Учебник для 11 класса

Естествознание

§ 37. Синергетика

Перечислите миры, в которых мы живём, приведите примеры объектов каждого мира.
Вспомните, что такое самосборка и какую роль она играет в живой природе и нанотехнологиях.
Дайте определение понятия «энтропия».

В течение почти двух лет на уроках естествознания вы осваивали наиболее общие законы природы. И наверняка задавались вопросом: для чего? Что нам даёт знание основных закономерностей протекания физических, химических, биологических процессов, их сочетание в реальных природных явлениях, в окружающей действительности? Очевидно, совместно с учителем вам удалось найти ответы на эти вопросы.

Знание законов естествознания нам необходимо для прогнозирования результа тов того или иного явления, использования этих законов для получения практической пользы или выгоды. Например, понимание закономерностей протекания окислительно-восстановительных реакций и овладение законами электродинамики позволило создать целый спектр химических источников тока и несметное множество устройств и механизмов, работающих на аккумуляторах или батарейках.

Предсказывать конечный результат процессов в несложных системах нам помогает знание того факта, что многие эти процессы протекают самопроизвольно в направлении увеличения энтропии (наибольшего беспорядка, хаоса), в направлении выравнивания параметров состояния отдельных частей системы, что в конечном счёте приводит неравновесную систему в положение равновесия. Проиллюстрируем сказанное несколькими примерами.

Пример первый. В закрытом помещении разбился флакон с духами. Давайте спрогнозируем последствия. Легколетучие жидкости, образующие композицию духов, достаточно быстро испарятся. Вначале концентрация их паров над местом разлива будет больше, чем в отдалённых углах по мещения. С течением времени под действиемградиента (разности) концентрации веществ в воздухе молекулы компонентов духов равномерно распределятся по всему объёму комнаты, энтропия достигнет максимального значения, система придёт в состояние равновесия. Как долго продлится это равновесие? Ответ опять же несложен: бесконечно долго, до тех пор, пока система не перестанет быть закрытой и испытает воздействие извне, например пока кто-то не откроет дверь или форточку.

Пример второй. Раскалённую сковороду поставили с плиты на стол. Нетрудно предположить, что произойдёт в течение ближайших часа-двух. Самопроизвольно металл начнёт остывать, его температура уменьшаться, а окружающий воздух будет нагреваться. Процесс идёт в направлении выравнивания ключевого параметра — температуры — до тех пор, пока значение этого параметра для сковороды и окружающего воздуха не станет одинаковым: система придёт в состояние равно ве сия.

Пример третий, более сложный. Вы посадили во дворе саженец берёзы. С большой долей вероятности вы можете предсказать его дальнейшую судьбу. Поначалу деревце расти будет медленно — по 20— 25 см в год. Через 3—4 года его коричневый ствол покроется нарядной белой корой — берёстой. Каждую весну, примерно в апреле, на ветвях вашей берёзки будут появляться пушистые серёжки — мужские и женские цветки. А каждую осень яркая зелень листвы будет сменяться прекрасным золотистым кружевом, облетающим с наступлением холодов. Через десять лет дерево обретёт силу и мощь, начнёт быстро расти и развиваться. К закату своей жизни, лет через 120, достигнет высоты около 35 м, ствол увеличится в диаметре до 45—50 см, а нижняя часть ствола станет почти чёрной.

Неужели в природе, в окружающей нас действительности всё так предсказуемо и скучно, остаётся только ждать «выравнивания параметров» и «достижения бесконечно длящегося равновесия»?

Оглянитесь вокруг, и вы поймёте, что это не так. На самом деле реальная жизнь удивительна и непредсказуема! К счастью, озоновый слой планеты, вопреки «желаниям» энтропии, не растворяется во всей массе атмосферы, а потому продолжает выполнять спасительную роль защитного экрана от ультрафиолетового излучения Солнца. За миллиарды лет температура на Земле, не говоря уже о всей Вселенной, не выровнялась: в январе жители Северного полушария по-прежнему кутаются в шубы, а жители Южного спасаются от зноя в прохладных водах морей и океанов. Берёзовая роща может не одно столетие радовать глаз, а может исчезнуть с лица земли за неделю под визг бензопил и рёв бульдозеров.

