Глава 2 Самоорганизация и системность материи. Материальное единство природы

2.1 Самоорганизация

В ХХ веке проблема самоорганизации материальных систем стала одной из существенных проблем науки. Главный вклад в решение сложившейся проблемы внёс информационный и системный подходы. В областях этих исследований была выработана терминология, которая приобрела общенаучный характер в описании и объяснении процессов самоорганизации. Но обе эти области исследования имеют дело в основном с материальными системами уже достаточно высокого уровня организованности: социальные системы, технические, биологические и др. Процессы самоорганизации в неживой природе остаются вне интересов этих подходов [2, с.264]. Решение этой задачи берёт на себя научная дисциплина, получившая название синергетика. Её основоположниками являются Г. Хакен и И. Пригожин. Синергетика открывает закономерности явлений самоорганизации, которые не ограничиваются областью неживой природы, так как они распространяются на все материальные системы. Г. Хакен и И.Пригожин акцентируют внимание на процессуальности материальных систем. Все процессы, протекающие в разных материальных системах, подразделяются на два типа. Первый тип - это процессы, которые протекают в замкнутых системах. Они ведут к установлению равновесия, стремящегося при определенных условиях к максимальной степени неупорядоченности или хаосу. Второй тип - это процессы, которые происходят в открытых системах, где при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать упорядоченные структуры. Именно это и характеризует стремление к самоорганизации. Главными характеристиками процессов первого типа являются равновесность и линейность, основными же характеристиками процессов второго типа, в которых наблюдается способность к самоорганизации и возникновению диссипативных структур, является неравновесность и нелинейность. Природные процессы неравновесны и нелинейны, именно такие процессы являются предметом изучения синергетики.

По мнению некоторых ученых, появление синергетики знаменует начало новой научной революции, так как она не просто вводит новую систему понятий, но и меняет стратегию научного познания [7, с.115]. Именно синергетика способствует выработке новой научной картины мира, ведет к новой интерпретации многих фундаментальных принципов естествознания. Суть изменений, предлагаемых в стратегии научного познания, сводится к следующему. Традиционная наука в изучении мира делала акцент на замкнутых системах, обращая особое внимание на однородность, порядок и устойчивость. Все эти установки как бы характеризуют парадигмальное основание и способ подхода к изучению природных процессов традиционной науки. Синергетический подход обращает внимание ученых на открытые системы, неупорядоченность, неустойчивость, неравновесность, нелинейные отношения. Это не только дополнительный в «боровском» смысле взгляд на мир, а доминантный взгляд, характеризующий науку будущего.

Своё понимание феномена самоорганизации И. Пригожин связывает с понятием диссипативной структуры, то есть структуры, которая спонтанно возникает в открытых неравновесных системах. Образцом таких структур могут быть такие явления, как, например, «химические часы» (реакция Белоусова — Жаботинского), турбулентное движение и др. В своей книге «Порядок из хаоса» И. Пригожин и И. Стенгерс объясняют процесс возникновения диссипативных структур следующим образом. При нахождении системы в состоянии термодинамического равновесия, ее элементы (например, молекулы газа) не зависят друг от друга. Авторы условно назвали их генами. Такие элементы не способны к образованию упорядоченных структур в силу такой независимости. Однако если эта система под воздействием энергетических взаимодействий с окружающей средой лишается равновесного состояния, то ситуация изменяется: её элементы переходят в возбуждённое состояние и начинают действовать согласованно. Между ними происходит когерентное взаимодействие, в следствие чего и рождается то, что Пригожин называет диссипативной структурой. Такая структура после своего появления не теряет порождающего её резонансного возбуждения. Одним из самых поразительных свойств этой структуры считается её повышенная «чувствительность» к внешним воздействиям. Фактором отбора и фактором генерации различных структурных конфигураций оказываются изменения, происходящие во внешней среде. Материальная система этого типа включается в процесс самоорганизации или структурогенеза. Если предположить, что именно неравновесность является естественным состоянием всех процессов действительности, то естественным оказывается и стремление к самоорганизации как основное свойство неравновесных процессов. Схематическое описание происхождения диссипативных структур и связанного с ними процесса структурогенеза можно объяснить и название дисциплины. Термин «синергетика» образован от греческого слова «синергиа», которое можно перевести как «содействие или сотрудничество». Именно «совместное действие» или когерентное поведение элементов диссипативных структур и является тем феноменом, характеризующим процессы самоорганизации [1, с.65].

Важность синергетического подхода к исследованию природных процессов сложно переоценить. Благодаря этому подходу можно ответить на вопрос, который «не давал покоя» основателям термодинамики: почему несмотря на действие закона возрастания энтропии, характеризующего естественное стремление материальных систем к состоянию теплового равновесия и беспорядку, окружающий нас мир показывает высокую степень организации и порядка. Именно на этот вопрос в своё время «пытался ответить» Л.Больцман с помощью своей флуктуационной гипотезы. Синергетический подход подводит конкретно научную базу под умозрительные философские постулаты о внутренней активности материи, ее стремлении к структурной самоорганизации. Он является базой для развития эволюционной концепции, или, как говорит И. Пригожин, революционной парадигмы в физике на всех уровнях описания. По мнению И. Пригожа, «жизнь при нашем подходе перестает противостоять «обычным» законам физики. Подобным образом оценивает перспективу синергетического подхода Г.Хакен. Он рассуждает о возможности развития концепции «обобщенного дарвинизма, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир...»

