Самоорганизация материи

Идея самоорганизации материи утвердилась в научном мировоззрении во второй половине ХХ века в связи с заменой стационарной модели Вселенной развивающейся моделью. Стационарная модель Вселенной считала господствующей тенденцию материи к разрушению случайно возникшей упорядоченности и возвращению ее к исходному хаосу. Прежние представления базировались на основе статистической механики и равновесной термодинамики, которые описывают поведение изолированных систем, не обменивающихся ни веществом, ни энергией с окружающей средой. Вселенная тоже рассматривалась как замкнутая система.

Сегодня наука считает все известные системы, от самых малых, до самых больших, открытыми, т. е. обменивающимися веществом, энергией, информацией и находящимися в термодинамически неравновесном состоянии. На этой основе возникло представление о самоорганизации материи.

Самоорганизация - это природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую критического состояния в своем развитии, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного эволюционного развития.

Сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Процесс объединения простых элементов в более сложные системы протекает лишь при определенных условиях, при которых наступает критический момент. Существуют пороговые значения управляющих параметров (температура, плотность, давление и т. д.), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен.

Наиболее высоким уровнем упорядоченности обладает жизнь и порожденный ею разум. Тем не менее, сравнительно недавно установлено, что самоорганизация присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Все самоорганизующиеся системы различных уровней имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным системам. Разработка теории самоорганизации началась в последние годы по нескольким направлениям:

· синергетика (Г. Хакен);

· термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин);

· катастроф (Р. Том).

Синергетика (от греч. sinergia — сотрудничество, содействие) - наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок. Возникшие сложные упорядоченные системы попадают под действие конкуренции и отбора. Как утверждает Г. Хакен, это приводит в определенном смысле к обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим требованиям:

1. система должна быть открытой, т. е. обмениваться веществом и энергией с окружающей средой;

2. система должна быть достаточно далеко от точки термодинамического равновесия, т. е. в состоянии, близком к потере устойчивости;

3. обладать достаточным количеством элементов, взаимодействующих между собой;

4. иметь положительную обратную связь, при котором изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры;

5. сопровождаться нарушением симметрии, т. к. изменения приводят к разрушению старых и образованию новых структур;

6. скачкообразно выходить из критического состояния при переходе на более высокий уровень упорядоченности. Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы вызывают очень сильные изменения ее состояния и переход в новое качество.

Примеры синергетики существуют во всех естественных науках:

· лазер, создающий высокоорганизованное оптическое излучение;

· эффект Бенара - при нагревании силиконового масла на его поверхности возникает динамическая упорядоченная структура, напоминающая кристалл в виде сеточки с ячейками гексагональной формы.

· реакция Белоусова-Жаботинского - это автоколебательные процессы при окислении-восстановлении солей церия: Се³⁺ «Се⁴⁺. На стадии окисления жидкость становится красной, при восстановлении - синей. Окраска раствора постоянно периодически изменяется.

· в биологии к числу синергетических явлений относятся мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга и т. д.

Неравновесная термодинамика И. Пригожина рассматривает неравновесность открытых систем как причину порядка. Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать порядок из хаоса, она обязательно должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными. Весь мир, доступный человеку, состоит именно из таких систем. Поэтому в окружающем мире повсюду обнаруживается эволюция, разнообразие форм, неустойчивость. По мнению Пригожина, именно открытые системы являются универсальными, а протекающие в них процессы способствуют самоорганизации мира. «Искусственное может быть детерминированным и обратимым, естественное же непременно содержит элементы случайности и необратимости».

В ходе эволюционного этапа развития диссипативная система теряет устойчивость и приходит в состояние сильной неравновесности. Это происходит при критических значениях управляющих параметров.

Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы в одно из возможных устойчивых состояний, качественно отличающихся от исходного. Это и есть акт самоорганизации системы. В состоянии перехода из одного состояния в другое, элементы системы ведут себя взаимосвязано, хотя до этого пребывали в хаотическом движении.

Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких устойчивых состояний. Выбор системой варианта устойчивого состояния носит случайный характер. Этот переход носит скачкообразный, одноразовый и необратимый характер. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называется точкой бифуркации (разветвления). В точке бифуркации изменяется роль внешних для системы влияний: ничтожно малое воздействие приводит к значительным и даже непредсказуемым последствиям. Между системой и средой устанавливается отношение положительной обратной связи, т.е. система начинает влиять на окружающую среду таким образом, что формирует условия, способствующие изменениям в ней самой. Т.е. система противостоит разрушительным влияниям среды, меняя условия своего существования.

Таким образом, самоорганизация позволяет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем и природы в целом. В их развитии выделяются две фазы:

1) плавная эволюция, ход которой закономерен и предопределен;

2) скачки в точках бифуркации, протекающие случайно и поэтому случайно определяющие последующий эволюционный этап до новой критической точки.

Самоорганизация не подчиняется статистическим законам, время в ней носит необратимый характер, позволяя говорить о «стреле времени» - невозможности поворота скачка вспять. «Будущее при нашем подходе, — пишут И. Пригожий и И. Стенгерс, — перестанет быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всеведения». Представление об объективности случайных факторов становится фундаментальным принципом современной науки. Синергетический подход позволяет ответить на вопрос: почему вопреки действию закона энтропии мир демонстрирует высокую степень организованности и порядка? Синергетика последовательно опровергает теорию тепловой смерти Вселенной. Хаос понимается как особый вид регулярной нерегулярности и более не рассматривается как разрушительное состояние. Хаос созидателен, поскольку развитие и самоорганизация систем осуществляются через хаотичность и неустойчивость. Синергетика утверждает, что законы самоорганизации действуют на всех уровнях материи, поэтому синергетический подход позволяет преодолеть разрыв между живой и неживой природой и объяснить происхождение жизни через самоорганизацию неорганических систем.

В настоящее время синергетический подход получил признание не только в естествознании, но и в гуманитарных и социальных науках.

Проблемами самоорганизации также занимается теория катастроф. Катастрофы - это скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Эта теория исследует все скачкообразные переходы, разрывы, внезапные качественные изменения.

Дата добавления: 2014-01-04