Почему-же не удаётся точно предопределить события окружающей действительности, явления природы? Почему одни виды живых организмов вымирают и попадают в Красную книгу, а с увеличением численности других человечество борется всеми доступными средствами? Как научиться предсказывать стихийные бедствия до их наступления? Какие законы управляют развитием человеческого общества?

Дело в том, что большинство изученных нами естественно-научных законов применимы лишь для сравнительно несложных систем, часто закрытых (т. е. таких, которые не могут обмениваться с окружающей средой веществом или энергией), в которых протекают простые процессы и явления, условно называемые линейными.

Реальные объекты природы, а тем более человеческое общество — несравненно более сложные системы. Их состояние не просто далеко от состояния равновесия, а может самопроизвольно от такого состояния удаляться. Здесь могут протекать процессы с уменьшением энтропии, существенную роль играют влияния извне, случайности (флуктуации).

Означает ли это, что познание окружающего мира в принципе невозможно, что не существует объективных законов развития и попытки создать единую естественно-научную картину мира обречены на про вал?

Лишь в XX в. учёные дали ответ на этот непростой вопрос. В 80-х г. прошлого века возникла наука, которая получила название синергетика (в переводе с греч. «совместная деятельность»).

Синергетика — междисциплинарное направление науки, изучающее общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и др.) на основе присущих им принципов самоорганизации.

Как следует из определения, синергетика носит интегрирующий характер, объединяя общими законами разные науки: физику, химию, биологию, психологию, социальные науки, астрономию, философию и т. д. Синергетика впервые сформулировала универсальные законы эволюции, справедливые как для неодушевлённого, так и для живого мира и социума.

Автор термина «синергетика» — Герман Хаккен — исследовал механизмы процессов, происходящих в лазерах, и обнаружил, что частицы, составляющие активную среду такой его части, как резонатор, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться с ним в одной фазе. В результате устанавливается согласованное взаимодействие, приводящее, в конце концов, к коллективному поведению (т. е. самоорганизации).

В приведённом выше определении встретилось ещё одно незнакомое вам слово — самоорганизация. Что же понимается под самоорганизацией сложных систем?

Казалось бы, те многочисленные нелинейные процессы, тот хаос, который царит в неравновесной системе, должны рано или поздно привести к её распаду. Однако этого не происходит. Парадоксально, но хаос рождает прямую противоположность себе — порядок.

Самоорганизация — это процесс упорядочения элементов сложной неравновесной системы за счёт внутренних факторов без внешнего воздействия.

Не очень корректной, но показательной моделью самоорганизации может служить обыкновенный муравейник. На первый взгляд движение насекомых сумбурно и беспорядочно, но каждый муравей выполняет строго определённую функцию, и хаос рождает самоорганизующуюся систему.

Одним из основоположников синергетики по праву считается бельгийский физик и химик, лауреат Нобелевской премии (1977), выходец из России Илья Романович Пригожин (1917—2003). С детства он хорошо знал французский язык, учился музыке, увлекался биологией. Ещё в юности Пригожин понял, что биологию нельзя понять без химии, а химию без физики. В 1940 г. после окончания Брюссельского университета стал заниматься научными исследованиями в области неустойчивых процессов. Зная, что неравновесие всегда переходит в равновесие, в своих изысканиях Пригожин одним из первых доказал, что из хаоса в природе самопроизвольно может возникать порядок.

Синергетика исходит из того, что, в отличие от закрытых термодинамических систем, которые стремятся к состоянию равновесия и усреднению параметров состояния, сложные неравновесные многоэлементные и многофакторные системы (живые организмы, экосистемы, общественные группы и др.) за счёт притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, случайных событий и других факторов могут развиваться в неравновесном направлении, иметь несколько устойчивых состояний, способны к усложнению и самоорганизации. Самоорганизация и является механизмом происходящей в природе и обществе эволюции: от простого к более сложному, более совершенному.

