Ю.Л. Климонтович (
МГУ им. М.В.Ломоносова)
Опубликовано в
Соросовском образовательном журнале, N 8, 1996 г.
Содержание
Из названия следует, что речь пойдет об открытых системах, которые могут обмениваться с окружающими телами энергией, веществом и, что не менее важно,
информацией.
Здесь будут рассматриваться
макроскопические открытые системы. Они состоят из многих объектов, принимаемых за элементы структуры. Эти элементы могут быть микроскопическими, например, атомы или молекулы в физических и химических системах. Они, однако, могут быть малыми, но все же макроскопическими. Это, например,
макромолекулы в
полимерах, клетки в биологических структурах. Они могут быть и не малыми телами, например "элементарные" объекты в
социологии.
Именно благодаря сложности открытых систем в них возможно образование различного рода структур. При этом вся
диссипация играет при образовании структур конструктивную роль. Это кажется, на первый взгляд, удивительным, так как понятие
диссипации ассоциируется с затуханием различного рода движений, с рассеянием энергии, с потерей информации. Однако, и это чрезвычайно существенно, диссипация необходима для образования структур в открытых системах.
Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, Илья Пригожин ввел термин "
диссипативные структуры". Это чрезвычайно емкое и точное название объединяет все виды структур: временные, например
автоколебания в генераторе, пространственные, например ячейки Бенара на поверхности жидкости, и, наконец, наиболее общие пространственно-временные структуры. Примером последних могут служить
автоволны на поверхности жидкости.
Сложность открытых систем предоставляет широкие возможности для существования в них
коллективных явлений. Чтобы подчеркнуть роль коллектива, роль кооперации при образовании диссипативных структур, Герман Хакен ввел термин синергетика, что означает совместное действие.
Синергетика - не самостоятельная научная дисциплина, но новое междисциплинарное научное направление; цель синергетики - выявление общих идей, общих методов и общих закономерностей в самых разных областях естествознания, а также социологии и даже
лингвистики; более того, в рамках синергетики происходит кооперирование различных специальных дисциплин.
Синергетика родилась на базе термодинамики и статистической физики. Слово "физика" в названии этой статьи подчеркивает, что в основе теории открытых систем лежат фундаментальные физические законы.
Эволюция - это процесс изменения, развития в природе и обществе. Такое понятие является очень общим. В физических замкнутых системах эволюция во времени приводит к
равновесному состоянию. Ему отвечает, как показал впервые Больцман на примере разреженного газа, максимальная степень хаотичности. В открытых же системах можно выделить два класса эволюционных процессов.
- Временная эволюция к равновесному (неравновесному, но стационарному) состоянию.
- Процесс эволюции идет через последовательность неравновесных стационарных состояний открытой системы. Смена стационарных состояний происходит благодаря медленному изменению так называемых управляющих параметров.
Теория эволюции Дарвина основана на принципе естественного отбора. При этом эволюция может вести либо к деградации, либо представлять собой процесс самоорганизации, в ходе которого возникают более сложные и более совершенные структуры. Самоорганизация является, таким образом, не единственным результатом эволюции. Ни в физических, ни даже в биологических системах не заложено "внутреннее стремление" к самоорганизации. Физическим примером деградации может служить временная эволюция к равновесному состоянию замкнутой системы.
Таким образом, самоорганизация - лишь один из возможных путей эволюции. Для ответа на вопрос, по какому пути будет развиваться процесс, надо иметь критерии самоорганизации. При этом нет необходимости давать определения таких фундаментальных понятий, как деградация и самоорганизация. Такие определения очень трудны и, что существенно, не однозначны. Более важным является сравнительный анализ относительной степени упорядоченности (или хаотичности) различных состояний рассматриваемой открытой системы. Только такой анализ может дать ответ на вопрос: является ли рассматриваемый в открытой системе процесс эволюции самоорганизацией или деградацией?
Мы уже использовали понятия хаос и порядок. Как же отличить порядок от хаоса? В ряде случаев такое отличие представляется очевидным. Однако сравнение, например,
ламинарных и
турбулентных течений показывает, что кажущийся очевидным вывод может оказаться все же неправильным. Для получения более обоснованных ответов и нужны, как уже говорилось, количественные критерии относительной степени упорядочности (или хаотичности) различных состояний открытых систем.
Результаты такого анализа объективны и дают дополнительную информацию. Основная информация состоит в установлении некоторой "
нормы хаотичности", а также в установлении отклонений от нормы (в ту или иную сторону) под влиянием тех или иных воздействий. В биологии это могут быть различные стрессы, которые и вызывают отклонения степени хаотичности от нормы. При этом отклонения в ту и другую стороны могут означать "болезнь" и, следовательно, представлять собой процесс деградации.
Таким образом, далеко не всегда констатация (по выбранному критерию) уменьшения степени хаотичности означает наличие самоорганизации и, наоборот, констатация увеличения степени хаотичности означает наличие деградации. Такие выводы правомерны только в тех открытых физических системах, когда за начало отсчета степени хаотичности можно принять состояние
теплового равновесия. В такой открытой системе, как, например, генератор
электрических колебаний, равновесному состоянию, то есть состоянию при нулевой обратной связи, отвечают тепловые колебания в электрическом контуре.
Поскольку нормальное функционирование организма возможно лишь при некоторой норме хаотичности, которая отвечает существенно неравновесному состоянию, то указанной выше точки отсчета здесь не существует. По этой причине в биологии, а также, конечно, в экономике и социологии объективная информация об изменении степени хаотичности еще недостаточна, чтобы делать вывод о наличии процесса самоорганизации или деградации.
Здесь целесообразна другая классификация. Если удается установить для данной системы норму хаотичности, то отклонения в обе стороны можно рассматривать как "болезнь" и, следовательно, как деградацию. Далее можно контролировать выбор методики "лечения". Здесь снова вступает в игру критерий относительной степени упорядоченности. Если по этому критерию "лечение" приближает состояние открытой системы к норме, то имеет место процесс самоорганизации. В противном случае "лечение" вызывает дальнейшую деградацию.
Но каковы же критерии относительной степени упорядоченности? Что является относительной мерой порядка или беспорядка? Это очень сложные вопросы, и ответы на них были получены совсем недавно.
Трудности введения относительной меры упорядоченности (или, напротив, хаотичности) открытых систем связаны в первую очередь с отсутствием четких определений самих исходных понятий: хаос, порядок, деградация, самоорганизация. Определения этих понятий, как уже отмечалось, являются в большой мере условными. Мы только что отметили, что далеко не всегда, особенно в биологии, а также социологии и экономике, переход к более хаотическому состоянию следует рассматривать как деградацию. Существенным является рассмотрение отклонений от нормы хаотичности.
В связи с изложенным полезно рассмотреть основные понятия более подробно. Это и откроет нам путь для формулировки критерия относительной степени упорядоченности, без которого сами понятия деградации и самоорганизации остаются фактически бессодержательными.
Назад | Вперед
