Текст книги "Идущие по пустыне: время"

Свойства самоорганизующихся систем

Открытость системы

Открытые системы – это системы, которые способны постоянно обмениваться веществом (энергией, информацией) с окружающей средой и обладать как «источниками» – зонами подпитки системы энергией окружающей среды, так и «стоками» – зонами рассеяния, «сброса» энергии вовне.

Действие «источников» (притока энергии извне) способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, а действие «стоков» (сброс энергии вовне) приводит к сглаживанию структурных неоднородностей в системе.

Приток и сток обычно носят объемный характер, то есть происходят в каждой точке данной системы. Например, во всех компонентах биологического организма (ткани, органы, клетки и т. д.) происходит обмен веществ, приток и отток вещества (с помощью кровеносных сосудов, эндокринной и других систем). Постоянный приток (и сток) вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных, неустойчивых состояний.

Способность живых организмов поддерживать на определенном уровне состояние своего внутреннего порядка есть не что иное, как борьба с повышением энтропии, или борьба за свое существование. Живые организмы (клетка, сообщество людей, город и т. д.) не только открытые системы, но они и существуют только потому, что открытые. Их питают потоки энергии и вещества, которые поступают из внешнего мира. Так, например, закрытую систему «кристалл» можно изолировать, но если изолировать клетку или город от внешнего мира, они погибнут.

Открытые системы – это системы необратимые; и в них важен фактор времени.

Необратимость

Процессы могут быть обратимые и необратимые. Как трактует Википедия, обратимый процесс (то есть равновесный) – это термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Необходимое условие обратимости термодинамического процесса – его равновесность, то есть всякий обратимый процесс всегда является равновесным, или квазистатическим. Однако не всякий равновесный процесс обязательно обратим (например, квазистатический процесс равномерного движения тела по горизонтальной шероховатой поверхности под действием взаимно уравновешивающихся сил тяги и трения – процесс необратимый).

Характерная особенность обратимых процессов – их медленность: процесс должен быть настолько медленным, чтобы участвующие в процессе тела успевали в каждый момент времени оказываться в состоянии равновесия, соответствующего имеющимся в этот момент внешним условиям. То есть обратимый процесс – это непрерывная последовательность равновесных состояний.

В системе тел, находящихся в равновесии, без внешнего вмешательства никаких процессов происходить не может, то есть с помощью тел, находящихся в тепловом равновесии, нельзя произвести никакой работы, т. к. работа связана с механическим движением, то есть с переходом внутренней энергии в кинетическую энергию. Стоит подчеркнуть еще раз, что невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии.

На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему. Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов.

Следует отметить, что термодинамическая обратимость процесса отличается от химической обратимости. Химическая обратимость характеризует направление процесса, а термодинамическая – способ его проведения.

Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния (Википедия).

По существу, все процессы в макросистемах являются необратимыми, а все необратимые процессы – неравновесными. Все процессы, сопровождающиеся трением, а также явления диффузии и растворения, теплопроводность, вязкое течение – необратимые. Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом.

Например, ваза падает, разбиваясь на осколки, но самопроизвольно разбившаяся ваза восстановиться из осколков не может. Этот процесс можно наблюдать, если, предварительно засняв падение на пленку, просмотреть ее в обратном направлении, но никак не в действительности.

Так же тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к холодному, а обратный процесс, как известно, невозможен, то есть процесс необратим. Тепловые процессы вообще являются необратимыми.

В замкнутых системах необратимые процессы всегда сопровождаются возрастанием энтропии, что является критерием необратимого процесса.

В открытых системах, которые могут обмениваться энергией или веществом с окружающей средой, при необратимом процессе энтропия системы, которая складывается из полного производства ее в системе и изменения из-за вытекания (или втекания) через поверхность системы, может оставаться постоянной или даже убывать.

Неравновесность

Термодинамическая система может находиться в равновесном или в неравновесном состоянии.

Как трактует Википедия, термодинамическое равновесие – это состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические параметры (температура, давление, объем, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем-то, эти величины не являются постоянными, они флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Примером равновесной закрытой структуры являются кристаллы.

Длительное время в состоянии равновесия могут находиться лишь закрытые системы, не имеющие связей с внешней средой, тогда как для открытых систем равновесие может быть только мигом в процессе непрерывных изменений. Равновесные системы не способны к развитию и самоорганизации, поскольку подавляют отклонения от своего стационарного состояния, тогда как развитие и самоорганизация предполагают качественное его изменение.

Большинство реальных систем являются неравновесными. Например, возможность подпитки и сброса энергии позволяет организму человека (открытой системе) адаптироваться к постоянно изменяющимся внешним условиям. А это есть не что иное, как неравновесность.

