В фосфоресцирующем тумане маячили два  макродемона максвелла.  Демоны  играли  в  самую стохастическую из игр - в орлянку. Один  выигрывал,  а другой, соответственно, проигрывал, и это их беспокоило, потому что нарушалось статистическое равновесие.

Аркадий и Борис Стругацкие.

Понедельник начинается в субботу.

Введение

Сложившиеся равновесие в науке нарушил своми работами лауреат Нобелевской премии 1977 г. по химии  Илья Романович Пригожин. В его исследованиях было введено понятие синергетики – теории диссипативных структур в контексте учения о времени [1]. В рамках синергетики изучаются явления образования  упорядоченных пространственно-временных структур, или пространственно-временной самоорганизации, протекающие в системах  различной природы: физических, химических, биологических,  экологических, социальных [2‑8], системных [9], и даже механизмов технического развития [10].

Неравновесные состояния

Пригожин подробно рассматривает состояние нестабильности системы. Чтобы проиллюстрировать это на материале физики, можно рассмотреть обычный маятник, оба конца которого связаны жестким стержнем, причем один конец неподвижно закреплен, а другой может совершать колебания с произвольной амплитудой. Если вывести такой маятник из состояния покоя, несильно качнув его груз, то в конце концов маятник остановится в первоначальном (самом нижнем) положении. Это — хорошо изученное устойчивое явление. Если же расположить маятник так, чтобы груз оказался в точке, противоположной самому нижнему положению, то рано или поздно он упадет либо вправо, либо влево, причем достаточно будет очень малой вибрации, чтобы направить его падение в ту, а не в другую сторону. Так вот, верхнее (неустойчивое) положение маятника практически никогда не находилось в фокусе внимания исследователей, и это несмотря на то, что со времени первых работ по механике движение маятника изучалось с особой тщательностью. Можно сказать, что понятие нестабильности было, в некоем смысле, идеологически запрещено. А дело заключается в том, что феномен нестабильности естественным образом приводит к весьма нетривиальным, серьезным проблемам, первая из которых — проблема предсказания.

Если взять устойчивый маятник и раскачать его, то дальнейший ход событий можно предсказать однозначно: груз вернется к состоянию с минимумом колебаний, т.е. к состоянию покоя. Если же груз находится в верхней точке, то в принципе невозможно предсказать, упадет он вправо или влево. Направление падения здесь существенным образом зависит от флюктуации. Так что в одном случае ситуация в принципе предсказуема, а в другом — нет, и именно в этом пункте в полный рост встает проблема детерминизма. При малых колебаниях маятник — детерминистический объект, и мы в точности знаем, что должно произойти. Напротив, проблемы, связанные с маятником, если можно так выразиться, перевернутым с ног на голову, содержат представления о недетерминистическом объекте.

Возникает необходимость пересмотра самого понятия закона природы. нельзя более соглашаться с законами, утверждающими эквивалентность между прошлым и будущим. Каким образом можно выйти за границы, установленные великолепными образцами человеческой мысли, запечатленными в классической, квантовой и релятивистской физике? Именно в таком выходе за рамки привычного и состояло главное событие – обновление классической динамики, последовавшее в XX веке. Динамические системы не могут ограничиваться периодическими или ограниченными режимами, которые мы встречаем, изучая колебания маятника или движения планет.

Наоборот, большинство динамических систем неустойчиво. Траектории расходятся экспоненциально и по истечении определенного времени неизбежно теряются. Пригожин попытался пойти еще дальше и сформулировать законы природы, учитывающие возникающий в неустойчивых динамических системах хаос. Но такие законы применимы только к ансамблям траекторий, к статистическим ситуациям, а не к отдельным траекториям (или индивидуальным волновым функциям).

При таком понимании законов природы они не говорят нам, что произойдет, а лишь уведомляют нас о том, что может произойти. Вселенная, в момент ее зарождения, ни что иное, как малое дитя, которое может стать музыкантом, адвокатом или сапожником, но чем-то одним, а не всеми сразу? Таким образом, необратимость в основе своей зиждется на неустойчивости.

