Синергетика: различные взгляды

При этом роль философии по отношению к фундаментальным достижениям науки зависит от того, на каком этапе развития науки находится осмысливаемая ею новая научная теория, ибо, как однажды заметил А.Шопенгауэр научная истина в своем развитии проходит через фазы. В первой фазе она просто отвергается как абсурд. Во второй фазе она принимается как возможная гипотеза, которая была высказана уже давно. На третьей стадии эту научную истину воспринимают уже как очевидную. Синергетика уже прошла первый этап. Прошли времена, когда, например, работа Б.П.Белоусова, ставшая классической и вошла в науку как реакция Белоусова-Жаботинского, относящаяся к началу 50-х годов, долгое время не публиковалась, поскольку подобное "теоретически было невозможно". Видимо, сегодня мы находимся в процессе перехода из второй фазы в третью.

Для того чтобы определить насколько основательны методологические и мировоззренческие претензии новой области знания, рассмотрим эволюцию научной картины мира с момента возникновения первой фундаментальной научной теории - классической механики. Научная картина мира - результат взаимодействия философии и фундаментальных естественнонаучных достижений в новоевропейской и мировой культуре с момента возникновения механики, ставшей ядром первой научной картины мира. Итак, после выхода в свет эпохальной работы И.Ньютона

"Математические начала натуральной философии"

В 1687 году начинается новый этап во взаимоотношении философии и науки. Именно с этого времени начинается движение знания - мысли не только от философии к конкретно научным представлениям, но и, наоборот, классическая механика становится источником новых философских размышлений. Начиная с осмысления классической механики и экстраполяции ее идей в другие сферы, формируется новый методологический инструмент, - научная картина мира, - служивший мостом, соединяющим общее и частное, научные и философские представления. Таким образом, появляется первая механическая (классическая) картина мира, ядром которого выступали базовые идеи классической, ньютоновской механики, с механической причинностью, абсолютным пространством и временем и абсолютным движением. Категориальной сеткой, объединяющей различные механические представления о мире, были понятия пространство, время, сила и движение. Механическая картина мира служила культуре верой и правдой почти двести лет.

Классическая картина мира была онтологизирована. В ней, по мнению тех ученых и философов, которые ее создавали, не было ничего субъективного. Она отражала объективную реальность такой какой она есть. В ней действует строго однозначная связь между причиной и следствием. Поэтому в ней прошлое однозначно определяет настоящее, а настоящее - будущее. Эта связь часто называют лапласовским детерминизмом.

Прежде чем перейти к следующей неклассической (релятивистской, а затем и к квантовомеханической) картине мира, сделаем несколько замечаний относительно сути научной картины мира.

Научная картина мира - синтетическое образование, соединяющее на базе наиболее фундаментальной научной теории, многообразные гипотезы и идеи в самых различных областях знания. В отличие от научной теории научная картина мира говорит не о какой-то конкретной области знания, но о мире в целом. Естественно в процессе такого, "синтезирования" разнородных учений и экстраполяции идей наиболее развитой научной теории на другие области нехватающие знания заполняются соответствующими гипотезами. Поэтому научная картина мира - это картина своеобразно соединяющая объективное и субъективное. Она стремится стать системой знаний о мире и создает целостную картину на базе наиболее развитой теории.

Неклассическая научная картина существенно изменила прежние представления о мире, поскольку приняла за основание результаты релятивистской и квантовой механики. Тем самым изменилась онтология мира. Пришел в движение весь категориальный аппарат науки. Изменился стиль мышления, цель научного знания. Из словаря науки были элиминированы прежние абсолюты - абсолютное пространство движения, абсолютная масса, абсолютный лапласовский детерминизм.

Тем самым была пересмотрена онтология мира, поскольку изменилось представление о реальности, причинности, закономерности, цели познания. Она стала включать в себя не только актуально данное, но и потенциально возможное. Субъект стал возвращаться в теорию. Вероятность стала законной частью науки, а не результатом незнания. Статистические законы стали формой описания микропроцессов. Тем самым радикально были пересмотрены основания классической картинны мира и на новой онтологии создана неклассическая картина мира, которая сложилась примерно в первой трети XX века и господствовала до недавнего времени.

Начиная с 70-х гг. формируется постнеклассическая картина мира, ядром которого выступают ряд нетрадиционных представлений, получивших название "синергетика" у немецкого ученого Германа Хакена из Штутгарта, теория диссипативных структур у Ильи Пригожина (Брюссельская школа), теория катастроф у французского математика Тома Рене.

При этом указанные направления не исключают, а взаимодополняют друг друга, делая акцент на те или иные идеи. Так, И.Пригожий анализирует процессы образования упорядоченных структур из хаоса (его широко известная популярная работа так и называется "Порядок из хаоса"), с точки зрения энтропийных процессов - диссипации, тогда как Г.Хакен и его школа делают акцент на негэнтропию - порядок.

Принципиально важно подчеркнуть, что синергетику или новую концепцию самоорганизации, нельзя отнести ни к естественным, ни к общественным, ни к гуманитарным наукам в их традиционном смысле. Это междисциплинарное направление исследования образования упорядоченных структур из хаоса. По мнению Ю.Л.Климонтовича, синергетика - это не новая наука, но новое объединяющее направление в науке. Цель синергетики - выявление общих идей, общих методов и общих закономерностей в самых разных областях естествознания и социологии.