«Неравновесность можно определить как состояние открытой системы, при котором происходит изменение ее макроскопических параметров, то есть ее состава, структуры и поведения» [4]. В неравновесных системах происходят изменения потоков материи, энергии или фаз.

Неравновесность, неустойчивость открытых систем порождается постоянной борьбой двух тенденций. Первая связана с притоком энергии извне, благодаря которому в организме непрерывно идут пластические процессы, процессы роста, образования сложных веществ, из которых состоят клетки и ткани. Вторая тенденция связана с обратным процессом разрушения, со сбросом энергии вовне. Всякая деятельность человека связана с расходованием энергии. Даже во время сна многие органы (сердце, легкие, дыхательные мышцы) расходуют значительное количество энергии.

Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая – открытая система рассеивается, превращаясь в хаос.

А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль могут играть флуктуационные процессы[7]7
  Комментарий Аструса: «Обратите особое внимание на флуктуации. В них вся суть».


[Закрыть].

Дело в том, что все сложные системы состоят из подсистем, которые непрестанно флуктуируют. И если в классической науке флуктуация – случайное отклонение мгновенного значения от среднего – быстро рассасывается, то в синергетике флуктуации при определенных условиях вырастают до масштабов системы и могут послужить началом образований новой структуры. То есть флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается. В системе могут спонтанно возникать новые типы структур, самопроизвольно возникать новые динамические состояния.

Словом, термодинамика неравновесных процессов изучает незамкнутые системы, которые в результате внутренних коллективных сил и внешних воздействий оказываются в состояниях, далеких от равновесных.

Все необратимые процессы происходят до тех пор, пока не установится равновесие системы, а это свидетельствует о том, что работа совершается системой только в том случае, пока ею не достигнуто равновесное состояние. Неравновесные системы, не получая дополнительную энергию, не могут длительное время сохранять свое состояние.

Неравновесность связана с адаптацией к внешней среде, она вынуждена изменять свою структуру и может претерпевать много различных состояний неопределенности.

Нелинейность

Нелинейностью называется свойство системы иметь в своей структуре различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам поведения этой системы. Система нелинейна, если в разное время, при разных внешних воздействиях ее поведение определяется различными законами.

Нелинейность также рассматривается как необычная реакция на внешние воздействия, когда не очень сильное, но «правильное» воздействие оказывает большее влияние на систему, чем воздействие более сильное, но неадекватное ее собственным тенденциям.

Хорошим примером нелинейности служит реакция организма человека на внешние раздражители. Организм, реагируя на внешние воздействия, не соблюдает принцип «чем больше, тем лучше (или хуже)». Человеческому организму оказалось удобнее, экономичнее и выгоднее использовать нелинейную зависимость его реакции от величины раздражителя.

Оказывается, в организме существуют несколько фаз, в пределах которых проявляется реакция организма на действие внешнего раздражителя. Например, в реакции организма на стресс выделяют три фазы. Первая фаза – начальная. Для нее характерно возникновение чувства тревоги, беспокойства. Вторая фаза – фаза сопротивления. Она характеризуется выработкой сил и средств, направленных на борьбу с факторами, вызывающими стресс. Третья фаза – фаза истощения. Ресурс защитных сил организма исчерпан, и организм заболевает. Именно на третьей стадии и возникают так называемые болезни на нервной почве.

Фазной реакцией на внешние раздражители обладает не только весь человеческий организм, но и каждая отдельная мембрана клетки, каждая клетка, отдельная клеточная популяция, отдельное нервное волокно, а также каждый участок кожи. Такой же по форме отклик на воздействие извне характерен даже для всей биосферы как единой сложной системы.

Важным достижением синергетики является открытие механизма резонансного возбуждения. Оказывается, система, находящаяся в неравновесном состоянии, чутка к воздействиям, согласованным с ее собственными свойствами. Поэтому флуктуации во внешней среде являются не «шумом», а фактором генерации новых структур. Малые, но согласованные с внутренним состоянием системы внешние воздействия на нее могут оказаться более эффективными, чем большие. Нелинейные системы демонстрируют неожиданно сильные ответные реакции на релевантные[8]8
  Релевантный – важный, существенный; уместный, актуальный в определенных обстоятельствах; способный служить для точного определения чего-либо.


[Закрыть] их внутренней организации, резонансные возмущения.

Являясь неравновесными и открытыми, нелинейные системы сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, то есть система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Например, в ходе химической реакции вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.