Пригожин утверждает, что увеличение энтропии отнюдь не сводится к увеличению беспорядка, ибо порядок и беспорядок возникают и существуют одновременно. Например, если в две соединенные емкости поместить два газа, допустим, водород и азот, а затем подогреть одну емкость и охладить другую, то в результате, из-за разницы температур, в одной емкости будет больше водорода, а в другой азота. В данном случае мы имеем дело с диссипативным процессом, который, с одной стороны, творит беспорядок и одновременно, с другой, потоком тепла создает порядок: водород в одной емкости, азот — в другой. Порядок и беспорядок, таким образом, оказываются тесно связанными — один включает в себя другой. И эту констатацию можно оценить как главное изменение, которое происходит в нашем восприятии мира сегодня. Последние исследования показывают, что на каждый миллиард тепловых фотонов, пребывающих в беспорядке, приходится по крайней мере одна элементарная частица, способная стимулировать в данном множестве фотонов переход к упорядоченной структуре. Так, порядок и беспорядок сосуществуют как два аспекта одного целого. Восприятие природы становится дуалистическим, и стержневым моментом в таком восприятии становится представление о неравновесности. Причем неравновесности, ведущей не только к порядку и беспорядку, но открывающей также возможность для возникновения уникальных событий, ибо спектр возможных способов существования объектов в этом случае значительно расширяется (в сравнении с образом равновесного мира). В ситуации далекой от равновесия дифференциальные уравнения, моделирующие тот или иной природный процесс, становятся нелинейными, а нелинейное уравнение обычно имеет более, чем один тип решений. Поэтому в любой момент времени может возникнуть новый тип решения, не сводимый к предыдущему, а в точках смены типов решений — в точках бифуркации — может происходить смена пространственно-временной организации объекта.

Набор полученных решений называется аттрактором. В случае множества типов решений (странный аттрактор) система движется от одной точки к другой детерминированным образом, но траектория движения в конце концов настолько запутывается, что предсказать движение системы в целом невозможно — это смесь стабильности и нестабильности. И, что особенно удивительно, окружающая нас среда, климат, экология и, между прочим, наша нервная система могут быть поняты только в свете описанных представлений, учитывающих как стабильность, так и нестабильность. Это обстоятельство вызывает повышенный интерес многих физиков, химиков, метеорологов, специалистов в области экологии. Указанные объекты детерминированы странными аттракторами и, следовательно, своеобразной смесью стабильности и нестабильности, что крайне затрудняет предсказание их будущего поведения.

Пороговые явления

Самоорганизация в физике на примере тепловой конвекции

Представим себе слой жидкости (например, воды) между двумя горизонтальными параллельными плоскостями, латераль­ные размеры которых значительно превосходят толщину слоя. Предоставленная самой себе, жидкость быстро устремится к од­нородному состоянию, в котором, выражаясь языком статистики, все ее части будут тождественны между собой. Соответственно, чтобы знать состояние всех таких частей, достаточно знать состояние одной из них независимо от их формы и размера. Чтобы изменить характеристики системы начнем нагревать жидкого слоя снизу. Все дальше отклоняя систему от равновесия путем увеличе­ния температуры, мы увидим, что внезапно, при некотором значении температуры, объем вещества прихо­дит в движение. Более того, это движение далеко не случайное: жидкость структурируется в виде небольших ячеек, называемых ячейками Бенара. Это - режим тепловой кон­векции.

Вследствие теплового расширения жидкость расслаи­вается, причем часть жидкости, находящаяся ближе к нижней плоскости, характеризуется пониженной плотностью по сравне­нию с верхними слоями. Это приводит к градиенту плотности, направленному противоположно силе тяжести. Легко понять, что такая конфигурация потенциально неустойчива. Рассмотрим, например, малый объем жидкости вблизи нижней плоскости. Вообразим теперь, что этот элемент объема немного смещается вверх вследствие возмущения. Находясь теперь в более холод­ной и, следовательно, в более плотной области, этот элемент будет испытывать направленную вверх архимедову силу, кото­рая будет стремиться усилить восходящее движение С другой стороны, если находящаяся вначале у верхней плоскости малая капля смещается вниз, то она проникнет в область пониженной плотности, и архимедова сила будет ускорять нисходящее дви­жение. Поэтому в принципе ясно, что в жидкости могут возни­кать восходящие и нисходящие потоки, как это и наблюдается в эксперименте.

