Кукк В.А., Сергеев С.В., Решетников Б.А. Учебное пособие концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

140

информации, организованности, обратной связи, целесообразности,

вероятности. Она даёт новое представление об организации общества.

Кибернетика даёт науке новое общенаучное понятие — управление

сложнодинамической системой и новые методы исследования:

вероятностные, стохастические и моделирование на ЭВМ, а также новый

функциональный подход к изучению явлений природы — "сигнал – отклик".

Очень важно, что изучение функционирования более простых

технических систем используется для выдвижения гипотез о механизме

работы качественно более сложных систем (живых организмов, мышления

человека) с целью познания происходящих в них процессов —

воспроизводства жизни, обучения и т.п. Подобное кибернетическое

моделирование особенно важно в настоящее время во многих областях

науки, поскольку отсутствуют математические теории процессов,

протекающих в сложных системах, и приходится ограничиваться их

простыми моделями.

И, наконец, на основе кибернетических принципов созданы электронно-

вычислительные машины, роботы, персональные компьютеры, породившие

тенденцию кибернетизации и информатизации не только научного познания,

но и всех сфер жизни.

Благодаря кибернетике и созданию ЭВМ одним из основных способов

познания, наравне с наблюдением и экспериментом, стал метод

моделирования. Применяемые модели становятся все более масштабными: от

моделей функционирования предприятия и экономики до комплексных

моделей управления биогеоценозами

, эколого-экономических моделей

рационального природопользования в пределах целых регионов, до

глобальных моделей. Прогресс в области моделирования следует ожидать не

на пути противопоставления одних типов моделей другим, а на основе их

синтеза. Универсальный характер моделирования на ЭВМ дает возможность

синтеза самых разнообразных знаний, а свойственный моделированию на

ЭВМ функциональный подход служит целям управления сложными

системами.

9.2. Синергетика как общая наука о самоорганизации систем

Системно-кибернетический подход [3, 4, 5] к проблеме самоорганизации

дополняет и углубляет синергетика — возникшее в 70-е годы XX в. новое

междисциплинарное направление научных исследований. Синергетика

обратила внимание на процессы самоорганизации и в неживой природе, не

отказываясь от исследований биологических, социальных и технических

систем. Основоположники этой науки — И. Пригожин и Г. Хакен.

Биогеценоз — совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих

часть суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между

собой

141

Эта наука занимается процессами взаимопревращения различных видов

энергии. Ею установлено [6], что взаимные превращения тепла и работы

неравнозначны. Работа может полностью превратиться в тепло трением или

другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу

принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних

видов энергии в другие существует выделенная самой природой направ-

ленность. Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке

немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит

самопроизвольно от холодного тела к более горячему".

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики)

в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии

сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не

происходит. Вот эту-то односторонность, однонаправленность

перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе

начало.

Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое

понятие — энтропия. Под энтропией стали понимать меру беспорядка

системы [7]. Более точная формулировка второго начала термодинамики

приняла такой вид: "При самопроизвольных процессах в системах, имеющих

постоянную энергию, энтропия всегда возрастает".

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая

из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией)

система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью

движения частиц. Это — наиболее простое состояние системы, или

состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц

хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое

равновесие, что эквивалентно полному хаосу. В итоге, необратимая

направленность процессов преобразования энергии в изолированных сис-

темах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в

тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится

между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое

равновесие, или полный хаос.

Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный синергетикой, можно

выразить следующим образом:

а) процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во

Вселенной по меньшей мере равноправны;

б) процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности)

имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они

осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего

универсального механизма, с помощью которого осуществляется

самоорганизация, как в живой, так и в неживой природе.

В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный

принцип Природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее

сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.

142

Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно

характеризующее способ реализации перехода от простого к более

сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скач-

кообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему,

достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое

состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по

сравнению с исходным. Критическое состояние — это состояние крайней

неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе

предшествующего периода плавного, эволюционного развития.

Прежде чем привести примеры самоорганизации, необходимо уточнить,

что же считать усложнением элементов и систем, их переходом от более

простых к более сложным формам.

Понятия "простой" и "сложный" всегда относительны, их смысл

выявляется только при сопоставлении свойств родственных объектов. Так,

протон сложен относительно кварков, но прост относительно атома

водорода; атом сложен относительно протона и электрона, но прост

относительно молекулы и т.д. При этом мы видим, что сложные объекты

обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы,

составляющие их. Таким образом, природу можно представить как цепочку

нарастающих по сложности элементов.

Объект изучения классической термодинамики — закрытые системы,

т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и

информацией [6].

Открытые системы — это такие системы, которые поддерживаются в

определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества,

энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или

информации является необходимым условием существования неравновесных

состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно

стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к

однородному равновесному состоянию. Открытые системы — это системы

необратимые, в них важным оказывается фактор времени.

Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем

закрытых, линейных систем. Вместе с тем "нелинейный мир" сложнее

моделировать. Как правило, для (приближенного) решения большинства

возникающих нелинейных уравнений требуется сочетание современных

аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика

открывает для точного, количественного, математического исследования

такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения

и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития

сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и

т.п.

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих

сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза

в биологии и

Морфогенез — возникновение и развитие органов, систем и частей тела

организмов, как в индивидуальном, так и в историческом развитии.

143

некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера

крыла самолета,

от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до

эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до

формирования общественного мнения и демографических процессов.

Основной вопрос синергетики — существуют ли общие закономерности,

управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и

функций.

Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят, пороговый

характер — при плавном изменении внешних условий поведение системы

изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия,

очень слабые возмущения могут усиливаться до разрушающих сложившуюся

структуру и способствующих радикальному качественному изменению. Чем

сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих

ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между

различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью,

обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуации, зависит

порог устойчивости системы.

Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние,

называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой

относительно флуктуации и может перейти к новой области устойчивости,

т.е. к образованию нового вещества. Система как бы колеблется перед

выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация

может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом

направлении, изменением поведения системы. Это и есть событие.

В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от

системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих

возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так

до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и

необходимость взаимно дополняют друг друга.

По мнению И. Пригожина и И. Стенгерс [7], большинство систем

открыты — они обмениваются энергией или веществом, или информацией с

окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не

порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравномерность,

т.е. все системы непрестанно флуктуируют.

Существует некоторая аналогия [2] двух возможных состояний системы

стабильного (равновесного) и неустойчивого — когда шарик помещают на

вогнутой и выпуклой поверхности. В первом случае при любом случайном

малом отклонении-флуктуации шарик возвратится в первоначальное

состояние. Во втором случае любое малейшее отклонение шарика вправо или

влево закончится его падением, т.е. эта система перестаёт существовать.

Итак, в особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что

организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально

невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она

Флаттер — процесс спонтанного разрушения конструкций в экстремальных

условиях

144

перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень

упорядоченности, который назвали диссипативной

структурой. Новые

структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания

требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на

смену которым они приходят.

Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку

система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит

энтропию.

Самый популярный и наглядный пример образования структур

нарастающей сложности — хорошо изученная система — лазер. Этот прибор

создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные

источники света — лампы накаливания, газоразрядные лампы — создают оп-

тические излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим

законам. Так, в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы

и ионы спонтанно излучают кванты света с различными длинами волн во

всех направлениях. Только малую часть из них мы воспринимаем как

видимый свет. Уровень организации подобной среды крайне низок,

упорядоченность мала. Для лазерной активной среды, которая должна в

принципе находиться в сильно неравновесном состоянии, характерна

высокая упорядоченность атомных, ионных или молекулярных избирательно

возбуждаемых состояний, что достигается направленным введением в среду

организованного потока энергии (накачка). При выполнении определенного

условия в среде лавинообразно нарастает вынужденное излучение почти

монохроматических квантов света, движущихся в одном направлении.

Лазерная генерация возникает скачком после того, как плотность вводимой в

среду энергии накачки превысит пороговое значение, зависящее от свойств

активной среды, характера накачки и параметров оптического резонатора, в

который помещают активную среду для усиления эффекта. Излучение

выходит в виде узконаправленного луча.

Другой простой, легко демонстрируемый, пример из области механики –

вскрытый нами факт [11] отсутствия собственной устойчивости

вращающегося диска по неподвижному контртелу. Суть этого явления

такова. Сначала диск трения, прижатый осевой силой к неподвижному

контртелу, находится в состоянии покоя (рис. 8, а).

Диссипация (лат. dissipatio) — рассеяние. Например, диссипация газов земной

атмосферы в межпланетное пространство. В физике важную роль играет диссипация

энергии — переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии

движущегося тела, энергии электрического тока и т.д.) в энергию неупорядоченных

процессов, в конечном итоге — в тепло.

145

То есть в данном случае эта открытая система не получает энергию извне.

Если же диску сообщить энергию в виде вращения ω

вр

(рис. 8, б), то есть

циклического движения, имеющего характерную собственную частоту, то

при этом практически мгновенно возникнет смещение оси А

диска

относительно контртела из-за действия неуравновешенной тангенциальной

силы, в результате диск начинает совершать радиальные автоколебания ω

Исследования на устойчивость системы дифференциальных уравнений,

описывающих данное движение показало, что все тривиальные решения этой

системы неустойчивы, т.е. должно наблюдаться так называемое мягкое

возбуждение автоколебаний. Это явление можно истолковать как проявление

принципа минимальной диссипации (рассеяния энергии) в трактовке И.

Пригожина или Н. Н. Моисеева [2, 7].

