Самоорганізація в дисипативних структурах
Численні приклади самоорганізації в гідродинамічних, теплових і інших фізичних системах, не говорячи вже про системи живої природи, учені зауважували давно. Але в силу поглядів, що домінували в науці свого часу, вони попросту не зауважували їх або намагалися пояснити за допомогою існуючих тоді понять і принципів.
Оскільки в науці XVII - першої половини XIXст. домінувала механістична парадигма, остільки в ній всі процеси намагалися пояснити шляхом відомості їх до законів механічного руху матеріальних часток. Передбачалося, що ці частки можуть рухатися, не взаємодіючи один з одним, а саме головне - їхнє положення й швидкість руху будуть точно й однозначно певними в будь-який момент у минулому, сьогоденні й майбутньому, якщо задані їхнє початкове положення й швидкість. Отже, у такому механічному описі час не має ніякого значення й тому його знак можна міняти на зворотний. Внаслідок цього подібні процеси стали називати оборотними. У деяких випадках, коли мова йде про деяких і щодо ізольованих друг від друга тілах і системах, такий абстрактний підхід може виявитися доцільним і корисним. Однак у більшості реальних випадків доводиться враховувати зміну систем у часі, тобто мати справа з необоротними процесами.
Як ми вже відзначали вище, уперше такі процеси стали вивчатися в термодинаміку, що початку досліджувати принципово відмінні від механічних теплові явища. Тепло передається від нагрітого тіла до холодного, а не навпаки. Із часом воно рівномірно розподіляється в тілі або навколишньому просторі. Всі ці найпростіші явища не можна було описувати без обліку фактора часу. На такий феноменологічної основі були сформульовані вихідні початки або закони класичної термодинаміки, серед яких найважливішу роль грає закон ентропії. Поняття ентропії характеризує ту частину сповненої енергії системи, що не може бути використана для виробництва роботи. Тому на відміну від вільної енергії вона являє собою деградовану, відпрацьовану енергію. Якщо позначити вільну енергію через F, ентропію - S, то повна енергія системи Е буде дорівнює
|
|
|
E=F+ST,
де Т - абсолютна температура по Кельвіні.
Відповідно до другого закону термодинаміки, ентропія в замкнутій системі постійно зростає й в остаточному підсумку прагне до свого максимального значення. Отже, по ступені зростання ентропії можна судити про еволюцію замкнутої системи, а тим самим і про час її зміни. Так уперше у фізичну науку були уведені поняття часу й еволюції, пов'язані зі зміною систем. Але поняття еволюції в класичній термодинаміці, як ми вже відзначали вище, розглядається зовсім інакше, чим у загальноприйнятому змісті. Це стало цілком очевидним після того, коли німецький учений Л. Больцман (1844-1906) став інтерпретувати ентропію як міру безладдя в системі. Таким чином, другий закон можна було тепер сформулювати так: замкнута система, надана самої собі, прагне до досягнення найбільш імовірного стану, що полягає в її максимальній дезорганізації. Хоча чисто формально дезорганізацію можна розглядати як самоорганізацію з негативним знаком або самодезорганізацію, проте такий погляд нічого загального не має зі змістовною інтерпретацією самоорганізації як процесу становлення якісно нового, більше високого рівня розвитку системи. Але для цього необхідно було відмовитися від таких абстракцій, як ізольована система й рівноважний стан.
|
|
|
Тим часом класична термодинаміка саме на них саме й опиралася й тому розглядала, наприклад, частково відкриті системи або, що перебувають поблизу від крапки термодинамічної рівноваги як випадки ізольованих рівноважних систем. Очевидно, що для пояснення процесів самоорганізації необхідно було ввести нові поняття й принципи, які б адекватно описували реальні процеси самоорганізації, що відбуваються в природі й суспільстві.
|
|
|
Найбільш фундаментальним з них, як ми вже знаємо, є поняття відкритої системи, що здатна обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною, енергією або інформацією. Оскільки між речовиною й енергією існує взаємозв'язок, остільки можна сказати, що система в ході своєї еволюції робить ентропію, що, однак, не накопичується в ній, а віддаляється й розсіюється в навколишнім середовищі. Замість її із середовища надходить свіжа енергія й саме внаслідок такого безперервного обміну ентропія системи може не зростати, а залишатися незмінної або навіть зменшуватися. Звідси стає ясним, що відкрита система не може бути рівноважної, тому її функціонування вимагає безперервного надходження енергії й речовини із зовнішнього середовища, внаслідок чого нерівновага в системі підсилюється. В остаточному підсумку колишній взаємозв'язок між елементами системи, тобто її колишня структура, руйнується. Між елементами системи виникають нові когерентні, або погоджені, відносини, які приведуть до кооперативних процесів і до колективному поводженню її елементів. Так схематично можуть бути описані процеси самоорганізації у відкритих системах, які пов'язані з дисипацією, або розсіюванням, ентропії в навколишнє середовище.