Таким образом, новое научное направление, которое стремится статья ядром постнеклассической научной картины мира, продолжает сложившуюся в культуре традицию, предлагая в очередной раз пересмотреть онтологию мира и построить на новой основе постнеклассическую картину мира. Синергетика, утверждая всеобщность нелинейности, заставляет задуматься, критически пересмотреть сложившуюся линейную модель знания, линейную модель прогресса, в том числе и социального прогресса. Если законы синергетики носят глобальный характер, то не следует ли пересмотреть роль принципа соответствия в структуре познания и вообще кумулятивистскую модель познавательного процесса?! Некоторые авторы, например, авторы учебного пособия для студентов и аспирантов "Концепции самоорганизации: становление нового образа научного мышления", изданного в 1994 г. считают, что широко распространенная модель развития познания: классическая, неклассическая и постнеклассическая этапы развития науки, защищаемая В.С.Степиным и рядом других известных исследователей, ошибочна, поскольку сама того не замечая, следует старой досинергетической линейной парадигме. По мнению этих авторов в науке нет такого порядка, который исследователи post factum устанавливают, в ней больше беспорядка, чем это представляется сторонникам линейного мышления. В этой связи интересно, что спорят не только о сути новой концепции самоорганизации, но и о ее названии. И это не случайно. Так было всегда. Достаточно вспомнить споры о сути и названии теории относительности, также дискуссии по философским проблемам волновой или квантовой механики. Споры о названии новых фундаментальных теорий связаны с тем, что зачастую за тем или иным названием кроется соответствующее содержание. Все это свидетельствует о том, что предмет новой науки находится в движении и философия может принять участие и действительно принимает участие в определении ее сути, возможностей и границ, размышляя над смыслом новых идей.

Синергетика, независимо от ее будущего, уже привела к расширению наших знаний о мире и даже наших незнаний. Ведь имеет смысл различать не только разные типы знания, но и разные типы незнания. Одно дело, когда мы не знаем, что чего-то не знаем, и совсем другое, когда мы знаем, что чего-то не знаем. Первое не волнует нас, человек и общество воспринимают подобное незнание как должное, тогда как второй тип незнания мобилизует исследователей на поиски причин того, что мы не знаем. Поэтому процесс движения мысли к истине не столь прост, как мы недавно полагали, думая, что исследование - суть движения от незнания через гипотезу к знанию. В действительности движение к истине предполагает осознание незнания чего-то, после которого незнание становится объектом изучения.

В чем философско-методологическое значение синергетического подхода? На что претендует новое научное направление?

Во-первых, синергетика направляет свое внимание, по словам И.Пригожина, не на существующее, а на возникающее. Ей интересны моменты возникновения из хаоса порядка, для этого она исследует несколько типов хаоса (равновесный хаос, динамический хаос (неравномерный, турбулентный) и статистический хаос и специально вводит термин "бифуркация" как точку ветвления, когда открываются несколько возможных путей развития и нет ничего предопределенного. Тем самым усиливается отход от классической модели бытия, поскольку неклассическая картина тоже суживает границы классического детерминизма, но оставляет возможность действия статистических законов. Постнеклассическая наука, опираясь на результаты синергетики, теории диссипативных структур суживает еще больше действие статистических законов, поскольку по ее мнению, в нестабильном, неравновесном состоянии "малые воздействия могут привести к большим следствиям". Это принципиальное значительной методологической значимости положение, ибо мир теряет некий выделенный центр. Оказывается, что в мире нет тех универсальных законов, которые делали возможным его познание в неклассическом смысле. Ведь именно универсальность причинно-следственных связей служила ведущим представителям эпохи Просвещения онтологическим основанием возможности победы разума, всеобщности рациональности. Теперь подобные суждения ставятся под вопрос. Итак, идея о том, что мир не имеет центра и в мире нет единых универсальных причинных цепей, связывающих все сущее - претендует на радикальную переоценку ценностей не только в науке, но и в области философии.

Во-вторых, синергетика смотрит на мир из "другой системы координат", чем предшествующая наука, поскольку она принимает за исходное нестабильность, неравновесность, нелинейность, тогда как линейность, стабильность, равновесность оказываются моментами этой нестабильности и неравномерности. Тем самым категориальная сетка, с позиций которой видится мир в новой постнеклассической парадигме. принципиально иная, поскольку ее базовыми исходными понятиями выступают такие категории, как нелинейность, самоорганизация, открытость, сложность, бифуркация, когерентность, аттрактор, хаос, случайность и другие. Уже одно перечисление базовых, системообразующих понятий данной научной области свидетельствует о ее принципиальном отличии не только от классической картины мира, но и неклассической. Вот почему новая междисциплинарная сфера науки стала сразу оказывать влияние на философию, в частности, на философию постмодернизма.

При этом важно определить концептуальное содержание хотя бы нескольких наиболее важных с методологической точки зрения категорий, чтобы представить себе контуры нового научного направления. Например, традиционно хаос считался чем-то лежащим за пределами науки, играл лишь роль первоначала в греческой философии. В новой постнеклассической синергетической картине хаос означает неструктурированность бытия, и потому хаос не подчиняется детерминистическим законам. Согласно синергетике, мир имеет всегда определенные структуры, упорядоченные тем или иным образом. Нет абсолютной бесструктурности и абсолютного беспорядка. Есть структура и упорядоченные формы, не укладывающиеся в известной науке модели описания. Структуры зарождаются, эволюционируют, претерпевая самые разные катаклизмы и трансформации и они могут быть вписаны с помощью "законов" хаоса, если хаос разделить на различные типы: равновесный, неравновесный (динамический) и статистический. Тем самым хаос становится предметом изучения науки и осмысливается философией.

Далее, принципиальным для всей новой системы размышлений выступает категория самоорганизации, под которой понимается способность тех или иных систем к саморазвитию, самозарождению, используя при этом не только и не столько приток энергии, информации, вещества извне, сколько пользуясь возможностями, заложенными внутри системы.

Принципиально важно для синергетики то обстоятельство, что она имеет дело не только с нелинейными, нестабильными системами, но и с тем, что она рассматривает сложные, эволюционирующие и открытые системы. Таковы общество, различные его подсистемы, система "человек-природа", рост народонаселения и т.д. и т.п. При этом открытыми называются системы, которые обмениваются с внешним миром веществом, энергией и информацией.

