Концепции современного естествознания

Законы физики, химии и другие принципы отбора устанавливают определенные границы изменения состояний системы, канал, внутри которого могут протекать эволюционные процессы. Случайные факторы как бы пытаются вывести систему за эти границы. До поры до времени этого не происходит - поток внутри канала следует механизму адаптационного типа.

Со временем эволюционный поток выходит на пересечение нескольких каналов эволюции, и теперь вступают в действие бифуркационные механизмы А.Пуанкаре. На пересечении каналов возникает бифуркация или катастрофа по терминологии Уитни и Тома. Возникает несколько вариантов дальнейшего развития, и выбор нового канала случаен или непредсказуем, ибо он зависит от случайных факторов.

Из этого вытекает один из общих законов самоорганизации материи: развитие характеризуется усложнением и ростом разнообразия форм организации материи. Это закон дивергенции, справедливый для всех уровней материального мира. Стохастический характер причинности и действие бифуркационных механизмов может развести сколь угодно далеко даже самые близкие формы организации.

С увеличением размерности системы, что всегда происходит при увеличении ее сложности, количество состояний, в которых могут происходить катастрофы (бифуркации), быстро возрастает. Следовательно, с ростом сложности системы растет и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, то есть дивергенции, а вероятность появления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна нулю. Это и означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному росту числа организационных форм.

Теория бифуркаций была создана Пуанкаре и затем развита Андроновым, Хопфом и другими исследователями.

При удалении от равновесия термодинамическое состояние становится неустойчивым, и неожиданно могут появиться новые решения. Единственное решение, которое имеет система уравнений в непосредственной близости к равновесной области, при некотором критическом значении параметров достигает точки бифуркации, начиная от которой для системы открываются новые возможности, приводящие к нескольким решениям.

Определение параметров, при котором начинается ветвление решений, представляет собой задачу первостепенной важности как для аналитических, так и для числовых решений нелинейных дифференциальных уравнений. Самая первая задача любого поиска бифуркации решений заключается в определении точек неустойчивости однородной системы.

1. Сачков Ю.В. Вероятностная революция в естествознании/ Природа, 1991, 5

Становление науки Нового времени неотделимо от выработки концепции механической причинности и ее абсолютизации в лапласовском детерминизме, который несовместим с идеей развития. Концепция однозначной причинности выражена в афоризме: “Одинаковые причины - одинаковые следствия”. Встречающиеся сплошь и рядом в обычных житейских ситуациях случаи, когда , казалось бы одинаковые причины приводят к разным следствиям, всегда легко и изящно объяснялись ссылкой на неполноту учета всех предшествующих обстоятельств.

Развитие квантовой физики привело к радикальному перевороту в этой области, суть которого заключается в утверждении объективного и фундаментального статуса вероятности и неопределенности.

Основное уравнение квантовой механики - уравнение Шредингера -столь же детерминистично и линейно, как и уравнения классической механики. Но уравнение Шредингера описывает не реальные наблюдаемые величины, а распределение потенциальных возможностей. Переход к реально наблюдаемым величинам связан с редукцией волновой функции, а следовательно, с нарушением однозначной причинности.

Идея однозначной причинности жестко связана с представлением о линейном характере причинных связей (цепей событий). Считалось, что эти линейные цепи причин и следствий простираются неограниченно далеко как в будущее, так и в прошлое. Причина всегда равна своему следствию, а изменение следствия пропорционально изменению причины.

Эти натурфилософские (Ахундов и Баженов, Природа, 1991, 4) представления о линейных цепочках причин и следствий находят в науке выражение в образе линейных систем, процессы в которых описываются линейными дифференциальными уравнениями, - свойства таких систем не меняются при изменении их состояния (принцип суперпозиции).

Мир классической механики был линеаризированным миром, законы которого формулировались на языке линейных дифференциальных уравнений. Эти уравнения служили не только мощным аппаратом исследования, но и теми “очками”, сквозь которые исследователь смотрел на мир.

Но реальная действительность не состоит из абсолютно твердых шаров, катящихся по абсолютно гладким поверхностям. Реальный “биллиард” характеризуется такими нелинейными особенностями, как трение, турбулентность и пр. Для описания реальных объектов вводились различные поправки. Но отступления от линейности рассматривались как незначительные и объяснялись не идеальностью объектов.

