Естествознание (стр. 22 )

В настоящее время считается, что эволюция есть процесс возникновения более сложных структур из более простых, т. е. суть эволюции состоит в интеграции более простых элементов в целостные образования более высокого уровня, в более сложные системы, характеризуемые новыми качествами. Перечислим наиболее важные фазы эволюции окружающего нас мира:

◊ космическая эволюция (Большой взрыв, образование элементарных частиц, формирование атомов и молекул, возникновение галактик, звезд и планет и т. д.);

◊ химическая эволюция (образование системы химических элементов и соединений, возникновение органических соединений, полимеризация в цепи органических молекул);

◊ геологическая эволюция (образование структур земной коры, гор, вод и т. д.);

◊ эволюция протоклетки (самоорганизация биополимеров и хранение информации на молекулярном уровне, пространственная индивидуализация, возникновение молекулярного - языка);

◊ дарвиновская эволюция (развитие видов животных и растений и их взаимодействие, возникновение экосистемы на Земле);

◊ эволюция человека (развитие труда, языка и мышления);

◊ эволюция общества (распределение труда, общественная организация, техника, общественные формации и т. д.);

◊ эволюция информации и обмена информацией (обогащение и хранение знания, развитие связи, науки и т. д.).

Самоорганизация и классическая термодинамика

Согласно современным представлениям, элементарным процессом эволюции является самоорганизация. Можно сказать, что в сущности эволюция состоит из бесконечной последовательности процессов самоорганизации. В широком смысле слова под самоорганизацией понимают тенденцию развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи. В более узком понимании самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Самоорганизующиеся системы должны отвечать определенным требованиям: 1) они должны быть неравновесными или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия; 2) они должны быть открытыми и получать приток энергии, вещества и информации извне. По Г. Хакену, систему можно назвать самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием понимается такое, которое навязывает системе структуру или функционирование.

В последнее время сущность самоорганизации в открытых системах изучается в новой области естествознания - синергетике, которая охватывает все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах в результате скоррелированного поведения подсистем. Ее основные идеи восходят к Э. Шрёдингеру, A. M. Тьюрингу, Л. фон Берталанфи, И. Пригожину, М. Эйгену и Г. Хакену. Считается, что решающее значение для создания синергетики имели разработка и развитие методологии следующих дисциплин: термодинамики необратимых процессов в открытых системах; нелинейной механики, электрофизики и физики лазеров; химической кинетики сильно неравновесных процессов; эволюции популяций в экологии; нелинейной теории регулирования, кибернетики и системного анализа. Приведенный перечень подтверждает междисциплинарный характер синергетики.

Для того чтобы понять сущность самоорганизующихся систем, которые рассматривает синергетика, напомним, что выделяют закрытые системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Поведение закрытых систем рассматривается в рамках классической термодинамики. Центральным понятием термодинамики является энтропия S — функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы: dS = dQ/T. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, приближая систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна.

По отношению к закрытым системам были сформулированы два из трех начал термодинамики. Первое начало термодинамики по существу является законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам: Q = А + ΔU, где Q - количество теплоты, сообщаемое термодинамической системе (например, пару в тепловой машине); А — совершаемая ею работа; ΔU— изменение ее внутренней энергии. Первое начало термодинамики сформулировано в середине XIX в. под влиянием работ , Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца. Согласно первому началу, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.

Второе начало термодинамики именуется законом возрастания энтропии и гласит, что в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах). Другими словами, невозможен переход теплоты от более холодного тела к более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде. Следовательно, второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе асимметрии (однонаправленность всех самопроизвольных процессов).

На основании второго начала термодинамики была сформулирована модель «тепловой смерти» Вселенной, согласно которой все виды энергии во Вселенной постепенно переходят в тепловую энергию, а Вселенная неизбежно приближается к тепловой смерти. Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, и энтропия не может уменьшаться. Способность Вселенной поддерживать организованные структуры со временем ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные. По мере уменьшения запаса энергии и возрастания энтропии в системе снижаются различия между ее частями. Это значит, что Вселенную ждет однородное будущее.