Не менее интересны и методологически значимы и другие базовые категории синергетики, но и приведенные положения достаточно ясно показывают, что новая синергетическая концепция вводит новую онтологию, новую категориальную сетку для изучения процессов находящихся в состоянии нестабильности, неравновесности и вдали от равновесия. Все эти утверждения имеют принципиальное значение для философии и методологии науки. Концептуально важно, что в новой системе хаос, случайность, дезорганизация и т.д. не разрушительны, а в ряде случаев могут быть созидательными, конструктивными. Вот почему актуализируется задача: научить жить человека в состоянии неопределенности, нестабильности, хаоса, показав ему, что и хаос, и неопределенность и нестабильность можно использовать конструктивно для решения тех или иных задач. Ведь многие явления социальной жизни, например, формирование общественного мнения, сложные экономические процессы в период кризисов, распространение научной информации и т.д. носят нелинейный характер и подчиняются законам самоорганизации. Все это доказывает обоснованность интереса философских систем к новым достижениям научной мысли и ставит сложные задачи перед образованием.

Синергетика, хочет она этого или нет, но если иметь в виду ее смысловую интенцию, то она стремится пересмотреть онтологию бытия, делает значительный, еще больший шаг в возвращении субъекта в мир теории, нежели квантовая механика, поскольку субъект участвует в формировании объекта исследования. Объекты согласно синергетике должны стать человекоразмерными. И в этом чрезвычайно важном для философии положении синергетика продолжает и углубляет начатую неклассической наукой традицию, особенно квантовой механикой со своим принципом, дополнительности, традицию возвращения субъекта в мир теории. Тем самым усложняется вопрос о критериях реальности затрудняется решение проблемы демаркации между реальным и вымышленным. Не случайно встает проблема полионтологичности бытия.

Между тем на этом пути встают сложные философско-методологические вопросы. Ведь ценность науки и в определенном отношении философии, проистекают из того, что они формулируют некие общеобязательные, интерсубъективные, асоциальные положения. Таким образом, встает вопрос о социокультурной ценности самого направления развития мысли, которая стремится уйти от общеобязательности, интерсубъективности и асоциальное.

В этой связи первая проблема, актуализируемая синергетической концепцией, - отношение к прошлому, тем достижениям научного знания, которые исходили из всеобщности линейности, порядка и стабильности. Вторая не менее сложная проблема, имеющая философско-мировоззренческий характер, - культурные последствия деонтологизации знания, усиления участия субъекта в формировании познаваемого объекта. Ситуация осложняется тем, что подобное расширение роли субъекта может быть интерпретировано как отрицание реальности объекта. Не случайно некоторые видные постмодернисты, например, Ж.-Ф.Лиотар, Ж.Делез и др. широко используют идеи синергетики. Последнее естественно, поскольку между децентрацией субъекта и деконструкцией текста в постмодернизме и деонтологизацией объекта познания в синергетике имеется не внешняя, а более органичная, содержательная связь.

В новых условиях необходимо научить человека жить в условиях неопределенности, сложности, открытости, в мире, где нет единого центра, который не только линейно не стремится ни к какому прогрессу, но возможно и никуда не стремится. Важно понять, что определенность ищем мы, это мы хотим, чтобы мир был похож на наш дом, двери которого закрыты, это нам хочется, чтобы у мира был единый центр и чтобы он линейно развивался по пути прогресса. Но все наши субъективные предпочтения ставятся под вопрос новой стратегической концепцией и потому нам нужно готовить учеников к этому новому видению бытия. Подобная радикальная переоценка ценностей, затрагивающая не только ценностно-мировоззренческие установки людей, но и сложившиеся психологические стереотипы, не может пройти безболезненно. Но, видимо, подобная переоценка ценностей неизбежна.

 СИНЕРГЕТИКА И ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

СОВРЕМЕННОСТИ

Суриков Я.Я.

Обсуждается дискуссионность ситуации с термином "синергетика". Обосновывается своевременность появления данного направления исследований. Синергетика трактуется как начало многовекового процесса синтеза различных наук. Применение синергетических подходов к изучению сложнейшего объекта - биосферы - в сочетании с современной термодинамикой позволяет глубже понять суть современного глобального кризиса. Делается вывод, что выход из кризиса без учета законов термодинамики существенно затрудняется.

Термин "синергетика" привлекает внимание, как своих сторонников, так и противников. Раздаются голоса о возможности развития науки без использования данного термина. Способствует ситуации несколько обстоятельств, из которых можно выделить два. Действительно, много конкретных задач решается, и будет решаться без понятий синергетики. Существеннее второе - отсутствие точного общепринятого определения самого термина "синергетика". Но никакого трагизма здесь нет, если учесть, что сравнительно молодое слово, обладая ярко выраженной междисциплинарностью, привлекает внимание специалистов из столь различных наук, в которых и само слово "термин" понимается по-разному и дается с различной степенью точности и размытости. Последовательное и терпеливое обсуждение вопроса, безусловно, приведет к уточнению понятия. Плодотворность синергетики видна каждому, кто знакомится с её достижениями. Сильное впечатление оставляют работы по синергетике искусства. Привлечение точных естественнонаучных подходов и моделей позволяет существенно продвинуться в понимании закономерностей творческого мышления и функционирования человеческого мозга. Например, теория фазовых переходов в ферромагнетиках является важной аналогией для локального описания нейрофизиологических свойств мозговой деятельности человека. Математическая модель нейронной активности обладает многими свойствами, характерными для ферромагнетиков.

