Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 3.4.7 Синергетика. Народження порядку з хаосу

Поняття хаосу відігравало немалу роль протягом всієї історії розвитку людської думки. З хаосом пов'язували уявлення про згубне безладдя, про безмежну безодню, бездонну прірву. Власне, такі уявлення є найбільш розповсюдженими і в повсякденному житті. Проте, ідея первинного хаосу, з якого потім усе народилося, також досить поширена в давніх міфах, у східній філософії, у вченнях стародавніх греків. І у ведійських "Рігведах", і у вченні Платона ми зустрічаємося з уявленням про перетворення споконвічного Хаосу в Космос, про виникнення з нього "життєдіяльного". Ці уявлення дуже співзвучні із сучасним станом розвитку природознавства. Починаючи із сімдесятих років 20 століття, бурхливо розвивається напрямок, який дістав назву синергетики, у фокусі уваги якого — складні системи з процесами, здатними до самоорганізації, системи, в яких еволюція протікає від хаосу до порядку, від симетрії до складності, що постійно зростає.

Синергетика в перекладі з грецької мови означає співдружність, колективна поведінка. Уперше цей термін увів Хакен. Як новаційний напрямок у науці, синергетика виникла, у першу чергу, завдяки видатним досягненням І. Прігожина в галузі нерів-новажної термодинаміки. Він стверджував, що в нерівноважних відкритих системах можливі ефекти, що приводять не до зростання ентропії і прагнення термодинамічних систем до стану рівноважного хаосу, а до "мимовільного" виникнення упорядкованих структур, до народження порядку з хаосу.

Як уже було зазначено, синергетика пов'язана з ім'ям ученого російського походження І. Р. Прігожина (народ, у 1917 p.), який був удостоєний Нобелівської премії в галузі хімії за 1977 р. Багато років він очолює всесвітньо відому брюссельську школу фахівців у цій галузі. Однією з революційних новацій цього автора є перенесення в термодинаміку найважливіших кібернетичних понять про багаторівневу систему, про саморегуляцію за принципом зворотного зв'язку, про автоколивання та ін. У результаті він відкрив і вперше дослідив багаті можливості, внутрішні резерви термодинамічних систем стосовно їхнього розвитку, утворення нових і більш складних структур. Уже не у фотосинтезі рослин, а у фізичних і хімічних системах було виявлено могутні потенції поступального розвитку всупереч руйнівному закону зростання ентропії. Друге начало термодинаміки при цьому зберігає свою справедливість як великий всесвітній закон природи. Але сфера його дії є аж ніяк не безмежною, як це трактувалося в класичній термодинаміці.

Звернімося до повсякденної моделі й уявімо собі дзеркально рівну водну поверхню, коли на морі повний штиль. Вона є класичним зразком системи, яка перебуває в термодинамічній рівновазі. І вона протистоїть усім спробам вивести її із цього стану.

Кинемо в море прямовисно камінь. Падаючи в повітрі, він утворить за собою область розрідження. Долетівши до поверхні води і пірнувши вглиб, камінь захоплює за собою частину води. На поверхні утвориться западина. Але тут у гру вступають сили поверхневого натягу. Вони прагнуть повернути поверхню води до середнього рівня, однак за інерцією виштовхують її вище за середній рівень. Утвориться загальновідомий фонтанчик над поверхнею води. Але потім під дією сили земного тяжіння він падає назад і на короткий проміжок часу занурюється нижче середнього рівня, хоча вже не так глибоко. Потім знову сили поверхневого натягу за інерцією підкидають стовпчик води вище за середній рівен, хоча вже не так високо. Потім цикл повторюється, поки ие настане остаточне заспокоєння (релаксація). На поверхні моря це виглядає як загасаюче джерело кругових хвиль, які розсіюють енергію падіння каменя на поверхні води.

У термінах термодинаміки ця подія називається флуктуацією, тобто місцевим і короткочасним відхиленням системи від стійкого, рівноважного середнього стану. Уданому випадку можна говорити про флуктуацію значною мірою умовно, тому що, насправді, флуктуації народжуються в самій системі, а не в результаті зовнішнього впливу на неї. Але тут важливий лише аспект поведінки системи після того, як її невелика частина на короткий час виводиться з термодинамічної рівноваги. Як бачимо, у рівноважній системі флуктуації приречені на розсмоктування. Так роль флуктуацій є зрозумілою в класичній термодинаміці, яка не знала ніяких механізмів, що дозволяли б їм підсилюватися й породжувати нові стани системи і її нові структури.

