4.7. Синергетика. Рождение порядка из хаоса

Понятие хаоса играло немаловажную роль на протяже­нии всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывались представления о гибельном беспорядке, о не­различимой пучине, зияющей бездне. Собственно, такое представление является наиболее распространенным и в обыденной жизни. Тем не менее, идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распрост­ранена в древних мифах, в восточной философии, в учени­ях древних греков. И в ведийских «Ригведах», и в учении Платона мы встречаемся с мыслью о превращении изна­чального Хаоса в Космос, о возникновении из него «жиз­недеятельного». Эти представления очень созвучны совре­менному развитию естествознания. Начиная с 70-х годов нашего века бурно развивается направление, называемое «синергетикой», в фокусе внимания которого оказывают­ся сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к поряд­ку, от симметрии ко все возрастающей сложности.

Синергетика в переводе с греческого языка означает «содружество, коллективное поведение». Термин этот впер­вые был введен Хакеном. Как новационное направление в науке, синергетика возникла, в первую очередь, благодаря выдающимся достижениям И. Пригожина в области не­равновесной термодинамики. Им было показано, что в не­равновесных открытых системах возможны эффекты, при­водящие не к возрастанию энтропии и стремлению термо-

197

динамических систем к состоянию равновесного хаоса, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса.

Процессы, протекающие в различных явлениях приро­ды, следует разделять на два класса. К первому классу от­носятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в систе­мах. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В соответствующие моменты — мо­менты неустойчивости — в них могут возникать малые возмущения, флуктуации, способные разрастаться в макро­структуры. Таким образом, хаос и случайности в нем мо­гут выступать в качестве активного начала, приводящего к развитию новых самоорганизаций. Таким образом, флук-туационная гипотеза Больцмана на современном витке раз­вития науки получает в некотором смысле «оправдание» и «право на жизнь». Одним из важнейших результатов, полученных Пригожиным, его школой и последователями, является новый подход к анализу сложных явлений. Во-первых, самоорганизация в сложных системах свиде­тельствует о невозможности установления жесткого конт­роля за системой. То есть самоорганизующейся системе нельзя навязать путь развития. Управление такой систе­мой может рассматриваться лишь как способствование соб­ственным тенденциям развития системы, с учетом прису­щих ей элементов саморегуляции. Во-вторых, для самоор­ганизующихся систем существует несколько различных путей развития. В равновесном или слаборавновесном со­стоянии в системе существует только одно стационарное состояние, которое зависит от некоторых управ- ляющих параметров. Изменение этих управляющих параметров будет уводить систему из равновесного состояния. В кон­це концов, вдали от равновесия система достигает некото­рой критической точки, называемой точкой бифуркации. Начиная с этого момента на дальнейший ход эволюции системы могут оказывать воздействия даже ничтожно ма­лые флуктуации, которые в равновесом состоянии системы попросту неразличимы. Поэтому невозможно точно пред­сказать, какой путь эволюции выберет система за порогом бифуркации. В параграфе 6 главы 7 этой книги будет рас-

198

смотрен сценарий эволюций Вселенной через призму синер­гетики. Следует отметить высокий темп идей и открытий при описании синергетических явлений во всех отраслях науки. Важное значение синергетики состоит в том, что она указывает границы применимости II начала термодинами­ки и, более того, делает его элементом более широкой тео­рии необратимых процессов, в которой предполагается ес­тественное описание с единой точки зрения обоих классов явлений природы.

Вопросы для самоконтроля

1. Может ли тепловая машина, работающая по циклу Карно, быть необратимой? Сформулируйте достаточные ус­ ловия обратимости такой машины.

2. Какая система играет, в конечном счете, роль холо­ дильника в тех тепловых машинах, которые используют­ ся человеком? Какие проблемы глобального характера при этом возникают?

3. Что является нагревателем, а что холодильником в ракетном двигателе?

4. Покажите эквивалентность формулировок II начала термодинамики.

5. Укажите причины, вследствие которых невозможно построение вечных двигателей первого и второго рода?

6. Макроскопическая система состоит из трех макроско­ пических подсистем со статистическими весами W₁, W₂ и W₃. Чему равен статистический вес W и энтропия S всей системы?

7. В чем состоит статистический смысл понятия «эн­ тропия»?

8. Как вы понимаете выражение «стрела времени»?

9. Приведите аргументы, разрешающие парадокс «демо­ на Максвелла».

10. Приведите примеры самоорганизации, синергетиче- ского поведения систем, известные вам из истории науки, истории развития человеческого общества.

199