Сущность концепции развития

Самоорганизация систем. В последние десятилетия утверждается мнение: материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию сложных и упорядоченных систем разного уровня. Разрушительную тенденцию материи наиболее полно отражают статистическая механика и термодинамика, описывающие свойства изолированных (замкнутых) систем, т. е. систем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию— термодинамическому равновесию, эквивалентному хаосу — состоянию без какой-либо упорядоченности. В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной как замкнутой системе и при этом сделан вывод о деградации Вселенной — ее тепловой смерти.

Известно, что все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми — они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В подобных системах возможно образование нарастающей упорядоченности, т. е. самоорганизация материальных систем.

Самоорганизацией принято называть природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности. Критическое состояние характеризуется крайней неустойчивостью, завершающей плавное эволюционное развитие открытой неравновесной системы.

Исследование самоорганизации проводится в трех направлениях: синергетика, термодинамика неравновесных процессов и математическая теория катастроф.

Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) структуры, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В открытых системах возможно согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень упорядоченности — уменьшается энтропия. Основа синергетики — термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять трем условиям: открытости, существенной неравновесности и скачкообразному выходу из критического состояния.

Открытость означает незамкнутость системы, для которой возможен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости системы. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Характерный пример самоорганизующейся системы — оптический квантовый генератор — лазер. При его работе выполняются три перечисленных условия: открытость системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение.

«Повсюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивости.

Интересно отметить, что такая картина наблюдается на всех уровнях — в области элементарных частиц, биологии, астрофизике", — так считал один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, лауреат Нобелевской премии 1977 г., бельгийский физик и физикохимик И. Р. Пригожий (1917 — 2003).

Сложная неравновесная система может перейти из неустойчивого состояния в одно из нескольких устойчивых. В какое именно из них совершится переход — дело случая. В системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, и одна из них инициирует скачок в конкретное устойчивое состояние. Процесс скачка необратим. Критическая точка, в которой наиболее вероятен переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.

Самоорганизация включает закономерное и случайное в развитии любых открытых систем: плавную эволюцию, ход которой закономерен и детерминирован, и случайный скачок в точке бифуркации, определяющий следующий закономерный этап развития. Важнейшее направление исследования самоорганизации — математическая теория катастроф. Она описывает различные скачкообразные переходы, спонтанные качественные изменения и т. п. В теории катастроф применяется довольно сложный математический аппарат — топологическая теория динамических систем.

Концепция развития. Основу концепции развития процессов в природе составляют три положения: системность, динамизм и самоорганизация.

Системность означает упорядоченную, структурную организацию материи. Например, Вселенная — самая крупная из всех известных материальных систем. На определенных этапах ее развития зарождались разномасштабные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравновесностью. Внешняя среда для любой подсистемы — материальная система более крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и веществом. Предполагается, что внешняя среда для Вселенной — физический вакуум. Любая подсистема Вселенной (галактика, Солнечная система, планета, биосфера, человек и т. д.) представляет собой целостный материальный объект, прошедший собственный путь развития. Она обладает определенной индивидуальностью, автономией и в то же время является неотъемлемой составной частью целого.

Для материальной системы любого масштаба характерен динамизм, означающий ее развитие, движение. Без развития, без движения невозможно существование реальной системы, вне зависимости от степени ее упорядоченности и сложности.

В процессе развития способность систем к усложнению приводит к образованию упорядоченных структур — происходит самоорганизация систем. При этом действуют два взаимно противоположных механизма: объединение элементов системы и ее разделение (фракционирование), — характерные для всех уровней сложности и упорядоченности материи, начиная от микромира и кончая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях развития систем преобладает один из четырех видов фундаментальных взаимодействий. Так, на нуклонном уровне организации материи сильное взаимодействие выступает в роли ядерных сил, объединяющих нуклоны в ядра, а слабое взаимодействие — в роли сил, определяющих их радиоактивный распад. На атомном уровне функции объединения и фракционирования выполняет электромагнитное взаимодействие в форме притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов. На молекулярном уровне электромагнитное взаимодействие обеспечивает химическую связь. В организации структур Вселенной определяющую роль играет гравитационное взаимодействие.

Для управления процессом развития любая система накапливает, хранит и передавает информацию, а это означает, что неотъемлемая часть самоорганизации — ее информативность. В этом вопросе пока много неясного. В последнее время удалось выяснить один из решенных природой принципов хранения и передачи информации посредством генного механизма, управляющего структурой и направлением развития живых систем.

В концепции развития весьма важен вопрос соотношения случайного и закономерного. Эволюционные этапы развития вполне детерминированы. При эволюционном развитии поведение системы предсказуемо и даже управляемо при наличии необходимых средств управления. На завершающей стадии эволюции в точке бифуркации преобладает случайность. Точку бифуркации можно образно сравнить с перекрестком, где, как в сказке, выбор пути означает и выбор судьбы.

Особую роль в самоорганизации на завершающей стадии эволюции играет случайность. Именно случайность определяет возможность перехода системы в более упорядоченное состояние. Можно привести множество примеров, когда случайные переходы хотя в принципе возможны, т. е. вероятность их не равна нулю, но настолько мала, что их достижение можно считать практически не реализуемым. Например, вероятность процесса сборки часов из случайно разбросанных деталей отлична от нуля, однако трудно представить, что из деталей без вмешательства человека случайно образуется упорядоченная структура — часы. В этой связи полезно помнить, что концепция самоорганизации и синергетический подход, как и многие другие концепции, идеи и даже фундаментальные законы, имеют вполне определенную область применения. Судя по возрастающему потоку публикаций, можно заключить, что идеи самоорганизации и синергетики пытаются внедрить в различные отрасли науки и распространить их на многие объекты — от Вселенной до общества и человека — без учета их специфики и особенностей. Конечно же, такая тенденция не может не привести к поспешным и неверным результатам, что, естественно, сдерживает процесс поступательного развития естествознания и науки в целом.