Однако в ходе научного познания объектами исследования стали такие явления и процессы, которые проявляют себя не просто как неидеальные, но именно как нелинейные. В XIX веке наука, сталкиваясь с такими объектами, вынуждена была отступать, ибо не было эффективных методов решения нелинейных уравнений. Да и господствовавшая картина мира не стимулировала интерес к изучению подобных объектов. Более того, само их существование могло показаться абсурдным. Например, кому могло прийти в голову исследовать процессы вдали от равновесия и стационарности: если вблизи этого положения исследование имеет смысл и может опираться на испытанные методы линеаризированной физики (плюс необходимы уточнения), то вдали от него такая работа представлялась бессмысленной, ибо задолго до ее завершения объект исследования будет просто разрушен.

Можно представить себе состояние ученых, когда выяснилось, что в этих “катастрофических” областях могут существовать устойчивые динамические структуры. Оказалось, что сугубо нелинейная область хаоса структурно богата и в ней возможны свои космосы (античные термины хаос и космос вновь активно заработали).

Структурная населенность нелинейного мира (хаоса): нелинейные периодические реакции В.П.Белоусова, получила объяснение в рамках неравновесной термодинамики И.Пригожина и синергетики Г.Хакена, а также теории катастроф Р.Тома, благодаря чему удалось совершить прорыв в той области математики, начало которой положено работами А.Пуанкаре прошлого века и была связан с теорией нелинейных уравнений.

Помимо синергетических объектов существуют многочисленные классы нелинейных систем (в оптике, акустике, радиоэлектронике и т.д.), чьи свойства зависят от их состояния.

В классической науке нелинейность характеризовала особый частный класс объектов, а в современной - нелинейность рассматривается как универсальная и фундаментальная черта окружающей реальности. Если коротко охарактеризовать новый класс объектов, то их следует назвать эволюционными объектами. С этими объектами связаны следующие понятия: 1) нелинейность, о которой шла речь выше; 2) самоорганизация, которая означает изменение своей организации под действием внутренних факторов; 3) необратимость времени, которая в классической науке рассматривалась как эмпирически имеющая место досадная черта реальности, причем задача теоретического знания заключалась в разработке приемов, как эту необратимость обойти.

В современных науках, как естественных, так и социогуманитарных, эволюционные процессы во все большей степени выходят на передний край исследований. И хотя в науках социогуманитарного цикла, как и в биологии, идея развития получила широкое выражение уже в прошлом веке, но и здесь радикально новым элементом оказывается идея нелинейности.

Диссипативные структуры включают все типы самоорганизации: колебательные процессы, пространственную организацию, пространственно-временное структурирование, а также любую другую последовательность процессов, связанных с когерентными свойствами, наблюдаемыми в системе вне области устойчивости гомогенного состояния (А.Баблоянц, 1990).

Когерентность - согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении.

Для возникновения диссипативных структур необходимы следующие условия:

1. Система должна быть открытой и постоянно обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Это означает, что химические, биохимические и гидродинамические системы должны находиться вдали от равновесия.

2. В системе должны протекать различные каталитические, кросс-каталитические процессы, а также регуляция по типу обратной связи. Такого рода процессы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями.

3. После некоторого критического значения параметра системы или какого-либо внешнего воздействия однородное стационарное состояние становится неустойчивым, и тогда ничтожно малое возмущение в окружении системы может вызвать ее переход в новое стационарное состояние, режим которого также соответствует упорядоченному состоянию.

Наиболее важной характеристикой диссипативных структур является то, что они возникают и сохраняются только в неравновесных условиях. Под влиянием флуктуаций отдельные элементы системы кооперируются, обнаруживая при этом такое поведение, которое характеризует систему в целом и которое никак нельзя было бы ожидать или понять на основании свойств отдельных ее элементов.

Диссипативные структуры появляются всякий раз, когда система, способная к самоорганизации за счет своих кооперативных свойств, измеряет время и организует пространство для того, чтобы “выжить” при различных воздействиях, оказанных на нее, или для того, чтобы лучше использовать окружающую среду.