Разом з тим, морська поверхня здатна хвилеподібно структуруватися, породжуючи просторово-часовий порядок із закономірностями на зразок знаменитого "дев'ятого валу". Але для цього необхідно постійно і на великій площі виводити її з термодинамічної рівноваги. Це й робить сильний вітер. За умови такого зовнішнього підведення енергії в гру вступають закони поширення й резонансного посилення хвиль на водній поверхні — внутрішні резерви її структурування. У теорії дисипативних структур структурування пов'язують зі зниженням симетрії системи. У випадку водної поверхні це очевидно. її симетрія максимальна в стані безструктурної рівноваги, коли в ній немає ніякого переважного напрямку. Ця симетрія наочно знижується в штормовому морі, на поверхні якого хвильові структури орієнтовані в новому напрямку.

Тепер уявімо, що ми перебуваємо в селі в другій половині спекотного липневого дня. Незважаючи на вітер, відчувається задуха. Сусід, у якого є свій "покажчик погоди" — давній перелом ноги — запевняє: протягом найближчих двох годин буде гроза. Але звідкіля їй узятися, коли на білястому небі від краю і до краю — ні хмарини? Тільки дим від труб могутньої ТЕЦ на обрії, кілометрів за 20 від нас. Проте через годину ми чуємо віддалене гуркотіння грому. Непомітно, "з нічого" у районі ТЕЦ виникла хмаринка, від якої до землі простягліїся видимі струмочки дощу. "Хмаринка з підвітряного боку, — думаєте ви. — її віднесе від нас геть". Але хмаринка ця поводиться зовсім інакше. Вона розпливається по небу, як пляма розлитого вина по скатертині І йде на нас проти вітру. Через півгодини вона перетворилася на могутню хмару з градовою "наковальнею" на висоті близько 8 кілометрів. І з її вже не струмки дощику виливаються, а стіною ллє злива. У землю втикаються стріли блискавок, лунає гарматне ревіння грому. Далі — більше. Уже над нашою головою на очах згущуються хмари. От загриміло на іншому кінщ" неба: там "з нічого" за якісь півгодини утворився свій грозовий осередок. От уперше блиснуло й гримнуло десь поруч. Швидше в будинок! Ще через 20 хвилин день перетворюється на сутінки. Усе навколо блискає і гримить, шаленіє злива зі шквалом, сиплеться град. Через годину буйство стихії минає. Злива

стихає, починається дрібний доні без грози, моторошні чорні хмарища, що клубочуться над нами, перетворюються на аморфні шаруваті хмари. Нарешті, і ті якось непомітно розсіюються. До вечора від них залишається лише безструктурний туман, що у низинах затримається всю ніч.

У даному випадку внутрішній потенціал структуроутворення інший — прихована теплота конденсації перенасиченої пари в полі тяжіння Землі. Вона розподілена у всьому об'ємі передгрозової атмосфери. Температури, необхідні для конденсації пари, постійно виникають і зникають у всьому об'ємі у вигляді ефемерних флуктуацій. Картина мерехтіння цих флуктуацій подібна до картини дзеркальної водної поверхні під дрібним дощиком: адже кожне джерело згасаючих хвиль у другому випадку — це теж аналог флуктуації. Тільки тепер температурні флуктуації охоплюють увесь об'єм речовини. Кінетична теорія газів Максвелла — Больцмана дозволяє розрахувати їх інтенсивності й частоту виникнення, однак далі від цього вона не йде. Але, з погляду теорії дисипативних структур, передгрозова атмосфера цілком готова до того, щоб ці флуктуації, одержавши підтримку ззовні, стали господарями становища й породили новий, складно структурований стан термодинамічної системи.

Для цього потрібний лише невеликий зовнішній поштовх, який остаточно виведе її з термодинамічної рівноваги. У даному випадку його спричинив дим ТЕЦ. Відомо, що частинки сажі в повітрі інтенсифікують процеси конденсації пари в багато разів. (Саме тому над великими індустріальними містами в середньому випадає на третину більше опадів, ніж над їхніми околицями.) Але можливі й інші варіанти "спускового механізму". Наприклад, сільські хлопчаки підпалили в безпечному місці цілий штабель старих автопокришок, улаштувавши багаття з чорним димом до небес. Або горить торф'яне болото. Чи пролетів літак з вихлопом двигунів, викинувши кіптяву в атмосферу. Чи очманіла наденергійна частинка космічного проміння породила в атмосфері зливу з мільярдів вторинних електронів і мезонів, які у великому об'ємі багаторазово інтенсифікували конденсацію.

