загрузка...

Физика и синергетика

Введение понятия энтропии привело к концеп­туальному перевооружению современной физики. Данное поня­тие в научный оборот ввел в 1965 г. немецкий физик Р. Клаузиус (в 1950 г. он вместе с английским физиком У. Томсоном дал первую формулировку второго начала термодинамики).

Энтропия (от греч. еШгор1а — поворот, превращение) пред­ставляет собой функцию состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенной системе, к ее температуре. Ис­ходя из второго начала термодинамики Клаузиус и Томсон при­шли к выводу о необратимости возрастания энтропии в самопро­извольных процессах. На этом основании ими была выдвинута гипотеза тепловой смерти Вселенной, согласно которой мир, по­добно живому организму, развивается и неизбежно идет к своему концу. Такой вывод можно считать мировоззренческим выходом за пределы термодинамики. Австрийский физик Л. Больцман и американский физик-теоретик Дж. Гиббс завершили построение статистической физики, и понятие энтропии обрело свое истин­ное содержание как мера неупорядоченности системы, тогда как ранее она выступала всего лишь как мера энергии.

Предмет термодинамики можно разделить на три области, изучение которых соответствует трем последовательным этапам ее развития:

0 область термодинамического равновесия, где силы равны нулю; ее изу­чала классическая термодинамика (Клаузиус, Больцман и Гиббс);

0 слабо неравновесную область, где термодинамические силы «сла­бы» и скорости необратимых процессов линейно зависят от сил; ее изучала линейная термодинамика. Она началась с публикации по термодинамике неравновесных процессов норвежско-амери­канского физика и химика Л. Онсагера в 1931 г.;

0 сильно неравновесную область, где потоки энергии — нелинейные, сложные функции сил. В 1970-е гг. она стала предметом синерге­тики, основателями которой можно считать бельгийского физика и физикохимика И. Пригожина и немецкого физика Г. Хакена.

Пригожин выделил два фундаментальных вопроса, на кото­рые, по его мнению, предшествующая наука еще не дала ответа.

Первый вопрос связан с отношением хаоса и порядка. Каким образом из хаоса может возникнуть структура? В ответе на этот вопрос, пишет Пригожин, ныне удалось продвинуться до­вольно далеко. «Теперь нам известно, что неравновесность — по­ток вещества или энергии - может быть источником порядка» [1. С. 8].

Второй вопрос еще более фундаментальный. «Классиче­ская или квантовая физика описывает мир как обратимый, ста­тичный. В их описании нет места эволюции ни к порядку, ни к хаосу. Информация, извлекаемая из динамики, остается постоян­ной во времени. Налицо явное противоречие между статической картиной динамики и эволюционной парадигмой термодинами­ки. Что такое необратимость? Что такое энтропия?.. Лишь теперь мы начинаем достигать той степени понимания и того уровня зна­ний, которые позволяют в той или иной мере ответить на эти во­просы» [1. С. 8]. С точки зрения Пригожина, хаос и порядок по­зволяют по-новому взглянуть на материю. «Материя становится “активной”; она порождает необратимые процессы, а необрати­мые процессы организуют материю» [ 1. С. 8]. Так физика переот- крыла для себя время. Механика Ньютона была равнодушна ко времени и описывала обратимые процессы, как вращение стрелки на циферблате часов. Подлинное время появилось во втором на­чале термодинамики, отразившем необратимое возрастание эн­тропии в сложных самоорганизующихся системах.

Понятия организации и самоорганизации сложных самораз- вивающихся систем (материальных и идеальных) становятся цен­тральными в методологии науки наших дней. Современный этап исследования организации и самоорганизации связан прежде все­го с выделением физических оснований этих явлений, что позднее получило наименование «синергетика». Термин «синергетика» (от греч. зупег§05 — совместно действующий) ввел Г. Хакен [3, 4], чтобы подчеркнуть роль коллектива (кооперации) в процессах са­моорганизации.

Синергетика — это не новая наука, но новое объединяющее направление в науке. Цель синергетики — выявление идей, общих методов и общих закономерностей процессов самоорганизации в самых различных областях естественно-научного, технического и социогуманитарного знания [2. С. 99]. Другими словами, синерге­тику можно определить как междисциплинарную область знания, ориентированную на поиск универсальных законов эволюции и самоорганизации сложных систем, точнее, открытых неравновес­ных нелинейных систем.

В отличие от классической термодинамики, в недрах которой она зародилась (и где имеется лишь один конечный пункт эволю­ционирования - термодинамическое равновесие), в синергетиче­ской картине мира фиксируется возможность множества, хотя и ограниченного, путей развития. Синергетика изучает, каким об­разом из хаоса возникает порядок, из порядка — хаос, из одного порядка - порядок с другой структурой, с третьей и т.д.

Рассмотрим названные выше фундаментальные характери­стики самоорганизующихся систем.

Открытость системы означает ее способность к обмену веще­ством и энергией с окружающей средой.

Для того чтобы открытая (проточная) система была способна к самоорганизации, необходимо наличие в ней двух начал: упорядо­чивающего, наращивающего неоднозначность структуры за счет действия «источников» (входов), и хаотизирующего, размыва­ющего, рассеивающего неоднородность через «стоки».

