Системные идеи в физике

Введение понятия энтропии привело к концептуальному перевооружению современной физики. Данное понятие в научный оборот ввел в 1965 г. немецкий физик Р. Клаузиус (в 1950 г. он вместе с английским физиком У. Томсоном дал первую формулировку второго начала термодинамики).

Энтропия (от греч. entropia — поворот, превращение) представляет собой функцию состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенной системе, к ее температуре. Исходя из второго начала термодинамики Клаузиус и Томсон пришли к выводу о необратимости возрастания энтропии в самопроизвольных процессах. На этом основании ими была выдвинута гипотеза тепловой смерти Вселенной, согласно которой мир, подобно живому организму, развивается и неизбежно идет к своему концу. Такой вывод можно считать мировоззренческим выходом за пределы термодинамики. Австрийский физик Л. Больцман и американский физик-теоретик Д. Гиббс завершили построение статистической физики, и понятие энтропии обрело свое истинное содержание как мера неупорядоченности системы, тогда как ранее она выступала всего лишь как мера энергии.

Предмет термодинамики можно разделить на три области, изучение которых соответствует трем последовательным этапам ее развития:

- область термодинамического равновесия, где силы равны нулю; ее изучала классическая термодинамика (Клаузиус, Больцман и Гиббс);

- слабо неравновесную область, где термодинамические силы «слабы» и скорости необратимых процессов линейно зависят от сил; ее изучала линейная термодинамика. Она началась с публикации по термодинамике неравновесных процессов норвежско-американского физика и химика Л. Онсагера в 1931 г.;

- сильно неравновесную область, где потоки энергии — нелинейные, сложные функции сил. В 1970-е гг. она стала предметом синергетики, основателями которой можно считать бельгийского физика и физикохимика И. Пригожина и немецкого физика Г. Хакена.

Пригожин выделил два фундаментальных вопроса, на которые, по его мнению, предшествующая наука еще не дала ответа.

Первый вопрос связан с отношением хаоса и порядка. Каким образом из хаоса может возникнуть структура? В ответе на этот вопрос, пишет Пригожий, ныне удалось продвинуться довольно далеко. «Теперь нам известно, что неравновесность — поток вещества или энергии — может быть источником порядка».

Второй вопрос еще более фундаментальный. «Классическая или квантовая физика описывает мир как обратимый, статичный. В их описании нет места эволюции ни к порядку, ни к хаосу. Информация, извлекаемая из динамики, остается постоянной во времени. Налицо явное противоречие между статической картиной динамики и эволюционной парадигмой термодинамики. Что такое необратимость? Что такое энтропия? Лишь теперь мы начинаем достигать той степени понимания и того уровня знаний, которые позволяют в той или иной мере ответить на эти вопросы». С точки зрения Пригожина, хаос и порядок позволяют по-новому взглянуть на материю. «Материя становится "активной"; она порождает необратимые процессы, а необратимые процессы организуют материю». Так физика переоткрыла для себя время. Механика Ньютона была равнодушна ко времени и описывала обратимые процессы, как вращение стрелки на циферблате часов. Подлинное время появилось во втором начале термодинамики, отразившем необратимое возрастание энтропии в сложных самоорганизующихся системах.

Понятия организации и самоорганизации сложных саморазвивающихся систем (материальных и идеальных) становятся центральными в методологии науки наших дней. Современный этап исследования организации и самоорганизации связан прежде всего с выделением физических оснований этих явлений, что позднее получило наименование «синергетика». Термин «синергетика» (от греч. synergos — совместно действующий) ввел Г. Хакен [3, 4], чтобы подчеркнуть роль коллектива (кооперации) в процессах са­моорганизации.

Синергетика — это не новая наука, но новое объединяющее направление в науке. Цель синергетики — выявление идей, общих методов и общих закономерностей процессов самоорганизации в самых различных областях естественнонаучного, технического и социогуманитарного знания. Другими словами, синергетику можно определить как междисциплинарную область знания, ориентированную на поиск универсальных законов эволюции и самоорганизации сложных систем, точнее, открытых неравновесных нелинейных систем.

