Синергетика. Рождение порядка из хаоса

Понятие хаоса играло немалую роль на протяжении всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывали представления о пагубное беспорядок, о безграничной бездну, бездонную пропасть. Собственно, такие представления наиболее распространенными и в повседневной жизни. Однако, идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распространена в древних мифах, в восточной философии, в учениях древних греков. И в ведических "Ригведах", и в учении Платона мы встречаемся с представлением о превращении изначального Хаоса в Космос, о возникновении из него "жизнедеятельным". Эти представления очень созвучны с современным состоянием развития естествознания. Начиная с семидесятых годов 20 века, бурно развивающееся направление, получивший название синергетики, в фокусе внимания которого - сложные системы с процессами, способными к самоорганизации, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии к сложности, постоянно растет.

Синергетика в переводе с греческого языка означает содружество, коллективное поведение. Впервые этот термин ввел Хакен. Как новационный направление в науке, синергетика возникла, в первую очередь, благодаря выдающимся достижением И. Пригожина в области ров-новажнои термодинамики. Он утверждал, что в неравновесных открытых системах возможные эффекты, приводящие не до роста энтропии и стремление термодинамических систем к состоянию равновесного хаоса, а в "невольного" возникновение упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса.

Как уже было отмечено, синергетика связана с именем ученого российского происхождения И. Р. Пригожина (род в 1917 p.), Который был удостоен Нобелевской премии в области химии за 1977 Много лет он возглавляет всемирно известную брюссельскую школу специалистов в этой области. Одной из революционных новаций этого автора является перенос в термодинамике важнейших кибернетических понятий о многоуровневую систему, о саморегуляции по принципу обратной связи, о автоколебания и др. В результате он открыл и впервые исследовал богатые возможности, внутренние резервы термодинамических систем по их развитию, образованию новых и более сложных структур. Уже не в фотосинтезе растений, а в физических и химических системах было обнаружено мощные потенции поступательного развития вопреки разрушительному закона возрастания энтропии. Второе начало термодинамики при этом сохраняет свою справедливость как большой всемирный закон природы. Но сфера его действия является отнюдь не безграничной, как это трактовалось в классической термодинамике.

Обратимся к повседневной модели и представим себе зеркально ровную водную поверхность, когда на море полный штиль. Она является классическим образцом системы, состоящей в термодинамическом равновесии. И она противостоит всем попыткам вывести ее из этого состояния.

Бросим в море отвесно камень. Падая в воздухе, он образует за собой область разрежения. Долетев до поверхности воды и нырнув вглубь, камень увлекает за собой часть воды. На поверхности образуется впадина. Но здесь в игру вступают силы поверхностного натяжения. Они стремятся вернуть поверхность воды до среднего уровня, однако по инерции выталкивают ее выше среднего уровня. Образуется общеизвестный фонтанчик над поверхностью воды. Но затем под действием силы земного притяжения он падает назад и на короткий промежуток времени погружается ниже среднего уровня, хотя уже не так глубоко. Затем снова силы поверхностного натяжения по инерции подбрасывают столбик воды выше среднего уровня, хотя уже не так высоко. Затем цикл повторяется, пока ие наступит окончательное успокоение (релаксация). На поверхности моря это выглядит как затухающее источник круговых волн, рассеивают энергию падения камня на поверхности воды.

В терминах термодинамики это событие называется флуктуацией, то есть местным и кратковременным отклонением системы от устойчивого, равновесного среднего состояния. В данном случае можно говорить о флуктуацию в значительной мере условно, так как на самом деле флуктуации рождаются в самой системе, а не в результате внешнего воздействия на нее. Но здесь важен только аспект поведения системы после того, как ее небольшая часть кратковременно выводится с термодинамического равновесия. Как видим, в равновесной системе флуктуации обречены на рассасывание. Так роль флуктуаций понятна в классической термодинамике, не знала никаких механизмов, которые позволяли бы им усиливаться и порождать новые состояния системы и ее новые структуры.

