принцип самоорганизации

Динамика Вселенной проявляется в двух противоречивых взаимодополнительных процессах: разрушение и созидание.

Исторически первым был открыт принцип разрушения, который более известен как второй закон термодинамики, или принцип роста энтропии: в любом реальном процессе энтропия Вселенной возрастает. Как выяснилось, этот закон имеет всеобщий характер. Он прошел проверку временем и до сих пор считается одним из фундаментальнейших законов природы.

Энтропия есть мера хаоса, а также мера неопределенности, непредсказуемости, абсурда в системе. Мера определенности, предсказуемости, логичности в системе называется негэнтропией или информацией. Чем более упорядочена структура системы, тем более она предсказуема, тем больше ее негэнтропия.

То есть согласно принципу роста энтропии любой процесс сопровождается разрушением упорядоченных структур систем Вселенной и нарастанием хаоса и неопределенности.

Энтропия является также мерой качества энергии, под которым понимают степень ее концентрации и направленности. Чем больше качество энергии, тем меньше ее энтропия, тем большее количество превращений из одной формы в другую она может претерпеть. Например, электрическую энергию (направленное движение электронов) можно превратить в механическую (направленное движение физического тела), затем опять в электрическую, затем, например, в химическую и т.д. При каждом превращении часть энергии необратимо рассеивается в тепло (хаотическое движение частиц), так что КПД любого превращения энергии всегда меньше единицы. В конце концов вся энергия после ряда превращений переходит в тепловую форму. Это конечный пункт любой порции энергии. Дальнейшее полезное использование этой энергии возможно только при наличии более холодного резервуара (холодильника) в окружающей среде. Но когда температура данной порции энергии станет равна температуре окружающей среды, ее повторное использование становится невозможным, энергия окончательно деградирует.

То есть любой процесс сопровождается понижением качества энергии, которая стремится рассеяться по всему объему Вселенной. Это необратимо. Круговорот энергии невозможен. Все в мире разрушается и деградирует. Как считал Больцман, когда-нибудь вся энергия рассеется по Вселенной, выравняются все температуры, и все процессы остановятся, что знаменует собой “тепловую смерть Вселенной”. Согласно современным представлениям “тепловая смерть” нам не угрожает, так как Вселенная расширяется, о чем Больцман еще не знал.

Принцип роста энтропии можно вывести из первого постулата принципа оптимальности (см. предыдущую главу). В вариационной формулировке принцип роста энтропии звучит следующим образом: система стремится к состоянию, в котором незначительные изменения данного состояния не приводят к существенному изменению энтропии (энтропия - это интегральная функция, то есть обладает свойствами функционала). Особенно наглядно это можно наблюдать на примере простейшей статистической системы, представляющей собой ящик, заполненный подвижными частицами (рис.10). Опуская подробности расчета энтропии, можно сказать, что энтропия такой системы минимальна S10, когда все частицы расположены упорядоченной компактной группой. Положение какой-то отдельной частицы в этом случае оказывается более предсказуемым, чем если бы частицы располагались менее компактно. Энтропия максимальна S2Smax, когда частицы хаотично рассеяны по объему ящика. Если мы удалим одну частицу из компактной группы и перенесем ее в любое другое место ящика, то новое значение энтропии системы S’1 окажется существенно больше предыдущего, то есть dS1 = S’1 - S10. Если мы сделаем аналогичную перестановку в системе с хаотичным распределением частиц, то энтропия системы от этого практически не изменится, то есть dS2 = S’2 - S2 0. Поэтому согласно принципу оптимальности статистическая система со временем придет именно к такому хаотичному состоянию с энтропией, близкой к максимально возможному для данной системы значению.

