Текст книги "Универсум. Информация. Общество"

Сегодня всё чаще и чаще, даже в областях, далеких от физики, используют термин «самоорганизация». Что он означает?

Единого, всеми принятого определения термина «самоорганизация» не существует. Разные авторы используют разные определения, бытует и термин «синергетика», который я стараюсь не использовать. Поэтому надо условиться о смысле термина «самоорганизация», прежде чем начать его использовать.

Условимся называть самоорганизацией системы такой процесс изменения ее состояния (или характеристик), который происходит без целенаправленного (может, лучше – целенаправляемого) начала, каковы бы ни были источники целеполагания. Можно говорить и о стихии самоорганизации – здесь мы ошибки не сделаем. Причины, побуждающие процесс самоорганизации, могут быть как внешними, так и внутренними. Если же речь идет об Универсуме как единой системе, то процесс ее изменения идет только за счет внутренних взаимодействий, то есть за счет факторов, принадлежащих Универсуму. Никаких внешних взаимодействий мы не наблюдаем, значит, согласно принципу Бора, мы не имеем права говорить, что они существуют.

И центральной проблемой теории систем является проблема описания этого процесса.

Механизмы самоорганизации Универсума, то есть материального мира и многих подсистем, его составляющих, далеко не познаны. Последнее означает, что для многих из них еще не создано интерпретаций, имеющих смысл эмпирических обобщений, и мы вынуждены опираться на те или иные гипотезы. Я думаю, что познание механизмов самоорганизации и составляют суть фундаментальных наук.

Однако сегодня мы уже понимаем, сколь разнообразны и многочисленны эти механизмы. И возникает естественный вопрос: не существуют ли некоторые общие принципы или интерпретации, позволяющие увидеть их общность (сделать шаг к простоте, который нам позволит приблизиться к пониманию сложности)?

Несмотря на ограниченность наших знаний, все же просматривается некоторая общая логика этого процесса. Ее можно будет увидеть, если мы сумеем найти общий язык, годный для описания схемы процесса самоорганизации для всех трех этажей мироздания – неживой, или косной, материи, живого вещества и общества. Пока же, в этой главе, мы будем говорить лишь о первом этаже, имея в виду в дальнейшем показать универсальность этой логики.

В качестве основы языка описания схемы механизмов самоорганизации мне кажется наиболее удобным (если угодно, даже естественным) использовать язык дарвиновской триады – «изменчивость», «наследственность» и «отбор». Смысл этих терминов, разумеется, должен быть существенным образом расширен по сравнению с тем, который в них вкладывал знаменитый автор теории происхождения видов. Кроме того, как мы увидим ниже, одного этого языка заведомо недостаточно. По мере восхождения по ступеням сложности его придется непрерывно расширять. Но точки зрения, выработанные в процессе анализа систем (этот термин я предпочитаю широко распространенному термину «системный анализ»), дают определенные основания для рационального расширения языка, удовлетворяющего принципу Оккама – минимальному привлечению новых понятий.

Во всяком случае, язык, основанный на использовании дарвиновской триады, позволяет увидеть то, что лежит в основе общей логики развития материального мира, логики, которая просматривается в основе развития всех трех этажей Универсума – неживой, или косной, материи, живого вещества и «мира человека». При всем качественном различии этих форм существования материи их развитие связывает общая логика! И переоценить значение этого факта невозможно.

Попробуем теперь расшифровать эти сакраментальные дарвиновские термины: изменчивость, наследственность и отбор – и дать необходимое расширение этих понятий. Начав, разумеется, с анализа системы косной материи.

«Бог играет в кости!», все-таки играет, хотя великий Эйнштейн и думал иначе.

Вопрос об изменчивости, может быть, и есть самый трудный, самый принципиальный вопрос, возникающий при анализе механизмов самоорганизации систем, поскольку он затрагивает святая святых современного естествознания – принцип причинности.