По-видимому, наиболее примечательной чертой, которую сле­дует отметить в таком внезапном переходе от простого поведе­ния к сложному, являются упорядоченность и согласованность системы. Когда температура была ниже критического значения, одно­родность жидкости в горизонталь­ном направлении делала неза­висимыми друг от друга различные ее части. Так, любые два одинаковых объема можно было бы поменять местами без каких-либо последствий. Напротив, выше порогового значения все проис­ходит так, как если бы каждый элемент объема следил за пове­дением своих соседей и учитывал его с тем, чтобы играть нуж­ную роль в общем процессе. Такая картина предполагает нали­чие корреляций, т. е. статисти­чески воспроизводимых соотноше­ний между удаленными частями сис­темы. Харак­терные размеры ячеек Бенара в обычных лабораторных усло­ви­ях находятся в миллиметровом диапазоне (10^‑1 см), в то время как харак­терный пространственный масштаб межмолекулярных сил приходится на ангстремный диапазон (10^‑8 см). Иначе гово­ря, отдельная ячейка Бенара содержит что-то около  ~10²¹ молекул. Тот факт, что такое огромное число частиц мо­жет демонстрировать когерентное поведение, несмотря на слу­чайное тепловое движение каждой из частиц, является одним из основных свойств, характеризующих возникновение сложно­го поведения.

Однако этим не исчерпывается все то удиви­тельное, что свя­зано с ячейками Бе­нара. С одной сто­роны, такой эксперимент характеризуется идеальной воспроизводи­мостью, поскольку при одних и тех же условиях превышение некоторого критического значения всегда приводит к возник­новению кон­векционной картины. С другой же сто­роны, как видно из рис. 1, вещество структурируется в ячейки с попере­менно право- и левовращательным дви­жением. Однажды уста­новившись, направление вра­щения в дальнейшем сохраняется. Как только температура превышает критическую появляется ячеистая структура тече­ния. Таким образом, это явление подвержено стро­гому детерминиз­му. На­против, направление вращения в ячей­ках непред­сказуемо и неуправляемо. Лишь случай в виде тех или иных возмущений, доминирующих в момент проведения эксперимента, решает, ка­ким будет вращение в данной ячейке — право- или левовращательным. Таким обра­зом, можно прийти к уди­ви­тельному сотруд­ничеству между случайностью и определенностью, наво­дящему на мысли об аналогичном дуализме, из­вестном в биологии со вре­мен Дарвина (мутация—естественный отбор). В области физики такой дуализм до сих пор наблюдался лишь при квантово­механическом описа­нии микроскопических явлений.

Рис 1

Самоорганизация в химии на примере реакции Белоусова-Жаботинского

Собственно реагенты, участвующие в реакции Белоусова-Жаботинского (сокра­щенно БЖ), не пред­ставляют собой ничего особенного. Типичный препарат состоит из сульфата церия Ce₂(SO₄)₃, малоновой кислоты CH₂(COOH)₂ и бромата калия KВгО_з, растворенного в серной кислоте. Реакция управляется изменением скоростей, с которыми химические вещества поступают в систему (или выбывают из нее), меняя тем самым время пре­бывания этих веществ в реакционном объеме. Очень большие времена пребывания реагентов приводят по существу к реали­зации замкнутой системы, и в таких условиях можно ожидать, что поведение системы будет подобно равновесному, характери­зуемому детальным равновесием. Уменьшая время пребывания, мы не допускаем полного выравнивания скоростей прямой и об­ратной реакций. При этом можно ожидать, что поведение систе­мы будет неравновесным. Именно это и показывает эксперимент. В случае очень больших времен пребывания в системе достига­ется однородное стационарное состояние — концентрации оста­ются постоянными во времени. Это типичное состояние, весьма привычное химикам, наделено всеми качественными свойствами химического равновесия. Оно является аналогом режима тепло­проводности, реализуемого в системе Бенара при небольшой раз­ности температур между пластинами.

Если теперь уменьшить время пребывания, мы встретимся с совершенно иным типом поведения. В какой-то момент времени вся система внезапно окрашивается в голубой цвет (если в ка­честве красящего вещества используется ферроин), что указы­вает на избыток ионов Fe³⁺ (или Се⁴⁺). Спустя несколько минут (или в зависимости от условий—долю минуты) голубой цвет сме­няется красным, указывая на избыток ионов Fe²⁺ (или Се³⁺). Этот процесс так и продолжается: голубой, красный, голубой, красный и т. д. — ритмическая смена цвета с идеально регуляр­ными периодом и амплитудой, зависящими лишь от параметров и тем самым являющимися собственными характеристиками си­стемы. Эти колебания можно рассматривать как химические часы—устройство для измерения времени с помощью внутрен­ней динамики системы. В периодическом режиме система вдруг "открывает" для себя время.

Самоорганизация в геологии

Во многочисленных геоло­гических отложениях для целого ряда пространственных мас­штабов наблюдается занятная регулярность структур, возникших путем минерализации: метаморфные слои (мм—м), граниты (см), агаты (мм—см) и т. д. Согласно традиционным взглядам, эти структуры объясняются «последовательными» яв­лениями, обусловленными сменами времен года или климата. Однако выясняется, что более удовлетворительной является ин­терпретация, основанная на представлениях о нарушении сим­метрии за счет переходов, вызванных неравновесностью системы. Если такая точка зрения в дальнейшем подтвердится, то это очень сильно повлияет на интерпретацию происхождения много­численных геологических отложений.

