Предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы, которые характеризуются открытостью, нелинейностью, диссипативностью.

Открытость. В классической термодинамике центральным понятием является энтропия. Изменение энтропии подчиняется зависимости:

dS = dQ/T,

где dQ – количество теплоты, обратимо подведенное к системе или отведенное от неё. T – температура. Энтропия dS, таким образом, представляет собой меру рассеяния энергии. В этом случае смысл Первого начала термодинамики заключается в следующем: в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.

Согласно Второму началу термодинамики в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. В этом смысле запас энергии, например, во вселенной иссякает. Так возникла концепция «тепловой смерти вселенной». Ход событий во вселенной невозможно повернуть вспять, чтобы воспрепятствовать возрастанию энтропии. Со временем способность вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. По мере уменьшения запаса энергии в ней возрастает энтропия, а в её системе нивелируются различия. Это означает, что вселенную ждет всё возрастающая однородность при условии отсутствия её связи с другими вселенными (по концепции множества миров).

Однако в XIX и в XX вв учением Ч.Дарвина было убедительно показано, что эволюция живого не приводит к понижению уровня организации и разнообразию форм живой материи. В открытых системах все происходит с точностью наоборот. То есть эволюция вселенной также должна развиваться в направлении от более простого – к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованных систем к более организованным, непрерывно усложняясь. Таким образом, вселенная, старея, обретает более сложную организацию. Другими словами, классическая термодинамика не смогла описать закономерности открытых систем…

Открытые системы – это системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Это необходимые условия их существования в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся к однородному равновесному состоянию. Открытые системы – необратимые системы. В них важнейшим является необратимость (стрела) времени.

В открытых системах первостепенную роль играют случайные явления, флуктуации, наряду с закономерно необходимыми факторами. Иногда такие отклонения от равновесного состояния могут быть настолько сильными, что существовавшая организация системы разрушается (например, в условиях резонансных явлений).

Нелинейность. Во вселенной доминируют открытые системы, следовательно, в ней преобладает не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Последняя вызывает избирательность системы, её необычные реакции на внешние воздействия среды. Неравновесные системы «имеют способность» воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Например, слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию систем, чем сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. На нелинейные системы не может распространяться принцип суперпозиции¹. Например, возможна ситуация, когда совместные действия причин А и Б вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия А и Б по отдельности.

В нелинейных системах граничащие (пороговые) эффекты при плавном изменении внешних воздействий изменяются скачкообразно. В состояниях далеких от равновесия очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих её радикальному качественному изменению.

Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут создаваться отношения положительной обратной связи, то есть система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой системе (например, в ходе химической реакции вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть неожиданными и необычными.

Диссипативность. Это качественное своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне в неравновесных системах, активно взаимодействующих с внешней средой. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется в способности, например, «забывать» детали некоторых внешних воздействий (считать их в данный момент несущественными). В «естественном отборе», среди множества микропроцессов, разрушать то, что не отвечает общей тенденции развития. В когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливать общий темп развития и т.д.

Диссипативность тесно связана с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся сложные открытые системы характеризуются огромным числом степеней свободы. Но не все они могут быть важными для их функционирования в конкретный момент их состояния. С течением времени в системах выделяется небольшое количество ведущих (определяющих развитие) степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название параметров порядка или «управляющими параметрами».

Диссипативность подчеркивает конструктивную роль «рассеивающих» процессов в образовании одноименных структур. Они возникают за счет преобразования энергии, черпаемой из хаоса. Другими словами, диссипация необходима для образования структур в открытых системах.

Диссипативные структуры как термин представляет собой очень емкое понятие, введенное И.Пригожиным, которое объединяет все виды структур: временные, например, автоколебания в генераторе, пространственные, например, ячейки Бенара на поверхности жидкости, и, наконец, наиболее общие пространственно-временные структуры (автоволны на поверхности жидкости).

В основе структурообразования лежит противоборство двух начал:

• наращивание неоднородностей в непрерывной среде вследствие случайностей, откликающихся на какое-то воздействие внешней среды (вещества, энергии, информации);

• диссипативное начало, стремящееся стереть, рассеять эти неоднородности.

То есть развитие структур идет через неустойчивость, случайность, бифуркацию (критические точки разрушения старых структур и возникновение новых возможностей перехода системы в другое качество на основе триггера – управляющего спускового механизма, порождающего самой системой или подсистемой).

Случайность и флуктуации могут сильно влиять на самопроизвольное возникновение нового состояния системы, а хаос может выполнять конструктивную функцию.

По аналогии теория эволюции Ч.Дарвина есть ничто иное как частный случай или следствие теории самоорганизации И.Пригожина и Г.Хакена, поскольку эволюция направлена на создание более сложных организмов с все более ускоряющимся механизмом упорядоченности их структур. Поэтому выдающийся физик Л.Больцман с глубоким удовлетворением принял идеи Ч.Дарвина.

До И.Пригожина, например, Э.Шредингер обосновал (1943) возможность производства отрицательной энтропии в определенных условиях развития процессов. А в сущности своей теория самоорганизация вскрывается в разработках теории информации Н.Винера.

В любой системе управления необходимо знать управляющий механизм, с помощью которого можно сбалансировать или разбалансировать систему. Система балансирует относительно какой-то точки. Если опора относительно этой точки балансирует систему (на плоскости относительно двух осей, в пространстве относительно трех осей и относительно четвертой координаты – времени), то положение точки определяется нулевым значением. Если система разбалансирована, то положение точки опоры всегда отлично от положения ее относительно нуля. Следовательно, управляющим параметром системы как раз является пространство, зажатое между нулем и точкой опоры этой системы (∆х). Именно с его помощью можно вернуть систему в состояние сбалансированности. Во всех других случаях управляющий параметр всегда способствует дальнейшему выходу системы из сбалансированного состояния.