Развитие систем и их эволюция не могут реализоваться без создания «поля выбора», то есть без возникновения определенного, достаточно большого разнообразия организационных форм или виртуальных возможностей развития, без своеобразного «хаоса возможностей». Здесь Природа снова в чем-то напоминает инженера, проектирующего сложную машину: ему необходимо иметь достаточно большой набор разнообразных, но потенциально необходимых деталей, из которых он однажды создаст конструкцию, отвечающую тем или иным критериям. В этом, как мне представляется, и состоит созидательная роль хаоса, о чем сегодня толкуют ученые мужи, не очень объясняя, в чем состоит эта самая созидательная роль хаоса. Поэтому первый вопрос теории эволюции (развития) систем – это вопрос о причинах возникновения необходимого многообразия (то есть хаоса), без которого невозможно развитие, о механизмах, его рождающих.

Оставаясь вне обсуждения вопроса об исходном состоянии «реальности», ответ на который находится за пределами любого эмпирического знания (хотя и является объектом многочисленных гипотез, часто не противоречащих законам физики, как, например, гипотеза о начальном взрыве), примем существующую неоднородность окружающего мира как некоторую данность.

Илья Пригожин (и не только он) широко использует термин «флуктуация», имея в виду случайные флуктуации, случайные изменения системы. Я избегаю использования этого термина, хотя и глубоко убежден в том, что неопределенность и стохастика лежат в глубине вещей. Описать законы самоорганизации на языке чистого детерминизма мне представляется невозможным в принципе. Без стохастики и неопределенности очень трудно, если не невозможно, описать возникновение флуктуаций и разнообразия организационных форм материи и действия людей.

Допустив существование стохастических факторов, мы снимаем много вопросов. Здесь я снова сошлюсь на Бора, который говорил, что по-настоящему сложное явление нельзя описать на каком-либо одном языке. Он, правда, имел в виду взаимодействие явлений микро– и макромира, но его замечание носит гораздо более универсальный характер. И вряд ли «Картину мира» можно описать на языке чистого детерминизма. Наше утверждение о том, что без использования языка теории вероятностей не могут быть объяснены (и сформулированы) основные законы, управляющие миром, вовсе не означает, что мы достаточно отчетливо представляем себе природу стохастичности. Фиксируя ее присутствие, по-новому понимая смысл причинности, мы, тем не менее, почти ничего не можем сказать об ее истоках. Ведь причинность, в частности ее возникновение в Природе, тоже следствие причинности. Ведь она возникла не просто так!

Существование принципа причинности и присутствие стохастики и неопределенности – явления одного масштаба.

Заметим, что объективное признание вероятностного характера процессов эволюционного развития ставит совсем по-новому проблему причинности. На языке стохастики нам придется научиться формулировать и принцип причинности – это неизбежно. Эйнштейн это хорошо понимал и искал другие пути, но не нашел.

Несколько лет тому назад проходила дискуссия о содержании физических законов. Крайние точки зрения были высказаны Ильей Пригожиным и Рене Томом. Последний в отличие от Пригожина считал законами Природы только вполне детерминированные утверждения. Я думаю, что квантовая механика, которая стала ныне вполне практической наукой и оперирует только с распределениями случайных величин, подтверждает точку зрения Пригожина.

Но сводить описание явления изменчивости только к действию стохастики тоже нельзя. Существует множество причин, порождающих многообразие, и они являются предметом научных исследований. Некоторые из них хорошо известны, например, явление кооперативности, которое проявляется в многочисленных резонансах, когерентном излучении, появлении тех же бенаровских ячеек, о которых так любит писать Пригожин, и т. д. и т. п. Появление новых химических соединений можно трактовать с тех же позиций. По мере усложнения «объектов реальности», которые мы предполагаем рассматривать, роль стохастических факторов будет возрастать. Это тоже эмпирический факт!

Факт роста разнообразия возможных организационных форм в структуре окружающего мира часто называют «законом дивергенции». Этот термин я буду в дальнейшем использовать.