Идея диссипативных структур получила широкое распространение в тех областях знания, из которых она родилась. Особенно возродился интерес к теории нелинейных дифференциальных уравнений. Очень популярными стали математические модели для различных биологических процессов, протекающих в единичных клетках или в многоклеточных ансамблях. В различных химических реакторах было обнаружено много неожиданных типов осциллирующего поведения. В жидкостях были открыты разнообразные неожиданные упорядоченные, квазиколебательные и хаотические состояния.

На основе всех этих наблюдений возникла новая ветвь исследований, названная областью нелинейных явлений, которая стала наиболее многообещающей областью макроскопической физики.

Самоорганизация диссипативных структур может произойти только вдали от состояния термодинамического равновесия.

Когда характеризующие динамическую систему переменные изменяются во времени, они могут быть описаны в виде дифференциальных уравнений. Дифференциальные уравнения приобретают нелинейную форму, как только мы переходим к описанию процессов возможной конкуренции самоорганизации и самодеструкции каких-либо величин.

Можно ожидать, что такие системы буду самопроизвольно проявлять черты кооперативного поведения и различного рода пространственно-временную организацию. Вот почему в последние годы рамки диссипативных структур расширились и захватили даже такие области, как социобиология, социология, социальная экономика и экономическая наука.

1. Ахундов М.Д., Баженов Л.Б. Эволюция, нелинейность и марксизм/ Природа, 1991, 4

И.Пригожин: В течение всей моей научной карьеры меня чрезвычайно интересовала проблема времени, точнее, то, что я предпочитаю называть парадоксом времени.

С одной стороны, различие между прошлым и будущим весьма важно для нашего существования. Это различие играет важную роль в космологии, химии и биологии. С другой стороны, фундаментальные законы классической и квантовой механики инвариантны относительно обращения времени. Прошлое и будущее играют одну и ту же роль.

Я пришел к убеждению, что следует обобщить динамику так, чтобы она включала в себя явления, отвечающие нарушению временной симметрии. В реализации этой программы фундаментальная роль принадлежит работам по неустойчивым динамическим системам, начатым Пуанкаре и продолженным блестящей русской школой. Вопрос сводится к тому, чтобы показать, какие законы управляют хаотическими системами.

Введение хаоса приводит к тому, что можно назвать третьей формой законов природы.

Первая форма этих законов оперирует с траекториями в классической механике и с волновыми функциями в квантовой механике.

Вторая форма - это статистическая формулировка законов природы (работы Гиббса и Эйнштейна). Но предложенная этими авторами статистическая формулировка оставалась приводимой или сводимой: в качестве частного случая она применима к траекториям и волновым функциям.

Новая формулировка не позволяет отойти от статистического уровня описания. Законы хаоса носят вероятностный, но не достоверный характер.

Законы, управляющие поведением устойчивых систем, детерминистичны и обратимы во времени. Наоборот, законы, описывающие хаотические системы, соответствуют вероятностям и включают в себя необратимость.

Необратимость возникает в результате неустойчивости “хаоса”.

(И.Пригожин. Природа, 1993, 12) Ю.Данилов (там же): Основной тезис Пригожина состоит в том, что необратимость во времени порождается хаосом на фундаментальном уровне. Под этим понимается следующее. В ньютоновой механике эволюция физической системы во времени описывается в терминах отдельных траекторий, в квантовой - в терминах отдельных волновых функций. Уравнения движения (Ньютона - в классической механике и Шредингера - в квантовой) оказываются обратимыми во времени: прошлое при таком описании равноправно с будущим. Несоответствие между между наблюдаемой необратимостью физических процессов (однонаправленностью времени) и обратимым характером уравнений движения Пригожин называет парадоксом времени.

Дж.Гиббс и А.Эйнштейн предложили перейти от описания в терминах траекторий к вероятностному описанию совокупностей, или ансамблей, траекторий. Однако парадокс времени оставался нерешенным, так как описание в терминах ансамблей допускало сведение к описанию в терминах отдельных траекторий.

Решение парадокса времени Пригожин видит во введении нового понимания в терминах ансамблей, отличающегося несводимостью к отдельным траекториям и волновым функциям.

