Самоорганизация и саморазвитие

Самоо рганизация и саморазвитие Введение Появление тео рии самоорганизации в современном естествознании инициировано , видимо , подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин . Эту тенденцию в немалой степени сдерживало такое обсто ятельство , как разительная асимметрия процессов д е градации и развития в живой и неживой природе . В классической науке XIX в . господствовало убеждение , что материи изначально присуща тенденция к разрушению вс якой упорядоченности , стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало не у порядоченность или хаос ). Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики. Эта наука занимается изучением процессов взаимопревращения различных видов энергии . Е ю установлено , что взаимное превращение тепла и работы неравнознач но . Работа может полностью превратиться в тепло трением и ли другими способами , а вот тепло полность ю превратить в работу принципиально невозможн о . Это означает , что во взаимопереходах од них видов энергии в другие существует выд еленная самой природой напра в ленность . Знаменитое второе начало (закон ) термодинамик и в формулировке немецкого физика Р . Клауз иуса звучит так : "Теплота не переходит сам опроизвольно от холодного тела к более го рячему ". Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики ), в принципе , не запрещает такого перехода , лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем о бъеме . Но в реальности это никогда не происходит . Данную односторонность , однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых систем ах и подчеркивает второ е начало термодинамики. Для отражения этого процесса в термод инамику было введено новое понятие - "энтропия ". Под энтропией стали понижать меру беспо рядка системы . Более точная формулировка втор ого начала термодинамики приняла такой вид : при самопроизвольны х процессах в систе мах , имеющих постоянную энергию , энтропия всег да возрастает. Физический смысл возрастания энтропии сво дится к тому , что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией ) система стремится перейти в сос тояние с наименьшей упорядоченностью движен ия частиц . Это и есть наиболее простое состояние системы , или термодинамическое равнов есие , при котором движение частиц хаотично . Максимальная энтропия означает полное термодин амическое равновесие , что эквивалентно хаос у. Общий вывод достаточно печален : необратим ая направленность процессов преобразования энерг ии в изолированных системах рано или позд но приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию , которая рассеется , т.е . в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы , что и буд ет означать термодинамическое равновесие или хаос . Если Вселенная замкнута , то ее ждет именно такая незавидная участь . Из хаоса , как утверждали древние греки , она родила сь , в хаос же , по предположению классическ ой термо д инамики , и возвратится. Возникает , правда , любопытный вопрос : если Вселенная эволюционирует только к хаосу , то как она могла возникнуть и сорганизова ться до нынешнего упорядоченного состояния . Н о этим вопросом классическая термодинамика не задавалась , ибо формировалась в эпоху , когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался . В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская те ория эволюции . Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнен ием , нарастанием высоты организации и порядка . Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса . Нал ицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы. После замены модели стационарно й Вселенной на развивающуюся в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов - от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения по сле Большого взрыва до звездных и галакти ческих систем , - несоответствие з а конов стало еще более явным . Ведь если прин цип возрастания энтропии столь универсален , к ак же могли возникнуть такие сложные стру ктуры ? Случайным "возмущением " в целом равновес ной Вселенной их не объяснить . Стало ясно , что для сохранения непротиворечивост и общей картины мира необходимо постулир овать наличие у материи в целом не то лько разрушительной , но и созидательной тенде нции . Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия , самооргани зовываться и самоусложняться. Самоорганизация и саморазвитие Постулат о способности материи к само развитию в философию был введен достаточно давно . А вот его необходимость в фундам ентальных естественных науках (физике , химии ) н ачали осознавать только сейчас . На этой во лне и возникла теория самоорганизации . Е е разработка началась несколько десятилетий н азад . В настоящее время она развивается по нескольким направлениям : синергетика (Г . Хакен ), неравновесная термодинамика (И.Р . Пригожий ) и др . Общий смысл комплекса синергети ч еских (термин Г . Хакена ) идей , которые развивают эти направления , заключается в сл едующем : процессы разрушения и созидания , дегр адации и эволюции во Вселенной равноправны ; процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности ) имеют единый алгоритм , н езависимо от природы систем , в которых они осуществляются . Таким образом , синергетик а претендует на открытие некоего универсально го механизма , при помощи которого осуществляе тся самоорганизация как в живой , так и неживой природе . Под самоорганизацией при э том понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сл ожных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным . Отсюда следует , что объектом синергетики могут быть отню дь не любые системы , а только те , котор ые отвечают к ак минимум двум ус ловиям . Прежде всего , они должны быть : открытыми , т.