Наследственностью системы я условлюсь называть зависимость ее будущего от настоящего и прошлого. Она существует во всех системах. Так, например, деформация горных пород и землетрясения определяются предшествующим их (пород) состоянием и историей изменения напряжений. Этот факт лежит в основе любой прогностики, и вулканизма в частности. Без факта наследственности (и знания прошлого) даже гипотетической силы лапласовский Разум был бы слеп!

Но степень этой зависимости от прошлого может быть очень разной. Условимся степень этой зависимости называть «памятью системы». Существуют системы с абсолютной памятью и с полным ее отсутствием. Конечно, это гипертрофированные, предельные случаи, в реальности их не существует. Но такие интерпретации (модели) иметь в виду необходимо, ибо изучение подобных систем – это редукция к простоте, без которой очень трудно понять сложность реальности. Попробую объяснить это обстоятельство на двух примерах.

Многие системы, изменение состояния которых согласовано с законами сохранения в косной Природе, могут быть описаны на языке обыкновенных дифференциальных уравнений, например система планет в модели Ньютона. Такие системы обладают бесконечной памятью. Подобное утверждение означает, что по состоянию системы в данный момент мы можем восстановить все прошлые состояния этой системы, всю предысторию наблюдаемого процесса. И более того – предсказать ее поведение в будущем. В таких системах какие-либо стохастические характеристики отсутствуют.

В качестве другого примера, демонстрирующего возможность полного отсутствия памяти, можно назвать развитое турбулентное движение жидкости. По данному состоянию такой системы мы ничего не можем сказать о ее прошлом, о той системе вихрей, которая это состояние породила. В «реальности» все системы имеют ограниченную память. Так, например, американский метеоролог Эдвард Лоренц показал, что максимальная память метеоусловий (то есть погоды) – две недели. Последнее означает, что два совершенно разных состояния атмосферы через две недели могут породить одни и те же погодные условия. В подобной ситуации любой прогноз при всем современном развитии метеорологии оказывается достаточно условным, что каждый знает по собственному опыту.

Имея некоторый набор виртуальных, то есть мысленно возможных, состояний системы, процесс самоорганизации «отбирает» некоторые (или некоторый) из них.

Простейшими критериями отбора являются законы физики, благодаря которым происходит изменение состояния системы и ее элементов. Нарушить эти законы никаким материальным структурам не дано. Другими словами, из множества возможных (виртуальных) организационных структур материального мира, которые могли бы быть порождены изменчивостью, существовать могут лишь те, которые удовлетворяют законам физики или химии. Но последнее вовсе не означает, что в результате отбора выделяется некая единственная форма, способная к дальнейшему развитию. Отбор многолик и сохраняет многообразие, он лишь отсекает нежизнеспособные формы организации материи. Пример тому – разнообразие химических соединений, состоящих из одних и тех же элементов.

Среди критериев отбора, помимо законов физики и химии, играют большую роль факторы стабильности тех или иных рождающихся организационных структур. Вот здесь мне хотелось бы напомнить то, о чем говорилось в предыдущей главе. Любой изучаемый объект не существует сам по себе, он всегда является частью некоторой системы более высокого уровня. И эта «высшая система» накладывает определенные условия на функционирование элемента и его структуру. В этом явлении как раз и проявляются те системные законы, о которых я говорил выше. Система отбраковывает те варианты развития своих элементов, которые препятствуют ее собственному развитию или сохранению стабильности. Она резко суживает возможную сферу изменчивости. Одним из таких ограничителей является устойчивость элемента, его соответствия тем функциям, которые он выполняет как элемент системы.

Совокупность механизмов самоорганизации, охватываемых языком дарвиновской триады, мне хотелось бы назвать РЫНКОМ. Он предъявляет принципам отбора множество вариантов виртуальных форм организации материи. А принципы отбора, то есть законы и стабильность, в данный момент выбирают допустимые. Тем, что этот РЫНОК, который я пишу большими буквами, производит отбор на основе сиюминутных характеристик, он напоминает рынок, который изучали еще Смит и Рикардо. Их рынок является частным случаем РЫНКА, о котором идет речь в этом разделе.