Теоретически и экспериментально нами было показано, что это

неустановившаяся, нестационарная часть траектории центра вращающегося

диска, представляет собой экспоненциально разворачивающуюся спираль,

т.е. точку бифуркации.

При спонтанном нарушении симметрии, происходящем в связи с

отсутствием собственной устойчивости, возникает неголономная связь диска

и контртела, т.е. диск катится практически без проскальзывания по

поверхности контакта. В случае такого планетарного движения между

диском и контртелом действует трение качения и рассеивается значительно

меньшее количество энергии в виде тепла, т.е диссипация минимальна.

)

Рис

. 8.

Схемы

вопросу

об

отсутствии

собственной

устойчивости

вращающегося

диска

)

схема

расположения

диска

состоянии

покоя

;

)

схема

самовозбуждения

автоколебаний

вращающегося

диска

трения

146

Следовательно, процесс планетарного движения предпочтительнее с

точки зрения минимальной диссипации, а возникновение поперечных

автоколебаний — естественно и неизбежно.

Хотя принято считать, что при переходе от состояния с максимальной

диссипацией к состоянию с минимальной диссипацией, как к более

упорядоченному, должен существовать некий порог. В рассмотренной

системе такого порога обнаружить не удается: возбуждение автоколебаний

всегда мягкое.

Возможен и второй путь самоорганизации этой механической системы.

Этот случай может наступить, если диску сообщить значительно большее

количество энергии, т.е. скорость вращения, превышающую некоторую

допустимую величину. При этом, из-за больших тангенциальных сил система

может перейти к хаосу, т.е. диск будет стремиться выйти из контакта с

контртелом. Обнаруженное явление представляет значительный

практический интерес. Так работают все вращающиеся многолезвийные

инструменты, используемые в машиностроении при обработке материалов, и

в горном деле при бурении скважин.

Изученное нами явление неустойчивости многолезвийных вращающихся

инструментов позволило объяснить и другие, не менее интересные,

физические явления в области механики твердого тела. Во-первых, вскрыт

механизм вибрационного смещения и искривления траектории

геометрически симметричного инструмента, симметрия которого нарушается

кинематически из-за тех же быстрых поперечных вибраций. Искривление

траектории наблюдается, если на геометрически симметричный инструмент

накладываются самопроизвольные амплитудно-модулированные продольные

вибрации, несущая частота которых совпадает с частотой быстрых

поперечных колебаний, а частота их огибающей, то есть частота изменения

амплитуды несущих колебаний, совпадает с частотой вращения инструмента.

При этом вскрытый механизм [9, 10] может проявляться внешне весьма

разнообразно, например, в виде разбивки, огранки отверстий спиральной и

конической формы (рис. 9). Во-вторых, при определенных условиях может

наблюдаться самопроизвольная синхронизация указанных частот или даже

взаимный захват, например, в случае вращательной синхронизации. А это, в

свою очередь, подтверждает возможность явления принудительного

самовращения диска трения по контртелу [12]. Кроме того, эта система,

вращающийся диск — контртело, является основой нового способа

возбуждения вибраций и используется в вибрационных машинах с

регулируемым воздействием.

Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других классах

открытых неравновесных систем, как нам кажется, обещает быть успешным:

механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция

Белоусова — Жаботинского), формирование живого организма, динамика

популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия

миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и

147

сложных макроструктур — все это примеры самоорганизации систем самой

различной природы.

Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые

возможности и направления их изучения. Синергетика родом из физических

дисциплин — термодинамики, радиофизики. Но ее идеи носят

междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в

естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синергетике

видят одну из важнейших составляющих современной научной картины

мира.

Физика XX в. сначала изменила отношение к тому, что считать материей

и как она соотносится с пространством и временем, а в конце XX в. по-

новому взглянула на процесс развития. Развитие понимается в синергетике

как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало

в природе и предсказать которое невозможно [12].

В начале XXI в. наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология

— к вопросу о происхождении мира и материи. Кибернетика решает

проблему рождения разума, синергетика — проблему рождения материи.

Механизм, который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие

в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента.

Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе

существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития

природы — это история образования все более и более сложных нелинейных

Рис

. 9.

Некоторые

проявления

механизма

вибрационного

смещения

искривле

ния

траектории

движения

инструмента

обрабатываемом

отверстии

)

управление

величиной

увода

оси

разбивки

отверстий

(

—

разбивка

отверстия

;

—

увод

оси

отверстия

;

—

нарастающая

разбивка

отверстия

);

)

управление

величиной

интенсивностью

″зенитного″

″азимутального″

увода

оси

отверстия

148

систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на

всех уровнях ее организации — от низших и простейших к высшим и

сложнейшим (человек, общество, культура)[12].

Вопросы для повторения

1. Какие системы называются простыми, а какие сложными?