А далі конденсація починає розвивати саме себе за рахунок усе більш інтенсивного виділення прихованої теплоти переходу "пара — рідина". Ця теплота породжує висхідні конвективні потоки повітря. Вони виносять величезні маси перенасиченої пари в більш холодні області атмосфери, де знижені температури знов-таки багаторазово інтенсифікують процес конденсації. Він захоплює такі висоти, яким у горах відповідає зона вічних снігів і льодів. Тут крапельки туману стають кристаликами льоду, а ті, у свою чергу, діють як каталізатори подальшої конденсації: Над структурами купчасто-дощової хмари виростає характерна розмита структура градової "кувалди". Повна просторова симетрія пересиченої пари порушилася, з неї утворилися видимі хмарні структури, чітко орієнтовані в просторі. Але в цій системі не припиняються й непомітні процеси формування нерівноважної системи електричних потенціалів. Видимими для спостерігачів є лише акти їх вирівнювання — розряди блискавок між хмарами й із хмар у землю. Полинули потоки довгу. Це означає подальше зниження рівня симетрії, подальше структурування парорідинної системи в просторі. У велику охолоджену зону за рахунок променистого теплообміну ринуло тепло з віддалених областей, які також почали інтенсивно охолоджуватися. І от уже формуються нові грозові осередки. Незабаром вони об'єднуються й починається сильна місцева гроза. Земне поле тяжіння перетворило приховану теплоту конденсації безструктурної пари на могутній структуротвірний потенціал, і тепер його реалізовано повною мірою. З його допомогою температурні флуктуації виявилися здатними подолати змертвілу рутинність другого начала Термодинаміки.

Але друге начало, нарешті, бере своє: гроза "видихається", хмари, що вигадливо клубочуться, у кінцевому підсумку перетворюються на безструктурний нічний туман. У даній місцевості й у даний день другий початок термодинаміки тріумфує. Але атмосфера над даною місцевістю — система відкрита, коли йдеться про речовину. Це означає, що вона обмінюється речовиною з іншими системами. І вже завтра з інших місцевостей сюди можуть надійти нові величезні маси пересиченої пари. І тоді описаний синергетичний механізм утворення структур так чи інакше знову буде запущено. Сам той факт, що він працює стільки ж мільярдів років, скільки гримлять над Землею місцеві грози, говорить про те, що це — могутній механізм. Ця схожість повністю відповідає універсальності другого начала термодинаміки.

Колишня абсолютизація останнього в наш час здається наївною. У тільки що розглянутому прикладі яскраво виявляється основний принцип кібернетичної причинності: малий зовнішній вплив спричинює значні наслідки. Розглянута система неживої природи є по-справжньому кібернетичною. її розвитком керує принцип позитивного зворотного зв'язку за сценарієм ланцюгової реакції процесу конденсації перенасиченої пари. У стабілізації структур, що утворюються, важливу роль відіграють негативні зворотні зв'язки. Зокрема, опускання до землі охолоджених мас повітря породжує могутні висхідні повітряні потоки. Вони не дають охолодженому повітрю досягнути землі й втягують його у складний процес структуроутворення, який із землі ми спостерігається як розростання купчасто-дощових хмар. Злива остаточно стабілізує теплообмін між землею та атмосферою і підтримує динамічну рівновагу протягом півгодини й більше. Це суто кібернетичні процеси. Але синергетика, на відміну від кібернетики Вінера — Шеннона, не задовільняється їх абстрактно-математичним описом, який усувається від конкретних фізичних, хімічних та інших механізмів їх реалізації. Навпаки, основну увагу вона приділяє саме цим конкретним механізмам. І в результаті виявляє закономірності самоорганізації кібернетичних систем, їх внутрішньої активності та саморозвитку.

Отже, маємо завдяки розглянутому вище прикладу світоглядний наслідок вельми загального характеру. Якщо система внутрішньо не готова до поступального розвитку, якщо вона перебуває в самодостатній рівновазі, а не на межі її втрати, то навіть грандіозні за масштабами й зусиллями впливи на неї не дадуть результату. Так, якщо атмосфера не перенасичена парою, то навіть виверження вулкана не спровокує місцевої грози. Якщо ж система близька до порога виходу з термодинамічної рівноваги, то досить найменшого впливу, щоб почався процес утворення й саморозвитку складних структур. Так, у перенасиченій парою атмосфері досить точкового задимлення, щоб запустити процеси її самоорганізації.

