Г. Хакен

В предисловии книги Синергетика Г. Хакен писал: одно из самых поразительных явлений и наиболее интригующая из проблем, с которыми сталкиваются учёные, – это спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже хаоса. В повседневной жизни мы встречаемся с подобными явлениями, когда наблюдаем развитие растений и животных. Но возникает вопрос о возможности обнаружения процессов самоорганизации в гораздо более простых системах неживого мира (Хакен 1980: 14).

Известно много примеров Э систем различной природы к единственному состоянию равновесия, однообразия и однородности:

¨ необратимый обмен теплом и выравнивание Т;

¨ диффузия дымового облака и расплывание капли чернил в воде;

¨ движение по инерции и остановка, затухания колебаний маятника;

¨ равномерное распределение молекул и необратимое расширение газа;

¨ химическая реакция, скорость которой при равновесии обращается в 0.

Во всех этих случаях система необратимо эволюционирует к единственному состоянию равновесия, однообразия, однородности. Обратный процесс никогда не наблюдается. Закон возрастания S (меры степени беспорядка) утверждает, что в замкнутой системе S всегда возрастает до своего максимального значения. Классическая термодинамика рассматривает равновесие как конечное состояние термодинамической Э (Хакен 1980: гл.1).

Но если воздействовать на систему извне, можно изменить степень её упорядоченности. Коренной переворот во взглядах на необратимые процессы произошёл лишь недавно, и мы начали понимать конструктивную роль необратимых процессов в физическом мире (Пригожин 1985: 93).

Г. Хакен приводит примеры самоорганизации при фазовых переходах, в которых обнаруживается удивительное сходство.

h Самоорганизация молекул воды. С понижением Т вода переходит от состояния хаотического движения молекул (пар) к упорядоченному движению. В капле расстояние между молекулами уже в среднем сохраняется. В точке замерзания происходит превращение в кристалл льда.

h Самоорганизация “магнитиков” магнита. При нагревании намагниченность исчезает, при охлаждении внезапно появляется снова. При высоких Т “магнитики” (векторы) распределены хаотически, их магнитные моменты, складываясь, взаимно уничтожаются. Макроскопическая намагниченность оказывается равна нулю. При Т ниже критической “магнитики” выстраиваются в определённом порядке, что приводит к появлению макроскопической намагниченности.

h Самоорганизация электронов в металле: в некоторых металлах, сплавах ниже определённой Т электрическое сопротивление внезапно исчезает. Это обусловлено определённым упорядочением электронов в металле.

h Самоорганизация атомов лазера. Твёрдотельный лазер – твёрдый стержень, в который внедрены атомы определённого типа. Каждый атом может возбуждаться действием извне, например, с помощью освещения. После этого атом действует как микроскопическая антенна, испуская цуг световых волн. Процесс излучения длится обычно 10^-8с, и испущенный цуг имеет длину около 3м. Когда в лазер накачивается энергия, происходит следующее. При малых мощностях накачки лазер работает как лампа. Атомные антенны излучают световые цуги независимо друг от друга, хаотично. Но при определённом значении мощности накачки, за порогом, возникает новое явление: похоже, что некий демон заставляет атомы испускать один гигантский свет (цуг), длина которого может быть 300000 км! Лазерная генерация была обнаружена и в межзвёздном Пр.

Что заставляет подсистемы (атомы) вести себя организованно? Какие механизмы, принципы способны объяснить самоорганизацию атомов (атомных антенн)? Если дальше накачивать лазер, внезапно происходит новое явление: стержень регулярно испускает световые вспышки короткой длительности (10^-12с.).

h Неустойчивость Бенара, упорядоченное макроскопическое движение в жидкости при определённом градиенте Т. Когда градиент достигает некоторого критического значения, в жидкости начинается макроскопическое движение. Нагретые области жидкости расширяются, они имеют более низкую плотность и всплывают наверх, охлаждаются и опускаются снова на дно. Движение чётко упорядоченно: наблюдаются либо цилиндрические, либо гексагональные ячейки. В одной точке Пр молекулы поднимаются, в другой – опускаются как по команде. Численное моделирование показывает конкуренцию между тепловым (некогерентным) движением молекул и действием наложенной на систему неравновесной связи.

h Реакция самоорганизации в неорганических химических реакциях, которая легла в основу неравновесной термодинамики И. Пригожина.

Более 40 лет в научном мире известна знаменитая колебательная реакция Белоусова-Жаботинского. Вы смотрите на стакан с красно-лиловой жидкостью, а он вдруг становится ярко-синим. Потом снова красно-лиловым, снова синим. А когда жидкость налита тонким слоем, в ней распространяются волны изменения окраски: образуются сложные узоры, круги, вихри, спирали, или всё приобретает хаотический вид. Эту реакцию открыл в 1951 г. Б.П. Белоусов. И. Пригожин считает работу Б.П. Белоусова научным подвигом ХХ в. Изучил реакцию и сделал её общенаучным достоянием А.М. Жаботинский. На этой реакции основана модель химической самоорганизации, которая легла в основу создания неравновесной термодинамики (Шноль 1997: 144-166).

В реакцию вступают бромат К, малоновая кислота, сульфат Се и лимонная кислота, ионы Сu:

А→2Х (вещество Х образуется из вещества А);

Х является партнёром по кросс-катализу вещества У[42]:

В+Х→У+D (У получается из Х при наличии В);

2Х+У→3Х (а из Х получается У);

2Х→Е.

Вещество (Х) образуется из вещества (А) и превращается в (Е). Концентрации А, В, D, Е – заданы, Х и У – катализаторы. Поведение системы исследуется при возрастающих значениях вещества (В).

Молекулы (Х) дают красный цвет (избыток лантанида Се³⁺), а молекулы (У) – голубой (избыток Сu⁴⁺). До определённого порога ничего не происходит, цвет реакционной смеси с трудом поддаётся описанию: фиолетовый с беспорядочными переходами в синий и красный цвета.

Но как только концентрация вещества (В) переходит критический порог, это стационарное состояние становится неустойчивым фокусом, и система, выходя из этого фокуса, выходит на предельный цикл. Вместо того чтобы оставаться стационарными, концентрации (Х) и (У) начинают колебаться с отчётливой периодичностью, цвет изменяется упорядоченно, реакционная смесь – то синяя, то красная, потом снова синяя и т. д. Поскольку смена окраски происходит через правильные интервалы Вр, мы имеем дело с когерентным процессом.

Ход таких химических часов ориентирован во Вр. Периодические преобразования охватывают миллиарды молекул, Þ, система образует единое целое, каждая часть которого реагирует на поведение остальных частей. Для того чтобы изменить цвет одновременно, молекулы должны, каким-то образом поддерживать связь между собой (Хакен1980:25-27; Пригожин, Стенгерс 1986: 202-203,1999:64-66).

Проблемы, виды и даже болезни самоорганизации в биологических системах рассматриваются в статье Л.И. Иржака Проблемы самоорганизации в биологии: имеются многочисленные примеры того, как самоорганизация на клеточном уровне изменяет характер функционирования целых систем. Клетки-леммоциты проявляют высокую степень сродства по отношению к нервным волокнам. Мембрана этих клеток окутывает участок волокна несколькими слоями. Образующаяся “обмотка” делает невозможным плавное продвижение по волокну потенциала действия, отчего возникает новый способ передачи сигнала, заключающийся в перепрыгивании потенциала действия через участки, перекрытые леммоцитами. Как видно, система возникает не для чего, а почему, в силу определённых физико-химических свойств, присущих подсистемам, взаимодействие между которыми и привело к появлению новой системы. Это общий подход, относящийся в равной степени к неживой и живой природе.

Эритроцит в ходе созревания теряет ядро и приобретает причудливые формы: от округлой до двояковогнутой. Благодаря увеличению поверхности клеток и развитию облегчённой диффузии О внутри клеток появляются новые функциональные свойства таких клеток, подхваченные Э в качестве благоприятных для организма.

К явлениям самоорганизации на уровне целого организма следует отнести инстинктивные поведенческие реакции. Они выполняются благодаря унаследованным особенностям строения органов и систем, начиная с молекулярного уровня. С позиций самоорганизации нет принципиальной разницы между взаимодействием молекул и организмов любой степени сложности (Иржак 2001: 63-79).

Известно множество других примеров самоорганизации неживой и живой материи, возникновения коллективного движения, спонтанного нарушения пространственной симметрии. Но существует множество явлений самоорганизации, которые удивительно похожи:

h гексагональная решётка типа ячеек Бенара и способ пространственной организации системы городов в Южной Германии;

h крупномасштабные вихри в атмосфере Юпитера и рисунки янтаря;

h ячеистые структуры Бенара и соты пчёл; типичный вид “улиц”, образующихся в облаках;

h отбор биологических видов подчиняется тем же самым законам, что и, например, селекция лазерных мод;

h волновая картина (спиральные или концентрические круги) хемотаксической активности в плотных клеточных слоях слизевика (многоклеточный организм) поразительно похожа на картину волн химической концентрации;

h симбиоз двух популяций с их источником питания может быть описан системой трёх дифференциальных уравнений, которые используются для моделирования погодных явлений в метеорологии;

h вихри Тейлора (упорядоченные вращающиеся жидкие массы) и звёзды (Хакен 1980: гл.1; Шупер 1995; Майнцер 1997; Пригожин, Стенгерс 1999: 59-67).

Исследованием поведения таких сложных систем, выявлением общих законов их самоорганизации и занимается синергетика. Основной вопрос синергетики: существуют ли общие принципы, управляющие возникновением самоорганизующихся структур, функций? Г. Хакен выделяет следующие ключевые положения, раскрывающие сущность синергетики.

h Синергетика занимается изучением сложных систем, состоящих из большого числа подсистем, сложно взаимодействующих друг с другом. Хакен рассматривает примеры самоорганизации из физики, химии, биологии, теории вычислительных систем, экономики, экологии, социологии и политологии.

h Слово синергетика означает совместное действие, подчёркивая согласованность функционирования подсистем, отражающуюся в поведении системы как целого.

h Синергетика как постнеклассическое междисциплинарное направление в науке исследует поведение сложных систем разной природы (природных и искусственных, физических и биологических, экономических и социальных), выявляет общие законы самоорганизации. При рассмотрении физических и химических, биологических и социальных систем речь идёт об открытых системах, далёких от равновесия.

h Синергетику интересуют общие законы Э, поскольку системы, которые изучает синергетика, являются нелинейными. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям и могут стать нестабильными.

h При определённых условиях в системе образуются качественно новые функциональные структуры.

h Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими. Система может переходить из однородного, недифференцированного состояния в неоднородное, но упорядоченное состояние. Выяснилось: множество систем нашего организма работают в хаотическом режиме, хаос часто выступает как признак здоровья, а излишняя упорядоченность – как симптом болезни. Порядок неотделим от хаоса (Капица и др. 1997: 27-28).

h Во многих случаях возможна математизация, что доказывает общность процессов, протекающих на разных уровнях Универсума. Оказалось: в природе существует всего несколько универсальных сценариев перехода порядок–хаос. Можно изучать самые разные явления, писать разные уравнения и получать одни и те же сценарии (Интервью с Г. Хакеном 2000: 53-55).

Синергетика призвана играть роль метанауки, “философии №3” (после философии как общей теории развития и теории информации). Синергетика возникает не на стыках наук, а извлекает интересующие её системы из самой сердцевины предметной области частных наук, и исследует эти системы, не апеллируя к их природе. В.И. Аршинов в заключение своей книги Синергетика как феномен постнеклассической науки пишет: синергетика ориентирована на создание контекстов междисциплинарного сотрудничества и диалога. В компромиссном уходе от конфронтации и споров, порождаемых бинарным мышлением посредством оппозиции, возникает самосогласованный взгляд на синергетику как своего рода метамодель междисциплинарной коммуникации (Аршинов 1999).

Особенностью развития современной науки является перенос синергетических методов из области точного Е в гуманитарные области науки, традиционно считавшиеся далёкими от математики. В статье А.П. Назаретяна Синергетика в гуманитарном знании: предварительные итоги говорится о значении синергетики для объединения Е и гуманитарных наук. В книге Синергетика и прогнозы будущего с позиций нелинейной науки, синергетики рассматриваются проблемы создания теоретической истории, настоящего и сценарии будущего (Хакен 1985: гл.1; Князева, Курдюмов 1994; Данилов 1997: 5-11; Капица и др. 1997; Назаретян 1997).