Гармония в хаосе

...Природа даже в состоянии хаоса может

действовать только правильно и слаженно.

И.Кант

Наука всегда занималась в основном закономерной составляющей бытия. Турбулентное движение жидкости относили к царству полной неразберихи -хаосу. В древнегреческой мифологии хаосом называли зияющую бездну, наполненную туманом и мраком, из которых произошло все сущее. В Средние века даже возникла хаосология - ветвь богословия, выясняющая, что было до того, как Бог сотворил мир.

И вот оказалось, что в явлениях, на первый взгляд совершенно беспорядочных, есть своя необычная структура. Начала формироваться научная хаосология.

В математике фигуры, одинаковые по форме, но различающиеся размерами, называются подобными.

Похожесть процесса на самого себя при изменении масштаба называют самоподобием, масштабной инвариантностью, скейлингом (scale - масштаб, размер).

В последние десятилетия самоподобие начинают открывать всюду: в линиях берега, разряда молнии и трещин; поверхностях гор, облаков и кочанов цветной капусты; ветвлении деревьев и кровеносных сосудов.

В чем суть самоподобия? Общая картина не меняется или не зависит от масштаба. Объекты, обладающие таким свойством, американский математик Б.Мандельброт в 1975 г. предложил называть “фракталами”.

Фракталы обнаруживают в тех процессах и явлениях, о которых мы привыкли думать как о беспорядочных, хаотичных, потому что в них участвует множество случайных факторов. Поэтому говорят, что вероятностный, или стохастический хаос носит фрактальный характер. Там, где господствует случай, формы фрактальны. Это имеет не только умозрительный интерес: например, в Голливуде декорации, имитирующие горный пейзаж, разрабатывает компьютер на основе алгоритма, учитывающего фрактальность горной поверхности. В итоге на экране получается картинка, очень похожая на настоящие горы.

Фракталы - объекты с сильно извилистой, изрезанной или пересеченной границей. Обычные меры длины, площади и объема к фракталам неприменимы. Геометрию фракталов принято описывать другими характеристиками, например, размерностью Хаусдорфа-Безикевича. Для нефрактальных (гладких) объектов эта размерность совпадает с обычной (топологической) размерностью (равной 0 для точки, 1 - для линии, 2 - для плоской фигуры, 3 - для тела) и принимает целочисленные значения, но для фрактальных объектов размерность принимает дробные значения. Например, для очень извилистой линии она может бытьравна 1,03 (уже не линия, но еще не плоская фигура).

Мир бестелесный, слышный, но незримый,

Теперь роится в хаосе ночном...

Ф.Тютчев

Конечно, в природе самоподобие простирается лишь до какого-то предела - рано или поздно с изменением размеров происходит качественный скачок. Например, разглядывая кровеносные сосуды во все более сильный микроскоп, мы в конце концов увидим отдельные клетки. Но мысленно можно рассмотреть случай, когда скейлинг продолжается до бесконечности: примером может служить “ковер Серпинского”.

О, бурь заснувших не буди -

Под ними хаос шевелится!...

Ф.Тютчев

Успехи классической физики основывались на том, что многие явления, например, движение планет, описываются линейными дифференциальными уравнениями, для которых можно найти общее решение. Нужно только подставить в них начальные условия (координаты точки, из которой движение начиналось), и траектория полностью предсказывалась. Конечно, начальные условия желательно знать поточнее, но малые погрешности не страшны, так приведут к малым же отклонениям в решении.

Когда научились решать простые нелинейные уравнения (а большинству реальных процессов соответствуют именно они), то выяснили, что определяющее влияние начальных условий есть уже не исключение, а правило. Такой вывод сделал еще сто лет назад А.Пуанкаре, когда рассмотрел движение трех тел, связанных взаимным тяготением. И все эти решения были в определенном смысле просты: например тяготеющие тела или убегут в бесконечность, или остановятся, или вернутся в исходные положения, и все начнется сначала - траектории будут циклическими (состояние, к которому система в конце концов приходит, называют “аттрактором”).

Но когда с появлением ЭВМ стали изучать более сложные нелинейные уравнения, оказалось, что решения могут быть значительно сложнее: возможно, что траектории никогда себя не повторяют - они запутанны и нерегулярны (в этих случаях говорят о “странном аттракторе”).