Розглянемо питання про самоорганізацію живої матерії. Почнемо знов-таки з повсякденної ситуації, цього разу — з галузі техніки. Що означає термодинамічна рівновага для автомобіля? Вона означає, що запас бензину в баці вичерпаний, двигун зупинився й охолонув до температури навколишнього середовища. Усі матеріально-енергетичні потенціали автомобіля вирівняні відповідно до другого начала термодинаміки. І якби автомобіль був замкнутою термодинамічною системою, то на цьому його роль була 6 вичерпаною, але автомобіль — система, відкрита щодо речовини. Це значить, що він може знову вийти зі стану термодинамічної рівноваги за рахунок надходження речовини ззовні. Це і відбувається в разі чергової заправки висококалорійним речовпною-снергоносієм. Заправка знову відтворює систему матеріально-енергетичних потенціалів, і починається черговий цикл експлуатації автомобіля. І ніякого протиріччя з другим законом термодинаміки.

Цей повсякденний приклад дозволяє перекинути місток до розуміння сутності самоорганізації живих організмів. Вона зводиться до двох ключових моментів. По-перше, живі системи функціонують і розвиваються поза станом термодинамічної рівноваги. По-друге, це можливо остільки, оскільки вони є відкритими щодо речовини, їхня відкритість виявляється в незаперечній ролі харчування. Ця роль цілком аналогічна ролі періодичних заправок автомобіля речовиною-енергоносієм. У живих організмів у ролі енергоносіїв виступають різні речовини: компоненти земної атмосфери для рослин, які в процесі фотосинтезу створюють з них складні органічні структури, жива речовина для травоїдних і хижих тварин. З кров'ю енергоносії надходять до органів тварин, які також можуть працювати й розвиватися тільки поза станом термодинамічної рівноваги. Як тільки з тих чи інших причин припиняється харчування (трофіка) організму або органів, вони стають замкнутими системами й повністю підпорядковуються другому закону термодинаміки. А це означає для організму як цілого смерть від голоду, спраги чи задухи. Для органів і їхніх тканин це означає змертвіння й необоротне дегенеративне переродження в тих випадках, коли з тих чи інших причин припиняється їхнє наповнення кров'ю. Типовий приклад — інфаркти, що виникають у серці, нирках, легенях, кишковику їх причиною може стати закриття просвіту живлячих кровоносних судин тромбами або їх звуження внаслідок спазмів. Виникає знекровлення (ішемія) тканини. Тканина перетворюється на замкнуту термодинамічну систему, і якщо це протриває 10-20 хвилин, вона відмирає і вже ніколи не зможе повернутися до колишнього стану. Надалі складна тканина з колись розвинутою системою кровопостачання заміщується жилавою сполучною тканиною постінфарктних рубців.

У неживій природі нерівноважні процеси структуроутворення дуже вразливі щодо прояву другого начала термодинаміки. Згадаємо ще раз, як швидко вичерпується структуротвірний потенціал місцевої грози. Жива природа протягом мільярдів років еволюції виробила особливі механізми стабілізації термодинамічної нерівно-ваги,1ї "узаконення". Достатньо згадати те, що є загальновідомим зі шкільного курсу біології про системи дихання й живлення рослин і тварин, про системи кровообігу й травлення тварин і людини, про мітохондрії — клітинні склади енергії. Але найяскравіше ця особливість живої природи виявляється в молекулярно-генетичних механізмах, завдяки яким природа може тиражувати найскладніші не рівноважні термодинамічні системи в міріадах особин з їх внутрішніми органами, системами дихання й живлення. На початку XIX ст. П. Лаплас охарактеризував відомий на той час Всесвіт як гігантський механізм, який працює за чіткою детерміністською програмою. Ці механістичні уявлення виявилися наївними стосовно неживої природи. Але й тут подальший розвиток науки перевершив найзухвалішу фантазію людини. Сучасна генетика й молекулярна біологія свідчать, що, коли йдеться про жорсткий детермінізм, чітку запрограмованість надскладного розвитку, будь-яка запліднена зародкова клітина затьмарює Всесвіт, яким його бачив Лаплас. І на засадах цього ультрадетермінізму формується незліченна кількість живих систем, які за самою своєю сутністю заперечують принципи механістичного детермінізму. Цю єдність протилежностей біологія XX століття розкрила повною мірою, але вона неспроможна її задовільно пояснити у світлі дарвінівського розуміння механізмів історичного саморозвитку живої природи. Синергетика ще повинна сказати тут своє вагоме слово.