Для любых сложных систем, будь то неодушевлённые (например, геологические), одушевлённые (например, популяция живых организмов) или социальные (например, государство), справедливы наиболее общие принципы синергетики. Рассмотрим некоторые из них.

Природа иерархически структурирована в несколько видов открытых нелинейных систем разных уровней организации. Изученные нами ранее биогеоценозы (вспомните, что это такое) являются ярким примером таких систем, относительно стабильных в небольшом про межутке времени и эволюционирующих в течение длительных временных отрезков.
В сильно неравновесных состояниях системы начинают воспринимать те факторы воздействия извне, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии. Вам известно, что в первом десятилетии XXI в. по странам Ближнего Востока и Северной Африки прокатилась волна так называемых «цветных революций». В сложный для этих государств период падения экономического потенциала, обострения межнациональных и межрелигиозных конфликтов, появления мощных оппозиционных сил (сильно неравновесное состояние) достаточно было небольшого внешнего толчка (например, вмешательства иностранного государства, экономические санкции), чтобы ситуация обострилась до вооружённого противостояния, свержения действующей власти, радикальных преобразований в стране. В стабильных условиях существования государства такие внешние воздействия, напротив, часто сплачивают население и укрепляют национальное единство.
В состояниях, далёких от равновесия, начинают действовать бифуркационные механизмы. Что это такое? Проиллюстрируем это понятие на простой модели.
Представьте себе расположенную на столе в виде чашки полусферу, например разрезанный напополам резиновый мяч. По стенке полусферы пустим металлический шарик (рис. 157, а). Нетрудно предсказать, что шарик будет совершать колебательные движения по стенке полусферы через нижнюю её точку до тех пор, пока не остановится в ней. В такой системе действуют все известные вам законы физики и термодинамики. Даже если вы попытаетесь оказать на систему небольшое внешнее воздействие (например, качнёте полусферу или подуете на шарик), конечный результат от этого не изменится.

Рис. 157. Система стремится к состоянию равновесия (а); система находится в состоянии не определённости (б)
Теперь перевернём полусферу и установим шарик на её верхнюю точку. Система находится в крайне неустойчивом состоянии. В синергетике его называют точкой бифуркации (от лат. bifurcus — раздвоенный), т. е. состоянием неопределённости, после которого возможны различные варианты дальнейшего развития системы вплоть до относительно стабильных состояний — аттракторов (от англ. to аttract — привлекать, притягивать). Стоит только произвести на систему небольшое внешнее воздействие — стукнуть по столу, задеть полусферу, помахать веером, — и шарик скатится в одном из множества возможных направлений, часто не предсказуемых (рис. 157, б). В своеобразной точке бифуркации находится и знаменитый васнецовский «Витязь на распутье» (рис. 158).

Рис. 158. В. М. Васнецов. Витязь на распутье. 1877
При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все развивающиеся системы ведут себя одинаково. Этот очень важный принцип позволяет не только качественно описывать развитие сложных систем, но и использовать обобщённый математический аппарат синергетики. Понятно, что без количественной составляющей синергетика не смогла бы развиться в полноценную науку. Особенно ценны количественные оценки в одном из направлений синергетики — теории катастроф.

Конечно, математический аппарат синергетики, основанный на принципах теоретической физики, нелинейной и неравновесной термодинамики, математической статистики, очень сложен, и мы не будем вас с ним знакомить. Вместе с тем вы получили первое представление о синергетике — современной науке о самоорганизации физических, биологических и социальных систем, науке об универсальных законах эволюции Природы. Теперь, когда вы услышите непривычные термины «бифуркация» или «аттрактор», вы не будете поспешно менять тему разговора, а сможете высказать своё достаточно компетентное мнение.