Вместе с тем, морская поверхность способна волнообразно структурироваться, порождая пространственно-временной порядок с закономерностями вроде знаменитого "девятого вала". Но для этого необходимо постоянно и на большой площади выводить ее с термодинамической равновесия. Это и делает сильный ветер. При таком внешнего подвода энергии в игру вступают законы распространения и резонансного усиления волн на водной поверхности - внутренние резервы ее структурирование. В теории диссипативных структур структурирования связывают со снижением симметрии системы. В случае водной поверхности это очевидно. ее симметрия максимальна в состоянии бесструктурной равновесия, когда в ней нет никакого преимущественного направления. Эта симметрия наглядно снижается в штормовом море, на поверхности которого волновые структуры ориентированы в новом направлении.

Теперь представим, что мы находимся в селе во второй половине жаркого июльского дня. Несмотря на ветер, чувствуется духота. Сосед, у которого есть свой "указатель погоды" - давний перелом ноги - уверяет: в течение ближайших двух часов будет гроза. Но откуда ей взяться, когда на белесом небе от края и до края - ни облачка? Только дым от труб мощной ТЭЦ на горизонте, километров за 20 от нас. Однако через час мы слышим отдаленное раскаты грома. Незаметно, "из ничего" в районе ТЭЦ возникла облако, от которого к земле простяглиися видимые ручейки дождя. "Облако с подветренной стороны, - думаете вы. - Ее унесет от нас вон". Но тучка эта ведет себя совершенно иначе. Она растекается по небу, как пятно разлитого вина по скатерти и идет на нас против ветра. Через полчаса она превратилась в мощную облако из градов "наковальней" на высоте около 8 километров. И с ее уже не ручьи дождя выливаются, а стеной льет ливень. В землю вонзаются стрелы молний, раздается пушечное рев грома. Дальше - больше. Уже над нашей головой на глазах сгущаются тучи. Вот загремело на другом кинщ "неба: там" из ничего "за какие-то полчаса образовался свой грозовой очаг. Вот впервые блеснул и грохнуло где-то рядом. Скорее в дом! Еще через 20 минут день превращается в сумерки. Все вокруг сверкает и гремит, ума ливень со шквалом, сыплется град. Через час буйство стихии проходит. Ливень

стихает, начинается мелкий дочери без грозы, жуткие черные хмарища, что клубятся над нами, превращаются в аморфные слоистые облака. Наконец, и те как-то незаметно рассеиваются. К вечеру от них остается только бесструктурный туман, в низинах задержится всю ночь.

В данном случае внутренний потенциал структурообразования другой - скрытая теплота конденсации перенасыщенного пара в поле тяготения Земли. Она распределена во всем объеме предгрозовой атмосферы. Температуры, необходимые для конденсации пара, постоянно возникают и исчезают во всем объеме в виде эфемерных флуктуаций. Картина мерцание этих флуктуаций подобная картины зеркальной водной поверхности под мелким дождиком: ведь каждый источник угасающих волн во втором случае - это тоже аналог флуктуации. Только теперь температурные флуктуации охватывают весь объем вещества. Кинетическая теория газов Максвелла - Больцмана позволяет рассчитать их интенсивности и частоте возникновения, однако дальше от этого она не идет. Но, с точки зрения теории диссипативных структур, предгрозовая атмосфера вполне готова к тому, чтобы эти флуктуации, получив поддержку извне, стали хозяевами положения и породили новый, сложно структурированное состояние термодинамической системы.

Для этого нужен лишь небольшой внешний толчок, который окончательно выведет ее с термодинамической равновесия. В данном случае его вызвал дым ТЭЦ. Известно, что частицы сажи в воздухе интенсифицируют процессы конденсации пара во много раз. (Именно поэтому над крупными индустриальными городами в среднем выпадает на треть больше осадков, чем над их окрестностями.) Но возможны и другие варианты "спускового механизма". Например, сельские мальчишки подожгли в безопасном месте целый штабель старых автопокрышек, устроив костер с черным дымом до небес. Или горит торфяное болото. Или пролетел самолет с выхлопом двигателей, выбросив копоть в атмосферу. Или шальная сверхэнергичное частица космических лучей породила в атмосфере слива из миллиардов вторичных электронов и мезонов, которые в большом объеме многократно интенсифицировали конденсацию.

