Вопросы к Главе III (часть I)

1. На основе каких достижений науки формируется научная картина мира? Что такое естественно-научная картина мира? (пояснить) Что такое физика – как наука?

2. Расскажите о развитии физики. О становлении механической картине мира.

3. О Вселенной, в соответствии с механической картиной мира.

4. Об электромагнитной картине мира. О материи и движении. О пространстве и времени. О формах физического взаимодействия.

5. О квантово-полевой картине мира (о работе основных ученных по данной проблеме)

6. О структурных уровнях материи.

7. О структуре мегамира.

8. О структуре микромира и классификации элементарных частиц.

9. О теории кварков. Об основных положениях теории кварков.

10. Фундаментальные вопросы современного естествознания. О понятии взаимодействия. О типах взаимодействия.

Часть II Неравновесные системы (синергетика)

В химии были также открыты колебательные реакции, получившие название «химических часов». «Ведь, что, в самом деле, происходит? Основа колебательной реакции – наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой – В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция – это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесных, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом... Такое поведение традиционно приписывалось только живому – теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых» (Н. Семенов).

Отличия неравновесной структуры от равновесной заключаются в следующем.

1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т.п.)

2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории.

3. Приток энергии создает в системе порядок, и стало быть энтропия ее уменьшается.

4. Наличие бифуркации – переломной точки в развитии системы.

5. Когерентность: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10^-8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

Различают также области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется, что можно представить в таблице.

Неравновесная область	Равновесная область
Система «адаптируется» к внешним условиям, изменяя свою структуру	Для перехода из одной структуры к другой требуются сильные возмущения или изменения граничных условий
Множественность стационарных состояний	Одно стационарное состояние
Чувствительность к флуктуациям (небольшие влияния приводят к большим последствиям, внутренние флуктуации становятся большими)	Нечувствительность к флуктуациям
Неравномерность – источник порядка (все части действуют согласованно) и сложности	Молекулы ведут себя независимо друг от друга
Фундаментальная неопределенность поведения системы	Поведение системы определяют линейные зависимости

Будучи предоставлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне, система стремится к состоянию равновесия – наиболее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной нулю. Пример равновесной структуры – кристалл.

К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все ЗАКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ, т.е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название ОТКРЫТЫХ.

Изучение неравновесных состояний позволяет придти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.

Эволюция и её особенности. Понятие хаоса в противоположность понятию космоса было известно древним грекам. И. Пригожин и И. Стенгерс называют ХАОТИЧЕСКИМИ все системы, которые приводят к несводимому представлению в терминах вероятностей. Другими словами, такие системы нельзя описать однозначно детерминистично, т.е. зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий.

«Экстраполяция динамического описания... имеет наглядный образ – демон, вымышленный Лапласом и обладающий способностью, восприняв в любой данный момент времени положение и скорость каждой частицы во Вселенной, прозревать ее эволюцию как в будущем, так и в прошлом... В контексте классической динамики детерминистическое описание может быть недостижимым на ПРАКТИКЕ, тем не менее оно остается ПРЕДЕЛОМ, к которому должна сходиться последовательность все более точных описаний» – писали И. Пригожин и И. Стенгерс в книге «Порядок из хаоса».

Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике.

По мысли этих же авторов, «...модели, рассмотрением которых занималась классическая физика, соответствуют, как мы сейчас понимаем, лишь предельным ситуациям. Их можно создать искусственно, поместив систему в ящик и подождав, пока она не придет в состояние равновесия. Искусственное может быть детерминированным и обратимым. Естественное же непременно содержит элементы случайности и необратимости... Материя – более не пассивная субстанция, описываемая в рамках механистической картины мира, ей также свойственна спонтанная активность».