Примечание. Использование подобной терминологии шокирует представителей общественных наук. Но беру на себя смелость утверждать, что никакой другой схемы, кроме РЫНКА, природа не придумала! И люди, создавая систему рыночных отношений, пошли по проторенной тропе, другой просто не было. Иное дело – форма рынка, способы создания продукта, точнее, хаоса создающихся структур (продуктов), возможности кооперации и критерии отбора. Здесь уже необъятное поле для анализа. Но логика самоорганизации общая!

Язык дарвиновской триады при всем его расширении, конечно, не исчерпывает языка, необходимого для описания многообразия форм эволюции Универсума, даже если ограничиваться самыми простыми интерпретациями. Одним из возможных и весьма плодотворных направлений в расширении этого языка я полагаю (так это и оказывается «на самом деле»!) использование представления Универсума и его составляющих в качестве динамической системы (точнее, динамической самоорганизующейся системы). Я использую этот термин в том смысле, как его ввел Анри Пуанкаре. Он означает систему, состояния которой в любой момент времени могут быть зарегистрированы (фиксированы) и по определенным законам изменяются во времени. Другими словами, для которых имеет смысл использование понятия «траектория». Конечно, за то столетие, которое прошло со времен Пуанкаре, понято много нового, но главные реперы теории остались неизменными.

Итак, динамической системой я буду называть любую систему, изменяющуюся во времени. Как правило, это будут нелинейные системы, с нелинейными взаимодействиями и нелинейными законами развития.

Развитие любой динамической системы происходит в окрестности некоторого атрактора. Этим термином называют одну из возможных траекторий или состояний системы, около которых и происходит реальное развитие событий. Они как бы притягивают близкие из возможных (виртуальных) траекторий. Сложная нелинейная динамическая система может иметь множество атракторов. До недавних времен в качестве атракторов рассматривались отдельные, исключительные состояния (прежде всего, состояния равновесия). Однако недавно Эдвард Лоренц показал на конкретном примере существование «странных атракторов», которые представляют собой некоторое множество траекторий, даже для вполне детерминированных систем ведущих себя неотличимо от стохастических. Мне удобнее называть области притяжения атракторов каналами эволюции, чем они и являются в действительности, если использовать термин «эволюция». Эти области отделены друг от друга некоторыми энергетическими барьерами, которые мне удобно называть границами стабильности или границами атракторов.

В силу изменчивости системы происходит некоторое накопление возмущений, в результате которой система теряет стабильность. Но это не потеря устойчивости в ее классической, хорошо изученной для линейных систем форме, когда происходит экспоненциальное разбегание траекторий, а переход системы из одного канала эволюционного развития в другой. Такую потерю стабильности Пуанкаре назвал бифуркацией. В послевоенные годы Рене Том для описания подобного явления стал использовать термин «катастрофа». Я эти термины считаю равноправными.

Таким образом, развитие динамической системы происходит по следующей схеме. До поры до времени система эволюционирует по «дарвиновской схеме»: происходит медленное накопление новых особенностей. Но в какой-то момент ее «дарвиновское» развитие теряет устойчивость (или согласованность с развитием системы высшего уровня – нарушение условий коэволюции) и происходит переход в новый эволюционный канал. В этот переходной период роль памяти системы ослабевает, и определяющими оказываются стохастические факторы. Вот почему постбифуркационное состояние практически непредсказуемо.

Заметим, что первый пример подобного перехода был дан великим Эйлером еще в XVIII веке, когда он изучал колебание нагруженной колонны, о чем я еще буду рассказывать.

Итак, для описания логики развития в простейшей модели Универсума как системы неживой материи, оказался достаточным общий язык универсального эволюционизма и не потребовалось понятие «информация». Мы смогли ограничиться использованием лишь нескольких первопонятий и общими соображениями теории динамических систем.