|
|
|
Існують також випадки самоорганізації іншого типу, у яких перехід до нових структур не пов'язаний з дисипацією. Наприклад, збільшуючи напір води шляхом відкриття водопровідного крана, ми можемо спостерігати перехід від плавного ламінарного плину рідини до бурхливого турбулентного. Іноді спостерігаються навіть випадки, коли виникнення нових структур відбувається за рахунок збільшення ентропії самої системи. Так відбувається, наприклад, процес утворення кристалів з рідини, сніжних пластівців і біологічних мембран.
Однак у цей час найбільший інтерес і основне значення набувають, звичайно, дисипативні структури. Як зразок для побудови теоретичної моделі таких структур, названого брюселятором, послужили, специфічні хімічні реакції, вивчені нашими вченими Б. Белоусовим і О. Жаботинським. Такі реакції супроводжуються утворенням особливих просторових структур і відбуваються за рахунок надходження нових хімічних реагентів і видалення продуктів реакції. Важливою їхньою особливістю є також присутність каталізаторів, які сприяють прискоренню ходу реакції.
Еволюція й теорія систем
Системний рух, що одержав широке поширення в науці після Другої світової війни, ставить своєю метою забезпечити цілісний погляд на мир, покінчити з вузьким дисциплінарним підходом до його пізнання й сприяти розгортанню безлічі програм по міждисциплінарному дослідженню комплексних проблем. Саме в рамках цього руху сформувалися такі найважливіші напрямки міждисциплінарних досліджень, як кібернетика й сінергетика.
Теорія систем у тім виді, як вона представлена австрійським біологом-теоретиком Людвігом тло Берталанфі (1901-1972) і його послідовниками, орієнтується в цілому на підтримку й збереження стабільності й стійкості динамічних систем. Нам уже доводилося вказувати, що кібернетична самоорганізація технічних систем регулювання націлена на збереження їхньої динамічної стійкості за допомогою негативного зворотного зв'язку. Нова, більше загальна динамічна теорія систем повинна, мабуть, опиратися на ті фундаментальні результати, які були досягнуті в нелінійній термодинаміці й насамперед у теорії дисипативних структур. Адже опираючись на колишні уявлення рівноважної термодинаміки, не можна зрозуміти механізму виникнення нового порядку й структур, а отже, і справжньої еволюції систем, пов'язаної з виникненням нового в розвитку. От чому сучасні автори звернулися до теорії дисипативних структур і сінергетики для пояснення процесів еволюції. Звичайно, ця теорія не може ще обґрунтувати ряд найважливіших положень еволюції, особливо коли мова заходить про космологічну еволюцію, взаємодію процесів організації й дезорганізації й деяких інших. Але вона дає ключ до розуміння багатьох важливих еволюційних процесів, що відбуваються в живій природі, а сам головне - допомагає встановити зв'язок між неживою й живою природою шляхом аналізу форм поперед біотичної еволюції, виникнення елементарних живих систем з органічних макромолекул.
Якщо самоорганізація в найпростішій формі може виникнути вже у фізико-хімічних системах, то цілком обґрунтовано припустити, що більше системи могли з'явитися також у результаті специфічного, якісно відмінного в багатьох відносинах, але родинного по характері процесу самоорганізації. Із цього погляду й виникнення життя на Землі навряд чи можна розглядати як унікальне й украй малоймовірну подію, як затверджував, наприклад, відомий французький біолог Жак Моно. Незважаючи на вкрай рідке сполучення факторів, виникнення життя на Землі представляє проте закономірний результат тривалого процесу еволюції.
Тому цілком правдоподібне допущення, що процеси самоорганізації можуть стати основою для дослідження безлічі всіляких еволюційних процесів. Правда, при цьому висловлюються побоювання, чи не веде такий підхід до редукціонизму або навіть до фізикалізму, тобто поясненню властивостей і закономірностей систем закономірностями простих фізичних систем. Проти такого побоювання можна висунути ряд переконливих аргументів. Почати з того, що теорія дисипативних структур із самого початку постулює, що знову виникаючі структури й системи утворяться в результаті порушення колишніх симетрій, структур і порядку, так що про відомість до них нових структур не може бути мови. Крім того, говорячи про каталітичні дисипативні структури як основи різних форм еволюції, теоретики сінергетики звертають увагу не стільки на просту їхню подібність, скільки на глибоке споріднення в їхній основі механізму самоорганізації.
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 59; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!