Парадокс жизни состоит в том, что вопреки второму закону термодинамики биосистемы способны наращивать и усложнять свою упорядоченную структуру, понижая тем самым внутреннюю энтропию. Правда, как выяснилось, в целом это не противоречит принципу роста энтропии, так как жизнедеятельность биосистем приводит к еще большему росту хаоса в окружающей среде. То есть энтропия Вселенной в целом все-таки нарастает. И тем не менее, как казалось поначалу, этот парадокс ставил запрет на существовании жизни. Поэтому долгое время теория эволюции развивалось в полном отрыве от физики, которая не могла понять, как это вообще возможно. Ответ был получен только в середине двадцатого века, когда выяснилось, что запрет существует только для замкнутых систем, которые в чистом виде в природе вообще отсутствуют. Все живые организмы существуют только потому, что они открыты для окружающей среды. Парадокс был рожден, по сути дела, механистическим подходом к попытке понять жизнь. Только в механистической науке существует понятие замкнутой системы, оторванной от внешнего мира.

Наличие процессов эволюции, усложнения форм жизни вытекает из принципа единства Вселенной и принципа дополнительности (дуальности): при наличии во Вселенной процессов разрушения следует ожидать в ней равного по объему созидания. Более конкретно, жизнь является следствием принципа Ле Шателье - Брауна: рост энтропии Вселенной вызывает процессы, сдерживающие этот рост, то есть направленные на рост негэнтропии, а значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур. Это называется самоорганизацией.

Неизбежность самоорганизации в природе можно вывести также и из второго постулата принципа оптимальности, сформулированного в форме вариационного принципа минимума диссипации (рассеяния) энергии: если возможно множество сценариев протекания процесса, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему, то в реальности процесс протекает по сценарию, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, то есть минимальный прирост энтропии. Другими словами, если в ходе процесса возможно образование упорядоченных устойчивых статических или динамических структур в локальных областях системы, то они обязательно возникнут, уменьшая тем самым суммарный прирост энтропии. Поэтому принцип минимума диссипации энергии, открытый создателем неравновесной термодинамики Пригожиным (датчанин, но по происхождению русский), можно считать одной из формулировок принципа самоорганизации.

Долгое время было непонятно, каким образом в живых организмах обходится запрет на рост энтропии. Сейчас мы знаем, что в основе самоорганизации лежит принцип Онзагера: одновременно протекающие процессы могут влиять друг на друга так, что хотя в каждом из процессов в отдельности энтропия не может уменьшаться, но, взятые вместе, они могут компенсировать уменьшение энтропии в одном из процессов за счет еще большего увеличения в других. В итоге по всем процессам энтропия растет. Можно заметить, что принцип Онзагера строится на понятии эмерджентности: совокупность взаимосвязанных процессов может обладать свойствами, совершенно немыслимыми в каждом из процессов в отдельности, их нельзя вывести из суммы свойства отдельных процессов.

Следствия из принципа Онзагера:

1) самоорганизующая система должна быть открытой по отношению к окружающей среде;

2) она может существовать, уменьшая внутреннюю энтропию, только за счет увеличения энтропии (разрушения) внешней среды.

То есть существование жизни во Вселенной оказывается возможным лишь благодаря данному нам “разрешению” на разрушение окружающей среды и рассеяние энергии. Любое изменение внутри самоорганизующейся системы (например протекание физиологических процессов в организме) согласно второму закону термодинамики приводит к росту энтропии (неопределенности, хаоса, ошибки). Это грозит живому организму потерей упорядоченности. Поэтому организм может существовать лишь выводя эту энтропию (хаос) в окружающую среду. Вывести энтропию значит упорядочить внутреннюю организацию. Это можно представить так же и как процесс поглощения информации (негэнтропии, порядка) извне, то есть, отнимая порядок из окружающей среды (внося в нее разрушение), мы за счет этого упорядочиваем свою внутреннюю структуру.

