Синергетика и эволюция вселенной

СИНЕРГЕТИКА И ПРИЧИНЫ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

Ушаковская Е.Д. - к.тех.н., дир. НТФ “Теплофизприбор” (г.Санкт-Петербург)

Рассмотрены условия синергетических процессов. Показано, что случайность, необратимость и неустойчивость, вопреки принятому мнению, не являются причинами самоорганизации. Кроме того, показано, что самоорганизация не может носить случайный характер, а обеспечивается всеми законами и силами природы, сама являясь ее основным законом. Заслугой синергетики является то, что она признала нашу Вселенную открытой, тем самым близко подошла к признанию существования нематериального мира и его взаимодействия с нашим миром, но не сделала последнего шага, посчитав причиной эволюции случайность, необратимость и неустойчивость. Синергетика считает нашу Вселенную системой, находящейся вдали от точки равновесия. Вместе с тем, все во Вселенной стремится к равновесию, к устойчивости, а гармония сил сохранения, разрушения и созидания обеспечивают жизнь и эволюцию во Вселенной

До появления синергетики в мире господствовал второй закон термодинамики. В соответствии с этим законом эволюционирование Вселенной сопровождалось ростом энтропии, выравниванием всех градиентов и потенциалов. Мир стремился к состоянию однородного хаоса, который был назван «тепловой смертью». Из уныния от такой перспективы человечество вывела синергетика – наука о самоорганизации и кооперации в природных явлениях.

1.В двух словах о сути синергетики.

В основе синергетики лежали наблюдения авторов синергетики Г.Хакена и И.Пригожина над некоторыми физическими и химическими процессами (автокаталитическими химическими реакциями, образованием ячеек Бенара в жидкости, работой лазера, турбулентным движением жидкости, поведением ферромагнетиков), в условиях обмена с окружающей средой [1-6]. Поведение системы в таких процессах становится нелинейным и неустойчивым, в результате чего система попадает в точку, названной точкой бифуркации, где возникает множество путей развития. Однако среди этих путей есть один (или узкий коридор), который отличается значительной устойчивостью. Этот коридор назван аттрактором, и приводит систему в новое устойчивое состояние. Это классическая картина описания синергетического процесса. Существенным для синергетики стало то, что в процессе перехода из одного устойчивого состояния в другое в открытых системах происходит не рост, а понижение энтропии и отмечается образование новых структур [1-6]. Это наблюдение позволило сделать выводы о том, что именно синергетичекие процессы лежат в основе морфогенеза – появления новых форм материи.  При этом авторы считали, что непременными условиями таких процессов являются обмен с окружающей средой, случайная природа внешних или внутренних воздействий, а также неустойчивость, нелинейность и необратимость [1-6].

2.Синергетика становится парадигмой эволюции Вселенной.

Указанные выводы были распространены вначале на биологию. Это мы видим у основателей синергетики Г.Хакена [1] и И.Пригожина [2-4], затем у других авторов. Так М.В.Волькенштейн говорит об отсутствии границ между физикой, химией и биологией. Отмечает явления самоорганизации в физических и химических процессах и затем утверждает, что «по-видимому, это справедливо и для видообразования…»[7;554]. Безусловно, самоорганизация имеет место в биологических объектах, и об этом еще будет сказано ниже. Но со случайной природой этой самоорганизации, с неустойчивостью биологических систем нельзя согласиться. Более того, сам автор не только не приводит никаких доказательств случайности и неустойчивости, но подмечает противоречащие им явления и закономерности. Он пишет, что процессы, происходящие в онтогенезе (развитии организма) не могут иметь случайный характер: «Все эти процессы развиваются в соответствии с генетической программой» [7;573]. Наоборот, для этих процессов характерно:

устойчивость биологических структур на всех уровнях иерархии;

наличие контролирующих и регулирующих функций, а также обратных связей на всех уровнях иерархии;

запрограммированность и наличие цели.