Психология человека, казалось бы, далека от математики. Но и здесь все шире успешно используются математические модели, основанные на физических, биофизических, эволюционных и других аналогиях. Физической моделью распределения нейронной памяти может служить так называемое спиновое стекло - магнитное вещество с аморфной неупорядоченной структурой. Качественно свойства распределенной памяти можно понять из энергетических представлений. Зависимость свободной энергии спинового стекла как функции некоторой координаты в N-мерном пространстве конфигураций имеет множество минимумов, а значит и возможных состояний. Система оказывается способной создавать картины-образы, хранящие определенную информацию. Такая система способна распознавать вводимые извне образы по степени их близости к одной из записанных картин. Автор модели распределенной нейронной памяти Хопфилд показал глубокую аналогию свойств такой физической модели со свойствами нейронной сети.

Много аргументов в пользу синергетики можно найти и в сборнике "Синергетика" (изд. МГУ, 1998). В работе О.П. Мелеховой показано, что эмбриогенез - это природная синергетическая модель, и основные понятия эмбриологии могут быть изложены в терминах синергетики. Е.Д. Никитин отмечает некоторые почвенно-синергетические положения. В частности, делается вывод, что большинство чернозема России вышли за пределы порога своей устойчивости и оказались в критическом состоянии -- в точке бифуркации. Убедительно и аргументировано отмечаются важнейшие особенности самоорганизации Земли и Биосферы в работе О.П. Иванова. Не имея возможности говорить обо всех особенностях, нельзя не согласиться с самой трагичной - человечество действительно движется методом проб и ошибок, а корректировки всегда носили запаздывающий характер.

Соглашаясь с В.Г. Будановым, что объем и содержание синергетики взрывным образом расширяются, попытаемся понять этот феномен.

Человечество в процессе познания окружающего нас сложного мира двигалось по пути его анализа, что привело к созданию многих естественных и гуманитарных наук. На этом пути человечество добилось больших успехов и решило множество актуальных проблем. А какова главная цель науки? Мир един, все части, на которые мы его поделили при анализе, существуют только в единстве, а не порознь, поэтому наша главная задача -постигнуть его именно в единстве. Нам совершенно недостаточно знать, из чего состоит мир, нам необходимо знать, как все эти части взаимодействуют, куда мир движется и как развивается. Познание мира в его единстве, то есть во всей его сложности и многообразии позволяет следить за его динамикой и делать прогноз. Наука тогда становится наукой, когда она способна прогнозировать.

С этой точки зрения многовековой процесс развития науки обладает существенным недостатком: гипертрофированное внимание уделялось анализу, а объединяющий все науки процесс синтеза практически не развивался. В результате человечество столкнулось с серьезнейшими проблемами существования биосферы, что заставило в последние десятилетия заняться и объединительным процессом.

Почему важнейшему процессу синтеза уделялось недостаточное внимание? Произошло это не случайно. Во-первых, задача небывалого синтеза всех наук, занимающихся, например, изучением биосферы, чрезвычайно сложна. Например, из-за огромного влияния на деятельность биосферы человека, при синтезе необходимо учитывать не только естественные науки, а вообще все, которые влияют на развитие, в частности общественные науки и процессы. Разумеется, надо учитывать и экономические законы и процессы. Можно представить, насколько сложна и непривычна состыковка столь различных направлений исследований.

Во-вторых, на пути решения задач синтеза могут встречаться и принципиальные препятствия. В применении к биосфере это невозможность использования основного метода исследований в естественных науках - эксперимента. Критерий истины - эксперимент, ставящий окончательную точку при сосуществовании различных теорий, гипотез или мнений. Обычно эти теории являются достаточно грубыми моделями, каждая из которых чем-то пренебрегает или чего-то не учитывает в сложной действительности. Все учитывает только реальный процесс, который и дает нам истинный ответ. А с биосферой один неудачный эксперимент - и нет Человека в биосфере или самой биосферы.

Остается единственный путь - математическое моделирование при обязательном синтезе всех достижений науки. И вот в момент пика актуальности процесса синтеза появляется удачное слово - синергетика. Разумеется, его смысл быстро выходит за рамки первоначального узкого применения и требует периодической корректировки. Можно сказать, что синергетика -начало многовекового процесса синтеза различных направлений науки.

Необходимо отметить, что процесс синтеза развивался и до появления термина "синергетика". Удачной попыткой являются оценки ближайших перспектив человечества, проведенные группой ученых под руководством Денниса Медоуза с помощью глобальной компьютерной модели "МИР-З". Синтез наук осуществлялся на основе эмпирических данных о динамике пяти основных систем, взаимодействующих на нашей планете. Разработанная модель мировой системы была соответствующим образом тестирована. Исходя из данных за 1900 г. были получены результаты для 1970 г., хорошо совпадающие с фактическими данными. Выводы корректно сформулированы с важной (но иногда опускаемой недоброжелателями) оговоркой - "если существующие тенденции в пяти рассмотренных системах сохранятся". А сохраняются ли они или нет - лучший ответ дает время, прошедшее с момента публикации работы "Пределы роста" в 1972 г.

Обладает ли недостатками модель МИР-3? Да. В ней нет военного сектора, гражданских беспорядков, забастовок, коррупции, наводнений, землетрясении, Чернобылей эпидемий СПИДа и т. д. Поэтому модель чересчур оптимистична, её прогнозы могут отражать наиболее благоприятные пути развития реального мира.

Эмпирический подход может обладать и существенным недостатком, не позволяя иногда в случае очень сложных систем выяснить глубинную сущность явления. Помочь могут старые добрые "аналитические" науки. Например, глобальный кризис компьютерная модель предсказывает, а причину - нет.

Актуальнейшим вопросом современности является состояние биосферы. Мощное антропогенное воздействие на биосферу происходит в условиях, когда никто не может сказать, насколько близко её состояние к точке бифуркации. Есть серьёзная опасность, что мы можем пройти эту точку "явочным порядком". Рассматривая биосферу как открытую систему в рамках неравновесной термодинамики отметим, что в течение миллионов лет её энтропия непрерывно понижалась за счет потока солнечной энергии. Естественно, это приводило к усложнению структур и повышению организованности биосферы. Однако недавно (исторически совсем недавно) человек выступил как активный катализатор механизма бурного роста энтропии биосферы, сжигая накопленное за миллионы лет реализации процесса фотосинтеза органическое топливо. В результате деятельности человека энтропия биосферы начала возрастать. Граничные условия, обусловленные конечностью потока солнечной энергии, игнорировать невозможно. Решение глобальных проблем немыслимо без учета законов термодинамики (Г.А.Кузнецов, В.В.Суриков). Необходимо вернуть биосферу в состояние с постоянно уменьшающейся энтропией.

