в новое, более организованное состояние (с меньшей энтропией). Оно обеспечивает, в целом, более эффективное, «избыточное», производство энтропии в претерпевшей изменения системе. Так, например, бенаровская конвекция на несколько порядков более эффективный способ переноса и рассеяния тепла, чем теплопроводность. Такие перестройки происходят на макроскопическом уровне, и механизм их заключается в разрастании некоторых определенных случайно возникающих флуктуаций. Задача описания и объяснения возникновения наблюдаемых структур распадается на две: описание природы и механизма возникновения первичных флуктуаций и описание механизма превращения их в макроскопические структуры.

Наглядными примерами диссипативных структур, кроме ячеек Бенара, вихрей Тейлора в течении Куэйта, являются, например, еще такие природные явления, как циклоны, торнадо (смерчи) в атмосфере, а также некоторые облачные структуры. Все это конвективные структуры, резко увеличивают эффективность диссипации тепловой энергии и, значит, эффективность производства энтропии. Диссипативными структурами в принципе той же природы, хотя и неизмеримо более сложными, являются все живые существа и экологические системы, поддерживающие свое существование путем непрерывного обмена веществом и энергией с внешней средой — выбросом из себя энтропии, поглощением негэнтропии.

Но не только мир полон диссипативных структур, вокруг нас в изобилии находятся и равновесные структуры, существующие вне потока энтропии, например, кристаллы. Для их существования в настоящий момент не нужно поступления и рассеяния энергии и увеличения энтропии, однако для возникновения таких структур все это было необходимо и все это они прошли в прошлом. Кристаллы растут как динамические структуры в условиях диссипации и за их совершенную организацию заплачено увеличением энтропии в окружающей среде.

Вспомним то, что ранее было написано о роли второго начала термодинамики в эволюции мира. Второе начало утверждает, что в любой изолированной системе самопроизвольно протекают только процессы, ведущие к выравниванию температур и концентраций, рассеиванию и понижению качества энергии. Такие процессы необратимы. В результате должны затухать все процессы и разрушаться все структуры. То, что наш мир структурирован и в нем протекают активные процессы, вступило в противоречие с существовавшей концепцией стационарной Вселенной: существующая вечно Вселенная должна быть «мертвой».

До середины XX века этот парадокс разрешался допущением, что второй закон термодинамики не имеет силы в масштабах всей Вселенной, что существуют не известные нам процессы, не подчиняющиеся этому закону, которые поддерживают стационарность наблюдаемой Вселенной. Сейчас стало ясно, что Вселенная нестационарна, что наша Вселенная имеет начало и конец и противоречия со вторым законом термодинамики нет. Все существующие во Вселенной неоднородности, мезо- и крупномасштабные структуры — результат ее нестационарности, расширения, и связанное с ними локальное понижение энтропии в отдельных частях мира не вступает в противоречие с общим ее возрастанием. Микронеоднородности постоянно возникают случайным образом, превратиться же в сложные макроструктуры они могут лишь при наличии сквозного потока вещества и энергии, обусловленного диссипацией.

Итак, мир живет в условиях диссипации, за все высокоорганизованные структуры он платит увеличением хаоса и снижением качества энергии и когда-то все это, возможно, закончится. Встает вопрос: а как же все это началось? Как сконцентрировался тот огромный запас энергии высокого качества, который сейчас расходуется?

Сейчас наша Вселенная разрастается, тогда как 13-17 млрд лет назад вся она была сосредоточена в ничтожно малом объеме (в сингулярности) и находилась в таком состоянии, которое современная наука описывать не умеет. Вселенную, точнее Метагалактику в целом, мы можем рассматривать только как изолированную систему, которая расходует запас энергии «высокого качества» (эта энергия теряет качество, диссипирует), обеспечивая «жизнь» Вселенной. Если взять любой ограниченный объем во Вселенной, он будет представлять собой неизолированную, открытую, систему, которая взаимодействует с окружающей средой. В открытой системе, которая непрерывно обменивается веществом и энергией с окружающей средой, этот обмен может обеспечить локальное (местное) увеличение порядка и усложнение структур, включающих, в частности, области временной концентрации энергии, диссипация которой создает условия для возникновения структур следующего, более высокого порядка. Такие области часто в первом приближении могут рассматриваться как изолированные.

Пример такой ограниченной в пространстве области, которую можно считать изолированной, пренебрегая в первом приближении любыми взаимодействиями с окружающей средой, являет собой наша Солнечная система. В таком приближении эта система является чисто диссипативной, и только диссипация определяет ее эволюцию, которая поэтому достаточно детально проанализирована астрофизиками.

Дата добавления: 2015-07-14