8. Теория диссипативных структур (синергетика) как вариант современного синтетического знания

Термин «синергетика» служит для обозначения обширной области исследования эволюции и более-менее стабильных материальных структур, относительная устойчивость которых поддерживается благодаря использованию внешних энергий и вещества. Одним из источников этой проблематики оказывается обнаружение среди материальных систем открытых и закрытых, равновесных и неравновесных, устойчивых и неустойчивых, динамических и статистических и т. д.

Создателем синергетики является бельгийский физик и химик Илья Пригожин, лауреат Нобелевской премии (1977 г.), получивший ее за работы по термодинамике неравновесных систем (Введение в термодинамику необратимых процессов. М., 1964; Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., 1979; Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986; Пригожин И., Стенгерс И. Время, Хаос и Квант М., 1994). Исследуя термодинамические процессы, он вводит понятие «диссипативных структур» как структур, возникающих в результате взаимодействия данной материальной системы с окружающей средой. Классическая физика описывает мир как обратимый. В классическом описании нет места эволюции ни к порядку, ни к хаосу. Илья Пригожин показал и доказал, что в сильнонеравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса к порядку, организованности. Могут возникать новые динамические состояния материи, отражающие взаимодействие данной системы с окружающей средой. Эти новые структуры он назвал диссипативными структурами. Цель термодинамики, по Пригожину, состоит не в предсказании поведения системы в терминах взаимодействия частиц, а в предсказании реакции системы на изменения, вводимые нами извне.

Именно в термодинамике возникает асимметрия во времени: энтропия (направленность тепловых процессов) возрастает в направлении будущего, но не прошлого. Следовательно, второе начало термодинамики знаменует радикальный отход от механистического мира (классической механики).

Таким образом, взаимодействие системы с внешним миром, ее погружение в неравновесные условия может стать исходным пунктом в формировании новых динамических состояний — диссипативных структур. Это принципиальное положение выходит за рамки термодинамики, за рамки физики и даже всего естествознания в целом. Как теперь известно, и биосфера в целом, и ее различные компоненты, живые или неживые, существуют в сильно неравновесных условиях. В этом смысле сама жизнь, в рамках естественного порядка, предстает перед нами как высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации.

В сильно неравновесных условиях процессы самоорганизации соответствуют «тонкому взаимодействию» между случайностью и необходимостью, флуктуациями и детерминистическими законами. Пригожин считает, что вблизи бифуркаций (то есть резких взрывных изменений системы) основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между бифуркациями преобладает детерминизм. Ситуацию, возникающую после воздействия флуктуации на систему, он называет порядком через флуктуацию или «порядком из хаоса». Затухнут такие флуктуации или, наоборот, усилятся, зависит от эффективности «канала связи» между системой и внешним миром.

То есть, неравновесность есть то, что порождает «порядок из хаоса». Причем справедливость этого принципиального положения подтверждается и в физической, и в биологической, и даже в социальной реальности.

Вся прежняя физика как бы отрицала координату времени, ибо теоретически все процессы могли идти как со знаком +, так и со знаком -.

Синергетика дает точку опоры не в отрицании времени, а в его открытии во всех областях физической реальности. Теперь только состояние равновесия можно описывать, отвлекаясь от времени (забывая о нем). Системы же, далекие от равновесия (а это вся реальность), не могут быть безразличными ко времени. В подобных системах изменение, эволюция идет через ряд бифуркаций в направлении, противоположном безразличному беспорядку.

Необратимость физических процессов, в которой были убеждены крупные физики прошлого (Больцман и др.), получает свое обоснование и открывает для физики проблему становления.

Причем неравновесие не создает «стрелу времени», а только позволяет ей проявиться на макроскопическом уровне. Законы обратимости представляются отныне действенными только в ограниченном числе случаев.

В каждой области ученые-физики теперь вновь и вновь находят связанное со становлением материи необратимое время там, где ранее вневременные законы сводили это становление к повторению одного и того же.

