Концепции современного естествознания

                          В связи с изучением тепловых процессов, возникла необходимость введения в классическую физику фактора времени, который бы отражал  развитие соответствующих процессов. Однако, в связи с тем, что классическая термодинамика также прибегала к идеализации, рассматривая изолированные (замкнутые ) системы, понятие эволюции в ней оказалось чуждым не только ньютоновской механике с ее  абсолютным детерминизмом, но и биологической эволюции. Действительно, в противовес дарвиновской эволюции, предполагающей восходящее упорядочивание и усовершенствование систем – организмов, эволюция в классической (равновесной) термодинамике носила противоположную направленность – к дезорганизации и хаосу. Этот пессимистический вывод следовал из второго начала термодинамики (для закрытых систем), согласно которому при самопроизвольных процессах, в системах с постоянной энергией энтропия                                      (мера неупорядоченности) всегда возрастает. Максимальная же энтропия, как известно, соответствует полному термодинамическому равновесию, т.е. хаосу. Отсюда и следовало предсказание тепловой смерти Вселенной, которая в то время, считалась стационарной, и вопрос о ее возникновении и эволюции не обсуждался. Живая же природа со всей очевидностью стремилась, наоборот, от хаоса к  упорядоченности.    Это вопиющее противоречие  было разрешено только после того, как физика повернулась к рассмотрению открытых систем, т.е., обменивающихся с окружающей средой веществом, энергией и информацией, что и стало предметом новой науки, сначала называвшейся  термодинамикой открытых систем, а затем получившей название синергетика.

Самоорганизация в открытых неравновесных системах, условия и возможности  их эволюции и развития. Механизм самоорганизации в природе: флуктуации и бифуркации.

                           В ходе научных экспериментов, прежде всего химических, выяснилось, что при определенных условиях в открытых системах возможны процессы самоорганизации, сопровождаемые процессами диссипации  энергии, т.е. перехода части энергии упорядоченных процессов в энергию процессов неупорядоченных и, в конечном итоге – в теплоту. При этом, под самоорганизацией понимается спонтанный, самопроизвольный переход открытой неравновесной системы любой природы к более высокому уровню упорядоченности.

                        Поскольку, открытые системы не могут быть равновесными, так как их функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества богатого энергией, ясно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе только возрастает. При достижении определенного порога последней, старая взаимосвязь элементов системы, которая определяет ее структуру, разрушается, и между элементами системы возникают новые связи, приводящие к появлению процессов иного типа – кооперативного (т.е. согласованного, коллективного поведения элементов системы). Первой  иллюстрацией  возможности такого типа процессов стало открытие в 1900 году французским физиком Бенаром явления, названного по его имени «конвективными ячейками Бенара». Нагревая спермацетовое масло в подогреваемом  снизу сосуде,  он обнаружил, что при слабом нагреве сама жидкость неподвижна, переносится лишь тепловая энергия за счет теплопроводности. По мере повышения интенсивности нагрева все большую роль начинает играть конвекция: нагретая жидкость расширяется, становится более легкой и стремится всплыть вверх. На смену опускаются более холодные и плотные слои. Однако, это происходит спорадически: восходящие потоки возникают то в одном месте, то в другом и существуют недолго. Конвекция идет в хаотическом режиме. Когда разность температур  верха и низа достигает некоторого критического значения, картина меняется радикально. Весь объем жидкости разделяется на одинаковые почти правильные шестиугольные ячейки, в каждой из которых происходит уже незатухающее конвекционное движение частиц жидкости по замкнутым траекториям: в центре каждой ячейки нагретая жидкость поднимается снизу вверх, а вдоль границ ячеек – опускается сверху вниз. При достижении критической разности температур, «ячейки Бенара» начинают колебаться с определенной частотой, увеличивающейся при дальнейшем росте температуры. В конечном итоге сумма бесконечного числа колебаний с разными частотами дает полностью хаотичное турбулентное движение. Такой сценарий присущ  столь разным жидкостям, как ртуть и жидкий гелий и является универсальным. Конвективные ячейки обнаружены в фотосфере солнца и в мантии земли.

                            В 1951 году Б.П.Белоусов, изучая  простую реакцию между броматом  калия и лимонной кислотой  в присутствии катализатора, обнаружил, что она идет не монотонно, как обычные реакции, а периодично в колебательном режиме – окраска реакционной смеси десятки раз изменялась от исходной бесцветной до конечной желтой и обратно. Это было демонстрацией процесса самоорганизации в простейшей химической системе, так как периодичность – это один из видов упорядоченности. Спонтанные химические колебания – это упорядоченная структура, неоднородность, только развернутая не в пространстве, а во времени. В 1970 году  Жаботинский и Заикин обнаружили пространственную самоорганизацию. Отказавшись от традиционного перемешивания раствора, они обнаружили, что реакция не идет синхронно по всему объему. Изменение окраски, сначала происходит, в какой то одной точке (ведущем центре), от которого затем распространяется в виде спиральной волны, вращающейся вокруг нее. Таких центров может возникнуть несколько, с разными периодами спиральных волн, которые взаимно синхронизируются  и аннигилируют (уничтожаются), причем  более быстрая спиральная волна поглощает более медленные волны. Спиральные волны – распространенная форма самоорганиции в системах различной природы. Они наблюдаются, например, при образовании колоний коллективных микроорганизмов. Сложный, но ритмичный  характер сокращений сердечной мышцы определяется тем, что по ней безостановочно бежит спиральная волна возбуждения при нарушении которой, возникает аритмия. 