Другой автор И.Шмальгаузен также отмечает в филогенезе (эволюции популяций) наличие обратных связей, механизмов переработки информации, управляющих сигналов, которые воздействуют на популяцию, направляя ее эволюцию в сторону определенной цели [8;147,150]. Т.е. ни о каком определяющем характере случайных внешних воздействий и ни о какой неустойчивости в онтогенезе и филогенезе речи быть не может. Так, биология, на словах признавая основные положения синергетики о причинах самоорганизации, на деле полностью их опровергла. Несмотря на это, распространение синергетики продолжалось: на социологию, культурологию, науковедение и, наконец, на всю Вселенную [2-4,6]. Так синергетика стала наукой всех наук [6;13] и парадигмой эволюции Вселенной. В этой парадигме эволюция Вселенной обусловлена процессами самоорганизации, протекающими с уменьшением энтропии и с образованием новых, более сложных структур. При этом синергетика, признавая нашу Вселенную открытой системой, посчитала движущими силами ее эволюции случайность, неустойчивость, нелинейность и необратимость [1-6].

3. Мы живем в неустойчивом мире?

Одним из условий синергетических процессов авторы [1-6] называют неустойчивость и нелинейность. «Теория неустойчивости и бифуркации лежит в основе современной модели эволюции»,- пишет И. Пригожин. Действительно, в синергетических процессах на определенных их этапах наблюдается неустойчивость и нелинейность. Но являются ли они причинами, условиями этих процессов? Дело в том, что синергетические процессы по сути своей представляют переход количества в качество , о котором писал еще Гегель. При этом система переходит из одного устойчивого состояния в другое. Этот переход невозможен, минуя промежуточное неустойчивое состояние. Процесс, связанный с качественными изменениями системы (в отличие от количественных), всегда является нелинейным . Это связано с тем, что при переходе количества в качество объект меняет свою структуру, приобретает новые, до этого отсутствующие свойства. Примером может служить процесс охлаждения воды. До точки замерзания процесс протекает без качественных изменений. При этом он носит линейный характер. В точке замерзания количественные изменения переводят систему в новое состояние – лед. Переход связан с промежуточным неустойчивым состоянием и носит нелинейный характер.

Далее охлаждение льда продолжается по линейному закону. Нелинейность и неустойчивость характерны для любых процессов, связанных с переходом количества в качество. И синергетические процессы не являются исключением.  При этом неустойчивость и нелинейность являются следствием, характеристикой, а не причиной этих процессов. Однако авторы синергетики, распространив условия синергетических процессов на Вселенную, сделали вывод об ее неустойчивом состоянии, о неустойчивости всех эволюционных процессов. Таким образом, благодаря синергетике мы с вами оказались в неустойчивом мире, а наша Вселенная вдали от точки устойчивого равновесия. Вместе с тем в природе мы наблюдаем обратное. Все обладает определенным консерватизмом, памятью прошлого, стремлением сохранить устойчивое состояние. Устойчивость в природе обеспечивается действующими в ней законами и силами (законами сохранения массы, энергии, импульса и др., силами инерции, упругих деформаций и пр.).

Тело стремится сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Выведенное из состояния устойчивого равновесия, оно снова стремится вернуться в это состояние (вспомним колебания маятника). При упругих деформациях тело стремится вернуться в прежнюю форму. Наиболее сильно консерватизм проявляет себя в биологических системах, где все стремится к сохранению себя, своего существования, будь то отдельная особь, вид или популяция. Масштабный эксперимент в этом плане поставлен самой природой. Продолжительность существования Homo sapiens около 200 000 лет [9;27]. За это время сменилось около десяти тысяч поколений. Но, несмотря на полную географическую изоляцию отдельных видов, на разные условия обитания, человечество не произвело ни одного нового вида! (С точки зрения биологии представители разных видов не способны дать жизнеспособное потомство, а все люди могут свободно скрещиваться и давать полноценное потомство.) О том, что человечество за все время своего существования осталось в пределах одного вида пишет и Л. Гумилев [10;19]. Он же пишет и об устойчивости рас. За все время существования человека разные расы людей «хотя и менялись местами, но не появилось ни одной новой и не исчезло ни одной старой» [10;28].