Использование второго начала имеет глубокий естественнонаучный смысл. С его помощью описывается достаточно широкий класс явлений. Приведем несколько примеров: 1) если холодное тело вступило в контакт с нагретым, обмен теплотой происходит так, что в конце концов температуры обоих тел выравниваются; система становится совершенно однородной, а процесс идет лишь в одном направлении; 2) если из сосуда, часть которого заполнена газом, убрать перегородку, газ заполнит все пространство. Противоположный процесс не происходит: газ сам по себе не сконцентрируется в половине объема сосуда; 3) след, который самолет оставляет за собой в небе, постепенно размывается и исчезает. Во всех этих случаях системы эволюционируют к единственному конечному состоянию - состоянию теплового равновесия. Первоначальные структуры исчезают, заменяясь однородными системами. При анализе этих явлений на микроскопическом уровне, т. е. при рассмотрении движения атомов или молекул, обнаруживается, что беспорядок увеличивается. Именно такие явления описываются классической термодинамикой.

Однако по мере развития естествознания были выявлены противоречия между результатами некоторых природных явлений и выводами, сделанными в рамках классической (равновесной) термодинамики. Последняя не могла объяснить возникновение таких сложных систем, как галактики, Солнечная система и, наконец, растительный и животный мир Земли. Особенно много вопросов возникло после установления факта нестационарности характера Вселенной. Накопившиеся данные позволили в рамках неравновесной термодинамики и синергетики сформулировать следующие постулаты: 1) процессы разрушения систем и их самоорганизации во Вселенной равноправны; 2) процессы нарастания сложности и упорядоченности имеют в основном единый алгоритм, который не зависит от природы систем, т. е. существует достаточно универсальный механизм самоорганизации в живой и неживой природе.

Примеры процессов, происходящих в открытых системах

Рассмотрим несколько простых примеров упорядочения (самоорганизации) в открытых системах.

Пример 1. Упорядочение водяного пара при его охлаждении извне. При высоких температурах молекулы пара движутся свободно, без взаимной корреляции. При понижении температуры образуется капля жидкости, в которой расстояние между молекулами в среднем сохраняется, т. е. их движение сильно скоррелировано. Наконец, при еще более низких температурах, в точке замерзания, вода превращается в кристаллы льда - молекулы расположены в определенном порядке. Такие переходы между различными агрегатными состояниями (фазами) происходят весьма резко. Хотя молекулы каждый раз одни и те же, макроскопические свойства трех фаз существенно различны. И совершенно очевидно, что различаются их механические, оптические, электрические и тепловые свойства.

Рис.2

Пример 2. Упорядочение в ферромагнетиках (например, в магнитной стрелке компаса). При нагревании у ферромагнетика внезапно исчезает намагниченность, а при понижении температуры намагниченность внезапно появляется снова. На микроскопическом, атомном уровне это можно представить так: магнит состоит из большого количества элементарных (атомных) магнитов (называемых спинами). При высоких температурах «магнитики» распределены по направлениям хаотически.

Их магнитные моменты, складываясь, взаимно уничтожаются, и в результате макроскопическая намагниченность оказывается равной нулю. При температурах ниже критической элементарные магниты выстраиваются в определенном порядке, что приводит к появлению макроскопической намагниченности. Таким образом, упорядочение на микроскопическом уровне служит причиной появления на макроскопическом уровне нового свойства материала. (Переход из одной фазы в другую называется фазовым.) Столь же резкий переход наблюдается в сверхпроводниках: в некоторых металлах и сплавах ниже определенной температуры электрическое сопротивление внезапно и полностью исчезает вследствие, упорядочения электронов в металле.

Пример 3. Процессы, происходящие в твердотельном лазере - оптическом лазерном генераторе (хотя лазерная генерация обнаружена и в межзвездном пространстве). Он представляет собой твердый стержень, в который внедрены атомы определенного типа - активная среда (рис. 2); на торцах стержня установлены зеркала. Каждый атом может возбуждаться действием извне, например с помощью света. После этого атом действует как микроскопическая антенна, испуская цуг световых волн длиной около 3 м. Процесс излучения длится обычно 10-8с. Зеркала служат для селекции таких цугов: бегущие в аксиальном направлении цуги отражаются несколько раз от зеркал и остаются в лазере более продолжительное время, остальные быстро покидают объем. С увеличением входной мощности (накачка лазера) происходит следующее. При малых мощностях накачки лазер работает как лампа: атомные антенны излучают световые цуги независимо друг от друга (хаотично). При мощности накачки, равной пороговой мощности лазерной генерации, имеет место совершенно иное явление. Атомные антенны осциллируют в фазе, испуская один гигантский цуг (рис. 3).