2. Что изучает кибернетика?

3. Что такое функциональный подход?

4. Что изучает синергетика?

5. Чем отличаются закрытые системы от открытых?

6. Что такое энтропия?

7. Что такое диссипация, флуктуация?

8. Как синергетика объясняет эволюцию?

Библиографический список

1. Винер, Н. Кибернетика / Н.

Винер. — М.: Мир, 1968.

2. Лакирев, С.Г. Вибрационная механика процессов сверления — бурения и

новые динамические эффекты / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич, С.В.

Сергеев. — Челябинск: ЧГТУ, 1993.

3. Лолаев, Т.П. О "механизме" течения времени / Т.П. Лолаев // Вопросы

философии. — 1996. — № 1.

4. Молчанов, Ю.Б. Четыре концепции времени в философии и физике / Ю.Б.

Молчанов. — М.: Наука, 1977.

5. Панченко, А.И. Философия. Физика. Микромир / А.И. Панченко. — М.:

Мысль, 1988.

6. Поплавский, Р.П. Термодинамика информационных процессов /

Р.П.

Поплавский. — М.: Наука, 1981.

7. Пригожин, И. Порядок из хаоса / И. Пригожин, И. Стенгерс. — М.: Мир,

1986.

8. Сергеев, С.В. Повышение эффективности вибрационных процессов при

механической обработке различных материалов: монография /

С.В. Сергеев. — Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2004. — 262 с.

9. А.с. 1537398 СССР. МКИ В 23 В 35/00 Способ обработки отверстий с

криволинейной осью / С. Г. Лакирев, Я. М. Хилькевич, С. В. Сергеев. —

№4324358/31-08; заявл. 02.11.87; опубл., Бюл. №3.

10. А.с. 1710213 СССР. МКИ В 23 В 35/00 Способ обработки отверстий

мерным многолезвийным инструментом / С. Г. Лакирев, Я. М. Хилькевич,

С. В. Сергеев. — №4179854/63; заявл. 12.01.87; опубл., Бюл. №5.

11. Хакен, Г. Синергетика / Г. Хакен. — М.: Мир, 1980.

12. Чолпан, П.Ф. Курс физики: Методологические и философские вопросы. /

П.Ф. Чолпан. — Киев: Вища школа, 1990.

149

Глава 10. ХИМИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ.

ВЕЛИКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ

10.1. Взаимосвязь естественных наук.

Уровни организации материи

Наши знания о природе накапливаются и развиваются не хаотично, а в

строгой последовательности, обусловленной иерархией уровней организации

материи [1]. Природа едина по своей сути и деление знаний о ней на

отдельные естественные дисциплины, например, химию или физику, часто

бывает достаточно условным: физические идеи находят свое отражение в

объяснении химических процессов, а изучение химических превращений

веществ друг в друга приводят физиков к открытию новых физических

закономерностей и явлений (например, открытию высокотемпературной

сверхпроводимости или открытию солитонов). Это обусловлено, прежде

всего, существованием общего для химиков и физиков объекта исследования

— вещества. Но есть и существенные различия между этими двумя науками:

во-первых, круг объектов исследования физики по сравнению с химией более

широк — от микромира до масштабов Вселенной; во-вторых, законы физики

более универсальны и применимы к целому ряду природных явлений. Об

этом свидетельствует развитие большого количества смежных с ней наук —

физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и т.д. В этих науках

ученые пытаются объяснить химические, биологические и все прочие

природные явления и процессы с точки зрения основных физических

законов. И действительно, представим себе, как бы прекрасно жилось

человечеству, если бы весь мир описывался элементарными физическими

закономерностями. Но мы знаем, как на самом деле непросто устроена

единственная самая простая живая клетка с ее уникальной клеточной

мембраной, избирательной для разных ионов, с разнообразными клеточными

органеллами, безукоризненно обеспечивающими ее жизнедеятельность и с

загадочным "мозговым центром" клетки — клеточным ядром, содержащим

хромосомы. При этом следует учитывать и тот факт, что каждую секунду в

живой клетке все изменяется — происходит обмен веществ и обмен энергией

с окружающей средой, меняется цикл жизнедеятельности клетки: она

стареет, или, напротив, готовится к синтезу белка, взаимодействует с

другими клетками и т.д. Совершенно очевидно, что для того, чтобы

исследовать такие сложные процессы, следует сначала просто описать,

удостовериться в их истинности и повторяемости.

Описанием явлений и процессов природы занимаются феноменологиче-

ские науки (от греч. "феномен" — явление). Целью таких знаний является

описание природных явлений на макроскопическом уровне, т.е. на уровне,

доступном восприятию органами чувств человека. Однако, современная

экспериментальная наука, использующая разнообразные методы

исследования и новейшее оборудование: электронные микроскопы —

томографы, высокоразрешимую спектроскопическую аппаратуру, включая