Порядок и беспорядок в природе. Хаос

ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ. ХАОС

Здесь необходимо остановиться на терминологии. Что такое порядок и беспорядок, хаос? Порядок – регулярное (периодическое) расположение частиц, объектов, предметов по всему занимаемому пространству (объему); последовательный ход чего-нибудь; правила, по которым совершается что-нибудь; числовая характеристика той или иной величины. Это исходное понятие теории систем, означающее определенное расположение элементов или их последовательность во времени. Хаос (греч.) – полный беспорядок, нарушение последовательности, стройности, неразбериха, неопределенное состояние вещества. В физику понятие хаоса ввели Больцман и Гиббс.

Многие  считают, что эти понятия не имеют  отношения к реальной картине  Мира и придают им оценочное (эмоциальное) значение. Относительность этих понятий очевидна. Ночью, взглянув на небо, мы видим хаос из блестящих точек. Но, взглянув на небо в телескоп, мы понимаем, что там есть порядок в виде звездных систем, галактик и т.д. По мнению древних греков, космос характеризовался такими словами, как порядок, гармония, красота, и выполнял две функции – упорядочивающую и эстетическую, т.е. имел структурную организацию и одухотворенность. Происхождение космоса – акт творения его из беспорядка (хаоса), представлялся как процесс "лепки", совершаемой божественным умом. Философ Анаксагор писал: "Все вещи были вперемешку, бесконечные по множеству и по малости, так как и малость была бесконечной. И пока все было вперемешку, ничто не было ясно различимо: все обнимал аэр (туман) и эфир, оба бесконечные. Ибо изо всех тел, которые содержатся во Вселенной, эти два самые большие и по малости и по величине. Ум же есть нечто неограниченное и самовластное и не смешан ни с одной вещью, но единственный сам по себе... И совокупным круговращением мира правит ум, так что благодаря ему круговращение вообще началось".

Современное представление  наделяет хаос неопределенностями, движением  в форме несогласованных изменений (флуктуаций) любых количественных характеристик, вводит формальные понятия  связанных степеней свободы, где  под степенями свободы понимается количество независимых параметров движения, параметров состояния. В хаотическом  состоянии не образуется устойчивых во времени структур, отсутствуют  согласованные направленные процессы.

Категорией противоположной  хаосу является антихаос, или порядок. Под порядком сегодня понимают наличие в системах устойчивых движений, существование "закономерности", "запоминаемость" определенных конфигураций. Одним из основных признаков упорядоченного состояния является уменьшенное по сравнению с хаотическим числом параметров, определяющих это состояние, наличие связей в системе и согласований между параметрами. С точки зрения кодирования, порядок требует меньшего количества символов для записи состояния, чем беспорядок.

В греческой мифологии  слово chaos означало первобытное состояние мира, из которого образовался космос – мир, мыслимый как упорядоченное единство. Оппозиция хаос-космос аналогична диадам тьма-свет, земля-небо, натура-культура. В современном представлении хаос – беспорядочное, бесформенное, неопределённое состояние вещей, так что антитезой хаосу обычно является порядок, причём хаос – это бесструктурность, неустойчивость, стихийность; порядок – это структурность, устойчивость, организованность. Отчётливо напрашивается вывод, что хаос – это плохо, а порядок – это хорошо.

Однако, как сказал Антуан де Сент-Экзюпери, "Жизнь создаёт  порядок. Порядок же бессилен создать  жизнь". А Поль Валери ещё в 1919 г. предупреждал: "Две опасности  не перестанут угрожать миру: порядок  и беспорядок". Абсолютный порядок  и абсолютный хаос одинаково грозят гибелью. Выходит, что при всём стремлении к упорядочению какая-то доля хаоса  для жизни необходима.

Жизнь течёт неравномерно. Спокойные периоды сменяются  напряжёнными критическими состояниями, когда решается, каким будет дальнейший путь. В такие моменты определяющую роль играет не порядок, а хаос. И  без этой неупорядоченной, неконтролируемой, случайной компоненты были бы невозможны качественные изменения, переходы в  существенно новые состояния.