Разработка любых концепций устойчивого глобального развития должна обязательно учитывать максимально возможное значение энергии на душу населения, обусловленное конечностью нашей планеты.

Литература

1. Синергетика. Труды семинара. Выпуск 1. М. Изд. МГУ. 1998.

2. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И., Беренс В.В. Пределы роста. М. 1991.

3. Кузнецов Г.А., Суриков В.В. Концепция глобального развития: термодинамические аспекты. Вопросы философии. 1981, №12, с. 95-102.

 Синергетика и биология

М.И. ШТЕРЕНБЕРГ

В "Вопросах философии" (1997, № 3) опубликована подборка статей, посвященная синергетике, применимости ее понятийного аппарата к решению проблем различных наук. Пожалуй, не будет сильным преувеличением, если скажем, что общий смысл статей - оптимизм по поводу возможностей синергетики, в частности перспективы на ее основе построить теорию эволюции, справедливую для всех "эмпирических наук" (Э. Ласло). Нас будет интересовать именно последний тезис в контексте того, что дает использование таких понятий, как "хаос", "бифуркация", "порядок" и др. для понимания феномена эволюции. В рамках такого анализа с неизбежностью придется обращаться и к понятиям термодинамики, поскольку корни синергетики находятся в термодинамике открытых систем. В статье аргументируется точка зрения, что область применения синергетики в принципе ограничена некоторыми чисто физическими процессами.

Хаос и порядок

Из статистического выражения второго закона термодинамики следует, что с ростом энтропии расположение частиц (частей) системы становится все более и более хаотичным. Это положение произвело на общество такое впечатление, что стало философским и культурным достоянием. "Энтропия и беспорядок не только похожи, а есть одно и то же", - утверждает Р.Е. Пайерлс [I]. Э. Шредингер иллюстрирует это на примере расплавления кристалла, в результате чего "изящные и устойчивые расположения атомов или молекул в кристаллической решетке превращаются в непрерывно меняющиеся случайные распределения" т.е. в жидкость [2]. Как известно, наиболее наглядно свойства энтропии проявляются в изолированных системах, где она монотонно возрастает. Однако множество примеров противоречит приведенным утверждениям. Вот одно из них. Возьмем хаотическую смесь льда и воды и изолируем ее. Если вода холодная и лед достаточно охлажден, то эта хаотическая смесь превратится в упорядоченный ледовый кристалл. Этот пример обладает достаточной общностью, ибо он может быть реализован на всех смесях типа твердая - жидкая фаза. Естественно, возникает предположение, что рост энтропии может сопровождаться упорядочением, а это противоречит выводам, непосредственно вытекающим из статистического выражения второго закона термодинамики.

Очевидно, что полярным по отношению к понятию "хаос" является понятие "порядок". Но как оно понимается? Произвольное обращение с этим понятием неоднократно встречается в научных работах. Но, как пишет Р. Фейнман, "Порядок в физическом смысле вовсе не должен быть полезным для людей. Это слово просто указывает на существование какой-то определенности" [З]. Представляется, что наибольшая определенность достигается в предложении Дж. фон Неймана считать наиболее упорядоченной ту систему, состояние которой описывается наименьшим количеством информации. Его нужно дополнить условием, чтобы сравнение производилось на одном уровне описания, на чем, собственно, и построено различие между термодинамикой и статистической физикой. Действительно, если, например, на молекулярном уровне равновесное состояние раствора описывается относительно сложными статистическими зависимостями, то на макроуровне оно выразится как постоянство объема, температуры и концентрации. С этой точки зрения примеры, на которые опирается И. Пригожий для своих построений, не представляются убедительными. Он строит свои рассуждения, в частности, на аналогии с течением жидкости, когда от микровоздействия (бифуркации) ламинарный поток переходит в турбулентный, где вихри символизируют возникший порядок. Чувствуя малоубедительность этой аналогии, Пригожин пишет: "Что мы называем порядком? Что мы называем беспорядком? Каждый знает, что определения меняются и выражают чаще всего суждения". Для подтверждения этого в качестве примера он приводит кристалл, считающийся образцом упорядоченности, но опровергает это утверждение тем фактом, что в узлах кристаллической решетки молекулы хаотически колеблются [4]. На макроуровне состояние ламинарного потока в круглой трубе описывается сравнительно простой зависимостью.

В то же время, несмотря на тысячи работ, посвященных проблемам турбулентности, выражения для описания состояния турбулентного потока не найдено. Если же считать вихрь упорядоченным состоянием, то тогда нужно сказать о том, что этот быстро изменяющийся, по сравнению с ламипарностью, локальный порядок возникает за счет перехода в хаотическое состояние массы всего, прежде упорядоченного, потока. В таком случае утверждение, что переход от ламинарности к турбулентности есть возникновение порядка из хаоса, представляется более чем сомнительным. Аналогично на макроуровне, на котором возникают турбулентные вихри, кристалл представляется как строго упорядоченная система, описываемая простым?! математическими выражениями.