Так, в 1963 г. американский метеоролог Э.Лоренц, занимаясь задачей о тепловой конвекции, показал, что ее решение выглядит как два сцепленных мотка, каждый из которых состоит из пучка траекторий. Начав движение из некоторой точки левого мотка, система сделает какое-то количество оборотов по этому мотку, затем перейдет на правый моток, совершит некоторое количество оборотов там, потом вернется обратно и так далее.

Получается, что, проходя место соединения двух мотков, она каждый раз как бы делает выбор - продолжить ли свой путь по тому же мотку, или перейти на другой.

Чтобы узнать результаты этого выбора, нужно указать координаты исходной точки. И вот здесь исследователя подстерегал сюрприз: оказалось, что траекторию нельзя предсказать в принципе, потому что для этого необходимо определить эти координаты с бесконечно большой точностью.

Иначе говоря, каждая начальная точка задает свою неповторимую последовательность переходов и малейшая неточность в ее задании изменит выбор пути, так что поведение системы станет совершенно иным. Что еще поразительно: странные аттракторы устроены наподобие ковра Серпинского, т.е. фрактальны.

Может случиться, что с изменением некоторого параметра, например скорости течения жидкости, развилки будут возникать все чаще, а промежутки предсказуемого движения между ними - сужаться. В конце концов, траектории станут совершенно “неисповедимыми” - хаотичными. Именно так объясняется турбулентность, и она тоже связана с фракталами.

Все это углубило наше понимание и атмосферных явлений, и “причуд” плазмы в токамаках. Но значение этих идей гораздо шире: они меняют представления об эволюции космоса и жизни. У Р.Брэдбери есть рассказ “И грянул гром” о том, как гибель одной-единственной бабочки повлияла на историю общества. Сейчас уже всерьез говорят, что взмах крыльев бабочки где-нибудь в Австралии может вызвать ураган в Европе - таково свойство нелинейных систем непредсказуемо изменять свое поведение в ответ на микроскопический сдвиг начальных условий.

Любопытно, что этот факт послужил основой для новой теологии. Роль Бога некоторые теперь усматривают во внесении в мир неуловимых управляющих воздействий. А так как воздействия эти могут быть, в принципе, сколь угодно слабыми - надо только знать, где и как их приложить, - то и человек своим внутренним усилием, молитвой, способен склонить ход вещей в нужную сторону.

Итак, хаос возникает и там, где вообще никакой случайности как будто нет - в области динамических систем, описываемых полностью детерминированными уравнениями. Создается теория динамического, или детерминированного, хаоса.

Арсенал нелинейного мышления включает неравновесную термодинамику, синергетику, теорию катастроф.

Наверное, в структуре хаоса, возникающего практически везде, проявляется еще не до конца понятое единство природы - ее простота, заключенная в сложном, и сложность, таящаяся в простом.

Как генетический код сам по себе еще не определяет возникновение из клетки целого организма (влияют и исходная клетка, и внешняя среда), так и основные уравнения не задают однозначно свойства и судьбу мира -важны начальные условия и та цепь выборов, которые уже сделаны и делаются постоянно.

Все это перекликается с идеями И.Пригожина: природа не только существует, но и становится, несет в себе свою историю; в ней не только необходимость, но и выбор, свобода, творчество - “миротворение”, по словам Н.Бердяева, продолжается. Так что физическая реальность и наш духовный мир имеют общие черты.

Этот междисциплинарный подход изменяет облик, которая делается менее сухой, более человечной. Она охватывает уже не один лишь логос, но и хаос - стихийность, непредсказуемость, что, видимо, близко самой сути природы, ибо, как гласит французская пословица, “если бы в мире господствовал разум, в нем бы ничего не происходило”.

Литература

1. Каховский Л. Постижение хаоса. Химия и жизнь, 1992, 8

2.Пригожин И.Р.От классического хаоса к квантовому.Природа,1993,12

Самоорганизация означает изменение структуры системы под действием только внутренних факторов. Поэтому, в строгом смысле, этот термин применим только к Вселенной в целом. А все остальные системы - открытые и находятся под воздействием внешней энергии.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19