Пороговые явления в клеточной динамике на примере роста опухолей.

В этом случае исходно малая популяция «зачинщи­ков беспорядка», например определенные клетки некоторой ткани, по тем или иным причинам, выясняемым молекулярной биологией, потеряла свои физиологические функции и стала злокачественной. В дальнейшем они норовят захватить весь ор­ганизм за счет быстрой пролиферации, однако организм стара­ется оказать им противодействие, посылая на «поле боя» специализированные клетки-убийцы Дальнейшая судьба организ­ма решится именно в результате возникающей конкуренции между злокачественными клетками и клетками-убийцами—то ли «зачинщики беспорядка» будут отброшены, то ли, наоборот, они победят Анализ этой конкуренции позволяет прийти к важному вы­воду: отбрасывание «зачинщиков» или их победу можно рассматривать как пороговое явление.

Самоорганизация в человеческих сообществах

Ежедневный опыт учит нас, что приспособляемость и плас­тичность поведения — два основных свойства нелинейных ди­намических систем, способных совершать переходы вдали от равновесия, относятся к числу наиболее заметных особенностей человеческих сообществ. Поэтому естественно ожидать,  что наиболее адекватными для социальных систем будут динами­ческие модели, учитывающие эволюцию и изменчивость.

При построении динамической модели сообщества людей прежде всего следует четко уяснить, что помимо определен­ной внутренней структуры нужно учитывать довольно жестко заданное внешнее окружение, с которым рассматриваемая си­стема обменивается веществом, энергией и информацией. Во­образим, например, некий город, в который непрерывно по­ступает сырье и сельскохозяйственная продукция и из которо­го вывозятся произведенные товары. Одновременно средства связи и массовой информации держат различные группы в кур­се текущих событий и современных тенденций.

Эволюция таких систем определяется поведением действую­щих лиц во взаимодействии с условиями, накладываемыми внешней средой. Именно в этом состоит уникальная специфика гуманитарных систем. В отличие от молекул — основных «акте­ров» в физико-химических системах и даже в отличие от муравьев или членов других животных сообществ человек всегда строит свои собственные проекты, имеет свои собствен­ные желания. Некоторые из них основаны на предвидении ра­зумного возможного будущего, я также на догадках относи­тельно желаний других действующих лиц. По этой причине различие между желательным и действительным поведением выступает как внешнее условие нового типа, определяющее контуры динамики наряду с внешней средой. Основной вопрос, который здесь можно поставить, таков: способна ли при таких условиях эволюция в целом привести к своего рода глобаль­ному оптимуму, или же, напротив, каждая гуманитарная сис­тема представляет собой уникальную реализацию некоторого сложного стохастического процесса, для которого никоим об­разом невозможно установить правила заранее? Иными слова­ми, достаточен ли опыт прошлого для предсказания будущего, или же высокая степень непредсказуемости будущего состав­ляет саму суть человеческих поступков, будь то на уровне изу­чения индивидуума или на уровне коллективного сотворения истории? Рассмотреные в [ REF L_Prigogin_Poznanie_Slognogo 3

Дополнительно можно описать необходимость развития промышленности в центрах пересечения торговых путей и по возможности недалеко от мест с уже развитой промышленностью.

Данная модель рассматривает эволюцию как автономный процесс, течение которого в каждый момент вре­мени определено механизмами взаимодействия между различ­ными действующими лицами. Внешние ограничения учитыва­ются с помощью различных параметров, а начальное условие можно рассматривать как выражение влияния случайности или систематического внешнего вмешательства вроде «планиро­вания». В качестве альтернативного сценария, более близкого  к реальности, можно позволить системе эволюционировать в те­чение некоторого времени, затем грубо изменить ее состояние путем внедрения нового вида деятельности или какой-либо иной инновации, затем снова позволить системе следовать ее собственной, автономной динамике до момента введения новой инновации и т. д. Ввиду сильной нелинейности уравнений мож­но ожидать, что возникнет несколько ветвей решений со слож­ным набором бифуркационных явлений. Различие в начальных условиях приведет к тому, что система может оказаться в об­ластях притяжения различных режимов, что равносильно включению различных типов эволюции, различных вариантов истории. Тот факт, что из многих возможных регистрируется некоторый конкретный исторический вариант, совсем не обяза­тельно является отражением усилий некоторого «составителя глобального плана», пытающегося оптимизировать какую-то всеобщую функцию — это может быть простым следствием устойчивости и жизненности данного конкректного типа поведения.