Знание положения (∆х) – относительно нуля позволяет выработать направление воздействия на систему в пространстве. Перевод ее в состояние устойчивого неравновесия, устойчивого равновесия, неустойчивого равновесия или хаоса.

Идея синергетики – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате самопроизвольных превращений. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденциям её разрушения средой (в химии – это автокатализ).

В 1947 из соотношений взаимности Онсагера И. Пригожиным доказана теорема:

В стационарном состоянии функция энтропии dS/dt принимает минимальное положительное значение². Или: стационарному состоянию системы (в условиях, препятствующих достижению равновесного состояния) соответствует минимальное производство энтропии. Если таких препятствий нет, то производство энтропии достигает своего абсолютного минимума – нуля.

Теорема Онсагера (написана в 1931 г). В термодинамических системах, в которых имеются градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов, возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии, химических реакций. Эти процессы характеризуются тепловыми и диффузионными потоками, скоростями химических реакций и т.д.

Следовательно, по мере приближения к стационарному состоянию скорость образования энтропии внутри открытой системы монотонно уменьшается, постепенно приближаясь к своему минимальному положительному значению. В этом состоит критерий направленности необратимых процессов в открытых системах, находящихся вблизи равновесия. Согласно Второму началу термодинамики теорема Пригожина справедлива, если кинетические коэффициенты в соотношениях Онсагера постоянны. Для реальных систем теорема Пригожина справедлива лишь приближённо, поэтому минимальность производства энтропии для стационарного состояния не является столь общим принципом, как максимальность энтропии для равновесного состояния.

Вдали от равновесия уже нельзя сделать однозначных выводов о том, как изменяется скорость образования энтропии при приближении к стационарному состоянию. Эволюция таких неравновесных динамических систем определяется кинетикой взаимодействия ее элементов. При удалении от равновесия в системе может наступить бифуркационное изменение, которое приводит к новой неустойчивости. Возникает термодинамическая флуктуация, уводящая систему от неустойчивой точки, что может привести к распаду системы. Однако при определенных значениях параметров эта флуктуация дает толчок, переводящий систему к новому состоянию, которому и передается устойчивость.

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и её среды. В подходящих условиях даже малая флуктуация может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку и качеству за счет накапливающихся количественных изменений в ней. Постепенно ситуация обостряется. Между отдельными элементами системы рвутся старые связи и возникают новые. Разрушаются старые элементы и создаются новые. Происходящие изменения в системе, наконец, достигают неустойчивого состояния. Возникает бифуркация, приводящая к новому состоянию системы. Оно вначале может быть и неустойчивым, но имеет в перспективе новый «выбор» дальнейшего пути развития. Его определяет соотношение между двумя противоположными тенденциями. С одной стороны, ресурсные потоки и случайные флуктуации провоцируют рост энтропии (неупорядоченности структуры), что ведет к нарастанию хаоса, а это может привести к окончательному разрушению системы. С другой стороны система стремится сохранить устойчивость за счет перегруппировки структуры в новый порядок и таким образом предотвратить рост энтропии. Какая из тенденций будет преобладать, зависит от многих случайностей, но определяется внутренними коллективными силами или внешними воздействиями на систему. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, а роль случайных факторов значительно возрастает. В точках же бифуркаций перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов развития, прообразы которых представляют собой диссипативные динамические микроструктуры и прообразы будущих состояний системы – фракталов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фракталов, осуществляется их «отбор» системой, идет «борьба за выживание» системы в новых условиях. Флуктуации внутренних параметров, «приуроченные» к определенному моменту развития системы, возникают хаотично. Количество таких флуктуаций может быть сколь угодно, но большинство из них затухает, как бы отсекаются лишние вихревые потоки и остаются только те, которые образуют новые устойчивые макросостояния (структуры) – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает множество траекторий развития системы. Если какая-то неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию (втягивается в устойчивое состояние) и может находиться в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин (например, внешней среды) система вновь не придет в неустойчивое состояние. В результате такой конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент внутренним и внешним условиям. Однако предсказать какой путь «выберет» система невозможно. И только случайность выступает арбитром выбора направления развития системы.

В критический момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении пойдет дальнейшее развитие: станет ли система развиваться по сценарию хаоса или перейдет на новый сценарий упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивые плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и т.д.). В точке бифуркации система как бы колеблется перед выбором того или иного пути развития, организации. Небольшая случайная флуктуация может послужить триггером или началом эволюции (организации) системы в некотором направлении (неожиданном или даже маловероятном), отсекая возможности развития других.

Развитие природы – это история образования все более сложных систем, которые и обеспечивают эволюцию на всех уровнях организации. Казалось бы, физика знает, точнее, может узнать, как устроен мир. Однако она оказалась бессильной понять загадку инерции. И только с позиции самоорганизации становится понятным суть этого феномена объясненного А.Шляпниковым³. При ускорении системы ее элементы выводятся из устойчивых состояний, и силы устойчивости противодействуют ускорениям, выступая как силы инерции. Устойчивость по представлениям этого автора есть состояние, которое достигается в ходе самоорганизации системы, и к которому по существу стремится. Энергия в устойчивом состоянии не теряется – оно является энергосберегающей устойчивости. То есть инерция есть результат самоорганизации.

Ссылки