Рассмотрим теперь второй пример из той же работы И. Пригожина о частичном разделении газов при поступлении тепла в их смесь. В этом случае на макроуровне возникает довольно сложный градиент концентраций. Впрочем, и статистическое описание на микроуровне частично разделенной смеси газов оказывается более сложным, чем статистическое описание на микроуровне однородной смеси газов. Утверждение о том, что при поступлении тепла в смесь возникает упорядочение из хаоса, с принятых выше позиций представляется сомнительным. Здесь невольно вспоминается уже приведенное высказывание Р. Фейнмана. Действительно, разделенная смесь интуитивно представляется нам упорядоченной, ибо это является целью многих технологических процессов, например, при отделении металла от шлака. Но если необходимо разделить по объему металла легирующую добавку, то порядком представляется равномерное распределение молекул добавки между молекулами металла.

Таким образом, оказывается, что здание синергетики построено на шатком основании аналогий, анализ которых показывает их несостоятельность. В то же время причины, по которым эти аналогии некритически воспринимаются широкой аудиторией, находятся уже не на поверхности: они связаны с физическим смыслом действительно непростой функции - энтропии и его трактовкой. Поэтому начнем свой анализ с попытки вникнуть именно в ее смысл. О том, что представляет собой в физическом отношении энтропия, совершенно определенно высказался Дж. фон Нейман: "Никто не знает, что же такое энтропия" [5]. Это утверждение до сих пор не потеряло своей силы. Обратимся к истории этого понятия. Оно возникло в термодинамике в результате стремления унифицировать элементарные выражения тепла и работы. Как известно, элементарная работа есть произведение потенциала - интенсивного фактора (силы, давления, химического потенциала и т.п.) на приращение координаты экстенсивного фактора (пути, объема, массы и т.п.) . Иными словами, как потенциал, так и координата в выражении работы имеют вполне определенный физический смысл. Что же касается выражения теплоты , где Q - тепло, получаемое системой, Т - абсолютная температура, S - энтропия, то здесь определенный физический смысл имеют только приращение тепла и абсолютная температура.

Таким образом, стремление навязать природе удобную для математических операций форму (унифицировать форму выражения тепла с формой выражения работы) обернулось появлением функции с непонятным физическим смыслом. Она оказалась удобной для доказательства необратимости процессов, но неэффективной в практических приложениях. Для того чтобы разобраться в сложившейся ситуации обратимся к энциклопедическому курсу термодинамики К.А. Путилова. Вот что говорится в нем по этому поводу: "Теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии... Работа может быть непосредственно направлена на пополнение запаса любого вида энергии... Теплота же непосредственно, т.е. без промежуточного преобразования в работу, может быть направлена на пополнение запаса только внутренней энергии тел". И далее: "Внутренняя энергия тела является единственной энергией тела, имеющей статистическую основу..." |6]. Отсюда следует, что энтропия, как и внутренняя энергия, являются непосредственно объектами изучения статистической физики. Но обе эти функции для реальных объектов непосредственно в рамках статистической физики вычислены быть не могут. Не могут быть определены они и в эксперименте. В силу этого энтропия вычисляется в термодинамике через измеряемые величины - температуру и количество тепла. Но на этом трудности не кончаются, ибо в термодинамике энтропия выступает в "двусмысленной" роли. С одной стороны (что следует из выражения , она растет при равновесном нагреве и убывает при равновесном остывании тела, сопутствуя изменению его внутренней энергии. Не случайно, поэтому она - единственная термодинамическая функция, имеющая одинаковую размерность с другой - теплоемкостью. В этих случаях изменения значения энтропии не связаны с изменением равновесия в системе - условия, характеризующего ее потенциальную работоспособность.

Но обычно большой интерес, и в том числе и в биологии, энтропия вызывает в своем втором значении - как мера неравновесия. В этой роли она являет себя как характеристика потенциальной работоспособности - той части энергии, которая при наличии преобразующего механизма может произвести работу. Именно в этом смысле она интересует как теплотехников, так и биологов, так как характеризует возможность системы осуществить работу, обеспечить за счет такой работы жизнедеятельность. Именно эта роль энтропии как характеристики состояния системы и положила, начиная со знаменитой речи Л. Больцмана, произнесенной им в 1886 г., начало поискам определения жизни как явления, способного уменьшать свою энтропию [7].

Именно эти две ипостаси энтропии и обусловливают ту двусмысленность, о которой говорилось выше: по изменению значения энтропии, не зная состояния частей системы, нельзя сказать, связано ли это изменение с изменением только внутренней энергии системы или еще и с изменением ее потенциальной работоспособности.

Но и как характеристика неравновесия энтропия определяет однозначно способность системы осуществить работу. Наличие двусмысленностей вносит путаницу в попытки использовать энтропию в конкретных приложениях в различных областях знания, в том числе и в биологии.

Реальные организмы хорошо справляются с этими двусмысленностями. В случае необходимости поддержания температурного гомеостаза многие из них, особенно высшие, обладают механизмами для повышения температуры (сопровождаемой соответственно ростом энтропии) и понижения ее (сопровождаемой убылью энтропии). Однако и действия, способствующие повышению потенциальной работоспособности (сопровождающейся понижением энтропии, характеризующей в этом случае меру неравновесия), ограничены известными пределами. Так, накопление жира, обеспечивающего потенциальную работоспособность животного, при превышении определенного запаса может привести его к гибели, как вследствие снижения подвижности, так и вследствие внутренней патологии. Таким образом, организмы поддерживают оптимальное значение энтропии подобно тому, как они это делают с сотнями различных веществ с целью сохранения гомеостаза. Таким образом, энтропийные характеристики и в случаях, указывающих на неравновесность, не являются ни определяющими, ни специфическими для организмов.

