Принцип возрастания энтропии

Если вы хотите оправдаться за беспорядок в делах, самое подходящее обвинить в этом энтропию, которая «всегда только растет», символизируя рост беспорядка. В науку это понятие ввел немецкий физик Р. Клаузиус в 1865 г., формулируя законы термодинамики. Термодинамика изучает тепловые свойства макросистем в равновесных состояниях. Согласно первому началу термодинамики теплота, сообщенная системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение работы. Фактически это закон сохранения энергии с учетом тепловых процессов: энергия может превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным.

Синергетика

Слово «синергетика» происходит от греческого synergeia – содействие, сотрудничество. В широкое употребление этот термин ввел около 30 лет назад немецкий физик Г. Хакен, назвав так новое научное направление, объединяющее исследования по теории самоорганизации. Возникновение этой науки было подготовлено трудами многих выдающихся ученых: А.А.Богданова, Л. Берталанфи, Н. Винера, А. Пуанкаре, А.Н. Колмогорова и др. Тем не менее можно выделить три научные школы, которые являются корневыми для синергетики: 1) российская школа нелинейной динамики (Л.Мандельштам, С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий); 2) бельгийская школа неравновесной термодинамики (И. Пригожин); 3) немецкая школа лазерной физики (Г. Хакен).

Синергетика рассматривает процессы самоорганизации, устойчивости, образования и распада сложных упорядоченных систем как природных, так и социальных. С точки зрения синергетики процессы самоорганизации связаны с образованием коллективных типов поведения элементов в системах, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции.

Процессы самоорганизации идут всюду, где есть жизнь. Рождение и развитие любого живого организма, образование и существование природных сообществ и социальных институтов (экономических, политических, правовых и др.) являются примерами самоорганизации. Факты образования упорядоченных структур из хаоса были известны и в неживой природе, но их трудно было объяснить с позиций принципа возрастания энтропии. Например, образование ячеек Бенара (1901), когда в горизонтальном слое вязкой жидкости, подогреваемой снизу, образуются ячейки гексагональной формы наподобие пчелиных сот. Или реакция Белоусова-Жаботинского, при которой в смеси некоторых химических веществ наблюдается периодическая смена цвета. Примером самоорганизации является и работа лазера (оптического квантового генератора) т.е. возникновение в активной среде энергетически возбужденных атомов самосогласованного монохроматического излучения.

Оказалось, что процессы самоорганизации могут протекать не в любых системах, а лишь в удовлетворяющих определенным требованиям. Во-первых, эти системы должны быть открытыми, т.е. способными к обмену с внешней средой энергией, веществом и информацией. Во-вторых, они должны находиться в состоянии, далеком от равновесия. Развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастания сложности и упорядоченности. В цикле развития выделяют две фазы:

1) период плавного развития с хорошо предсказуемыми изменениями, приводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию – точке бифуркации (разветвлению пути развития системы);

2) выход из критического состояния (скачком) и переход в новое состояние, как правило, более сложное и упорядоченное.

Процессы самоорганизации протекают необратимо, нелинейно, спонтанно и непредсказуемо. В точках бифуркации траектория разветвляется, и нет указаний на то, по какому пути следовать. Есть лишь спектр возможностей. Выбор пути и нового состояния происходит под воздействием флуктуаций и случайных факторов.

Синергетика объясняет самоорганизацию как результат взаимодействия таких противоположных тенденций, как неустойчивость и стабильность, случайность и необходимость, порядок и хаос. В греческой мифологии слово chaos означало первобытное состояние мира, из которого образовался космос. В современном представлении хаос – беспорядочное, бесформенное, неопределенное состояние вещей; бесструктурность, неустойчивость, стихийность. А порядок – это структурность, устойчивость, организованность. Напрашивается вывод, что хаос – это плохо, а порядок – хорошо. Однако, по словам Антуана де Сент-Экзюпери, «Жизнь создает порядок. Порядок же бессилен создать жизнь». Выходит, что какая-то доля хаоса для жизни необходима. И синергетика как раз раскрывает эту позитивную роль хаоса. Жизнь течет неравномерно. Спокойные периоды сменяются напряженными критическими состояниями, когда решается, каким будет дальнейший путь. В такие моменты определяющую роль играет не порядок, а хаос. Без этой неупорядоченной, неконтролируемой, случайной компоненты были бы невозможны качественные изменения, переходы в новые состояния. Хаос служит механизмом переключения режимов, средством борьбы со смертью.

Синергетический подход позволяет понять процессы усложнения и развития материи, единым образом описать процессы в живой и неживой природе, обществе, представить эволюцию Вселенной как единый процесс, в котором этапы космической, химической, биологической и социальной эволюции преемственны и связаны между собой. В рамках синергетики развитие жизни на Земле рассматривается как фрагмент единого грандиозного процесса самоорганизации материи в развивающейся Вселенной.

Синергетическая идеология позволяет взглянуть и на общество как на саморазвивающуюся систему. Огромное значение имеет вывод синергетики о неоднозначности путей эволюции природных и социальных систем, о том, что сложным системам нельзя навязывать пути их развития, а нужно обеспечивать условия для саморазвития и самоорганизации. Синергетический подход обнадеживает в тех ситуациях, которые кажутся безнадежными: даже малые усилия могут вывести систему на иную, более благоприятную траекторию развития из того спектра возможностей, которым обладает сложная система. В настоящее время синергетика, преодолевая междисциплинарные барьеры, быстро превращается в носителя новой научной парадигмы. Синергетические форумы и конференции собирают представителей самых разных специальностей, объединенных стремлением выработать и освоить современный стиль мышления. Синергетическая методология внедряется в технику, искусство, информатику, открывает свежие перспективы в экономике, психологии, прогностике.

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает физика? Какие наиболее значимые физические концепции вам известны?

2. Что такое материя? В каких формах она существует?

3. Опишите иерархию организации материи в природе.

4. Что такое мегамир, макромир, микромир?

5. Что такое время и пространство? Каковы их основные свойства?

6. Сравните представления о пространстве и времени, развитые в классической механике И.Ньютона и теории относительности А.Эйнштейна.

7. Что такое симметрия? Как она связана с законами сохранения?

8. Что такое энергия? Сформулируйте закон сохранения энергии.

9. Что такое энтропия? В чём суть принципа возрастания энтропии?

10. В чём состоит сущность корпускулярно-волнового дуализма? Сформулируйте принцип неопределённости и принцип дополнительности.

11. Каковы современные представления о строении атома?

12. Какие элементарные частицы вы знаете? Как их классифицируют?

13. Охарактеризуйте основные типы фундаментальных взаимодействий. Какими элементарными частицами они переносятся?

14. Чем отличаются динамические и статистические закономерности?

15. Что изучает синергетика? Какие ученые внесли вклад в ее развитие?

16. Какие системы и процессы изучаются в рамках синергетики?

17. Как описывается механизм самоорганизации в рамках синергетики?

18. Перечислите общие черты процессов самоорганизации и приведите примеры самоорганизации в природе и обществе.