Сделав этот важный шаг на пути расставания с простотой, перейдем к обсуждению следующего уровня сложности.

Глава 4
Универсум и жизнь

О том, что такое жизнь, написано множество работ, но ни в одной из них нет достаточно полного определения этого феномена.

Я уже упоминал имя Мамардашвили. В книге, посвященной тому, что такое философия, он отказался определять понятие «философия». Каждый, читая философский текст, способен выделить его среди текстов, посвященных обсуждению других вопросов. Такая же ситуация возникает и с понятием «жизнь». Я тоже не могу дать определение феномена жизни, и, как мне кажется, его удовлетворительного и достаточно полного определения просто не существует. Но в то же время мы всегда можем отличить живое от неживого. Более того, я думаю, что провести четкую грань отличия живого (возникшего в процессе эволюции неживой материи) от неживого – нельзя. Только отойдя достаточно далеко от некой мифической черты, мы способны утверждать, что нечто, нами изучаемое, является живым или неживым. Это утверждение не является эмпирическим обобщением. Оно суть некоторая гипотеза, которая основывается на предположении о том, что «жизнь» – это результат эволюции материи и что в процессе ее развития неизбежно должны были бы существовать промежуточные формы, неустойчивые, как и всякие промежуточные формы, и поэтому исчезнувшие в процессе эволюционного развития, не оставив каких-либо следов.

Примечание. Итак, я исхожу из предположения о том, что жизнь возникла в процессе эволюции Универсума. Такая точка зрения далеко не единственная: например, Сванте Аррениус и многие его последователи считали, что жизнь во Вселенной существует вечно. Есть и другие точки зрения.

Появление жизни и возникновение биосферы качественно изменили весь ход развития небесного тела, именуемого Землей, а значит, и Универсума. Да, мир неживой Природы – это основа, фундамент Универсума, и в земных условиях «ведущую партию» исполняет геосфера и ее связь с космосом, прежде всего с Солнцем. Но «геосфера» и «геосфера + биота» – это две совершенно разные системы, хотя такое разделение очень условно. Недостаточно изучать геосферу как самостоятельную данность и биосферу на фоне фиксированной геосферы – они связаны нерасторжимо. Особенности земной оболочки, воздушных течений, характер изменения климата не могут быть изучены и поняты без учета биотических факторов. Это позволяет некоторым авторам (например, В. Г. Горшков и др.) говорить об особой, самостоятельной роли биотической регуляции как некоторой отрицательной обратной связи: она, конечно, существует как подстройка биоты к параметрам геосферы, которые, в свою очередь, определяют и определяются процессами биотической природы. Таким образом, изучение биосферы как целостной системы требует глубокого взаимного проникновения процессов, протекающих в неживом и живом мире.

Это обстоятельство можно проиллюстрировать еще и следующим фактом. При отсутствии биоты, то есть земной жизни, Земля имела бы только две стабильные формы существования: одна «марсо– или луноподобная», другая – «венероподобная». В системе же «геосфера + биота» из-за существенной ее нелинейности может (даже при учете одного только углеродного цикла) существовать множество квазистационарных состояний (атракторов) или, точнее, множество возможных каналов эволюционного развития, из которых, по-видимому, только один допускает существование человека. Это очень предварительное замечание, к его обсуждению я еще вернусь в одной из следующих глав. Но оно заставляет по-новому увидеть перспективы развития общества и его стратегию выживания на планете, поскольку существование общества, вероятнее всего, тесно связано с тем атрактором, в котором произошло становление человечества.

Итак, жизнь вносит качественное изменение в сам характер эволюции Земли как элемента Универсума. Но на вопрос о том, что такое жизнь, тем не менее, ответа пока нет. Попробую привести несколько аргументов (точнее, соображений) в пользу того, почему понятие «жизнь» я отношу к первопонятиям и почему мы вынуждены его принять без строгого определения.