А дальше конденсация начинает развивать именно себя за счет все более интенсивного выделения скрытой теплоты перехода "пара - жидкость". Эта теплота порождает восходящие конвективные потоки воздуха. Они выносят огромные массы перенасыщенной пары в более холодные области атмосферы, где пониженные температуры опять же многократно интенсифицируют процесс конденсации. Он захватывает такие высоты, которым в горах соответствует зона вечных снегов и льдов. Здесь капельки тумана становятся кристалликами льда, а те, в свою очередь, действуют как катализаторы дальнейшей конденсации Над структурами кучево-дождевого облака вырастает характерна размыта структура Градовой "кувалды". Полная пространственная симметрия пресыщенной пары нарушилась, из нее образовались видимые облачные структуры, четко ориентированы в пространстве. Но в этой системе не прекращаются и незаметные процессы формирования неравновесной системы электрических потенциалов. Видимыми для наблюдателей является лишь акты их выравнивания - разряды молний между облаками и с облаков на землю. Полетели потоки длинную. Это означает снижение уровня симметрии, дальнейшее структурирование парожидкостной системы в пространстве. В большую охлажденную зону за счет лучистого теплообмена ринулось тепло из отдаленных областей, которые также начали интенсивно охлаждаться. И вот уже формируются новые грозовые ячейки. Вскоре они объединяются и начинается сильная местная гроза. Земное поле притяжения превратило скрытую теплоту конденсации бесструктурной пара на мощный структуротвирний потенциал, и теперь его реализовано в полной мере. С его помощью температурные флуктуации оказались способными преодолеть омертвении рутинность второго начала термодинамики.

Но второе начало, наконец, берет свое: гроза "выдыхается", облака, причудливо клубятся, в конечном итоге превращаются в бесструктурный ночной туман. В данной местности и в данный день второе начало термодинамики торжествует. Но атмосфера над данной местностью - система открытая, когда речь идет о веществе. Это означает, что она обменивается веществом с другими системами. И уже завтра из других местностей сюда могут поступить новые огромные массы пресыщенной пары. И тогда описан синергетический механизм образования структур так или иначе снова будет запущен. Один тот факт, что он работает столько же миллиардов лет, сколько гремят над Землей местные грозы, говорит о том, что это - мощный механизм. Это сходство полностью соответствует универсальности второго начала термодинамики.

Бывшая абсолютизация последнего в наше время кажется наивной. В только что рассмотренном примере ярко проявляется основной принцип кибернетической причинности: малый внешнее воздействие вызывает значительные последствия. Рассмотренная система неживой природы по-настоящему кибернетической. ее развитием руководит принцип положительной обратной связи по сценарию цепной реакции процесса конденсации перенасыщенного пара. В стабилизации структур, образующихся важную роль играют отрицательные обратные связи. В частности, опускание к земле охлажденных масс воздуха порождает мощные восходящие воздушные потоки. Они не дают охлажденном воздуху достичь земли и втягивают его в сложный процесс структурообразования, который из земли мы наблюдается как разрастание кучево-дождевых облаков. Ливень окончательно стабилизирует теплообмен между землей и атмосферой и поддерживает динамическое равновесие в течение получаса и больше. Это чисто кибернетические процессы. Но синергетика, в отличие от кибернетики Винера - Шеннона, а не удовлетворяется их абстрактно-математическим описанием, который устраняется от конкретных физических, химических и других механизмов их реализации. Напротив, основное внимание она уделяет именно этим конкретным механизмам. И в результате выявляет закономерности самоорганизации кибернетических систем, их внутренней активности и саморазвития.

Итак, имеем благодаря рассмотренном выше примере мировоззренческий следствие весьма общего характера. Если система внутренне не готова к поступательному развитию, если она находится в самодостаточный равновесии, а не на границе ее потери, то даже грандиозные по масштабам и усилиями влияния на нее не дадут результата. Так, если атмосфера не перенасыщена парой, то даже извержение вулкана не спровоцирует местной грозы. Если же система близка к порогу выхода из термодинамического равновесия, то достаточно малейшего влияния, чтобы начался процесс образования и саморазвития сложных структур. Так, в перенасыщенной паром атмосфере достаточно точечного задымления, чтобы запустить процессы ее самоорганизации.

