Книга: Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

§ 15 Синергетика – наука о самоорганизации

§ 15 Синергетика – наука о самоорганизации

Возможно, вы уже обратили внимание на то, что, рассказывая о физико-химических ячейках Бенара и об устройстве лазеров, мы прибегали к аналогиям, касающимся поведения человеческих коллективов. Во второй половине XX в. среди некоторых исследователей, работавших в различных областях науки, стало складываться мнение, что самые разнообразные природные процессы – от физико-химических до астрономических и социальных – имеют сходные черты. В результате возникло новое научное направление, которое один из его основателей, немецкий физик-теоретик Герман Хакен (род. 1927), назвал синергетикой, что в переводе с греческого языка означает «совместное действие». Для появления этой новой науки существовали многочисленные предпосылки.

По мере развития науки углублённое исследование конкретных частных процессов привело к предположению, что в природе должны существовать какие-то общие закономерности, лежащие в основе самых разнообразных явлений. Впервые обоснования таких закономерностей появились в термодинамике неравновесных процессов, когда было показано, как из хаотического движения отдельных частиц могут спонтанно возникать организованные структуры. Книга И. Пригожина и И. Стенгерс, где изложены основные положения новой науки, носит именно такое название – «Порядок из хаоса». Новые научные данные, казалось бы, противоречили как классической механике, где поведение любой частицы предопределяется силами притяжения и отталкивания, так и классической термодинамике, согласно которой порядок в природе постоянно стремится превратиться в хаос, а обратный процесс невозможен, потому что крайне маловероятен. Надо сразу оговориться, что это противоречие кажущееся. На самом деле самоорганизация существует только в открытых неравновесных системах, в то время как термодинамика имела дело с изолированными равновесными системами. Поэтому новые данные не противоречили классическим представлениям, но важно, что они из них и не вытекали.

В связи с этим Пригожин предложил обратить внимание на другой вопрос, долгое время не рассматривавшийся классической физикой: каким образом происходит образование и эволюция сложных структур? Физика всегда изучала уже существующие структуры и не уделяла должного внимания их возникновению. Напомним, что в классической механике время считалось абсолютно обратимым. Термодинамика ввела понятие «стрелы времени», но эта стрела была направлена только в одну сторону – в сторону увеличения энтропии и нарастания хаоса. Теперь выяснилось, что время может обладать не только разрушительными, но и конструктивными свойствами.

Собственно говоря, процесс эволюционного совершенствования был известен людям давно. Уже с XVIII в. широко обсуждались темы, связанные как с зарождением и развитием отдельных организмов, так и с глобальными эволюционными процессами в живой природе и в человеческом обществе. Но все эти процессы относились только к живым системам, которые хотя и не противоречили законам физики, но рассматривались как бы в стороне от них.

С идеей создания новой науки синергетики выступил в 70-х гг. прошлого века Г. Хакен. О том, каким образом у него возникла эта идея, он рассказывает так:

Согласно синергетике, развитие открытой неравновесной системы начинается с небольших случайных отклонений – флуктуаций. Если такие отклонения оказываются близки в пространстве и времени, они могут усиливать друг друга с помощью положительной обратной связи (§ 67). Может возникнуть структура, которая растёт и развивается за счёт положительных обратных связей между её элементами. Одновременно в результате других флуктуаций могут возникать и другие структуры, которые связаны с первой антагонистической связью и поэтому конкурируют с ней.

Одним из основных в синергетике является понятие параметра порядка. Параметр порядка, или управляющий параметр, – это фактор, который организует структуру и придаёт ей относительную устойчивость. Важно, что эта организация проявляется на уровне целой системы, в то время как каждый её элемент в принципе свободен в выборе своего поведения. Представим себе улицу, по которой в час пик движется множество людей. Если на этой улице находится станция метро или остановка автобуса, то основное движение будет направлено именно к ним. При этом каждый человек может идти как ему угодно: он может вспомнить, что забыл что-то купить, и повернуть назад к магазину, может встретить знакомого и остановиться поговорить с ним и т. д. Но в целом движение основной массы людей будет направлено к одной точке, которая и будет в данном случае служить параметром порядка (рис. 31).

Со временем и под влиянием различных причин параметры порядка могут меняться. Это изменение в значительной степени зависит от конкуренции различных параметров. Давайте представим себе такой опыт.

Рис. 31. Люди, собирающиеся вокруг сцены, являются примером самоорганизующейся системы

Возьмём стакан с плоским дном. Большая часть дна сделана из твёрдого материала, но в одном участке это дно будет изготовлено из мягкого пластика, способного деформироваться под действием силы. Насыпем в стакан достаточно тяжёлые шарики, например дробь, и будем его периодически встряхивать. Вначале дробь распределяется равномерно по всему дну стакана. Но постепенно мягкая часть будет продавливаться, и в неё будет скатываться больше дробин, чем их останется на плоской части. Под действием веса этих дробин лунка будет углубляться, и в неё будет попадать ещё больше дробин, пока, наконец, лунка не станет очень глубокой, и тогда в ней окажутся все дробины.

Рис. 32. Процесс образования продавливания в эластичном дне сосуда

Теперь допустим, что на дне стакана имеется два таких растяжимых участка. В обоих будут продавливаться лунки. Но если после очередного встряхивания в правой лунке окажется чуть больше дробин, чем в левой, то правая лунка станет глубже, чем левая, и при следующем встряхивании в неё уже закономерно попадёт больше дробин, в результате чего она станет ещё глубже (рис. 32). В конце концов правая лунка станет настолько глубже левой, что все дробины, или по крайней мере подавляющее большинство окажутся в ней. Но мы знаем, что обе лунки ничем не различаются. От чего же зависит результат, который покажет, какая из них станет «победителем»? Очевидно, что этот результат определяется чистой случайностью, небольшой флуктуацией при одном из первых встряхиваний стакана, и именно эта флуктуация определяет, какой из двух параметров порядка окажется победителем, т. е. в каком из двух изначально одинаковых мягких участков дна стакана окажется подавляющее большинство дробин.

1. Что означает понятие «синергетика»?

2. Объясните, почему существование самоорганизации не противоречит второму началу термодинамики.

3. Что такое параметр порядка? Приведите примеры параметров порядка из собственной жизни.

4. Что синергетика считает начальной причиной возникновения самоорганизации?

1. Придумайте и предложите опыт, отличный от описанного в параграфе, демонстрирующий конкуренцию разных параметров порядка.

2. Приведите примеры конкуренции параметров порядка из реальной жизни. Обсудите их с одноклассниками.