По существу порядок  и хаос это лишь крайние состояния  одного и того же явления – состояние  эволюционирующей материи, которая  беспрерывно и направлено самоорганизуется. Сама эволюция носит сложный характер и не является ни полностью упорядоченным, ни полностью разупорядоченным процессом. В этом смысле она как бы подчиняется законам гармонии между порядком и хаосом, смысл которых отражает понятие "золотого сечения", введенного много веков назад Птолемеем для обозначения пропорциональности правильного телосложения.

Так проявляется  конструктивная роль хаоса. Е. Н.Князева, раскрывая синергетическое представление о хаосе, пишет:

1) хаос необходим для  выхода системы на один из  аттракторов;

2) хаос лежит в основе  механизма объединения простых  структур в сложные путём синхронизации  темпов развития;

3) хаос – механизм  переключения режимов, средство  борьбы со смертью.

1 СИНЕРГЕТИКА КАК НОВАЦИОННОЕ  НАПРАВЛЕНИЕ В НАУКЕ

В последние десятилетия  возникновение системного подхода  позволило взглянуть на окружающий мир как единое, целостное образование, состоящее из огромного множества  взаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, появление  в 70-х годах XX века такого междисциплинарного направления исследований как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность не только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как мир самоорганизующихся процессов. Заслуга синергетики состоит прежде всего в том, что она впервые показала, что процессы самоорганизации могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и другие). Чем сложнее система, тем более высокий уровень имеют в ней процессы самоорганизации.

Синергетика как  понятие означает совместное, согласованное, кооперативное действие, сотрудничество, взаимодействие различных элементов  системы. По словам ее создателя –  немецкого физика Германа Хакена (род. в 1927 г.), синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы – электронов, атомов, молекул, клеток, механических элементов, фотонов, органов животных и даже людей. Это наука о самоорганизации, о превращении хаоса в порядок. Сам Г. Хакен, работавший в лабораториях фирмы Белла над новыми источниками света, исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердотельном лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате между ними устанавливается когерентное, или согласованное, взаимодействие, которое приводит в конечном итоге к их кооперативному, или коллективному, поведению.

Видный теоретик самоорганизации бельгийский физик  и физико-химик И. Р. Пригожин (род. в 1917 г.) пришел к своим идеям из анализа специфических химических реакций, которые приводят к образованию определенных пространственных структур с течением времени при изменении концентрации реагирующих веществ. Вместе со своими сотрудниками он построил математическую модель таких реакций, которые впервые экспериментально были изучены нашими отечественными учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим  требованиям:

·         открытость – обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой (реализуется так называемый процесс метаболизма);

·         существенная неравновесность – при определенных значениях параметров, характеризующих систему, она переходит в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;

·         выход из критического состояния, часто под воздействием малых флуктуаций (случайное отклонение величины от ее среднего значения) осуществляется через скачок, то есть резко, и система переходит в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы, обычно они называются управляющими, вызывают очень сильное изменение состояния системы, ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) около критической точки перехода всего лишь на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело. Такие критические точки, вблизи которых система ведет себя неустойчиво и осуществляет смену режима развития или движения, называют точками бифуркации. Обнаружение феномена бифуркации ввело в физику элемент исторического подхода. Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения как вероятностных представлений, так и классического детерминизма (линейного и однозначного). Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль играют флуктуации, которые и определяют, какой из путей дальнейшего развития выберет система.

Таким образом, теория самоорганизации – синергетика  – заставляет по-новому взглянуть  на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, природы в целом. В этом процессе необходимо выделять две фазы: плавную эволюцию, ход которой достаточно закономерен и жестко детерминирован, и скачки в точках бифуркации, протекающие случайным образом и поэтому случайно определяющие последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке. Если неравновесная, нелинейная система достаточно удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации при взаимодействии со средой будут усиливаться и, в конце концов, приведут к разрушению прежнего порядка или структуры и к возникновению новой системы. Структуры и системы, возникающие в результате таких процессов, И. Р. Пригожин назвал диссипативными, поскольку они образуются за счет диссипации, рассеивания энергии, использованной системой, и получения из окружающей среды новой, свежей энергии.

