Сучасні наукові концепції будови матерії приписують їй властивості динамізму, розвитку, еволюційний характер. Наукового світогляду, по крайней мере, з XIX століття, була притаманна ідея розвитку. Але після відкриття Кельвіном і Клаузиусом другого закону термодинаміки панувало досить песимістичний уявлення, що базовим станом матерії є стан термодинамічної рівноваги (хаосу) - найпростішого з усіх можливих станів системи, що не обмінюється енергією і речовиною з навколишнім середовищем. Панівною тенденцією матерії вважалося прагнення до руйнування спонтанно виникла впорядкованості
(В результаті випадкової малоймовірною флуктуації) і повернення до вихідного хаосу. Отже, упорядкований стан речовини, яке спостерігається в доступній частині Всесвіту, виникло випадково. А життя, як найвища з усіх відомих науці форм впорядкованості, тим більше випадкова і протиприродна. Це підтверджувала, поширена в XIX столітті в космології модель стаціонарного Всесвіту. Що ж змусило змінити цей, здавалося б, непорушний погляд на розвиток, прийти до ідеї самоорганізації матерії, яка проникла в науковий світогляд у другій половині ХХ століття і докорінно змінила старі погляди на матерію і процеси її розвитку?
Витоки ідеї самоорганізації систем. Ця ідея породжена збільшенням числа досліджень в різних областях природознавства, присвячених кооперативним ефектів у відкритих нерівноважних системах. Спочатку в 60-х роках ХХ століття такі дослідження проводилися незалежно в різних дисциплінах, пізніше (в 70-х роках) вони стали предметом порівняння, і в них виявилося багато спільного.
синергетика (Г. Хакен); термодинаміка нерівноважних процесів (І. Пригожин); концепція еволюції органічних молекул (М.Ейген); концепція еволюції відкритих каталітичних систем (А.П.Руденко); теорія катастроф (Р.Тома).
Синергетика за визначенням її творця, німецького фізика Г.Хакена займається вивченням систем, що складаються з багатьох підсистем самої різної природи, таких як електрони, атоми, молекули, клітини, нейтрони, механічні елементи, фотони, органи тварин і навіть люди ... Це наука про самоорганізацію складних систем, про перетворення хаосу в порядок.
У синергетики виникнення упорядкованих складних систем обумовлено народженням колективних типів поведінки під впливом флуктуації, їх конкуренцією і відбором того типу поведінки, який виявляється здатним вижити в умовах конкуренції. Як зауважує сам Хакен, це приводить нас в певному сенсі до свого роду узагальненому дарвінізму, дія якого поширюється не тільки на органічний, але і на неорганічний світ. Самоорганізація, по Г.Хакену, - це «спонтанне утворення високоупорядоченних структур із зародків або навіть з хаосу». Перехід від неврегульованого стану до впорядкованого відбувається за рахунок спільного і синхронного дії багатьох підсистем (або елементів), що утворюють систему.
Г.Хакен виділив кооперативні (колективні) процеси у всіх самоорганізуються. Спочатку сферою докладання синергетики Г.Хакена була квантова електроніка та радіофізика. Яскравим прикладом самоорганізації може служити система, вивчена їм, - лазер.
Г.Хакеном звернуто увагу на те, що при накачуванні лазера світловий енергією в певний момент хаотичні спочатку коливання його атомів змінюються більш впорядкованими та когерентними. Поки потужність накачаної енергії мала, атоми в кристалі порушуються неузгоджено і випромінюють світлові мікрохвилі теж розрізнено за часом і напрямком.
В цьому випадку лазер випромінює розсіяне світло, як освітлювальна лампа. Але коли накачування енергією активної речовини лазера досягає порогового значення потужності, то все порушені в кристалі атоми - антени раптово починають випромінювати світло синхронно і однонаправленно, і від складання безлічі мікроізлученій утворюється один потужний потік світла, лазерна установка переходить в режим генерації. Тобто при генерації лазерного променя в атомній системі кристала відбувається самоорганізація.