Что касается вопроса о том, как или почему началось время, то он ускользает от физики так же, как он, без сомнения, ускользает от возможностей нашего языка и нашего воображения. Можно только предполагать, что в далеком будущем расширение Вселенной вновь создаст условия неустойчивой первоначальной пустоты.

Возникнув в физике (термодинамике), синергетика оказалась чрезвычайно значимой и для биологии. Сама жизнь (как предмет биологии) в таком случае определяется в качестве формы существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

Макроскопичность означает, что любой живой организм, начиная с бактерии, должен содержать большое количество атомов. Если бы этого не было, упорядоченность, необходимая для жизни, разрушалась бы флуктуациями. Гетерогенность означает построение клетки и организма из множества различных веществ. Отдельно взятые молекулы не живут, жизнь возникает лишь в гетерогенной надмолекулярной системе. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом и энергией. Состояние и развитие такой системы поддерживаются оттоком энтропии в окружающую среду. Кстати говоря, основы термодинамики живых систем были впервые сформулированы советским биологом Э.С. Бауэром, погибшим в годы массовых репрессий.

Синергетические подходы к биологическим процессам оказываются очень эффективными. Происхождение жизни и молекулярной асимметрии, добиологическая эволюция, периодические биологические процессы, морфогенез и возникновение иммунитета освещаются возникшей в физике теорией. Организм, вид, популяция, биосфера представляют собой диссипативные структуры — открытые системы, далекие от равновесия. Модели таких систем описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Их анализ показывает, что при определенных значениях параметров системы в ней возникают неустойчивости и, следовательно, бифуркации, резко меняющие ее состояние. Эти бифуркации подобны фазовым переходам.

В этом смысле эволюционное учение Ч. Дарвина, не утратившее своего значения, вопреки распространенному мнению, полностью вписывается в синергетическое представление. В современной эволюционной теории идет спор между градуализмом и пунктуализмом. Происходит ли видообразование постепенно, шаг за шагом, или оно реализуется за сравнительно короткое время? Математические модели показывают, что видообразование все-таки подобно фазовому переходу (т. е. пунктуализм более вероятен).

Современная синтетическая теория эволюции (созданная в 30-е годы) явилась результатом объединения дарвинизма с популяционной генетикой. Сейчас стоят задачи дальнейшего объединения эволюционной теории с молекулярной биологией, синергетикой и теорией информации. При этом не ставится цель подменить биологию физикой — речь идет о раскрытии глубинных физических основ биологических явлений.

Синергетика как область теоретической физики неотделима и от специального математического аппарата, развивавшегося параллельно с физикой. В основе синергетики находятся математическая теория устойчивости, разработанная Ляпуновым и Пуанкаре, теория нелинейных колебаний, созданная школами Л.И. Мандельштама и А.А. Андронова. В то же время существенное значение здесь имеют методы, исходящие из теории вероятностей (стохастические методы). В последнее время именно математика пришла к описанию хаотических систем. (Таков «странный аттрактор» Лоренца, в котором система движется от одной точки к другой детерминированным образом, но траектория движения в конце концов настолько запутывается, что предсказать движение системы в целом невозможно — это смесь стабильности и нестабильности; таковы фракталы.) Современная математика, встречаясь с нелинейными системами, широко применяет ЭВМ и получает результаты, недоступные ранее (т. е. в докомпьютерную эпоху). Синергетика строит математические модели. Причем здесь задача математической модели состоит в упрощенном рассмотрении сложного явления. Если в основу модели положены реальные факты, установленные экспериментально, то модель позволяет прийти к важным выводам, понять существо явления.

На основе синергетических представлений о развитии ученые выделяют в истории нашей планеты по меньшей мере две фундаментальные бифуркации, изменившие направление общепланетарной эволюции — возникновение живого вещества и образование мозга (но механизмы этих изменений нам неведомы). В последние годы синергетические представления активно проникают и в общественные науки, позволяя по-новому взглянуть на экономические, исторические, политические процессы. Формируется социосинергетика.