Поэтому любая самоорганизующаяся система может существовать только в потоке энергии, при этом энтропия потока энергии на входе в систему меньше, чем энтропия выходного потока (система потребляет более концентрированную энергию, а выдает более рассеянную). Именно в энергетический поток система сбрасывает свою внутреннюю энтропию (неупорядоченность), из этого потока она берет необходимый порядок, что позволяет ей существовать длительное время без саморазрушения. Для этого, например, мы потребляем пищу, разрушая ее внутри себя, высвобождая таким образом накопленную в ней информацию (порядок), и за счет этого упорядочивая свою структуру. Продукты разрушения, несущие в себе хаос, мы выбрасываем в окружающую среду. Даже научная деятельность, связанная с расшифровкой тайн природы, с накоплением емких научных знаний, неизбежно окупается ростом разрушения, вносимым нами в окружающую среду.

Таким образом, мы, в принципе, не можем жить не разрушая. Другое дело, в каких количествах мы имеем право разрушать. Природа накладывает определенный “лимит” на разрушение. Об этом мы будем говорить в следующей главе.

Все, что было здесь сказано в отношении живых организмов, можно с полным основанием распространить и на любые другие самоорганизующиеся системы, которые согласно Пригожину, обладают рядом особенностей:

1) открытостью, то есть их существование немыслимо без постоянного взаимодействия с окружающей средой;

2) неравновесностью, то есть энтропия в данной системе существенно меньше энтропии окружающей среды;

3) нелинейностью, то есть непропорциональностью изменения различных свойств системы, ограниченностью пределов изменения этих свойств, что приводит к разного рода фазовым переходам.

Частным примером может служить самоорганизация в системе, состоящей из металлического порошка, насыпанного тонким слоем на горизонтальную поверхность, облучаемую электромагнитным полем. При этом между частицами проскакивают искры, которые тем интенсивнее, чем более удовлетворяет взаимное расположение частиц условиям резонанса для данной длины волны. Простейший резонансный контур состоит из пары частиц. Возможны и более сложные контуры из нескольких частиц, и между всеми этими частицами проскакивают искры, что приводит к образованию связей между ними из-за их «приваривания» друг к другу. Если какой-то комплекс частиц не удовлетворяет условию резонанса, то искрения в нем не происходит. «Приваривание» (взаимофиксация) частиц увеличивает порядок в их расположении и уменьшает электрическое сопротивление всего комплекса, что можно принять за меру порядка в системе.

Как показывает опыт, в каждый момент времени значительное число комплексов частиц оказывается настроенным в резонанс с волной. То есть хаос в расположении большого числа частиц обязательно дает определенное количество верных для самоорганизации вариантов. При легком встряхивании порошка рушатся уже образовавшиеся связи. Но при этом проявляется действие электромагнитных пондемоторных сил взаимодействия между частицами. В результате частицы не разваливаются, а, наоборот, продвигаются в направлении еще более удачной структуры. То есть происходит дальнейшее упорядочение структуры резонирующего комплекса частиц. Чем более удачен резонатор, тем значительней упорядочивающие силы. Удачные конструкции являются устойчивыми. Менее удачные при встряхивании окончательно разрушаются. Кроме того, удачные комплексы захватывают больше энергии из некоторой площади волны для перестройки своей структуры и лишают энергии неудачные комплексы (борьба за пищу). То есть волна как бы выбирает себе из набора зародышевых резонаторов именно те, которые по воле случая ближе всего отвечают условиям резонанса.

Успеху эксперимента способствует разнообразие "пищи". Наибольший эффект получается, если электромагнитное излучение будет периодическим, но несинусоидальным. Тогда его можно разложить в ряд Фурье, то есть представить большим количеством синусоидальных волн различной частоты и интенсивности. Тогда разные комплексы будут резонировать с разными частотами и даже с целыми пучками частот. В результате искрение за короткий промежуток времени может стать очень большим. При этом замечено, что резонируют в основном не линейные цепочки частиц, а комплексы частиц весьма причудливой формы и размеров. Причем каждая частица в этом комплексе занимает предназначенное для нее место и удаление ее из данного комплекса приводит к угасанию искры - комплекс распадается.