Такого роду взаємодії, що призводять до кооперативному поведінки елементів системи, Г.Хакен назвав синергетичними, тобто узгодженими, спільними.
Іншими прикладами кооперативних ефектів можуть бути: колективно вишиковуються однакові орієнтації елементарних магнітних моментів в ферродінаміке; коллек-
тивно і узгоджено самоорганізуються вихори всередині рідини, які породжують видиму на макроскопічному рівні турбулентну структуру і т.п.
За Хакену, об'єкт вивчення синергетики - самоорганізована система - незалежно від його природи, повинен володіти такими ознаками:
Відкритість - обов'язковий обмін енергією і (або) речовиною з навколишнім середовищем. Відкритість системи означає наявність у ній джерел надходження і стоків виходу речовини, енергії та інформації;
Відкритість - вихідна умова самоорганізації. Поняття відкритості пов'язане з поданням про відносини системи або елементів системи з зовнішнім середовищем, яку складають інші системи або елементи і продукти їх взаємодії. Відкритими відносини вважаються тоді, коли є вільний багатосторонній обмін речовиною, енергією та інформацією. Системи, які не здатні до обміну, визначаються як закриті. Абсолютно закритих систем в природі немає. Кожна система реагує на зовнішній вплив і щось віддає середовищі, хоча б у вигляді продуктів свого розпаду. До умовно закритим системам ставляться строго відмежовані освіти з жорсткими внутрішніми і зовнішніми зв'язками, обмежені в поведінці і діях настільки ж жорстким регламентом. Синоніми закритос-
ти - обмеженість, несвобода.
Згідно з другим законом термодинаміки, в закритій системі ентропія (міра безладдя) може тільки зростати, тобто порядок з часом зменшується і, нарешті, зникає (що означає розпад, крах самої системи). Відповідно, до саморозвитку така система не здатна. Вона прагне тільки до самозбереження, але і ця можливість зменшується в міру неминучого разупорядочения.
Відкриті системи здатні до зменшення ентропії за рахунок її експорту, тобто виведення в зовнішнє середовище. Однак, відкритість - також поняття умовне. Якщо система регулярно обмінюється ресурсами (активностями) із середовищем і при цьому їх «прихід» еквівалентний «виходу», така система в рівному співвідношенні обмінюється і ентропією, яка протягом певного часу залишається в постійному значенні і, відповідно, підвищення складності і організованості системи не відбувається.
Оптимально для життєздатності і внутрішнього розвитку відкрита та система, яка нарощує як приплив активностей, так і їх внутрішнє виробництво з обміном на користь припливу. Ентропія системи зменшується і, відповідно, організованість зростає. Однак, зростаюча при цьому складність системи і наростаючий експорт ентропії (дезорганізація середовища) призводять і цю систему в нестійкий стан і змушує її трансформуватися. У стані граничної нестійкості система стає відкритою в повному синергетичному розумінні відкритості, коли для обміну ресурсами система відкрита в кожній своїй точці і її елементи готові до кооперації в нових порядках.
Оскільки будь-яка система, незалежно від ступеня її від-
відкритість в різних організаційних станах, рано чи пізно приходить в точку граничної нестійкості, в цій точці, в момент трансформації все системи стають відкритими.
Істотна неравновесность, нелінійність - що виражає мінливість, різноманіття, нестійкість, відхід від положень рівноваги, наявність коливань і досягається при певних станах і при певних значеннях параметрів, що характеризують систему, які переводять її в критичний стан, що супроводжується втратою стійкості. Там, де настає рівновага, самоорганізація припиняється;
Нелінійність - це нееквівалентність минулого майбутнього системи. Лінійні відносини - це еквівалентність сигналу і відповіді на нього. Вони характерні для лінійних систем, в яких діє принцип суперпозиції, тобто спрощено - результат пропорційний зусиллям. Такі відносини спостерігаються поблизу точки статичної рівноваги. Щоб одним рухом викотити куля з дна поглиблення на його схил і потім на перевал до іншого поглибленню, необхідні значні зусилля, пропорційні крутизні схилу. Якщо його розгойдувати, то при достатній розмаху лінійні коливання стають нелінійними, що повертає сила починає спадати і куля вискакує з поглиблення на перевал (в точку нестійкої рівноваги). Нелінійність порушує принцип суперпозиції: результат суми впливу не дорівнює сумі їх результатів, тобто незначними зусиллями можна здійснити великі перетворення. Звідси, на відміну від лінійної екстраполяції, складність прогнозування нелінійного поводження системи.