Однако специалисты предупреждают, что интенсивное внедрение модных подходов синергетики в науки, особенно в общественные, чревато появлением необоснованных утверждений, выдаваемых за научные, и отрицанием исторически наработанных положений, понятий и методов конкретных наук. Такое формальное и поверхностное «обращение к синергетике», по мнению одного из видных специалистов в этой области, Г. Н. Дульнева, грозит стать массовым и породить сообщество взаимно довольных, друг друга поддерживающих и никем не критикуемых деятелей, занимающихся схоластической псевдонаукой.

В заключение отметим, что единство мира требует и единства науки. Синергетика объединяет различные ветви не только естествознания, но и гуманитарной сферы. В современном естествознании происходят интенсивные процессы гуманизации, а в гуманитарных науках всё более принимается логика естественных наук.

В процесс самоорганизации обычно вовлечено множество объектов, и протекающие в системе процессы зависят от их совокупного, совместного действия.

Еще раз напомним, что окружающий нас мир можно рассматривать на нескольких структурных уровнях:

на мегауровне, или уровне мегамира, — мир галактик, звёзд и других небесных тел;
на макроуровне, или уровне макромира, — мир окружающих нас объектов и предметов;
на микроуровне, или уровне микромира, — мир молекул, атомов и элементарных частиц.

Распределение и структуру материи на мегауровне изучает астрофизика, на макроуровне — физика твёрдого тела, физика жидкостей и газов, на микроуровне — атомная, ядерная физика, физика элементарных частиц. Следовательно, изучение материального мира начинается с рассмотрения физической формы движения материи, которая эволюционирует в химическую и далее в биологическую и социальную. Единство этих форм и рассматривает синергетика — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных и социальных явлений на основе самоорганизации систем.

При внимательном рассмотрении окружающего нас мира мы часто задаём себе вопросы, на которые неможем чётко и мотивированно ответить. Например: почему фундаментальные законы физики не могут предсказать поведение биологических объектов? Почему целое может обладать свойствами, которыми не обладает ни одна из его частей? Почему существующие в природе системы так сильно отличаются от тех, которые созданы руками человека? Совсем недавно эти вопросы можно было отнести лишь к области философии. Сейчас они встают при решении конкретных задач в области физики, химии, биологии и др. На эти и многие другие вопросы пытается ответить новая наука — синергетика.

Завершая курс естествознания, последний параграф учебника мы посвятим красоте — красоте окружающего нас мира и воплощению её в произведениях искусства, многовековым поискам гармонии художниками, зодчими, ваятелями. И найдём подтверждения и доказательства, что наука и искусство всегда и во всём тесно связаны, обогащая и дополняя друг друга.

Теперь вы знаете

что такое синергетика и самоорганизация сложной системы
принципы, которым подчиняется это интегрированное научное направление
какую роль играет синергетика в изучении природных и социальных явлений

Теперь вы можете

описать уровни организации материального мира и разделы физики, которые их изучают
сформулировать, что такое синергетика и самоорганизация сложной систе мы
раскрыть значение синергетики для познания материального мира и социального развития общества

Выполните задания

Покажите, как синергетика связана с естественными и гуманитарными науками.
Установите основное отличие процессов, протекающих в простейших термодинамических системах, от процессов, происходящих в сложных неравновесных системах. Что такое самоорганизация сложной системы?
Назовите и проиллюстрируйте примерами несколько основных принципов сине ргети ки.
Смесь азота и водорода ввели в соприкосновение с нагретым катализатором. Напишите уравнения возможных химических реакций, зная, что синтез аммиака из азота и водорода является обратимым процессом. Спрог нози руй те по ведение систе мы с те че ни ем вре ме ни.
В неком государстве в результате выборов к власти пришла оппозиция. Можно ли рассматривать сложившуюся ситуацию как точку бифуркации? Спрогнозируйте возможные пути развития событий в этой стране. Опишите наиболее реальные аттракторы.
Вспомните отрывок из поэмы А. С. Пушкина «Руслан и Людмила». Соперники одной дорогой
Назовите имена этих «соперников». Куда и зачем они скачут? Дайте характеристику ситуации, описанной в отрывке, с позиции синергетики.