На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции[9]9
  Принцип суперпозиции – допущение, согласно которому результирующий эффект воздействия нескольких процессов представляет собой сумму эффектов, вызываемых воздействием каждого процесса в отдельности, при условии, что последние взаимно не влияют друг на друга.


[Закрыть]: здесь возможны ситуации, когда эффект от совместного действия причин А и В не имеет ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.

Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью.

Диссипативность

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, то есть своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Иными словами, неравновесное протекание множества микропроцессов суммируется на макроуровне и качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом.

Например, причиной таких процессов диссипации, как вязкостное трение, является тепловое движение молекул: при движении выбранного малого объема вещества молекулы на границе объема, хаотически перемещаясь, постоянно сталкиваются с молекулами других объемов, в результате чего происходит непрерывный обмен импульсом и веществом между малыми объемами среды.

В закрытых системах диссипация – это тенденция к размыванию организации, но в открытых, нелинейных, неравновесных системах она проявляет себя и через противоположную функцию – структурообразование.

Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно формироваться новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Если замкнутая система, выведенная из состояния равновесия, всегда стремится вновь прийти к максимуму энтропии, то в открытой системе отток энтропии может уравновесить ее рост в самой системе, и есть вероятность возникновения стационарного состояния. Если же отток энтропии превысит ее внутренний рост, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации, и при определенных условиях в системе начинают происходить самоорганизационные процессы, создание упорядоченных структур.

Под влиянием энергетических взаимодействий с окружающей средой в открытых системах возникают эффекты согласования и кооперации, когда различные элементы начинают действовать в унисон. Такое согласованное поведение называется когерентным.

После возникновения новая структура, называемая диссипативной, включается в дальнейший процесс самоорганизации материи.

Системы, в которых энергия упорядоченного движения с течением времени убывает за счет диссипации, переходя в другие виды энергии, например в теплоту или излучение, называются диссипативными.

Самоорганизующийся хаос

Главная идея синергетики – идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом.

Синергетика переосмысливает понятие хаоса, характерное для классического и неклассического естествознания. Она определяет хаос как многоликое материальное начало, которое не только разрушает и само является продуктом разрушения, но и способствует созиданию нового.

В самом деле, наука о хаосе – это система представлений о различных формах порядка. «Хаос представляет собой более высокую форму порядка, где случайность и бессистемные импульсы становятся организующим принципом скорее, нежели более традиционные причинно-следственные отношения в теориях Ньютона и Евклида» [13].

Дуглас Хофстадтер пишет: «Получается, что наводящий ужас хаос может скрываться за фасадом порядка, но вместе с тем в глубине хаоса всегда прячется сверхъестественный порядок».

Хаос не нов, он существовал повсюду еще до появления времени и человечества. Мы – продукт хаоса, а не изобретатели его. Хаос создал нас, и хаос будет влиять и определять наше существование в будущем. Мы сами, наше тело, индивидуальность и все прочее развивались в результате хитрых взаимодействий между стабильностью и хаосом, порядком и беспорядком. Даже сам процесс мышления – результат взаимодействия стабильности и хаоса, линейной и нелинейной активности. Хаос свидетельствует, что нелинейное мышление приводит к более точному пониманию нестандартных ситуаций.

Постоянное присутствие хаоса в плотном плане не случайно. Творец, дав человеку право выбора своего пути, тот «пьянящий напиток», который мы все стремимся выпить, разрешил ему моделировать и создавать свой микромир. А когда у человека есть право выбора, то множественность и разноплановость его мыслей создают атмосферу хаоса.

Хаос нашего пространства есть результат нашего присутствия, ибо каждую минуту раздумья мы генерируем множество мыслей, а генерируя свои эмоции, мы создаем такое бесконечное множество энергетических импульсов, что действительно создается впечатление генерирования нами хаоса психической энергии.

Хаос обеспечивает микромиру гибкость и легкую восприимчивость к любым тонким возмущениям, и это способствует совершенствованию и микромира, и человека! Свободный в своем выборе человек сам становится гибкой, динамичной энергетической системой, чутко реагирующей даже на малые возмущения пространства.

Именно в хаосе мыслей или действий люди являются легко обучаемыми объектами. Их энергия при объединении создает мощные энергетические центры, которые, структурируясь, превращаются в кластеры (скопления) энергии пространства – упорядоченные, строго структурированные, суперстабильные объединения.

Кластер представляет собой объединение однородных энергий, энергий единомышленников. Самой сильной энергией в тонком мире является энергия мысли. Среди хаоса мыслей и эмоций нашего физического плана выкристаллизовывается единственный и неповторимый путь к Богу! [7]

Аструс: Вы выразили квинтэссенцию предмета, который вы выражаете. Очень точное описание. Попадание 99,9 %. Есть ма-а-аленький нюанс.