В другой книге – «Время, хаос, квант» – И. Пригожин и И. Стенгерс писали: «Если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые хаотические системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущим», т.е. «стрелу времени». «Будущее при нашем подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всеведения. Мир процессов, в котором мы живем и который является частью нас, не может более отвергаться как видимость или иллюзия, определяемая нашим ограниченным способом наблюдения. На заре западного мира Аристотель ввел фундаментальное различие между божественным и вечным небесным миром и изменяющимся и непредсказуемым подлунным миром, к которому принадлежит и наша Земля. В определенном смысле классическая наука была низведением на Землю аристотелевского описания небес. Преобразование, свидетелями которого мы являемся сегодня, можно рассматривать как обращение аристотелевского хода; ныне мы возвращаемся с Земли на небо».

Эволюция должна удовлетворять трем требованиям: 1) необратимость, выражающаяся в нарушении симметрии между прошлым и будущим; 2) необходимость введения понятия «событие»; 3) некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.

Условия формирования новых структур: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуации. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуации, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуации, зависит порог устойчивости системы.

Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое ТОЧКОЙ БИФУРКАЦИИ. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуации и может перейти к новой области устойчивости, т.е. к образованию нового вещества. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, изменением поведения системы. Это и есть событие.

В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм – и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.

По мнению И. Пригожина и И. Стенгерс, большинство систем открыты – они обмениваются энергией или веществом, или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неус­тойчивость и неравномерность, т.е. все системы непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который они назвали ДИССИ-ПАТИВНОЙ СТРУКТУРОЙ. Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.

Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии. Таким образом, энтропия – не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думали сторонники «тепловой смерти» Вселенной), а при определенных условиях становится Прародительницей порядка.

«С одними и теми же граничными условиями оказываются совместимыми множество различных диссипативных структур. Это – следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последствиям. Следовательно, граничные условия необходимы, но не достаточны для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие к "выбору" одной из возможных структур. Именно поэтому (а также в силу некоторых других причин) мы и приписываем таким системам определенную "автономию", или "самоорганизацию"» (И. Пригожин, И. Стенгерс).

Исследования, о которых только что говорилось, проводятся в рамках науки «синергетика».

От термодинамики закрытых систем к синергетике. Классическая термодинамика XIX в. изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были закрытые системы, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика XX в. изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление и получило название синергетики (от «синергия» – сотрудничество, совместное действие).

Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.

С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в виде Кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, и не только механическую, но и работу по созиданию новых структур.

Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества. Она характеризует результат.

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается, процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «дайте мне энергию, и я создам мир».

Гипотеза рождения материи. Синергетика, которая сначала называлась термодинамикой открытых систем, изменила представление о мире. Мы говорили о моделях Вселенной и могли понимать, что Вселенная появилась после того, как некто «нажало на кнопку». Физика XX в. сначала изменила отношение к тому, что считать материей и как она соотносится с пространством и временем, а в конце XX в. по-новому взглянула на процесс развития. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно.

На пороге XXI в. наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология – к вопросу о происхождении мира и материи. Кибернетика решает проблему рождения разума, синергетика – проблему рождения материи. Механизм, который ею предлагается, – это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента.

Дуализм ньютоновской Вселенной (с одной стороны, пространство-время, с другой – материя) сменился эквивалентностью пространства-времени и материи в уравнениях Эйнштейна. «Предлагаемая нами модификация уравнений Эйнштейна, учитывающая рождение материи, выражает "неэквивалентность" материи и пространства-времени. В нашем варианте уравнения Эйнштейна устанавливают взаимосвязь не только между пространством-временем и материей, но и энтропией. Вводимый нами космологический механизм приводит к необратимому "разделению фаз" между материей и гравитацией. В первоначальном вакууме они смешаны, в существующей ныне Вселенной мы наблюдаем материю, переносчик гравитации, "плавающей" в пространстве-времени. Фундаментальная двойственность нашей Вселенной представляется нам сегодня результатом первичного всплеска энтропии» (И. Пригожин, И. Стенгерс). Причиной всплеска энтропии может быть распад чего-то высокоорганизованного, что заставляет вспомнить стоиков, Плотина и «Веды».