                         Открытие самоорганизации в простейших  системах неорганической природы  – физических и химических, имело огромное научное и мировоззренческое значение, показав, что процессы самоорганизации  происходят на самых фундаментальных уровнях структуры мироздания, что  процессы развития возможны не только в живых, но и в неорганических системах, способных перерасти в органические, живые структуры. Стало очевидным, что как дезорганизация, так и организация являются универсальными свойствами материи, так как материя оказалась способной совершать работу против термодинамического равновесия, т.е. самоорганизовываться и самоусложняться.

                        Необходимыми условиями (т.е. если  хотя бы одно из них не  выполнено, никаких упорядоченных  структур в системе не может  возникнуть) для появления  процессов  самоорганизации являются следующие: 

1. Система должна быть открытой, так как закрытая система согласно второму закону термодинамики в конечном итоге должна прийти в состояние хаоса.
2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия, характеризующегося максимальной энтропией. При этом она должна быть не просто неравновесной, но сильно неравновесной. Только в такой позиции и могут возникнуть неоднородности. Так «ячейки Бенара» возникают лишь при достаточно большом перепаде температур, а реакция Белоусова – Жаботинского входит в колебательный режим только при достаточно высоких концентрациях реагентов. Все живые организмы являются сильно неравновесными системами.
3. Система должна быть нелинейной, т.е. ее поведение может быть описано лишь нелинейными математическими уравнениями. Если реакция линейной системы на несколько одновременных воздействий равна сумме реакций на каждое воздействие по отдельности, то нелинейные системы, способны качественно изменять свое поведение, при количественном изменении воздействия, будучи системами сложными.
4. Наличие положительной обратной связи, которая в отличие от отрицательной обратной связи, являющейся основой управления и сохранения динамического равновесия систем, усиливает исходящие сигналы системы, что и приводит к ее пороговым состояниям и качественным изменениям ( например, автокатализ).
5. Ассиметрический характер процессов, например временных.
6. Достаточное количество взаимодействующих элементов системы, без которого невозможно начало процесса самоорганизации.          

                             Все это необходимые, но недостаточные условия для возникновения самоорганизации в разных системах природы. Чем более сложными  являются последние, тем более многочисленными оказываются факторы, играющие роль в продуцировании процессов самоорганизации. 

                          Механизм процессов самоорганизации  в природе имеет свои особенности  и структуру. Прежде всего,  он носит пороговый характер, т.е. упорядоченная структура,  возникает  в процессе эволюции  внезапно. Например, «ячейки Бенара» появляются при нагреве реагентов по достижении определенного порога почти мгновенно. Также, фундаментальным принципом самоорганизации является возникновение и усиление порядка через флуктуации, т.е. случайные отклонения от некоторого среднего положения состояния системы. Такие флуктуации  могут в самом начале подавляться и ликвидироваться системой. Однако, в открытых системах благодаря  усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают, расшатывают прежнюю структуру и приводят к образованию нового порядка. Усиление флуктуаций является предвестником перестройки структуры.

                            Поскольку флуктуации носят случайный  характер, то это означает, что  случайность является  атрибутом  эволюции, она вмонтирована в  ее механизм. Роль флуктуаций состоит в усилении неравновесности системы, а механизмом этого усиления выступает положительная обратная связь. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, понижающих ее устойчивость. Превзойдя порог неустойчивости, система переходит в критическое состояние называемое точкой бифуркации. Бифуркация – это математический термин, означающий «раздвоение», или  разветвление решения уравнений, описывающих состояние системы. В физическом смысле это соответствует разделению однородной системы на области разных типов. В точке бифуркации система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может скачком перейти в другое устойчивое состояние  с большей или меньшей степенью упорядоченности. Система как бы колеблется,  выбирая разные пути эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, которое резко изменит все ее поведение. В этой точке случайность переводит систему на новый путь развития, который далее идет, подчиняясь законам детерминизма, вплоть до последующей точки бифуркации - такова диалектика  случайности и необходимости в процессе эволюции системы.

                          В момент бифуркации выбор  пути развития однозначно не  определен, т.е. непредсказуем,  а состоявшийся скачок - необратим. В нем  флуктуация достигает такой силы, что структура системы разрушается и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более сложный уровень упорядоченности, диссипативности, для поддержания которого требуется больше энергии, чем для более простых предшествующих структур. Существенно, что переход из одного устойчивого состояния в другое происходит через состояние неупорядоченности: начальная упорядоченность разрушается, и лишь затем возникает новая, т.е. на этой стадии развитие идет через хаос. По мнению Пригожина и Стенгерс, поскольку абсолютное большинство систем в мире открыты – постольку главенствующую роль в его развитии играют не порядок и закон, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Именно флуктуации и хаос являются материалом, из которого строится мировой порядок.