Возникновение синергетики в значительной степени стимулировало исследования в области теории происхождения жизни. Так, западным ученым М. Эйгеном, который опирался на исследования И. Пригожина, была развита принципиально новая теория биогенеза. Нa нacтоящий момент синергетика является наиболее общей теорией самоорганизации, так как oнa фopмулирует общие принципы самоорганизации, правильные для всех структурных уровней материи, в eё рамках способность к самоорганизации является трибутивным свойством материальных систем [2, с.268].

Американский ученый Н. Винер, один из основателей кибернетики, в своей книге «Кибернетика и общество», изданной в Лондоне в 1954 году, писал что в нашей небольшой части Вселенной есть некоторые отдельные процессы неэнтропийного характера. По его мнению, в целом же мир обречен. Н. Винер полагает, что концепция тепловой гибели Вселенной является справедливой как с мировоззренческой, так и научной точек зрения. Её разработали в середине прошлого столетия специалисты по термодинамики В.Томпсон и Р. Клаузиус. В основании этой теории была положена попытка экстраполяции второго начала термодинамики или закона возрастания энтропии на всю Вселенную. Энтропия - это физическая величина, которая характеризует процессы преобразования энергии. Согласно закону возрастания энтропии при реальных термодинамических процессах энтропия замкнутой системы увеличивается. Благодаря этот закону возможно определить течение энергетических превращений: в замкнутых системах все они протекают в одном направлении. Достижение термодинамической системой состояния с максимальной энтропией соответствует достижению состояния теплового равновесия. Это значит, что в системе, которая предоставлена сама себе, рано или поздно происходит выравнивание температур и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она утрачивает способность превращаться в другие формы энергии [6, с.144].

Распространение действия второго начала термодинамики на всю Вселенную привело к выводу, что по истечению некоторого времени все виды энергии превратятся в тепловую, которая в силу выравнивания температур утратит способность переходить в другие виды энергии. Вселенная войдёт в состояние теплового равновесия, выход из которого естественным путем окажется невозможным. Наступление состояния теплового равновесия будет означать тепловую гибель Вселенной. Теория тепловой гибели Вселенной не отрицает количественного сохранения энергии, но отрицает качественную неуничтожимость энергии и движения. Не смотря на свою внешнюю логичность на фундаментальные физические законы теория тепловой гибели ведет к противоречивым выводам. Вселенная существует бесконечно длительное время и в принципе должна была уже давно достигнуть состояния теплового равновесия. Однако мы наблюдаем в мире существование разнообразных видов энергии и движения, а это с точки зрения сторонников теории тепловой гибели Вселенной объяснить невозможно. Возможно предположить два варианта: во-первых, что наша Вселенная либо существует конечное время, которое недостаточно, чтобы достичь состояния теплового равновесия. Во-вторых, либо она уже неоднократно достигала этого состояния, но какая-то, пока неизвестная науке сила, время от времени выводила из него Вселенную. Оба эти предположения приводят к идее сотворения мира или вмешательства в ход физических процессов сверхъестественных сил.

К настоящему времени наукой накоплено немало данных, подтверждающих несостоятельность этой концепции с естественнонаучной точки зрения. Прежде чем критиковать теорию тепловой гибели Вселенной с точки зрения естествознания, следует отметить, не смотря на то что сторонники этой теории обращаются ко второму началу термодинамики, нельзя отождествлять теорию тепловой гибели Вселенной с законом возрастания энтропии. Закон возрастания энтропии — это хорошо обоснованный закон физики, не подлежащий критике. Теория же тепловой гибели Вселенной представляет собой мировоззренческую концепцию, которая основывается не столько на втором начале, а сколько на попытке его экстраполяции на всю Вселенную, что допускает ряд произвольных допущений о структуре Вселенной. Естественнонаучная критика этой теории направлена не против самого второго начала термодинамики, а против правомерности его экстраполяции на всю Вселенную.

Сейчас, естественнонаучная критика теории тепловой гибели Вселенной базируется на несколько предположениях. Второе начало термодинамики было сформулировано для замкнутых, изолированных систем. Кроме того, статистическая трактовка закона возрастания энтропии обязательно считает, что система должна быть из большого, но конечного числа частиц. Только при таких условиях возможно говорить об увеличении энтропии как о переходе от менее вероятных к более вероятным состояниям системы. Но Вселенная не представляет собой изолированную систему, и она состоит из бесконечного числа частиц. Последнее говорит, что все состояния в ней одинаково равновероятны и понятие термодинамического равновесия для ее характеристики применять нельзя. Можно сделать вывод, что в основе рассматриваемой теории лежит неправомерная экстраполяция второго начала термодинамики с конечных замкнутых систем на бесконечную Вселенную.

Как утверждают многие ученые, решающий довод против теории тепловой гибели Вселенной следует из релятивистской термодинамики, учитывающей действие во Вселенной гравитационных полей. Гравитационные поля имеют переменный характер, зависят от времени и координат и являются своего рода внешними условиями протекания во Вселенной термодинамических процессов. Термодинамическая система достигает состояния термодинамического равновесия, только если она находится в стационарных , т. е.не зависящих от времени, условиях. В силу наличия внешних нестационарных условий, в качестве которых выступают гравитационные поля, увеличение энтропии во Вселенной не ведет к достижению ее термодинамического равновесия. В свете данных релятивистской термодинамики теория тепловой гибели Вселенной теряет доказательный характер и обнаруживает свою несостоятельность [2, с. 269].

Концепция самоорганизации, которая сейчас разрабатывается тоже убеждает нас в существовании природных сил неэнтропийного характера.

Материя неуничтожима и в качественном, и в количественном отношениях. Все известные формы движения и уровни структурной организации материи заключены в самой материи, присущи ей внутренне, взаимосвязаны и способны при определенных условиях переходить друг в друга. Материя неотрывна от движения, от разнообразия, от самоорганизации.