Завершимо вивчення термодинаміки таким запитанням: чому в термодинаміці майже століття панували уявлення про оборотність процесів, тоді як життя на кожному кроці їх спростовує? Адже навіть з позицій здорового життєвого глузду зрозуміло, що розсіяний в атмосфері дим не може втягтися назад у трубу, що зруйнований будинок сам не постане з руїн, що розсіяні на більярдній дошці кулі не зберуться назад у піраміду в її центрі й т.п.

Справа в тому, що термодинаміка як наука розпочиналася в першій половині позаминулого століття з вивчення найпростіших процесів — процесів поведінки ідеальних газів у теплових машинах. А тут необоротність процесів не відіграє істотної ролі: робота теплових машин ґрунтується на найпростіших процесах стиснення й розширення газів, які є абсолютно однотипними й не пов'язані з утворенням і руйнуванням яких-небудь складних структур. Звичайно, при цьому відбувається необоротне розсіювання (дисипація) тепла. Рання термодинаміка знала про це, але нічого корисного для роботи теплових машин у дисипації не вбачала. Цю найпростішу форму дисипативних процесів вона лише емпірично констатувала й брала до уваги, але конкретно не вивчала. Вона не була готовою до цього, насамперед коли йдеться про розвиток понятійного апарату, а також математичних методів. Останнє є уже важливим моментом: адже у фізико-математичному природознавстві потрібно не тільки правильно міркувати, але й правильно обчислювати кількісно вимірювані параметри. Взявши за основу первородну механістичну парадигму природознавства, термодинаміка першої половини позаминулого століття природно запозичила в неї і уявлення про оборотність процесів* Це, врешті, типовий шлях розвитку природознавства — починати з найпростіших форм досліджуваних явищ і поетапно переходити до більш складного. При цьому вивчення найпростіших форм може розтягуватися на багато десятиліть. Може змінитися кілька поколінь учених, які працюють тільки в цій галузі. І це не може не провокувати людське мислення на абсолютизацію концепцій. Але рано чи пізно наука повною мірою усвідомлює всю їхню першопрохідницьку наївність.

Саме це і відбувалося в термодинаміці другої половини XX століття: вона не тільки критикує недоліки класичної термодинаміки, але й висуває гідні конструктивні альтернативи. Сучасна термодинаміка — це насамперед термодинаміка матеріально відкритих систем. Вона вивчає дисипативні процеси у всій різноманітності їхніх проявів, серед яких є і структуротвірні. Назвавши своє дітище теорією дисипативних структур, І. Прігожин умисно підкреслював застарілість уявлень ранньої термодинаміки щодо однозначно руйнівного характеру процесів розсіювання енергії. Наприклад, горіння могутнього освітлювача в заполярній оранжереї, якщо його розглядати замкнуто, без зв'язку із зовнішніми впливами, видається звичайним наслідком існування різниці електричних потенціалів на його клемах і розсіюванням світлової і теплової енергії. Але в системі оранжереї освітлювач і рослини, які він освітлює, являють собою енергетично відкриті системи. Розсіювання енергії тут перетворюється на могутні структуротвірні процеси фотосинтезу. Аналогічна ситуація і з роботою автомобільного акумулятора. Його розрядка в процесі запуску холодного двигуна — звичайний дисипативний процес, але він дозволяє запустити двигун, створити в ньому не рівноважну систему матеріально-енергетичних потенціалів. А вже після цього сам двигун завдяки роботі генератора дозволить акумулятору заповнити запаси енергії. Розглянувши цей повсякденний приклад, розуміємо, що відкритість систем означає їх залучення до систем більш високого рівня як автономних елементів і підсистем. А це — винятково кібернетична концепція, на яку не орієнтувалася й не могла орієнтуватися рання термодинаміка першої половини XIX століття.

Отже, завдяки засвоєнню кібернетичного погляду на процеси взаємодії матеріально-енергетичних потенціалів термодинаміка якісно оновилася, перетворилася в 50-80-х pp. на теорію дисипативних структур. Сфера її застосування в наш час надзвичайно широка й неухильно розширюється. Це говорить про те, що термодинаміка, як і раніше, залишається однією з найважливіших наук серед найбільш визначних творінь теоретичної фізики.