Исследование простейших самоорганизующихся систем позволяет сформулировать более частные принципы и условия, выполнение которых необходимо для возникновения самоорганизации:

1) наличие избыточного множества элементов, находящихся изначально по отношению друг к другу в случайных отношениях;

2) наличие притока извне некоторого организующего фактора (информации), воздействующего на отношения между группами элементов (аналог пищи);

3) система должна быть колебательной и иметь пространство потенциально возможных резонансных структур;

4) наличие положительной обратной связи по структуре: чем ближе структура к резонансу, тем сильнее она к нему стремится;

5) наличие отрицательной обратной связи по потребляемой информации: чем больше информации (пищи) потребляет структура, тем меньше ее остается в окружающей среде (другими словами, количество пищи должно быть ограничено, что вызывает конкуренцию в виде "борьбы за существование"; в процессе конкуренции улучшается структура удачных комплексов и еще больше закрепляется их преимущество перед неудачными);

6) малая величина диссипативных связей, наложенных на систему (малая степень внутреннего трения и прочих каналов рассеяния энергии);

7) узкий диапазон внешних воздействий.

Таким образом, в процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск устойчивых структур. Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять свою структуру при наличии внешних воздействий на нее (в нашем случае встряхивание); при снятии воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого. Здесь эта целостность формируется под воздействием внешнего излучения, из которого каждый резонирующий комплекс черпает энергию для поддержания и усложнения собственной структуры. Настройка каждого комплекса на структуру этого энергетического потока создает эффект единения, подобия друг другу и одновременно всей целостности, поддерживаемой данным потоком. Если какой-то комплекс утрачивает подобие с целостностью и с каждым конкретным ее элементом, то он перестает подпитываться энергией (порядком), так как его структура уже не удовлетворяет условию резонанса. В экологии подобные процессы настройки собственной структуры на структуру энергетического потока называются адаптациями. Именно принцип подобия части и целого (резонанс), а вовсе не “закон силы”, лежит в основе естественного отбора среди множества самоорганизующихся систем.

Однако подобие не должно быть абсолютным. Как уже говорилось, устойчивые структуры гармоничны, то есть в них заложено "золотое соотношение" между предсказуемостью (в нашем случае структура резонирующего комплекса должна быть четко увязана со структурой внешнего потока энергии) и непредсказуемостью (никто точно не определяет, какой именно должна быть структура резонирующего контура и какие частицы присоединятся к нему в следующий момент). “Законопослушание” таких систем гарантирует им стабильность за счет притока энергии из электромагнитной волны, а свобода выбора, непредсказуемость дает перспективы для дальнейшего развития. Излишне стабильные комплексы, близкие к абсолютному подобию с целостностью, потребляют из электромагнитной волны только вполне определенное количество энергии, в то время как его «соседи» усложняют свою структуру и потребляют из этой же волны все больше энергии, лишая ее того, кто не способен развиваться. Излишек непредсказуемости также грозит гибелью, так как возможна утрата подобия с целостностью.

Именно здесь, на мой взгляд, лежит основная причина экологической катастрофы. Человек выделился из природы, утратил связь и подобие с ней, стал слишком “свободным”, а потому пошел вслепую по пути, ведущему в «пропасть». Здесь же и ответ на вопрос, как избежать катастрофы. Надо вспомнить, что не природа (метасистема) должна подстраиваться под человека, это было бы равносильно попытке какого-либо комплекса частиц, не удовлетворяющего условиям резонанса с энергетическим потоком, изменить структуру этого потока “под себя”. Человек должен принять главенствующую роль природы и подчиниться ее требованиям.

Но, возможно, наше поведение, наш “бунт” против матери-природы является закономерным и фатально неизбежным? То есть вполне возможно, что сама природа предусмотрела для каких-то целей вероятность подобных бунтов. Для ответа на этот вопрос надо посмотреть, было ли нечто подобное в истории Вселенной.