е . обмениваться веществом или энергией с внешней средой ; и существенно неравновесными , или находиться в состоянии , далеком от термодинамического равновесия. Но именно такими являются бол ьшин ство известных нам систем . Изолированные сист емы классической термодинамики - это определенная идеализация , в реальности они - исключение , а не правило . Сложнее обстоит дело со Вселенной в целом . Если считать Вселенную открытой системой , то что может с лужить ее внешней средой ? Современная физика полагает , что для вещественной Вселенн ой такой средой является вакуум. Итак , синергетика утверждает , что развитие открытых и сильно неравновесных систем п ротекает путем нарастающей сложности и упоряд оченности . В цикле развития такой систем ы наблюдаются две фазы : 1) период плавного эволюционного развития , с хорошо предсказуемыми линейными изменениями , подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию ; 2) выход из критического состояния одномоментно , скачком и переход в новое ус тойчивое состояние с большей степенью сложнос ти и упорядоченности. Важная особенность второй фазы заключаетс я в том , что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен . Достигшая кр итических параметров ( точка бифуркации ) сист ема из состояния сильной неустойчивости как бы "сваливается " в одно из многих возм ожных , новых для нее устойчивых состояний . В этой точке эволюционный путь системы , м ожно сказать , разветвляется , и какая именно ветвь развития будет вы б рана - р ешает случай ! Но после того как "выбор сделан " и система перешла в качественно но вое устойчивое состояние - назад возврата нет . Этот процесс необратим . А отсюда следует , что “развитие таких систем имеет принцип иально непредсказуемый характер . Можн о просчитать варианты возможных путей эв олюции системы , но какой именно будет выбр ан - однозначно спрогнозировать нельзя. Самый популярный и наглядный пример о бразования структур нарастающей сложности - хорошо изученное в гидродинамике явление , названное яч ейками Бенара . При подогреве жидкос ти , находящейся в сосуде круглой или прямо угольной формы , между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиен т ) температур . Если градиент мал , то перено с тепла происходит на микроскопическом уровне и н и какого макроскопического дви жения не происходит . Однако при достижении градиентом некоторого критического значения в жидкости внезапно (скачком ) возникает макроск опическое движение , образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек . Свер ху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая , структура , похожая на пчелиные соты. Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики невероятно . Вед ь оно свидетельствует , что в момент образо вания ячеек Бенара миллиарды молек ул жидкости , как по команде , начинают вести с ебя скоординированно , согласованно , хотя до эт ого пребывали в хаотическом движении . Создает ся впечатление , будто каждая молекула "знает ", что делают все остальные , и желает двиг аться , в общем строю . (Слово "син е ргетика ", кстати , как раз и означает "совместное действие "). Классические статистические законы здесь явно не работают , это яв ление иного порядка . Ведь если бы , даже случайно , такая "правильная " и устойчиво "коо перативная " структура образовалась , что почт и невероятно , она тут же бы и распалась . Но она не распадается . При соответствующих условиях (приток энергии извне ), а , наоборот , устойчиво сохраняется . Значит , возникновение структур нарастающей сложности - не случайность , а закономерность. Поиск аналогичн ых процессов самоорган изации в других классах открытых неравновёсны х систем вроде бы обещает быть успешным : механизм действия лазера ; рост кристаллов ; химические часы (реакция Белоусова-Жаботинского ); ф ормирование живого организма ; динамика популяций ; рын о чная экономика , наконец , в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур . Все это примеры самоорганизации систем самой разной природы. Синергетическая интерпретация такого рода явлений от крывает новые возможности и направления их изучения . В обобщенном вид е новизну синергетического подхода можно выра зить следующими позициями. Хаос не только разрушителен , н о и созидателен , конструктивен ; развитие осуще ствляется через неустойчивость (хаотичн ость ). Линейный характер эволюции сложных систем , к которому привыкла классич еская наука , не правило , а , скорее , исключен ие ; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер . А это значит , что д ля сложных систем всегда существует несколько возмо жных путей эволюции. Развитие осуществляется через случайный в ыбор одной из нескольких разрешенный возможно стей дальнейшей эволюции в точке бифуркации . Следовательно , случайность - не досадное недор азумение ; она встроена в механизм эволюции . А нынешний пут ь эволюции системы , в озможно , не лучше , чем те , которые были отвергнуты случайным выбором.