Из этой модели вытекает также и следующий, очень интересный результат. Если в какой-то момент времени в систему вводится новый вид деятельности, то в дальнейшем он будет расширятся и стабилизироваться. Если место выбрано удачно, то вдальнейшем это может сделать безуспешными аналогичные попытки, совершенные поблизости. Однако, если тот же вид деятельности попытаться внедрить в какое-то другое время, то успех наблюдается отнюдь не всегда – инновация может полностью регрессировать и тем самым оказаться сугубо убыточной. Этот результат иллюстрирует опасности краткосрочного узкого планирования, основанного на непосредственной экстраполяции прошлого опыта. Подобные статические, неперспективные методы грозят обществу застоем и через какое-то время катастрофой. Основным источником, позволяющим обществу существовать дллительное время, обновляться и находить самобытные пути развития, являются его адаптационные возможности.

Философское значение синергетики.

Синергетика предполагает качественно иную картину мира по сравнению с теми, которые лежали в основе как классического, так и неклассического естествознания (первая половина XX века). Образ мира предстает как совокупность нелинейных процессов. Состояние неравновесности систем ведет к порядку и беспорядку, тесно сочетающихся друг с другом. Неравновесные системы обеспечивают возможность возникновения уникальных событий, возникает история универсума. Время становится неотъемлемой константой эволюции, ибо в нелинейных системах в любой момент времени может возникнуть новый тип решения, не сводимый к предыдущему.

И.Пригожин делает неожиданный и парадоксальный вывод о том, что в результате развития идей синергетики происходит сближение универсума как внешнего мира и универсума как внутреннего мира человека. В мире, основанном "на нестабильности и созидательности", человечество вновь оказывается в самом центре законов мирозданья. Как во внутреннем, так и во внешнем мире человек должен выбирать, а, следовательно, нести нравственную ответственность за поступок. Время никогда не предстает в готовом, совершенном виде, оно конструируется в каждый данный момент, и человечество может принять участие в этом конструировании [ REF L_Prigogin_VoprPhilos_1991 4

Важное философское значение имеют следующие методологические выводы синергетики:

— невозможно традиционными детерминистскими методами описывать эволюцию сложноорганизованных систем;

— развитие этих систем выявляет возможность альтернативных путей, что предполагает свободу выбора и ответственность человечества;

— невозможен абсолютный контроль над какой-либо сферой реальности, в том числе и над развитием общества, провозглашенных традиционной наукой;

— в критических точках (точках бифуркации) неустойчивости социальных систем деятельность каждого человека или группы лиц может иметь решающее значение в макросоциальных изменениях;

— возрастает ответственность человечества за судьбы универсума, ибо оно в состоянии целенаправленно избегать бифуркационных состояний, особенно в социальной и экологической областях, существенно влиять на коэволюцию природы и общества

Заключение

"Не нами выбран мир, который нам приходится изучать; мы родились в этом мире и нам следует воспринимать его таким, каким он существует, приспосабливая к нему, насколько возможно, наши априорные представления. Да, мир нестабилен. Но это не означает, что он не поддается научному изучению. Признание нестабильности — не капитуляция, напротив — приглашение к новым экспериментальным и теоретическим исследованиям, принимающим в расчет специфический характер этого мира. Следует лишь распроститься с представлением, будто этот мир — наш безропотный слуга. Мы должны с уважением относиться к нему. Мы должны признать, что не можем полностью контролировать окружающий нас мир нестабильных феноменов, как не можем полностью контролировать социальные процессы (хотя экстраполяция классической физики на общество долгое время заставляла нас поверить в это)". В.И.Пригожин  [4]

"Наука - это диалог между человеком и природой, - диалог, а не монолог, как показали концептуальные трансформации, происшедшие за несколько последних десятилетий. Наука стала частью поисков трансцендентального, общих многим видам культурной деятельности: искусству, музыке, литературе…

Наше время - время ожиданий, беспокойства, время бифуркации. Далекий от мысли предвещать  "конец" науки, я верю, что наше время станет свидетелем рождения нового видения, новой науки,  краеугольные камни которой будут включать в себя и стрелу времени, науки, которая сделает нас и нашу творческую деятельность выражением фундаментальной тенденции во Вселенной. Я хочу, чтобы вы разделили со мной это чувство." В.И.Пригожин [5]