Другой пример, приведенный в [9;27], – пример с мухой дрозофилой, которая разводится в целях научных экспериментов в течение 80 лет. За это время дрозофила имела более двух с половиной тысяч поколений. Несмотря на различные условия разведения в разных лабораториях мира, различные мутагенные воздействия дрозофила не образовала ни одного нового вида. В тоже время породы животных и сорта растений, выводимых селекционерами, крайне неустойчивы и сохраняют свои приобретенные свойства только в условиях искусственной изоляции от других пород и сортов, и при снятии этой изоляции в течение двух поколений утрачивают их. За всю историю селекции не выведено ни одного нового вида! Все говорит об устойчивом характере структур и процессов во Вселенной. Наша Вселенная слишком сложна, чтобы быть неустойчивой. Консерватизм, стремление к устойчивости играет огромную положительную роль (это условие выживаемости на всех уровнях), не допуская моментального разрушения всего создаваемого и являясь своеобразным барьером для новых неустойчивых форм. И если в современных теориях эволюции часто говорят о дуализме, т.е. о том, что эволюция происходит под воздействием двух противоположных сил (созидания и разрушения), то я считаю, что лучше говорить о триединстве созидания, разрушения и сохранения. Более того, на мой взгляд, чем сложнее структура, чем выше уровень ее организации, тем более значительную роль должны играть стабилизирующие силы . И все это в полной мере справедливо для нашей Вселенной. Именно отсутствием в должной мере таких стабилизирующих факторов можно объяснить огромное количество техногенных и экологических катастроф.

4. Действительно ли все необратимо?

И.Пригожин [2-4] и В.Эбелинг [5], говоря о процессах самоорганизации и образования новых структур, подчеркивают главенствующую роль необратимости, считая ее необходимым условием этих процессов. В настоящее время по-разному трактуется понятие необратимости. Поэтому дадим определение обратимым (необратимым) процессам:  процесс, происходящий в системе под воздействием тех или иных факторов, следует считать обратимым (необратимым), если при прекращении воздействия этих факторов процесс прекращается и система возвращается (не возвращается) в свое первоначальное состояние * .

С точки зрения данного нами определения во всех приведенных в [1-6] физических примерах (работа лазера, поведение ферромагнетика, турбулентность, ячейки Бенара) на макроуровне процессы - обратимые. Например, лазер при номинальном напряжении питания излучает когерентно. При отключении питания лазер возвращается в первоначальное состояние. Можно многократно повторять этот процесс, и он будет воспроизводиться. Аналогично для ячеек Бенара, которые возникают в слое жидкости при определенном перепаде температуры между верхней и нижней поверхностями и которые исчезают при уменьшении этого перепада. Обратимым является и поведение ферромагнетиков, которые при нагревании теряют намагниченность, но при охлаждении она снова проявляется. Движение жидкости становится турбулентным каждый раз, когда число Рейнольдса больше 10 4 [11;73]. При снижении числа Рейнольдса движение снова становится ламинарным. Таким образом, утверждение о главенствующей роли необратимости в процессах самоорганизации на макроуровне не подтверждается.

На микроуровне рассмотренные процессы действительно необратимы. Нельзя каждую молекулу ячейки Бенара вернуть в ее исходное состояние. И если можно вернуть состояние жидкости из турбулентного в ламинарное (или наоборот), то вернуть в исходное состояние все молекулы жидкости не представляется возможным. И здесь прав древнегреческий мудрец, сказавший, что нельзя дважды войти в одну и ту же воду. Но с этой позиции все рассуждения об обратимости и необратимости процессов теряют смысл, т.к. любые процессы в этом случае являются необратимыми. В закрытых системах процессы, связанные с выравниванием потенциалов, например, процессы теплопроводности и диффузии подчиняются второму закону термодинамики и являются необратимыми.

