3. Термодинамика открытых систем. Энтропия и информация.

Сегодня наука считает все известные системы от самых малых до самых больших открытыми, находящимися в состоянии далеком от термодинамического равновесия. Развитие таких систем идет по пути нарастающей упорядоченности.

Энтропия – это мера косности системы. Существует противоположное понятие – негативная энтропия – негэнтропия – это мера живучести системы. Негэнтропия приравнена информации, информация = негэнтропия.

В закрытых (застывших, косных) системах энтропия постоянно возрастает, согласно II-му закону термодинамики.

В открытых жизнеспособных системах возрастает негэнтропия (информация) и уменьшается энтропия. По Шредингеру: «Жизнь базируется на негативной энтропии», т.е. жизнь есть упорядоченное состояние, в котором постоянно осуществляется отбор (селекция).

В 1973 г. д-р И. Пригожин получил Нобелевскую премию. Согласно Пригожину, всякая организованная система находится в динамическом равновесии между энтропией и отрицательной энтропией, между хаосом и информацией. Чем сложнее система, тем больше ее нестабильность.

Оказывается нестабильность не всегда является недостатком. Она необходима эволюции. Например, Общества насекомых (пчелы, муравьи) очень стабильны и в течение многих миллионов лет они не прошли почти никакого развития. Человеческое общество очень нестабильно и находится в стадии постоянной эволюции. Пригожин доказывает эволюционное значение нестабильности в своей концепции диссипативных структур.

Диссипативная структура очень сложна и потому очень нестабильна. Чем больше ее сложность, тем больше ее нестабильность и тем выше вероятность ее изменений или развития. Все диссипативные структуры постоянно колеблются между саморазрушением и реорганизацией. Причем реорганизация обеспечивает более высокий информационный уровень (когерентность) чем прежде.

Математические выкладки Пригожина оптимистичны. Сложные открытые структуры имеют тенденцию скорее к подъему на более высокую ступень когерентности, чем к саморазрушению. Человеческий мир настолько богат информацией, что он должен скорее двигаться к совершенствованию, чем найти свой конец в хаосе и саморазрушении.

4. Синергетика. С 70-х годов 20 века начинает развитие направление, называемое синергетикой, которое рассматривает сложные открытые системы с самоорганизующимися процессами, в которых эволюция идет от хаоса к порядку. Синергетика – содружество, коллективное поведение (греч).

Самоорганизация, по определению немецкого физика Г. Хакена – спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из «хаоса», спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного действия многих подсистем. Это наука о превращении хаоса в порядок.

Процесс самоорганизации проходит три обязательных этапа.

1. Открытость. Обязательное условие – система должна быть открытой – обмен ресурсами с окружением. Открытость приводит к возникновению флуктуаций в системе (отклонения от среднего значения).

2. Неравновесность. При изменении определенных параметров флуктуирующая система переходит в критическое состояние и теряет устойчивость. По мере дальнейшего притока вещества и энергии система нелинейно (с ускорением) уходит все дальше от равновесного состояния. Неравновесный процесс переходит от порядка к хаосу.

Состояние крайнего неравновесия и максимального хаоса называют точкой бифуркации (лат. раздвоенный). Из т. бифуркации существует множество путей ветвления. В этот момент на судьбу системы могут повлиять различные случайные непредвиденные факторы.

3. Выход из критического состояния. Из бифуркации система внезапно скачком переходит из хаотического состояния в новое устойчивое состояние, абсолютно непохожее на прежнее с более высоким уровнем упорядоченности.

Из-за действия поступающей извне энергии множество случайных разнонаправленных явлений, характерных для состояния хаоса, вдруг обретают когерентное, т.е. совместное, согласованное поведение – синергетические процессы.

Этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. По природе системы могут быть физическими, химическими, биологическими, социальными.

Вопросы:

1. Чем отличаются открытые системы от закрытых систем?

2. Возможна ли тепловая смерть Вселенной?

3. Почему невозможно построить «вечный двигатель»?

4. При каких условиях идут синергетические процессы самоорганизации?

5. Чем отличается направленность эволюции в закрытой системе и в открытой системе?

6. Что характеризует максимальная энтропия в системе: порядок или хаос?

7. В каком соотношении находятся понятия «энтропия» и «информация»?

8. Что такое положительная и отрицательная обратная связь?

9. Применимы ли синергетические модели к общественным процессам?

Задание: Развить синергетическое видение эволюции для биологической системы «численность популяции» (хищник – жертва; биологический вид – климатические условия и т.п.).

Литература:

Дубнищева Т.Я. КСЕ. – С. 683-704. С. 710-729.

Горелов А.А. КСЕ. – С. 101-119.

Самыгин С.И. КСЕ. – С. 138., 165-191.

Игнатова В.А. Естествознание. – М. – 2002. – 254 с.

ПригожинИ., СтингерсИ. Порядок из хаоса. – М. 1986.

Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине. – М: Наука. – 1983. – 343с.

Пекелис В. Кибернетика. – М. – 1990. – 477с.

Князева Е., Курдюмов С. Синергетика: начала нелинейного мышления// общественные науки и современность. - №3, 1994.

Хакен Г. Информация и самоорганизация. М. 1993.