В отличие от классической термодинамики, в недрах которой она зародилась (и где имеется лишь один конечный пункт эволюционирования — термодинамическое равновесие), в синергетической картине мира фиксируется возможность множества, хотя и ограниченного, путей развития. Синергетика изучает, каким образом из хаоса возникает порядок, из порядка — хаос, из одного порядка — порядок с другой структурой, с третьей и т.д.

Рассмотрим названные выше фундаментальные характеристики самоорганизующихся систем.

Открытость системы означает ее способность к обмену веществом и энергией с окружающей средой.

Для того чтобы открытая (проточная) система была способна к самоорганизации, необходимо наличие в ней двух начал: упорядочивающего, наращивающего неоднозначность структуры за счет действия «источников» (входов), и хаотизирующего, размывающего, рассеивающего неоднородность через «стоки».

Эти два начала - хаос и порядок — вступают между собой в сложные неравновесные отношения, и пока парадоксальным образом неравновесная система находится в некотором равновесии, она живет и развивается.

Нелинейность системы означает наличие в ней множества путей ее эволюции. Если изменение параметров системы в сторону хаоса или наоборот, порядка превышает некий критический предел и система становится все более неравновесной, то в конце концов она становится перед «проблемой выбора», т.е. система подходит к точке бифуркации, к развилке пути. После прохождения этой точки режим жизнедеятельности системы качественно меняется: чтобы не погибнуть, система структурируется по-другому. Постепенно она опять обретает относительное равновесие и устойчивость. Здесь речь идет именно об относительном, весьма зыбком равновесии, ибо синергетическая точка зрения на процессы, происходящие в природе и мире в целом, характеризуется признанием неустойчивости и нестабильности в качестве фундаментальных характеристик мироздания.

Синергетика различает два типа систем — дискретные и жесткие.

Дискретные системы состоят из более или менее однородных и сравнительно взаимонезависимых, автономных элементов, объединяемых только общим отношением к среде. В биологии, например, это системы клеток однородных тканей.

Жесткие системы — это иерархические системы, в них изменение одного элемента влечет за собой изменения остальных частей системы. В таких системах элементы разнородны, соподчинены друг другу и теснейшим образом связаны. В биологии это такие органы, как сердце, мозг, любая отдельная клетка организма и весь организм в целом. В социальной сфере это иерархические общества. Наблюдение жестких систем в биологии показывает, что основной путь построения жизни и главный способ повышения ее организации связан с жесткими системами. При этом очевидно, что необходимы оба типа систем — каждый на своем месте.

Тесная внутренняя связанность элементов жесткой системы делает их (в отличие от дискретных систем) уязвимыми в случае выпадения хотя бы одного звена, поэтому они не способны к комбинаторике и выработке собственных элементов. Когда система начинает деградировать, выход для нее состоит в смене способа структурирования.

Выделим характерные черты самоорганизующихся систем:

- самоорганизующаяся система должна быть открытой, потому что закрытая система в соответствии со вторым законом термодинамики должна прийти в состояние максимальной дезорганизации;

- открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации;

- если упорядочиваемым принципом для систем является эволюция в сторону их энтропии, то фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение порядка через флуктуации (случайные отклонения систем от некоторого среднего положения). Роль случайности по отношению к причине увеличивается.

- В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основываются динамические равновесные системы, самоорганизующиеся системы опираются на диаметрально противоположный принцип — положительную обратную связь. Согласно данному принципу, изменения, возникающие в системе, не устраняются, а, напротив, накапливаются и усиливаются, что приводит, в конце концов, к возникновению нового порядка и структуры.

- процесс самоорганизации сопровождается нарушением симметрии. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур;

- самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающие достаточным числом взаимодействующих между собой элементов, т.е. имеющих некоторые критические размеры.

Поэтому можно сделать вывод: чем сложнее система, тем более многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Итак, фундаментальность физического познания как основы естествознания проявляется через дуальность теорий и концепций: квантово-релятивистской картины мира; субстанциальной и релятивистской концепций пространства и времени; принципов детерминизма; концепции дополнительности, типизации системности в физическом познании (простые, сложные, синергетические — саморазвивающиеся) и др. Их решение актуализирует он­тологические, эпистемологические основы физики и естествен­но-научного синтеза в целом.