Рассмотрим вопрос о самоорганизации живой материи. Начнем опять же с повседневной ситуации, на этот раз - в области техники. Что означает термодинамическое равновесие для автомобиля? Она означает, что запас бензина в баке исчерпан, двигатель остановился и остыл до температуры окружающей среды. Все материально-энергетические потенциалы автомобиля выровнены согласно второму начала термодинамики. И если бы автомобиль был замкнутым термодинамической системой, то на этом его роль была 6 исчерпанной, но автомобиль - система, открытая по вещества. Это значит, что он может снова выйти из состояния термодинамического равновесия за счет поступления вещества извне. Это и происходит в случае очередной заправки высококалорийным речовпною-снергоносием. Заправка вновь воспроизводит систему материально-энергетических потенциалов, и начинается очередной цикл эксплуатации автомобиля. И никакого противоречия со вторым законом термодинамики.

Этот повседневный пример позволяет перекинуть мостик к пониманию сущности самоорганизации живых организмов. Она сводится к двум ключевым моментам. Во-первых, живые системы функционируют и развиваются вне состояния термодинамического равновесия. Во-вторых, это возможно постольку, поскольку они являются открытыми по вещества, их открытость проявляется в непререкаемой роли питания. Эта роль вполне аналогична роли периодических заправок автомобиля веществом-энергоносителем. В живых организмов в качестве энергоносителей выступают различные вещества: компоненты земной атмосферы для растений, которые в процессе фотосинтеза создают из них сложные органические структуры, живое вещество для травоядных и хищных животных. С кровью энергоносители поступают в органы животных, которые также могут работать и развиваться только за состоянием термодинамического равновесия. Как только по тем или иным причинам прекращается питание (трофика) организма или органов, они становятся замкнутыми системами и полностью подчиняются второму закону термодинамики. А это значит для организма как целого смерть от голода, жажды или удушья. Для органов и их тканей значит омертвения и необратимое дегенеративное перерождение в тех случаях, когда по тем или иным причинам прекращается их наполнения кровью. Типичный пример - инфаркты, возникающих в сердце, почках, легких, кишечнике их причиной может стать закрытие просвета питающих кровеносных сосудов тромбами или их сужение вследствие спазмов. Возникает обескровливания (ишемия) ткани. Ткань превращается в замкнутую термодинамическую систему, и если это продлится 10-20 минут, она отмирает и уже никогда не сможет вернуться к прежнему состоянию. В дальнейшем сложная ткань с некогда развитой системой кровоснабжения замещается жилистой соединительной тканью постинфарктных рубцов.

В неживой природе неравновесные процессы структурообразования очень уязвимы в проявления второго начала термодинамики. Вспомним еще раз, как быстро исчерпывается структуротвирний потенциал местной грозы. Живая природа в течение миллиардов лет эволюции выработала особые механизмы стабилизации термодинамической неровно-весы, 1й "узаконивания". Достаточно вспомнить то, что является общеизвестным из школьного курса биологии о дыхательной и питания растений и животных, о системах кровообращения и пищеварения животных и человека, о митохондрии - клеточные склады энергии. Но ярче эта особенность живой природы проявляется в молекулярно-генетических механизмах, благодаря которым природа может тиражировать сложные неравновесных термодинамических системы в мириадах особей с их внутренними органами, системами дыхания и питания. В начале XIX в. П. Лаплас охарактеризовал известный в то время Вселенная как гигантский механизм, который работает по четкой детерминистской программой. Эти механистические представления оказались наивными относительно неживой природы. Но и здесь дальнейшее развитие науки превзошел дерзкую фантазию человека. Современная генетика и молекулярная биология свидетельствуют, что, когда речь идет о жестком детерминизм, четкую запрограммированность сверхсложного развития, любая оплодотворенная зародышевая клетка затмевает Вселенная, каким его видел Лаплас. И на основе этого ультрадетерминизму формируется бесчисленное количество живых систем, которые по самой своей сути отрицают принципы механистического детерминизма. Это единство противоположностей биология XX века раскрыла в полной мере, но она не может ее удовлетворительно объяснить в свете дарвиновского понимания механизмов исторического саморазвития живой природы. Синергетика еще должна сказать здесь свое веское слово.