До сих пор рассматривался физический смысл энтропии в ее классическом термодинамическом выражении. Рассмотрим теперь смысл этого понятия в статистической трактовке второго закона термодинамики. Наиболее наглядно этот смысл проявляется в фазовых переходах первого рода, например, плавления. В этом процессе тепло, полученное системой при постоянной температуре фазового перехода, связано с энтропией простейшей зависимостью .Поскольку кинетическая энергия молекул, находящаяся в прямой зависимости от Т, практически не изменяется, то, очевидно, что поступающее тепло расходуется на ослабление связей между частицами, образующими кристаллическую решетку, т.е. на увеличение потенциальной энергии связи молекул. Этот случай позволяет увидеть в чистом виде одну из составляющих физического смысла энтропии, обычно маскируемую одновременным изменением кинетической и потенциальной энергий, и выявить, что энтропия - это функция, отражающая и величину потенциальной энергии связей микрочастиц. Ее монотонный рост в прямой зависимости от температуры нарушается фазовыми переходами, когда потенциальная энергия связей изменяется скачком. Особенно большим этот скачок может быть при переходе п газовую фазу, когда фактически происходит разрыв связей между молекулами вещества. При этом расстояние между ними может увеличиваться на несколько порядков (у воды объем при переходе в пар возрастает примерно в 1700 раз) и дальнейший рост потенциальной энергии частиц становится незначительным. И лишь тогда приложение статистического выражения второго закона становится практически адекватным.

Существование организмов определяется, в первую очередь, сохранением их структуры, которая, в свою очередь, зависит от прочности связей слагающих ее частей, характеризуемой их потенциальной энергией. Отсюда очевидно, что статистическое выражение второго закона термодинамики в общем случае непригодно для выражения энтропии и. в частности, для исследования специфики жизни. Это связано с тем, что оно выведено на основании идеальной модели, в которой все взаимодействия частиц сводятся к упругим соударениям друг с другом и со стенками сосуда, а все остальные взаимодействия игнорируются.

Рассмотрим теперь в ином свете классическое положение о росте энтропии в изолированной системе. Предположим, обмениваются теплом две ее части: 1 и 2,имеющие температуру и . Пусть от части 1 к части 2 перейдет тепла. При этом изменится как кинетическая - ,так и потенциальная - компоненты внутренней энергии обеих частей .

Это значит, что потенциальная энергия, т.е. энергия связей частиц в изолированной системе в итоге возросла за счет убыли кинетической.

Из изложенного следует, что элементарный прирост энтропии здесь слагается из трех компонент: за счет уменьшения кинетической энергии, сужающей фазовое пространство и соответственно изменяющей статистическое слагаемое: за счет прироста потенциальной энергии; за счет перехода распределения скоростей молекул к наиболее вероятному .

Из этих трех слагаемых Л. Больцман рассматривает лишь третью составляющую. Отсюда и "парадоксы" типа тех, которые возникают при росте упорядоченности с ростом энтропии в изолированной системе.

Таким образом, физический смысл энтропии раскрывается как довольно сложная система факторов, требующих кропотливого исследования, которое оказывается весьма затруднительным, после того как были объединены в общих выражениях разнородные понятия работы и тепла, и тем более после математических операций над ними.

В то же время потенциал - температура, входящая в выражение энтропии, с одной стороны, является измеримой величиной, с другой - может рассматриваться как одна из основных причин необратимости процессов. С этой точки зрения представляется возможной еще одна формулировка второго закона, исключающая понятие энтропии. Другими словами, этот закон может быть сформулирован как закон возникновения тепла в любом неравновесном процессе и самопроизвольном необратимом выравнивании теплового потенциала.

Синергетика в биологии

Выше были рассмотрены основные понятия термодинамики и синергетики, наиболее часто используемые в анализе феномена жизни. Рассмотрим теперь еще одно из основных понятий синергетики - "бифуркация". Как известно, под бифуркацией у И. Пригожина и других авторов понимается слабое воздействие, радикально изменяющее ход процесса. В то же время, насколько нам известно, классификации бифуркаций не существует. Однако между различными классами бифуркаций, как представляется, есть фундаментальные различия.

К первому классу бифуркаций могут быть отнесены воздействия на тот вид систем, которые представлены потоками. Таковы, например, реки, русла которых практически без затрат энергии поворачивают потоки воды к тому или иному водоему (аттрактору) или зеркала, поворачивающие световой луч на тот или иной объект.

Что же касается воздействия на стабильные (метастабильные) объекты, то прежде, чем коснуться их, нам придется рассмотреть некоторые общие принципы образования таких систем.

Известно, что частицы обладают свойствами, обусловливающими их способности к различным взаимодействиям: электромагнитным, сильным, слабым, гравитационным, взаимодействия с (р-полем, которые имеют место па разных расстояниях - от бесконечно большого (электромагнитные, гравитационные) до расстояний, измеряемых ангстремами (сильные, слабые). Отметим три обстоятельства.

1. Слабые связи могут препятствовать возникновению более сильных. Так, электрическое отталкивание атомных ядер может препятствовать их слиянию, при котором возникает более сильная связь.

2. Сложение слабых сил может привести к их превосходству над более сильными и определить характер связей. Например, сила гравитации в массивных звездах может превышать силу других видов взаимодействий.

3. Из 1 и 2 следует, что картина мира зависит от истории взаимодействий частиц.

В силу перечисленных обстоятельств, очевидно, что при разрыве прежних связей первоначально возникает хаос. Затем, за счет сил, изначально присущих частицам, возникают новые структуры. Существенно же важным явлением, которому обязано все разнообразие существующих систем, являются потенциальные барьеры.

Действительно, термоядерный синтез более тяжелых элементов из более легких идет с выделением энергии точно так же, как распад тяжелых. Следовательно, оба эти процесса термодинамически вероятны, так как обеспечивают реализацию второго закона термодинамики. И, тем не менее, устойчивые изотопы существуют миллиарды лет, не изменяясь в земных условиях ни качественно, ни количественно.

Образно говоря, в энергетическом плане периодическая таблица химических элементов может быть представлена как ряд спускающихся с обоих ее концов каскадов энергетических "озер", отделенных друг от друга "плотинами" потенциальных барьеров, сходящихся к атому железа, переход от которого в любую сторону требует лишь "подъема" - поглощения энергии.

