Вопрос о способности материи к самоорганизации: неравновесная термодинамика и синергетика.

Способна ли материя самоорганизовываться и самоусложняться? Этот вопрос является ключевым для построения любой эволюционной концепции. В области данной проблемы ведутся острые мировоззренческие дискуссии, в первую очередь, между атеистами и христианами.

Чтобы разобраться в данной проблеме, необходимо сделать краткий исторический экскурс в термодинамику (греч. θέρμη - «тепло», δύναμις - «сила») - раздел физики, изучающий соотношения и превращения различных форм энергии.

К первой половине XIX в. физиками и инженерами С. Карно (Sadi Carnot; 1796(17960601)-1832), Г. Гельмгольцем (Hermann von Helmholtz; 1821-1894), Дж. Джоулем (James Joule; 1818-1889), У. Томсоном (William Thomson, 1st Baron Kelvin; 1824-1907), Р. Клаузиусом (Rudolf Clausius; 1822-1888) и др. как обобщение многочисленных опытных данных были сформулированы Первое и Второе начала термодинамики.

Согласно Первому началу термодинамики или Закону сохранения энергии, энергия не возникает из ничего и не уничтожается, но переходит из одного состояния в другое, причем при трансформациях часть ее неизбежно «теряется» в виде рассеянного тепла. Например, энергия солнечного света в процессе фотосинтеза превращается в энергию химических связей, далее она может быть «извлечена» на тепловой электростанции из древесины или каменного угля, затем последовательно трансформируема в тепловую, электрическую, световую и т.д.

Одна из многочисленных формулировок Второго начала термодинамики утверждает, что структура любой замкнутой системы (т.е. системы закрытой для поступления энергии) неизбежно деградирует, разрушается. Во всех процессах существует магистральное направление, в котором процессы идут сами собой от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному. Чем больше порядок системы, тем сложнее восстановить его в случае утраты структуры из беспорядка: несравненно проще разбить вазу, чем восстановить ее из мелких осколков или создать аналогичную из керамики. Для поддержания порядка необходимо постоянно вводить энергию, т.е. сделать данную систему открытой. В шутливой формулировке Второе начало звучит так: «Если в комнате не убираться, в ней будет бардак».

Абсолютно закрытых систем в природе нет – это абстракция, - однако, некоторые могут считаться близкими к таковым, например, не испытывающий притока энергии кристалл, остывающий термостат. Данные системы находятся в состоянии внутреннего равновесия или стремятся к нему. Напротив, типичными открытыми, неравновесными системами являются планета Земля, клетка и любой живой организм, нагреваемый чайник.

В 1865 г. Р. Клаузиус вводит физико-математическое понятие энтропии (от греч. ἐντροπία – «поворот, превращение») - меры беспорядка системы или меры необратимого рассеивания энергии, которую невозможно превратить в работу. Чем ниже показатель энтропии, тем более структурирована, упорядочена система; чем выше - тем больше хаоса и беспорядка. Иными словами, согласно Второму началу термодинамики, для поддержания порядка в замкнутой системе необходимо постоянно понижать ее энтропию, затрачивая энергию, поступающую извне.

Второе начало термодинамики часто привлекалось критиками эволюционных теорий с целью показать, что развитие природы в сторону усложнения невозможно. Однако во второй половине ХХ в. возникает новые направления в естествознании, показывающие с точки зрения физики возможность «самоорганизации» материи.

Наиболее известной является т.н. «синергетика». В широкий оборот данный термин был введен в 1977 г немецким физиком-теоретиком Г. Хакеном(Hermann Haken; род. в 1927 г.)[423], которого и считают основателем дисциплины.

Исторически термин «синергия» (греч. συνεργία - «содействие, соработничество») был широко распространен в богословии для обозначения соработничества божественной и человеческой воль в деле спасения. Позднее понятие «синергия» появляется в физиологии. Здесь оно обозначает совместное и согласованное функционирование органов (например, мышц-синергистов) и/или их систем. В медицине под синергизмом понимается комбинированное действие лекарственных веществ на организм, при котором общий эффект превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности. Таким образом, термин «синергия» приходит из богословия в естествознание уже с другим значением.