Эти два начала — хаос и порядок — вступают между собой в сложные неравновесные отношения, и пока парадоксальным обра­зом неравновесная система находится в некотором равновесии, она живет и развивается.

Нелинейность системы означает наличие в ней множества пу­тей ее эволюции. Если изменение параметров системы в сторону хаоса или, наоборот, порядка превышает некий критический пре­дел и система становится все более неравновесной, то в конце концов она становится перед «проблемой выбора», т.е. система подходит к точке бифуркации, к развилке пути. После прохожде­ния этой точки режим жизнедеятельности системы качественно меняется: чтобы не погибнуть, система структурируется по-друго­му. Постепенно она опять обретает относительное равновесие и устойчивость. Здесь речь идет именно об относительном, весьма зыбком равновесии, ибо синергетическая точка зрения на процес­сы, происходящие в природе и мире в целом, характеризуется признанием неустойчивости и нестабильности в качестве фунда­ментальных характеристик мироздания.

Синергетика различает два типа систем — дискретные и жест­кие.

Дискретные системы состоят из более или менее однородных и сравнительно взаимонезависимых, автономных элементов, объ­единяемых только общим отношением к среде. В биологии, на­пример, это системы клеток однородных тканей.

Жесткие системы - это иерархические системы, в них измене­ние одного элемента влечет за собой изменения остальных частей системы. В таких системах элементы разнородны, соподчинены друг другу и теснейшим образом связаны. В биологии это такие органы, как сердце, мозг, любая отдельная клетка организма и весь организм в целом. В социальной сфере это иерархические об­щества. Наблюдение жестких систем в биологии показывает, что основной путь построения жизни и главный способ повышения ее организации связан с жесткими системами. При этом очевидно, что необходимы оба типа систем — каждый на своем месте.

Тесная внутренняя связанность элементов жесткой системы делает их (в отличие от дискретных систем) уязвимыми в случае выпадения хотя бы одного звена, поэтому они не способны к комбинаторике и выработке собственных элементов. Когда сис­тема начинает деградировать, выход для нее состоит в смене спо­соба структурирования.

Выделим характерные черты самоорганизующихся систем:

О самоорганизующаяся система должна быть открытой, потому что закрытая система в соответствии со вторым законом термодина­мики должна прийти в состояние максимальной дезорганизации; о открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации;

О если упорядочиваемым принципом для систем является эволю­ция в сторону их энтропии, то фундаментальным принципом са­моорганизации служит возникновение порядка через флуктуации (случайные отклонения систем от некоторого среднего положе­ния). Роль случайности по отношению к причине увеличивается; 0 в отличие от принципа отрицательной обратной связи, на кото­ром основываются динамические равновесные системы, самоор­ганизующиеся системы опираются на диаметрально противопо­ложный принцип — положительную обратную связь. Согласно Данному принципу, изменения, возникающие в системе, не уст­раняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что приво-

дит в конце концов к возникновению нового порядка и структу­ры;

О процесс самоорганизации сопровождается нарушением симмет­рии. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми из­менениями, приводят к разрушению старых и возникновению но­вых структур;

о самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным числом взаимодействующих между собой элемен­тов, т.е. имеющих некоторые критические размеры.

Поэтому можно сделать вывод: чем сложнее система, тем бо­лее многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Итак, фундаментальность физического познания как основы естествознания проявляется через дуальность теорий и концеп­ций: квантово-релятивистской картины мира; субстанциальной и релятивистской концепций пространства и времени; принципов детерминизма; концепции дополнительности, типизации систем­ности в физическом познании (простые, сложные, синергетиче­ские — саморазвивающиеся) и др. Их решение актуализирует он­тологические, эпистемологические основы физики и естествен­но-научного синтеза в целом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пригожий И., Степгерс И. Порядок из хаоса. М., 2003.

2. Самоорганизация и наука ; под ред. И.А. Акчурина, В.И. Аршинова. М., 1994.

3. Хакен Г. Информация и самоорганизация. М., 1991.

4. Хакен Г. Синергетика. М., 1980.

<< | >>
Источник: Под редакцией проф. Ю.В. Крянева, проф. Л.Е. Моториной. ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ НАУКИ (ФИЛОСОФИЯ НАУКИ) (2-е издание, переработанное и дополненное). 2011

Еще по теме Физика и синергетика:

  1. ФИЗИКА И КОСМОЛОГИЯ АРИСТОТЕЛЯ
  2. СИНЕРГЕТИКА
  3. Основные принципы современной физики
  4. Физика и науки о поведении (physics and the behavioral sciences)
  5. 2. Родь нелинейной динамики и синергетики в развитии современных представлений об исторически развивающихся системах
  6. Проблема детерминизма и причинности в современной физике
  7. Метафизика и физика в классификации Аристотеля
  8. СИНЕРГЕТИКА (от греч. synergos — совместно действующий)
  9. ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ
  10. БИФУРКАЦИЯ — см. Синергетика.
  11. АТТРАКТОР — см. Синергетика.
  12. САМООРГАНИЗАЦИЯ — см. Синергетика.
  13. ЭМЕРДЖЕНТНЫЙ — см. Синергетика.
  14. Смежные информационно-кибернетические науки.
  15. Смежные информационно-кибернетические науки.