Синергетика — теория самоорганизации

Появление синергетики в современном естествознании инициировано, видимо, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживало такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе.

В классической науке XIX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики. Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему". Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности это никогда не происходит. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие — "энтропия". Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться. Постулат о способности материи к саморазвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начали осознавать только сейчас. На этой волне и возникла синергетика — теория самоорганизации. Ее разработка началась несколько десятилетий назад. В настоящее время она развивается по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И.Р. Пригожий) и др. Общий смысл комплекса синергетических (термин Г. Хакена) идей, которые развивают эти направления, заключается в следующем:

• процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны;

• процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, при помощи которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые отвечают как минимум двум условиям. 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 большинство известных нам систем. Изолированные системы 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 служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что для вещественной Вселенной такой средой является вакуум. Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы 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 устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности — хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении градиентом некоторого критического значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики невероятно. Ведь оно свидетельствует, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости, как по команде, начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом движении. Создается впечатление, будто каждая молекула "знает", что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Слово "синергетика", кстати, как раз и означает "совместное действие"). Классические статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь если бы, даже случайно, такая "правильная" и устойчиво "кооперативная" структура образовалась, что почти 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 аналогичных процессов самоорганизации в других классах открытых неравновесных систем вроде бы обещает быть успешным: механизм действия лазера; рост кристаллов; химические часы (реакция Белоусова—Жаботинского); формирование живого организма; динамика популяций. Все это примеры самоорганизации систем самой разной природы. Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями.

• Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

• Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а, скорее, исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

• Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точке бифуркации. Следовательно, случайность — не досадное недоразумение; она встроена в механизм эволюции. А нынешний путь эволюции системы, возможно, не лучше, чем те, которые были отвергнуты случайным выбором.

Синергетика — родом из физических дисциплин, в частности, из термодинамики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной научной картины мира.