                          Важным, но еще мало изученным  фактором самоорганизации является  информативность, способность эволюционирующей системы получать, хранить и использовать для своего развития информацию о направлении этого развития. Считается, что только наличием такой информативности можно объяснить процесс направленного, восходящего развития Вселенной и всех ее подсистем. Современной науке удалось выяснить принцип хранения и передачи информации в природе пока лишь для одного случая – генного механизма наследственности. Мировоззренческое значение теории самоорганизации  состоит в разработке фундамента новой эволюционной картины мира, в которой эволюция Вселенной  рассматривается,  как бифуркационный сценарий цепи последовательных флуктуаций  и нарушений симметрии природы.

3. Кибернетика  как наука об управлении сложными  системами.

                         Как ни трудны для понимания объекты, изучаемые теорией относительности и квантовой механикой, они, тем не менее, являются простыми системами, так как в них входит небольшое число переменных и поэтому их взаимосвязи доступны математической обработке с последующим выведением универсальных законов. Иное дело – сложные системы, состоящие из большого числа переменных и взаимосвязей между ними. Чем сложнее система, тем больше у нее эмерджентных свойств, т.е. свойств, которых нет у ее частей, и которые являются следствием результата целостности системы. Такие сложные системы изучают, например, метеорология, биология, экология. Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным  в естествознании.

                         Среди всех сложных систем  наиболее важны системы  с так называемой обратной связью. Если изменение движения объекта определяется воздействием на него внешней среды, это значит, что в системе объект – среда имеется обратная связь. Если поведение системы усиливает внешнее воздействие  - это положительная обратная связь. Если же оно уменьшает внешнее воздействие, то это отрицательная обратная связь. Гомеостатическими обратными связями называются такие, которые сводят внешнее воздействие к нулю, делая систему инвариантной (например, температура в организме). В широком смысле понятие обратной связи означает, что часть выходной энергии аппарата или машины возвращается на вход… Положительная обратная связь прибавляется к выходным сигналам, не корректируя их. Механизм обратной связи повышает степень внутренней организованности системы, обеспечивая процесс ее самоорганизации.    

                          Наличие механизма обратной связи  позволяет заключить о том,  что система стремится к определенным  целям, т.е. что ее поведение  не случайно, а целесообразно.  Всякое целенаправленное поведение требует отрицательной обратной связи. Оно может быть непредсказывающим (движение торпеды, ЗУРС) или предсказывающим на несколько порядков   (прыжок кошки на бегущую мышь, система упреждающего огня). Понятие целесообразности,  не обязательно должно носить религиозный или психический и рационалистический характер. Естествознание 20 века определило внутренний механизм поведения сложных систем с обратной связью как целеполагающий.

                           Первой стала исследовать подобные системы наука кибернетика  (от греч. – искусство управления), возникшая на стыке математики, техники и нейрофизиологии. Ее основателем является американский математик Норберт Винер, выпустивший в 1948 году книгу «Кибернетика». Особенность этой науки в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру, а анализирует связи между входными воздействиями и выходными сигналами, т.е. результаты работы системы. В кибернетическом подходе, познаваемый объект может быть представлен, как «черный ящик »- устройство, выполняющее определенные операции над входными воздействиями, которые, в свою очередь, могут меняться за счет механизма обратной связи (управление операциями по результатам анализа выходного сигнала, например, автопилот). Такой функциональный подход является частью системного подхода, дополняя субстратный, структурный и др. в него входящие. Системы,  управляемые с помощью обратной связи, рассматриваются как  кибернетические, например, мозг, биологические популяции, ЭВМ. Каждая такая система является множеством взаимосвязанных подсистем, способных воспринимать, запоминать, анализировать и перерабатывать информацию, управлять и обмениваться ею.  

                           Одним из главных аспектов  изучения объектов в кибернетическом подходе является, связанная с ними, информация. (от лат.- ознакомление, разъяснение). Одним из разделов кибернетики является информатика. Кибернетика выявляет зависимости между информацией и другими характеристиками систем. С повышением энтропии уменьшается информация  (т.к. все усредняется) и наоборот. Связь информации с энтропией  выражает связь ее с энергией, которая характеризует общую меру различных видов движения и взаимодействия  в  таких формах, как: механическая, тепловая, электромагнитная, химическая, гравитационная, ядерная. Хотя точность сигнала, передающего информацию, не зависит от количества энергии, которая используется для передачи сигнала, тем не менее, энергия и информация связаны между собой.

                            Информация характеризует меру разнообразия систем и растет с повышением последней. Одним из основных законов кибернетики является закон «необходимого разнообразия», согласно которому эффективное управление любой системы возможно только в том случае, когда разнообразие управляющей системы больше разнообразия управляемой системы. Учитывая связь между разнообразием и управлением, можно утверждать, что чем больше мы имеем информации о системе, которой собираемся управлять, тем эффективнее будет этот процесс.

                           Общее значение кибернетики состоит в следующем: