5.1. 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 тен-

денцию материи наиболее полно отражают статистическая механика и

термодинамика, описывающие свойства изолированных (замкнутых)

систем, т.е. систем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с ок-

ружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу

термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразова-

ния энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно при-

водят систему к ее самому простому состоянию — термодинамическому

равновесию, эквивалентному хаосу, — состоянию без какой-либо упоря-

доченности. 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 боль-

ших, 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. возможна самоорганизация вещественных систем.

Самоорганизацией принято называть природные скачкообразные про-

цессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в

своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с

более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с

исходным. Критическое состояние характеризуется крайней неустойчи-

востью, завершающей плавное эволюционное развитие открытой нерав-

новесной системы. Исследования самоорганизации проводятся в трех на-

173

правлениях: синергетика, термодинамика неравновесных процессов и

математическая теория катастроф.

Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) струк-

туры, которые образуются в открытых системах (биологических, физи-

ко-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энер-

гией с окружающей средой в неравновесных условиях. В открытых сис-

темах возможно согласованное поведение подсистем, в результате чего

возрастает степень упорядоченности — уменьшается энтропия. Основа

синергетики — термодинамика неравновесных процессов, теория слу-

чайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн. Объект изуче-

ния синергетики независимо от его природы должен удовлетворять трем

условиям: открытости, существенной неравновесности и скачкообразно-

му выходу из критического состояния.

Открытость означает незамкнутость системы, для которой возмо-

жен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная

неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающе-

муся потерей устойчивости системы. В результате скачкообразного выхо-

да из критического состояния образуется качественно новое состояние с

более высоким уровнем упорядоченности. Характерный пример самоор-

ганизующейся системы — оптический квантовый генератор — лазер.

При его работе выполняются три перечисленных условия: открытость

системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, дости-

жение критического уровня накачки, при котором возникает упорядочен-

ное, монохроматическое излучение.

«Повсюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообра-

зие форм и неустойчивости. Интересно отметить, что такая картина на-

блюдается на всех уровнях — в области элементарных частиц, биологии,

астрофизике», — так считает один из основоположников термодинамики

неравновесных процессов, лауреат Нобелевской премии 1977 г., бельгий-

ский физик и физико-химик И.Р. Пригожин (1917—2003).

Сложная неравновесная система может перейти из неустойчивого со-

стояния в одно из нескольких устойчивых. В какое именно из них совер-

шится 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 состоя-

ние, 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, определяю-

щий следующий закономерный этап развития. Прямое отношение к кон-

цепции самоорганизации имеет математическая теория катастроф, опи-

174

сывающая различные скачкообразные переходы, спонтанные качествен-

ные изменения и т.п. В теории катастроф применяется довольно сложный

математический аппарат — топологическая теория динамических сис-

тем.

Концепция развития. Основу концепции развития процессов в при-

роде составляют три положения: системность, динамизм и самоорганиза-

ция. Системность означает упорядоченную, структурную организацию

материи. Вселенная — самая крупная из всех известных материальных

систем. На определенных этапах ее развития зарождались разномасштаб-

ные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравновесностью.

Внешняя среда для любой подсистемы — материальная подсистема бо-

лее крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и вещест-

вом. Предполагается, что внешняя среда для Вселенной — физический

вакуум. Любая подсистема Вселенной, например галактика (Солнечная

система, планета, биосфера, человек и т.д.), представляет собой целост-

ный 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 невоз-

можно 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 взаимопротивоположных механизма:

объединение элементов системы и ее разделение (фракционирование),

характерные для всех уровней сложности и упорядоченности материи,

начиная от микромира и кончая крупномасштабными структурами Все-

ленной. На разных уровнях развития систем преобладает один из четырех

видов фундаментальных взаимодействий. Так, на нуклонном уровне ор-

ганизации 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 функ-

ции объединения и фракционирования выполняет электромагнитное

взаимодействие в форме притяжения разноименных и отталкивания од-

ноименных электрических зарядов. На молекулярном уровне электро-

магнитное взаимодействие обеспечивает химическую связь. В организа-

ции структур Вселенной определяющую роль играет гравитационное

взаимодействие.

Для управления процессом развития любая система должна обладать

способностью накапливать, хранить и передавать информацию, а это оз-

начает, что неотъемлемая часть самоорганизации — ее информатив-

175

ность. 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 детерминирова-

ны. При эволюционном развитии поведение системы предсказуемо и

даже управляемо при наличии необходимых средств управления. На за-

вершающей стадии эволюции в точке бифуркации преобладает случай-

ность. Точку бифуркации можно сравнить с перекрестком с несколькими

ответвленными путями, где, как в сказке, выбор пути означает и выбор

судьбы.

Особую роль играет случайность в самоорганизации на завершающей

стадии эволюции. Именно случайность определяет возможность перехо-

да системы в более упорядоченное состояние. Можно привести множест-

во примеров, когда случайные переходы хотя в принципе и 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 чело-

века 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 воз-

растающему потоку публикаций, можно заключить, что идеи самоорга-

низации и синергетики пытаются внедрить в различные отрасли науки и

распространить их на многие объекты — от Вселенной до общества и че-

ловека — без учета их специфики и особенностей. Конечно же, такая

тенденция не может не привести к поспешным и неверным результатам,

что сдерживает процесс поступательного развития естествознания и нау-

ки в целом.