Если система открыта, то указанные процессы могут стать обратимыми. В качестве примера п редставим себе объект с определенным перепадом температуры. В закрытой системе этот перепад в соответствии с законом Фурье стремится к нулю. Но, если подключить к этому объекту термоэлектрическую батарею (внешняя часть открытой системы), то можно восстановить первоначальный перепад температуры, сделав таким образом процесс в объекте обратимым. Таким образом, утверждение о главенствующей роли необратимости в процессах самоорганизации на макроуровне не подтверждается. С другой стороны в природе можно наблюдать необратимые процессы. Это некоторые химические реакции, Это физические процессы, например, получение искусственных алмазов из графита при высоких температуре и давлении. В биологии процессы развития организма необратимы (старик не может снова стать ребенком, нельзя повернуть вспять процесс развития плода у беременной женщины и др.). С другой стороны некоторые процессы, которые мы относим к заболеваниям, до определенной стадии обратимы. Подводя итог рассуждениям, можно сказать, что необратимость (там, где она есть) является свойством процесса, связана с его природой, но не является его условием и причиной явлений самоорганизации.

5.«Играет ли Бог в кости?»

Ученые с давних пор спорят о роли случайности и детерминизма. В начале XIX -го века известный ученый Лаплас утверждал, что Вселенная развивается по своим законам, что случайностей не существует, а есть детерминированные законы, которых мы не знаем, но знает «демон Лапласа». Что, если знать начальное состояние молекул, то можно рассчитать их положение и скорости в любой момент времени. И, наверно, имея мощную вычислительную технику, это действительно возможно. Но стохастическое описание и вероятностный подход значительно упростили задачу в молекулярной физике и привели к появлению термодинамики.

Другой пример из квантовой физики, в которой вероятностный подход позволил обойти противоречия, связанные с нарушением принципа локальности: электрон в атоме водорода как бы размазан по малой, но конечной области пространства, т.е. может находиться и «там» и «тут» (принцип неопределенности В.Гейзенберга). Теория вероятности обходит это противоречие, оперируя понятием вероятности нахождения частицы в данной точке пространства. Но появляется теория физического вакуума Г.Шипова [12], которая дает детерминистское объяснение поведения квантовых частиц. Все эти примеры из истории науки говорят о том, что многие детерминированные процессы были переведены в разряд случайных для удобства их математического описания или из-за неизвестности на данный момент тех законов и сил, которые определяют исследуемый процесс. Особенно, если речь идет о явлениях, которые происходят под воздействием большого количества факторов, детерминистское описание которых отсутствует. Многие, так называемые случайные процессы в природе являются условно случайными. И эта случайность - непознанная закономерность наблюдаемых явлений.

Сторонники же синергетики отводят случайности главенствующую роль в эволюционном процессе. Так, И.Пригожин называет детерминистские законы физики карикатурой на эволюцию[2;23], а Г.Н.Дульнев пишет, что случайность и бифуркация являются источником морфогенеза, «…случайность есть творческое конструктивное начало. Она строит мир» [6; 114]. Сами авторы синергетики и их последователи, заявив о главенствующей роли случайности, в дальнейшем на основании исследуемых ими же процессов, делали совсем противоположные заключения . Так И.Пригожин признает, что «в промежутке от бифуркации до очередной бифуркации главенствует детерминистическое описание»[2;138], а путь аттрактора предопределен. Что в химической кинетике «вблизи неустойчивости распределение неупруго сталкивающихся частиц перестает быть случайным»,[2;125] (это относится к столкновениям молекул, в результате которых молекулы вступают в химическую реакцию). Другой автор В. Эбелинг говорит, что после начального толчка «дальнейшее движение системы носит закономерный характер» [5] .