Разнообразием элементов, а также наличием потенциальных барьеров химического происхождения обусловлено и разнообразие химических соединений, не только самых устойчивых. Второй закон термодинамики в статической формулировке не рассматривает свойства структур. Термодинамика ничего не говорит и об общих причинах того, что по мере остывания Вселенной процессы в ней не замирали в метастабильных состояниях материи в виде энергетических "озер" за "плотинами" потенциальных барьеров. Она говорит лишь о вероятности возникновения процесса, если он направлен в сторону деградации энергии. Во многих случаях вероятность процесса выравнивания вызвана тем, что малое воздействие высвобождает большую энергию из-за потенциального барьера. В свою очередь, эта выделившаяся энергия частично идет на освобождение большей, чем первая часть потенциальной энергии и т.д. Процесс, таким образом, развивается с положительной обратной связью, т.е. превращается в цепной. Назовем бифуркации, инициирующие такой процесс, бифуркациями второго рода. Именно в области изучения этих процессов в синергетике в основном и достигаются реальные результаты.

Для иллюстрации таких процессов выберем наиболее наглядный пример - речную плотину. Чем выше уровень воды, тем больше вероятность того, что вода просочится сквозь плотину и под ней. Если же она найдет выход, то будет стремиться ускорить процесс выравнивания. Тот же принцип реализуется и в разнообразных цепных процессах: механических (камнепад), электрических (пробой изоляции, газовый разряд), химических и ядерных цепных реакциях. В соответствии с этим принципом происходят и процессы образования небесных тел. Притягивая к себе вещество, небесные тела увеличивают свою массу, но чем больше масса, тем более нарастает мощь этих процессов. В итоге возможно образование новых потенциальных барьеров за счет синтеза ядер легких химических элементов. Эти процессы будут препятствовать тепловым расширением процессу сжатия. А. Дюкрок назвал совокупность таких процессов, регулирующих устойчивость небесных тел, "кибернетикой космоса" [8]. Термоядерный процесс, протекающий на Солнце, обеспечивает возникновение химических потенциальных барьеров в соединениях, синтезируемых на Земле зелеными растениями и т.п.

Существуют ситуации, когда потенциальный барьер может быть устранен или восстановлен за счет слабого энергетического воздействия. Если та же плотина имеет заслонку у своего дна, то небольшое приложенное к ней условие обеспечит неограниченный и в то же время легко управляемый переток воды из верхнего бьефа в нижней. Такой же эффект будет достигнут, если, например, слабое механическое воздействие введет катализатор в контакт с соответствующим субстратом или поворотом выключателя будет замкнута электрическая цепь и т.д. Назовем бифуркации подобного вида бифуркациями третьего рода. Именно эти бифуркации и являют собой информацию, т.е. специфическое воздействие на структуры, характерные лишь для живых и автоматических систем [9]. Именно эти процессы отличают системы в качестве организованных. Что же касается синергетики, то она занимается изучением упорядоченных систем, что отнюдь не является специфическим свойством организмов и автоматов.

Характерно, что в синергетике не делается различия между этими принципиально разными видами бифуркаций, но именно здесь проходит водораздел между косной и живой природой.

Попытки использовать термодинамику для выяснения специфики жизни предпринимались задолго до возникновения синергетики. История этого подхода насчитывает уже более сотни лет и начинается с уже упоминавшейся речи Л. Больцмана. Согласно Больцману организмы - это открытые системы, уменьшающие свою энтропию за счет внешнего источника. Эту идею поддержали К.А. Тимирязев, Ф. Аурбах, А.Е. Ферсман, В.И. Вернадский, Э.С. Бауэр, А.И. Опарин и другие ученью. Э. Шредингер сформулировал это положение наиболее коротко: "Отрицательная энтропия - это то, чем питается жизнь" [2. С. 74]. В 1901 г. Н.А. Умов выдвинул положение о том, что организмы содержат нечто вроде демона Максвелла, сообщающего им упорядоченность. И хотя Л. Берталанфи показал, что энтропия реальными открытыми системами может "выбрасываться" в окружающую среду, и из этой же среды может извлекаться отрицательная энтропия, точка зрения Л. Больцмана на специфику жизни как негэптропишюго образования доминирует до сих пор. Наиболее известные современные авторы в этой области И. Пригожин, Ж. Николис, М. Эпген, А.П. Руденко и ряд других ученых, видят специфику жизни в стационарности процессов, протекающих в организме. Феномен жизни относится ими к дисипативным системам с устойчивым неравновесием. Но к таким системам относятся не только организмы, но и любые потоки. В частности, круговорот воды в природе имеет споим энергетическим донором тот же источник, что и биосфера - Солнце. При этом биосфера потребляет лишь ничтожную часть солнечной энергии по сравнению с круговоротом воды. Когда Земля охлаждается, не получая солнечного света, за счет энергии облаков совершается работа, приводящая к выпадению осадков. Отсюда начинается круговорот, обеспечивая поступление солнечной энергии на остывшую земную поверхность. Таким образом, и здесь пополнение энергии и поддержание устойчивого неравновесия осуществляется подобно тому, как это делают организмы, уже непосредственно за счет собственной энергии и собственной деятельности. Новый возникающий при этом цикл испарения обеспечивает не только пополнение энергии, но и температурный гомеостаз земной поверхности, вновь закрывая ее облаками. Таким образом, круговорот воды уподобляется с этих позиций живому. Тем не менее, очевидно, что жизнь имеет принципиальные отличия от круговорота воды. Это специфическое отличие может быть найдено, если мы вспомним, какую роль в физике XX в. сыграло понимание того факта, что свет, представлявшийся непрерывным потоком, на самом деле излучается дискретными квантами, огромное множество которых, а также особенности нашего восприятия, и создавали представление о потоке. Сам автор этого открытия М. Планк, как известно, в течение нескольких лет сомневался в реальности этого, полученного теоретическим путем, результата.