– Этот хаос мыслей воздействует и на наши клетки?

Аструс: Воздействует.

– То есть мы своими мыслями вызываем хаос в организме и переводим его в порядок?

Аструс: Так.

– Особенно, если мысли положительные?

Аструс: Так. А теперь допустите, что будет происходить в процессе эволюции. Все более, более, более будет эволюционировать человек и в конечном счете достигнет такого уровня, который от теперешнего человека даже не находится в поле зрительной видимости. Настолько клетки упорядочатся и структурно изменят свойства.

– И что будет представлять собой человек в недалеком будущем? Правильный и упорядоченный?

Аструс: Дело не в упорядоченности. Он поднимается на уровень, откуда для грубой материи он становится невоспринимаем.

– Мы перейдем на другой уровень вибраций. До 2018 года идет первый этап перехода. В человеке постоянно имеет место самоорганизующийся хаос. Это и есть жизнедеятельность?

Аструс: Один из способов выражения жизнедеятельности.

– Скажите, Аструс, то, что у нас на Земле все время такая нестабильная погода, это тоже связано с переходом?

Аструс: Точка флуктуации верна, точка прохода.

– А не есть ли это переход с одного режима на другой, когда все параметры неустойчивы, болтаются, как хотят?

Аструс: Есть.

Синергетика конкретизирует созидательные функции хаоса. Во-первых, хаос необходим для исходного структурирования нелинейной среды. Во-вторых, он способствует резонансному объединению простых структур в единую сложную структуру, согласованию темпов их эволюции, объединению, «склеиванию» «темпомиров».

Независимые, еще не объединенные структуры существуют, не чувствуя друг друга. Они живут в разных темпомирах, то есть каждая из них развивается в своем темпе. Сложная структура представляет собой объединение структур разных возрастов – структур, находящихся на разных стадиях развития. Сложность структуры связана с когерентностью. Под когерентностью понимается согласование темпов жизни структур посредством диффузионных, диссипативных процессов, являющихся макроскопическим проявлением хаоса. Для построения сложной организации необходимо когерентно соединить подструктуры внутри нее, синхронизировать темп их эволюции. В результате объединения структуры попадают в один темпомир, а значит, приобретают один и тот же момент обострения, начинают «жить» в одном темпе.

В-третьих, хаос может выступать как механизм переключения смены различных режимов развития системы, переходов от одной относительно устойчивой структуры к другой.

В нелинейных (неравновесных, открытых) системах постоянно действует диссипативный, рассеивающий, хаотизирующий фактор. Однако в силу избирательности такой системы, ее различной чувствительности к разным воздействиям (и внешним, и внутренним) диссипативный фактор действует так же избирательно: он рассеивает одни образования и усиливает другие, способствуя тем самым их структурированию и локализации.

Таким образом, хаос содействует стабилизации и самоструктурированию нелинейной среды, проявляет себя как творческое начало. Следовательно, хаос – это и деструктивная, и созидательная сила; хаос не только разрушает то, что он сам создал, но и способствует созиданию качественно нового, самоорганизации мира.

Открытая нелинейная система в ситуации критической неравновесности способна порождать «чудо создания порядка из хаоса», менять сам тип своего поведения. В ней могут формироваться новые динамические состояния, названные И. Пригожиным диссипативными структурами. Если размазывающий процесс диссипации (диффузия, молекулярный хаос) ведет равновесную систему к хаосу, то в неравновесных системах он, напротив, приводит к возникновению новых структур, так как устраняет все нежизненные, неустойчивые состояния. «Диссипативность – фактор „естественного отбора“, разрушающий все, что не отвечает тенденциям развития, „молоток скульптора“, которым тот отсекает все лишнее от глыбы камня, создавая скульптуру» [10].

В диссипативной структуре между частицами устанавливаются дальнодействующие корреляции[10]10
  Корреляция – вероятностная или статистическая зависимость, возникающая тогда, когда зависимость одного из признаков от другого осложняется наличием ряда случайных факторов.


[Закрыть], меняется тип поведения – частицы начинают вести себя согласованно, когерентно, «как по команде» происходит синхронизация пространственно разделенных процессов. Порядок в синергетике понимается как макроскопическая упорядоченность при сохранении микроскопической молекулярной разупорядоченности, то есть порядок на макроуровне вполне мирно уживается с хаосом на микроуровне.

Возникновение диссипативных структур носит пороговый характер. Неравновесная термодинамика связала пороговый характер с неустойчивостью, показав, что новая структура всегда является результатом раскрытия неустойчивости в результате флуктуаций – движения элементов микроуровня.