Основным понятием предстает понятие неустойчивости. Если что-то есть, то устойчивость невозможна. Возникает спонтанная флуктуация. Так из хаоса (неустойчивости) рождается космос. При спонтанной флуктуации поля начинается самопроизвольный процесс порождения частиц вплоть до какого-то момента, когда он прекращается. Частицы порождаются энергией по модели, сформулированной в синергетике.

Первые частицы, которые появились, были нестабильными элементарными частицами без массы покоя и с кратчайшим временем существования. Затем они превратились в стабильные, существующие поныне. Нестабильные частицы И. Пригожин отождествляет с черными мини-дырами, которые распадаются на обычную материю и излучение.

«Существует некоторая аналогия с переохлажденной жидкостью и порогом перехода в кристаллическое состояние. Мы можем наблюдать в переохлажденной жидкости флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристаллов, которые то появляются, то снова растворяются. Но если образуется крупный кристалл, то происходит необратимое событие: кристаллизация всей жидкости... Аналогично, очень малая вероятность критической функции в вакууме Минковского указывает на то, что стрела времени уже существует в нем в латентной, потенциальной форме, но проявляется, только когда неустойчивость приводит к рождению Вселенной» (И. Пригожин, И. Стенгерс).

В модели И. Пригожина имеет место производство энтропии, пропорциональное скорости рождения частиц. И преобразование пространства-времени производит энтропию. Причем сначала возникает пространство-время, а затем оно производит частицы, поскольку процесс производства пространства-времени из материи невозможен. Итак, последовательность рождения материи из вакуума:

Спонтанная флуктуация  Точка бифуркации 

Черные мини-дыры Пространство-время  Частицы

Квантовый вакуум отличается от «ничто» тем, что имеет универсальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства. Тут вспоминаются и Абсолютная Идея Гегеля, и «мир идей», и «пустота» буддистов. Философских аналогов очень много.

Модель рождения материи Пригожина принадлежит к классу неустойчивых вероятностных систем. Конец рождения материи связан с временем жизни черных мини-дыр. Высшая цель данной «игрушечной модели» – построение «дарвиновской теории» элементарных частиц.

Какова судьба Вселенной, исходя из данной гипотезы Пригожина? «Стандартная модель предсказывает, что в конце концов наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия ("страшный треск"). Для Вселенной, родившейся под знаком неустойчивости из вакуума Минковского, это уже не так. Ничто не мешает нам предположить возможность повторных неустойчивостей». Размеры Вселенной растут в модели Пригожина по экспоненте как следствие неустойчивости вакуума. В результате расширения Вселенной при нерождении материи Вселен­ная приближается к первоначальному состоянию вакуума. Потом возможна новая флуктуация.

«Эйнштейновская космология стала венцом достижений классического подхода к познаваемости... В стандартной модели материя задана: она эволюционирует только в соответствии с фазами расширения Вселенной. Но, как мы видели, неустойчивость возникает, стоит нам только учесть проблему рождения материи. Таким образом, особая точка Большого Взрыва заменяется рождением материи и кривизны пространства-времени. Эйнштейновское пространство-время, соответствующее искривленной Вселенной, при нашем подходе возникает как следствие необратимых процессов. Стрела времени становится принципиально важным элементом, лежащим в основе самих определений материи и пространства-времени. Однако наша модель не соответствует рождению стрелы времени из "ничего". Космологическая стрела времени уже предполагается неустойчивостью квантового вакуума» (И. Пригожин, И. Стенгерс).

Наконец, еще один вопрос, который ставят авторы: можно ли создать единую теорию физики, или, как ее называют еще, «теорию всего»? «Если такая универсальная теория когда-нибудь будет сформулирована, она должна будет включать в себя динамическую неустойчивость и таким образом учитывать нарушение симметрии во времени, необратимость и вероятность. И тогда надежду на построение такой "теории всего", из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить». Другими словами, нет знания, которое овладело бы универсальным ключом ко всем без исключения явлениям природы.