Наконец, в ХХ в., данным словом обозначается название научной дисциплины, которая занимается проблемами самоорганизации материи. Синергетика возникла не на пустом месте. Ее рождению способствовало появление на рубеже XIX-XX вв. нелинейной математики и вероятностной статистики (А. Пуанкаре), а также статистической физики Больцмана (Ludwig Boltzmann; 1844-1906). В России вопросами самоорганизации занимались крупные ученые: основоположник нелинейной динамики Сергей Павлович Курдюмов (1928-2004), математик Георгий Геннадиевич Малинецкий (род. в 1956 г.) и др. Большой вклад в развитие дисциплины был внесен бельгийским физиком российского происхождения, лауреатом Нобелевской премии по химии 1977 г. Ильей Романовичем Пригожиным (1917—2002)[424].

Некоторые исследователи считают, что термины «синергетика» и «самоорганизация» неудачны, т.к. в них не содержится указания на причины, по которым материя самоорганизуется. Однако исторически прижились и стали широко распространенными именно они.

Каким же образом с точки зрения синергетики материя может «сама по себе» самоорганизовываться? Выше было показано, что самоорганизация материи противоречит Второму началу термодинамики: с возрастанием сложности одновременно идут энтропийные процессы распада. Чтобы систему поддерживать в нужном состоянии, а тем более, развивать, необходимо вкладывать в нее энергию, вещество и информацию, иначе она неизбежно деградирует. Апологеты из числа неокреационистов указывают на то, что в живых организмах и искусственных системах при увеличении упорядоченности и сложности строения обязательно должны выполняться четыре условия, отраженные в приведенной таблице: открытость системы, доступность энергии, наличие направляющей программы и механизма преобразования поступающей в систему энергии.

Таблица I [425]

Критерии (условия)	Реальные системы	Эволюционирующие системы
Растущее растение	Строящееся здание	Первая живая клетка	Популяция сложных организмов
Открытая развивающаяся система	Семя	Строительные материалы	Сложная неживая молекула	Популяция простых организмов
Доступная первичная энергия	Солнце	Солнце	Солнце	Солнце
Направляющая программа	Генетический код	Чертежи здания	?	?
Механизм преобразования энергии	Фотосинтез	Люди-строители	?	?

Очевидно, что два последних условия (направляющая программа развития и механизм преобразования энергии) в случае естественной самоорганизации часто отсутствуют. Чтобы решить данную задачу создатели синергетики выстраивают так называемую нелинейную (неравновесную) термодинамику или термодинамику открытых систем. Дело в том, что в XIX в. существовала только равновесная термодинамика, описывающаяконечные стадии термодинамических процессов в системах, пребывающих в состоянии равновесия. Неравновесная термодинамика вскрывает принципиальные отличия замкнутой равновесной системы от открытой неравновесной.

Самоорганизация в системе возможна только при выполнении нескольких условий. Это так называемый принцип «трех НЕ»: система должна быть неравновесносной незамкнутой, неустойчивой.

НЕ	равновесность
замкнутость
устойчивость

Сложная система, состоящая из иерархически организованных подсистем, ведет себя как единое целое – холон. Она обладает эмерджентными свойствами, несводима к сумме своих частей. Кроме того, она должна быть открыта для поступления извне энергии и находиться в точке, далекой от состояния равновесия. Такая система имеет потенциальную возможность развиваться во времени, усложнять свою структуру.

Энергия, поступающая в систему извне, играет конструктивную роль. Таким образом, повышая суммарную энтропию во Вселенной, неравновесные открытые системы локально понижают собственную энтропию, идет процесс диссипации (лат. dissipatio - «рассеиваю, разрушаю») - рассеивания поступающей энергии в процессе саморазвития. Важно заметить, что суммарная энтропия рассматриваемой системы и окружающей среды растет, т.е. в целом Второе начало термодинамики не нарушается.

При определенных условиях, как реакция на изменение каких-либо параметров внешней среды, происходит флуктуация (лат. fluctuatio - колебание), т.е. случайное возмущение системы. С точки зрения нелинейной математики и неравновесной термодинамики совершенно невозможно точно предсказать, к чему приведет данная флуктуация. Поэтому прогноз рассматривает сразу несколько вариантов, как вероятностные. Чем сложнее система, тем труднее, даже вероятностно, спрогнозировать ее развитие[426]. Точка, где происходит «разветвление» потенциальных путей развития системы, из которых реализуется только один, называется точкой бифуркации (лат. bifurcus — «раздвоенный»). Термин «бифуркация» условен, т.к. можно говорить о трифуркации, тетрафуркации и т.п. Система перестраивается и скачкообразно переходит в более сложное состояние. Однако вполне возможна реализация варианта, когда система в результате флуктуации также скачкообразно деградирует. Таким образом, серии флуктуаций либо рождают сложные системы, либо их разрушают. Система, находящаяся в состоянии близком к равновесию, не развивается, благодаря отрицательным обратным связям, подавляющим флуктуации, поддерживающим ее внутреннюю стабильность и осуществляющим внутреннюю саморегуляцию (гомеостаз) [427]. Этап эволюционной самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, рассогласовывающих систему, над отрицательными. В результате возможно ее дальнейшее усложнение, а также естественный отбор «на прочность» из серии новых сложных систем.