Другой видный исследователь в области самоорганизации  немецкий ученый М. Эйген (род. в 1927 г.) убедительно доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора продолжает сохранять свое значение и на микроуровне. Поэтому он имел все основания утверждать, что генезис жизни есть результат процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора, в котором адаптация оптимизируется самими структурами.

В начале 1960-х  годов Е. Лоренц, изучая компьютерные модели предсказания погоды, пришел к  важному открытию, что уравнения, описывающие метеопроцессы, при почти тех же самых начальных условиях приводят к совершенно разным результатам. А это свидетельствовало о том, что детерминистская система уравнений обнаруживает хаотическое поведение. Отсюда был сделан вывод, что хаос также характеризуется определенным порядком, который, однако, имеет более сложный характер. Его можно рассматривать как вид регулярной нерегулярности.

Чтобы разобраться  в современном понимании феномена хаоса и в происшедших с  этим понятием за последнее время  изменениях, необходимо вернуться в  науку ХVII-XIX веков, когда доминировала механистическая парадигма. В ней все процессы пытались объяснить путем сведения их к законам механического движения материальных частиц. Предполагалось, что эти частицы могут двигаться, не взаимодействуя друг с другом, а самое главное – их положение и скорость движения будут точно и однозначно определенными в любой момент в прошлом, настоящем и будущем, если заданы их начальное положение и скорость. Следовательно, в таком механическом описании время не играет никакой роли и поэтому его знак можно менять на обратный. Вследствие этого подобные процессы считали обратимыми. В некоторых случаях, когда речь идет о немногих и относительно изолированных друг от друга телах и системах, такой абстрактный подход может оказаться целесообразным и полезным. Однако в большинстве реальных случаев приходится учитывать изменение систем во времени, то есть иметь дело с необратимыми процессами.

Впервые такие  процессы стали изучаться в термодинамике, которая начала исследовать принципиально  отличные от механических тепловые явления. Тепло передается от нагретого тела к холодному, а не наоборот. С течением времени оно равномерно распределяется в теле или окружающем пространстве. Все эти простейшие явления нельзя было описывать без учета фактора времени. На такой феноменологической основе были сформулированы исходные начала или законы классической термодинамики, среди которых важнейшую роль играет закон энтропии. Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы. Поэтому в отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозначить свободную энергию через F, энтропию – S, то полная энергия системы Ε будет равна Ε = F + S ∙ T, где Т – абсолютная температура.

Согласно второму  закону термодинамики, энтропия в замкнутой  системе постоянно возрастает и в конечном счете стремится к своему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы, а тем самым и о времени ее изменения. Так впервые в физическую науку были введены понятия времени и эволюции, связанные с изменением систем. Но понятие эволюции в классической термодинамике рассматривается совсем иначе, чем в общепринятом смысле. Это стало вполне очевидным после того, когда немецкий ученый Л. Больцман (1844-1906) стал интерпретировать энтропию как меру беспорядка (хаоса) в системе.

Таким образом, второй закон термодинамики можно было теперь сформулировать так: замкнутая  система, предоставленная самой  себе, стремится к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации. Хотя чисто формально дезорганизацию можно рассматривать как самоорганизацию  с отрицательным знаком или самодезорганизацию, тем не менее такой взгляд ничего общего не имеет с содержательной интерпретацией самоорганизации как процесса становления качественно нового, более высокого уровня развития системы. Но для этого необходимо было отказаться от таких далеко идущих абстракций, как изолированная система и равновесное состояние.

Между тем классическая термодинамика именно на них как  раз и опиралась и поэтому  рассматривала, например, частично открытые системы или находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия как вырожденные случаи изолированных  равновесных систем. Очевидно, что  для объяснения процессов самоорганизации  необходимо было ввести новые понятия  и принципы, которые бы адекватно  описывали реальные процессы самоорганизации, происходящие в природе и обществе.