Нестійкість - стан готовності системи до змін і момент вибору їх напрямки. У синергетики часто для ілюстрації стан нестійкості використовується модель маятника. Вільно хитний маятник поступово зменшує амплітуду коливання і зупиняється в критичній нижній точці (абсолютна рівновага). Якщо подавати на маятник енергію порціями або встановити межі коливань, це буде модель закритої системи, що знаходиться в рухомому рівновазі. Якщо приплив енергії збільшувати (додатковий вантаж до тягне гирьки) і усунути обмежувачі, маятник прийде в обертовий рух і при припиненні подачі енергії може зупинитися в перевернутому положенні, тобто у верхній точці кола руху (нестійка рівновага).
Для виведення маятника з абсолютної рівноваги і збільшення амплітуди коливань біля нижньої точки стійкості потрібно досить виражене зусилля. У стані нестійкої рівноваги він готовий впасти вправо або вліво при найменшому впливі або навіть випадкових теплових коливань матеріалу маятника.
У точці нестійкої рівноваги система дійсно відкрита і високочутлива до малих сигналах. Такі точки нестійкості і відкритості є і точками вибору (вправо або вліво). У синергетики вони називаються точками біфуркацій (буквально двузубая вилка - по числу альтернатив, яких в інших моделях може бути і більше). Таким чином, відкритість, нестійкість і біфуркація характеризують момент переходу системи в нову якість.
Вихід з критичного стану стрибком, в процесі типу фазового переходу, в якісно новий стан з більш високим рівнем впорядкованості.
Критичний стан - це стан крайньої нестійкості, що досягається відкритої нерівноважної системою в ході попереднього періоду плавного, еволюційного розвитку.
Стрибок - це вкрай нелінійний процес, при якому малі зміни параметрів системи (зазвичай вони називаються керуючими параметрами) викликають дуже сильні зміни стану системи, її перехід в нову якість.
Наприклад, при зниженні температури води до певного значення вона стрибком перетворюється на лід. Близько критичної точки переходу досить змінити температуру води (керуючий параметр) на частки градуса, щоб викликати її практично миттєве перетворення в тверде тіло.
Подібні ж процеси є в хімії - змішування рідин різних кольорів, коли поперемінно виходить рідина то червоного, то синього кольору (реакція Бєлоусова-Жеботінского);
в біології - м'язові скорочення, електричні коливання в корі головного мозку, явище морфогенезу (окремі клітини бувають тільки недиференційованими, спеціалізація розвивається у відповідному оточенні інших клітин), динаміка популяцій (тимчасові коливання чисельності видів) і т.д.
Динамічна ієрархічність - основний принцип проходження системою точок біфуркації і формування нового порядку. Цей принцип описує виникнення нової якості системи по горизонталі, тобто на одному рівні, коли повільне зміна параметрів порядку мегарівня призводить до біфуркації, нестійкості системи на макрорівні і перебудові його структури. Включення в схему мікрорівня дозволяє описати процес зникнення і народження в точці біфуркації макрорівня. У цій точці колективні змінні, параметри порядку макрорівня повертають свої ступені свободи в хаос мікрорівня, розчиняючись в ньому. Потім в безпосередній взаємодії мега - і мікро-рівнів народжуються нові параметри порядку оновленого макрорівня. Процес народження параметрів порядку: «керуючі сверхмедленного параметри мегарівня» + «короткоживучі змінні мікрорівня» = параметри порядку, структурообразующие довгоживучі змінні мезо (макро) -рівня. Мить між минулим і майбутнім - точка біфуркації на мікрорівні є цілою епохою змін-трансформацій. Саме тут відбувається вибір альтернатив розвитку макрорівня.