Обычно в качестве наглядной иллюстрации поведения неравновесной открытой системы приводят следующий пример. Движения обычного маятника описывается строгими линейными математическими уравнениями, причем его поведение предсказуемо для каждого момента времени в каждой точке пространства. Однако если часы с маятником перевернуть вверх ногами и зафиксировать, предсказать, в какую сторону упадет маятник, когда наступит флуктуация (при колебании пола, воздуха и т.д.) возможно только вероятностно с точностью 50 % (точка бифуркации и реализация одного из вероятностных сценариев поведения системы). Разумеется, данный пример – лишь иллюстративная аналогия, т.к. система маятника полностью не отвечает условиям неравновесности.

Возникает еще один закономерный вопрос: каким образом в открытую систему поступает информация. С точки зрения физики информация - это мера разнообразия, упорядоченность, «отрицательная энтропия». Поступление энергии и флуктуации производят возмущения, рождают новые, более сложные варианты соотношения элементов внутри системы, происходит скачкообразное увеличение информации как разнообразия в строении, что в свою очередь дает материал для спонтанного естественного отбора. В случае деградации системы информация как внутреннее разнообразие и ее структурная сложность безвозвратно теряется. Таким образом, поток энергии и флуктуации рождают информацию и, следовательно, новую структуру (лат. informare – букв. «придавать форму»). Информация — одно из общих понятий, связанных с материей. Информация существует в любом материальном объекте в виде многообразия его состояний и передается от объекта к объекту в процессе их взаимодействия. Существование информации как объективного свойства материи логически вытекает из известных фундаментальных свойств материи — структурности, непрерывного изменения (движения) и взаимодействия материальных систем. В отличие от энергии, информация может появляться и безвозвратно утрачиваться.

Именно поэтому с точки зрения неравновесной термодинамики жесткий детерминизм Лапласа здесь, как и в квантовой механике, не работает. Напомним, что детерминизм предполагал построение точнейших прогнозов и не менее точнейших реконструкций прошлого, исходя из теоретической возможности расчета параметров, образующих систему в соответствии с линейными уравнениями классической механики («Дайте мне координаты и скорости всех частиц, и я предскажу будущее Вселенной или восстановлю картину ее существования в прошлом!»). Из обратимости детерминированных физических процессов следовало косвенное отрицание объективной реальности времени, его иллюзорность. Фактически время сводилось к порядку последовательности, простой нумерации событий, которые в классической динамике с тем же успехом могли отсчитываться и в обратном порядке. Системы, описываемые неравновесной термодинамикой и синергетикой, ведут себя случайным образом, стохастически (греч. στοχαστικός — «умеющий угадывать»): согласно современным представлениям, при прогнозировании будущего и реконструировании прошлого эволюционирующих систем, возможно говорить только о вероятностях. Следовательно, в их описании возникает принципиальная необратимость, выделенность направления времени, «ассиметрия», неравноценность прошлого и будущего. «Если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые, хаотические системы ассоциируют с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущем»[428]. Объективная, необратимая направленность процессов, связанная с ростом или уменьшением энтропии, в трудах А. Эддингтона (Arthur Eddington; 1882-1944) и И.Р. Пригожина, получила название «стрелы времени».

Соответствуют ли вышеизложенным теоретическим положениям какие-либо практические примеры или эмпирические факты?

В качестве примеров подтверждений построений теоретической синергетики можно назвать такие спонтанно возникающие сложные гармоничные структуры как вихревые воронки, водовороты, возникающие в движущейся воздушной и водной среде. Это сложная структура, которая образуется спонтанно в результате поступления энергии при движении воздуха или воды. Более сложные примеры самоорганизации систем - это т.н. ячейки Бенара - возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек, имеющих форму цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости (масла) равномерно подогреваемой снизу; реакция Белоусова-Жаботинского - класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и некоторые др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды; пространственное упорядочение при генерации лазера; рост кристаллов и др.

Дата добавления: 2015-08-18