Завершим изучение термодинамики таким вопросом: почему в термодинамике почти века господствовали представления об обратимости процессов, тогда как жизнь на каждом шагу их опровергает? Ведь даже с позиций здравого жизненного смысла понятно, что рассеянный в атмосфере дым не может втянуться обратно в трубу, разрушен дом сам не встанет из руин, рассеянные на бильярдной доске пули не соберутся обратно в пирамиду в ее центре и т.п.

Дело в том, что термодинамика как наука начиналась в первой половине позапрошлого века по изучению простейших процессов - процессов поведения идеальных газов в тепловых машинах. А здесь необратимость процессов не играет существенной роли: работа тепловых машин основывается на простых процессах сжатия и расширения газов, которые являются абсолютно однотипными и не связаны с образованием и разрушением каких-либо сложных структур. Конечно, при этом происходит необратимое рассеивание (диссипация) тепла. Ранняя термодинамика знала об этом, но ничего полезного для работы тепловых машин в диссипации НЕ видела. Эту простейшую форму диссипативных процессов она только эмпирически констатировала и принимала во внимание, но конкретно не изучала. Она не была готова к этому, прежде всего когда речь идет о развитии понятийного аппарата, а также математических методов. Последнее является уже важным моментом: ведь в физико-математическом естествознании нужно не только правильно рассуждать, но и правильно вычислять количественно измеряемые параметры. Взяв за основу первородной механистическую парадигму естествознания, термодинамика первой половины позапрошлого века естественно позаимствовала у нее и представления об обратимости процессов * Это, наконец, типичный путь развития естествознания - начинать с самых простых форм исследуемых явлений и поэтапно переходить к более сложному. При этом изучение простейших форм может растягиваться на многие десятилетия. Может измениться несколько поколений ученых, которые работают только в этой области. И это не может не провоцировать человеческое мышление на абсолютизацию концепций. Но рано или поздно наука в полной мере осознает всю их первопроходческий наивность.

Именно это и происходило в термодинамике второй половины XX века: она не только критикует недостатки классической термодинамики, но и выдвигает достойные конструктивные альтернативы. Современная термодинамика - это прежде всего термодинамика материально открытых систем. Она изучает диссипативные процессы во всем разнообразии их проявлений, среди которых есть и структуротвирни. Назвав свое детище теорией диссипативных структур, И. Пригожин умышленно подчеркивал устарелость представлений ранней термодинамики по однозначно разрушительного характера процессов рассеяния энергии. Например, горение мощного осветителя в заполярной оранжереи, если его рассматривать замкнуто, без связи с внешними воздействиями, кажется обычным следствием существования разности электрических потенциалов на его клеммах и рассеянием световой и тепловой энергии. Но в системе оранжереи осветитель и растения, которые он освещает, представляют собой энергетически открытые системы. Рассеяния энергии здесь превращается в мощные структуротвирни процессы фотосинтеза. Аналогичная ситуация и с работой автомобильного аккумулятора. Его разрядка в процессе запуска холодного двигателя - обычный диссипативном процесс, но он позволяет запустить двигатель, создать в нем не равновесную систему материально-энергетических потенциалов. А уже после этого сам двигатель благодаря работе генератора позволит аккумулятору восполнить запасы энергии. Рассмотрев этот повседневный пример, понимаем, что открытость систем означает их привлечения к системам более высокого уровня как автономных элементов и подсистем. А это - исключительно кибернетическая концепция, на которую ориентировалась и не могла ориентироваться ранняя термодинамика первой половины XIX века.

Итак, благодаря усвоению кибернетической точки зрения на процессы взаимодействия материально-энергетических потенциалов термодинамика качественно обновилась, превратилась в 50-80-х pp. на теорию диссипативных структур. Сфера ее применения в наше время чрезвычайно широка и неуклонно расширяется. Это говорит о том, что термодинамика, как и раньше, остается одной из важнейших наук среди наиболее выдающихся творений теоретической физики.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >