Синергетика – наука о зарождении порядка из хаоса

Несмотря на беспорядочное движение частиц, атомов, молекул в природе нет и не может быть абсолютного рав­новесия.

В чем, кстати, легко убедиться на простейшем экспери­менте. Если смешать шары двух цветов в коробке и час­тым встряхиванием довести эту физическую систему до полной энтропии, то в любой части коробки окажется оди­наковое число шаров обоих цветов. Это и будет равномер­ное распределение.

Однако при увеличении числа шаров будет расти и слу­чайность их распределения в отведенном пространстве. Если довести их количество до одной или нескольких ты­сяч, то легко будет обнаружить методом взятия пробы в любой части коробки некоторую разницу в количестве шаров.

Например, можно найти один лишний шар, который бу­дет образовывать пару с другим. Пара — это уже система, упорядоченность. Число шаров в пределах 10—100 тыс. даст большое количество пар. Именно таким образом слу­чай, определяющий вероятностный характер энтропии, при­водит к самопроизвольному возникновению отдельных упорядоченностей среди сплошного хаоса.

В работах величайшего ученого 20-го века И. Пригожина доказывается: при определенных условиях уменьшение энтропии в случайной зоне упорядоченности за счет притока вещества и энергии извне может превысить ее внутреннее увеличение. Появляется неустойчивость внутреннего состояния, что повышает вероятность новых флуктуаций. Так, из хаоса могут возникать структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные. Еще раз вернемся к примеру с сосудами и смесью газов. Случайно возникающие флуктуационные потоки теплого воздуха все чаще выводят нашу систему из упорядоченного состояния. Все больше молекул за счет увеличивающейся скорости оказывается в трубке на пути от холодного сосуда к теплому (упорядоченность стала меньше – энтропия выросла). При этом молекулы с более высокой скоростью оказываются ближе к теплому сосуду, чем молекулы с меньшей скоростью (возникла новая зона упорядоченности – флуктуация). В результате, в трубке между сосудами возникает новая зона упорядоченности: линейно изменяющееся соотношение быстрых и медленных молекул одного и другого газа, а значит, и температура трубки будет понижаться с линейной закономерностью от теплого сосуда к холодному. Какой будет эта линейная закономерность? Наиболее вероятной будет та, при которой нагревание воздуха вокруг системы будет наиболее равномерным, и, следовательно, вероятность непредсказуемых флуктуационных потоков воздуха, выводящих систему из упорядоченного состояния, уменьшится. Таким образом, при увеличении беспорядка в системе возникла новая упорядоченная подсистема, позволяющая поддерживать неравномерное распределение газов между сосудами, нарушенное флуктуациями в окружающей среде. При этом из множества вариантов линейной упорядоченности в этой подсистеме естественным путем отбирается не та, что делает всю систему максимально упорядоченной с максимальным разделением газов, а та, что при сохранении определенной степени разделения сводит к возможному минимуму флуктуации внешней среды, способные нарушить эту упорядоченность. То есть, из множества возникающих в хаосе систем, сохраняется та, чей выброс энтропии во внешнюю среду минимален. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы. При этом энтропия системы убывает. Внешнее воздействие на стационарную систему может нарушить сложившуюся упорядоченность, что приведет к повышению вероятности флуктуаций в системе. Причем, если сила внешнего воздействия такова, что система не может восстановить стационарное состояние на новом уровне, система выходит из зоны аттрактора и переходит в зону или состояние бифуркации, характеризующееся резким увеличением энтропии, а значит, и вероятности флуктуаций.В результате этих флуктуаций система может эволюционировать в новое стационарное состояние с обновленной более упорядоченной структурой, позволяющей сохранять зону аттрактора (стационарное состояние) при тех же внешних воздействиях, которые вывели из нее предшествующую систему. Однако увеличение порядка в наблюдаемой нами системе сопровождается соответствующим увеличением беспорядка в надсистеме, являющейся для изучаемой системы внешней средой. В результате увеличения энтропии в надсистеме в свою очередь растет вероятность флуктуаций и формирования на их основе упорядоченных стационарных структур, а также и число и разнообразие факторов, способных вывести наблюдаемую систему из ее уже качественно нового стационарного состояния вновь в состояние бифуркации. Таким образом, во всех природных системах (начиная со Вселенной, наиболее глобальной из известных науке, для которой все остальные являются подсистемами различного иерархического уровня) идет постоянное чередование стационарного состояния и состояния бифуркации. В результате состояния бифуркации отдельные системы могут полностью разрушаться или за счет флуктуаций эволюционировать в более сложные и преобразовываться в структурно новые системы большей упорядоченности и меньшей энтропии. То есть, идет непрерывный процесс совместной эволюции (коэволюции) всех систем в направлении формирования структур, позволяющих сохранять стационарное состояние, несмотря на рост разнообразия и силы воздействия факторов, выводящих систему из этого состояния. При этом целью эволюции и естественного отбора является сохранение устойчивости надсистемы или более глобальной системы в целом, а не максимальная устойчивость отдельной упорядоченной структуры. В результате формируются системы, сохраняющиеся в стационарном состоянии все более длительное время и все реже переходящие в состояние бифуркации. Так, возникновение, а затем формирование все более сложных и устойчивых форм жизни сопровождалось ростом химической и физической стабильности внешних геосфер Земли. Для понимания процесса эволюции природных систем необходимо учитывать, что в основе эволюции лежит случайность флуктуаций и, следовательно, в состоянии бифуркации прогноз направления дальнейшей эволюции и преобразования системы невозможен. Тем же случайным характером флуктуаций обусловлен необратимый и неповторимый характер эволюции природных саморегулирующихся систем. Иерархический порядок природных систем, при котором каждая малая система является частью крупной, приводит к тому, что по мере объединения компонентов в более крупные функ­циональные единицы на новых ступенях иерархической лестни­цы возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущих ступенях. Эти свойства нельзя предсказать исходя из свойств компонентов, составляющих новый уровень. Этот принцип по­лучил название эмерджентности. Суть его: свойства целого не­возможно свести к сумме свойств его частей. Например, водород и кислород, находящиеся на атомарном уровне, образуют молекулу воды, обладающую уже совершенно новыми свойствами.

Теория возникновения и самоорганизации и эволюции упорядоченных структур из хаоса получила название синергетика. При этом только хаос, случайность могут привести к возникновению упорядоченных структур, и только случайные флуктуации могут обеспечить эволюцию стационарной системы в ответ на такие же непредсказуемые внешние воздействия.

Выводы синергетики и законы термодинамики, закономерности сохранения устойчивости экосистем заставляют пересмотреть сложившиеся представления о прогрессе и эффективности:

· прогрессивной является та система, которая обладает наибольшей устойчивостью в данных условиях, что не всегда связано с усложнением структуры системы;

· устойчивость системы обеспечивается не максимальной продуктивностью и аккумуляцией энергии (то есть, ни максимальным К.П.Д. и «производительностью труда») на том или ином пищевом уровне, а оптимальным распределением энергетических и вещественных ресурсов между всеми компонентами системы, позволяющим эффективно реагировать на изменения внешних условий;

· так как стационарное состояние сложной открытой системы обеспечивается множеством чисто случайных факторов, любые действия направленные на еще большую упорядоченность отдельных элементов системы, приведут к нарушению стационарного состояния и возрастанию энтропии. Отсюда делается вывод, что управление сложными самоорганизующимися системами невозможно