Именно из этого принципа вытекали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. Они воплотились в идею тепловой смерти Вселенной, сформулированную В. Томсоном в 1851 г. Упорядоченными источниками энергии во Вселенной являются звезды, возраст которых хотя и велик, но не бесконечен. До открытия второго начала термодинамики считалось, что на смену погасшим звездам загораются новые, и процесс этот будет идти бесконечно. Но признание того факта, что все виды энергии деградируют, со временем превращаясь в тепло, требовало признать, что новых звезд должно загораться меньше, чем погасло старых. Поэтому со временем должны закон-
чить свое существование все звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в состояние хаоса — термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии — не будет жизни.
Хотя эту концепцию пытались опровергнуть крупнейшие философы и ученые того времени, в рамках существовавших тогда гносеологических предпосылок это было невозможно. Лишь в XX в., признав Вселенную открытой системой, удалось отказаться от идеи тепловой смерти.
Становление современной концепции развития.
Идея самоорганизации материи
Первая крупная брешь в классической концепции развития была пробита в 1920-е гг. в результате создания новой модели расширяющейся Вселенной, которая сменила старую стационарную модель. Согласно новым представлениям, наша Вселенная возникла 15—20 млрд. лет назад в результате Большого взрыва и лишь постепенно пришла к современному состоянию, которое также не является стабильным. При этом эволюция шла от простейшего хаотического к современному упорядоченному состоянию.
Затем новые эволюционные идеи проникли и утвердились в химии, геологии, экологии и других науках. Но до середины XX в. по-прежнему считалось, что для неживой материи основной тенденцией является стремление к разрушению и лишь жизнь, представляющая стремление к упорядоченности и организованности, противостоит этой основной тенденции. Данное противоречие впервые было четко зафиксировано в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Так был дан толчок исследованиям, позволившим по-новому посмотреть на процессы в неживой природе.
Также к середине XX в. была сформулирована общая теория систем и основы кибернетики. В них было установлено, что все системы, известные нам, являются открытыми, т.е. постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Поэтому решить проблему развития в физике и, самое главное, найти подходы к решению вопроса о тепловой смерти Вселенной удалось только тогда, когда физика обратилась к понятию открытой системы. Тогда же было установлено, что при определенных условиях в открытых системах могут возникать процессы самоорганизации.
41
Самоорганизация — это скачкообразный природный процесс, переводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем упорядоченности по сравнению с исходным.
Критическое состояние — это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. Ключ к пониманию процессов самоорганизации находится в исследовании взаимодействия открытых систем с окружающей средой.
Примеров процессов самоорганизации можно привести достаточно много. Все слышали о лазерах. Эти приборы создают высокоорганизованное оптическое излучение. Лазер отличается от традиционных источников света — ламп накаливания и газоразрядных ламп, которые действуют за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. В них в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы и ионы излучают кванты света с различными длинами волн во всех направлениях, причем только малую часть из них мы воспринимаем как видимый свет. А в лазере, в активной среде резонатора, под воздействием внешнего светового поля (при «накачке») благодаря поступлению энергии извне частицы начинают колебаться в одной фазе. В результате возникает когерентное, или согласованное, взаимодействие, формирующее узконаправленный луч почти монохроматических квантов света.
Классическим также считается пример превращения ламинарного течения жидкости в турбулентное. Каждый из нас не раз наблюдал это явление, когда смотрел, как стекает вода из ванной. Пока воды в ванной мало, она стекает ламинарно (жидкость движется слоями по направлению течения). Но если воды много, давление на нижний слой заставляет воду стекать быстро. Это приводит к формированию вихреобразной вращающейся воронки, т.е. к появлению турбулентности.
Еще один опыт впервые был проведен еще в 1900 г. физиком X. Бенаром. Он наливал ртуть в плоский сосуд, подогреваемый снизу. Когда разность температур верхнего и нижнего слоев ртути достигала некоторого критического значения, верхний слой образовывал множество шестигранных призм, похожих на пчелиные соты. Они получили название ячеек Бенара и служат классическим примером спонтанного образования структур, причем оно происходит за счет внутренней перестройки связей между элементами системы.
В химии примером самоорганизации могут служить так называемые «химические часы» (реакция Белоусова— Жаботинского). Она была открыта в 1951 г. химиком Б.П. Белоусовым, который установил, что если в пробирку слить раствор некоторых кислот,
42
сульфат церия и бромид калия, то за ходом идущей окислительновосстановительной реакции можно следить по изменению цвета промежуточных продуктов. На протяжении получаса цвет строго периодично менялся с красного на синий, и наоборот. В 1960-е гг. молодой биофизик А.М. Жаботинский раскрыл механизм этой реакции, которая получила свое название по именам двух ученых: того, кто ее открыл, и того, кто ее объяснил.
У всех приведенных примеров есть общий алгоритм: огромное множество элементов, составляющих эти системы, вдруг, как по команде, начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в состоянии хаоса. Более того, эта возникшая упорядоченность не распадается, а продолжает устойчиво существовать.
Хотя процессы самоорганизации были известны ученым достаточно давно, общие теории самоорганизации появились лишь в 1970-е гг. К их созданию ученые шли разными путями: Г. Хакен, создатель синергетики, — из квантовой электроники и радиофизики; И. Пригожин, основатель неравновесной термодинамики, — из анализа специфических химических реакций. Были ученые, изучавшие эти процессы в биологии, — М. Эйген, в метеорологии — Е. Лоренц, а также автор теории катастроф Р. Том. Постепенно ученые начали выходить за рамки своих узких дисциплин, стали замечать аналогию между математическими моделями и концептуальными системами, описывающими такие разные на первый взгляд процессы.
Так стало формироваться убеждение, что во всех этих явлениях есть единая основа, позволяющая создать общую теорию самоорганизации материи. Сегодня общая теория самоорганизации развивается в основном в рамках двух наук. — синергетики и неравновесной термодинамики, во многом дополняющих друг друга.
Основы синергетики и неравновесной термодинамики
Синергетика (кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы) — по определению ее создателя Г. Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как атомы, молекулы, клетки, механические элементы, органы, животные и даже люди. Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.
Основная идея синергетики — идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка
43
и хаоса в результате процесса самоорганизации. Это происходит при возникновении положительной обратной связи между системой и окружающей средой. Иными словами, под воздействием внешней среды внутри системы возникают полезные изменения, которые постепенно накапливаются, а затем кардинально меняют эту систему, превращая ее в другую, более сложную и высокоорганизованную.
Воздействию окружающей среды могут подвергаться сразу несколько однотипных систем, но в силу различных флуктуаций (отклонений) они могут формировать разные обратные связи, порождать разные ответные реакции, далеко не все из которых могут привести к самоорганизации системы. Можно сказать, что между системами идет своеобразная конкуренция, отбор того типа поведения, такой обратной связи, которая позволяет выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический мир, но и на неживую природу, а также на социальные системы.