Создание неравновесной термодинамики или теории самоорганизации.

Как уже упоминалось в предыдущем вопросе создание первого и второго закона термодинамики заставили Р. Клаузиуса выдвинуть постулат о «тепловой смерти», которая наступит рано или поздно во Вселенной. Подобное утверждение базировалось на двух постулатах: 1) энергия во Вселенной постоянна; 2) энтропия во Вселенной всегда растет. Таким образом, все процессы во Вселенной направлены на достижение точки термодинамического равновесия или «тепловой смерти». Все попытки преодолеть эту ограниченность законов термодинамики заканчивались неудачей, пока ученые не ввели в научный оборот понятие «открытая система».

Открытая система – это система, которая обменивается с окружающей средой энергией, веществом, информацией и т.д. Ранее считалось, что системы, населяющие Вселенную, являются закрытыми, однако с утверждением в науке новых подходов, методов исследования и понятий, ученые пришли к выводу, что большинство существующих систем являются открытыми. Например, в неорганической природе открытые системы обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется еще обмен информацией. Информационный обмен наблюдается также и в биологических системах (при передаче генетической информации).

Главным вопросом был следующий – как ведет себя энтропия в открытых система, в отличие от изолированных. Изучение этой проблемы позволило австрийскому физику Э. Шредингеру заявить, что энтропия в открытых системах не накапливается и постоянно возрастает, как это происходит в изолированных системах, а выводится в окружающее пространство. Таким образом, в ходе эволюции системы постоянно обмениваются энергией, веществом, информацией и т. д., с окружающей средой, что является признаком диссипации или рассеивания энтропии. В связи с этим открытые системы носят название диссипативных.

Исследование поведения открытых систем в процессе их эволюции и диссипации привело к созданию новой неравновесной или нелинейной термодинамики, основные теоретические и эмпирические идеи которой базируются на принципах самоорганизации. Впервые процессы самоорганизации в открытых системах были изучены в первой половине XX в. на примере следующих опытов:

1. Принцип работы лазеров. Хаотичной колебательное движение частиц кристалла благодаря поступлению энергии извне приводятся в согласованное движение (т. е. создается источник когерентного излучения), в результате чего мощность лазерного излучения возрастает многократно. На основании результатов данных опытов Г. Хакен создает новое направление в науке, названное «синергетика» или «совместное действие».

2. Самоорганизация в химических реакциях. Поступление новых реагентов во время химических реакций приводило, с одной стороны, к продолжению этих реакций, с другой, к выводу в окружающее среду продуктов реакции. На основе этих опытов Б. Белоусов и А. Жаботинский создают теоретическую модель – «брюсселятор», которая и легла в основу неравновесной термодинамики.

В соответствие с этой моделью простейший процесс самоорганизации в открытых системах выглядит следующим образом – с поступлением в систему новой энергии, вещества или информации неравновесность в системе возрастает, в результате чего прежние связи между элементами системы разрушаются и впоследствии возникают новые связи, что приводит к возрастанию упорядоченности.

Важнейшее значение открытия принципов самоорганизации состоит в том, что: 1) проливается свет на взаимосвязь неорганической и органической природы, особенно в вопросах происхождения жизни; 2) с позиции самоорганизации становится ясно, что Вселенная представляет собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой для эволюции.

Основные условия и принципы процесса самоорганизации:

1) система должна быть открытой, т. к. закрытая или изолированная система, в соответствии со вторым законом термодинамики, в конечном счете, должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком, или дезорганизацией;

2) открытая система должна находиться далеко от состояния, которое принято называть точкой термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее дезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и, в конце концов, тоже попадет в эту точку и придет в состояние полной дезорганизации;

3) если упорядочивающим принципом для закрытых, изолированных систем является эволюция в сторону увеличения энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальный принцип самоорганизации – это действие флуктуаций, когда благодаря последним порядок возникает и усиливается. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах, благодаря усилению их неравновесности, эти отклонения со временем возрастают и приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового порядка;

4) в отличие от принципа отрицательной обратной связи (изменение устраняются самой системой на входе), на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительной обратной связи. В соответствии с ним все изменения, которые появляются в системе, накапливаются, усиливаются и приводят к возникновению новой упорядоченности и структуры;

5) процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых симметрии и структур;

6) самоорганизация может начаться лишь в тех системах, которые обладают определенным числом взаимодействующих элементов. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Мы перечислили необходимые, но далеко не достаточные условия для возникновения самоорганизации в системах разной конкретной природы. Даже в химических самоорганизующихся системах, которые изучали Белоусов и Жаботинский, в «игру» вступают такие новые факторы, как процессы катализа, автокатализа и кросс-катализа, которые ускоряют химические реакции. Отсюда можно сделать вывод, что чем сложнее система, тем более трудными и многочисленными оказываются факторы, которые оказывают влияние на самоорганизацию.

Кроме того, для понимания процесса самоорганизации решающее значение имеет анализ поведения системы при переходе от прежнего состояния к новому состоянию в критической точке.

Во-первых, именно здесь ясно прослеживается взаимосвязь между случайностью и необходимостью в процессе самоорганизации системы. Флуктуации, представляющие собой случайные отклонения от равновесия в ходе взаимодействия со средой и возрастания неравновесности системы, постепенно усиливаются, пока не достигнут определенной критической точки, в которой и происходит превращение случайных изменений в детерминированное, необходимое движение системы. Однако какое направление дальнейшего движения, или траекторию, после критической точки выберет при этом система, зависит, в свою очередь, от ряда случайных обстоятельств. Используя заимствованный из математики термин бифуркации, можно сказать, что в зависимости от таких сложившихся случайных обстоятельств система может выбрать по меньшей мере две возможных траектории будущего движения, хотя их может быть и больше.

Во-вторых, если в классическом естествознании хаос играл чисто негативную роль, являясь символом дезорганизации и разрушения порядка, то в синергетике он выступает в качестве конструктивного фактора. С одной стороны, из хаоса, или беспорядка, возникает порядок, а с другой – сам хаос представляет собой весьма сложную форму упорядоченности.

Наконец, в-третьих, в синергетике становится возможным говорить о категории времени, отображающем реальные процессы изменения систем не только в направлении их дезорганизации и разрушения, но и самоорганизации и становления.