Читать книгу Концепции современного естествознания - Александр Садохин - Страница 9

Рассмотренная система методов научного познания не является статичной и неизменной. В процессе развития науки постоянно появляются новые методы, а уже известные могут переходить из одной категории в другую: частные превращаются в особенные, особенные в общие. Кроме того, в современном научном познании особое значение имеют общенаучные подходы, которые задают направленность научного исследования, фиксируют определенный его аспект, но не указывают жестко на специфику конкретных исследовательских средств. Общенаучные подходы акцентируют основное направление исследования, «угол зрения» на объект изучения.

Важнейшая черта общенаучных подходов – принципиальная применимость к исследованию любых явлений и любой сферы действительности. Они могут работать во всех без исключения науках. Это обусловлено общенаучным характером категорий, лежащих в основании данных подходов.

К числу общенаучных подходов относятся:

• структурный подход, ориентирующий на изучение внутреннего строения системы, характера и специфики связей между ее элементами;

• функциональный, изучающий функциональные зависимости элементов данной системы, а также ее входных и выходных параметров;

• алгоритмический, использующийся при описании информационных процессов, функционирования систем управления и в других случаях, когда есть возможность представить изучаемое явление в виде процесса, происходящего по строгим правилам;

• вероятностный, нацеливающий исследователя на выявление статистических закономерностей, ориентирующий на изучение процессов как статистических ансамблей;

• информационный, связанный с выделением и исследованием информационного аспекта различных явлений действительности – объема информации, способов ее кодирования и алгоритмов переработки.

В современной науке все более важное место занимают системный подход и глобальный эволюционизм.

Системный подход. Под системным подходом в широком смысле понимают такой метод исследования окружающего мира, при котором интересующие нас предметы и явления рассматриваются как части или элементы определенного целостного образования. Эти части и элементы, взаимодействуя друг с другом, формируют новые свойства этого целостного образования (системы), отсутствующие у них по отдельности. Таким образом, мир с точки зрения системного подхода предстает перед нами как совокупность систем разного уровня, находящихся в отношениях иерархии.

В современной науке основу представлений о строении материального мира образует именно системный подход, согласно которому любой объект материального мира представляет собой сложное образование, включающее составные части, организованные в единое целое. Для обозначения этой целостности в науке выработано понятие «система» – внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, проявляющее себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям.

Понятие «элемент» означает минимальный, далее уже неделимый компонент в рамках системы. Во всех системах связь между ее элементами является более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, при других отношениях он сам может представлять сложную систему. Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Существует два типа связей между элементами системы: горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальные связи – связи координации между однопорядковыми элементами системы. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части.

Вертикальные связи – связи субординации, т. е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им.

Степень взаимодействия частей системы друг с другом бывает различной. Кроме того, любой предмет или явление окружающего мира, с одной стороны, может входить в состав более крупных и масштабных систем, а с другой – сам являться системой, состоящей из более мелких элементов и составных частей. Поэтому все предметы и явления окружающего нас мира могут изучаться и как элементы систем, и как целостные системы, а системность является неотъемлемым свойством мира, в котором мы живем. В этом заключается сущность системного подхода.

Рассматривая строение системы, в ней можно выделить следующие компоненты: подсистемы и части (элементы). Подсистемы являются крупными частями систем, обладающими значительной самостоятельностью. Разница между элементами и подсистемами достаточно условна, если отвлечься от их размера. В качестве примера можно привести человеческий организм, безусловно являющийся системой. Его подсистемы – нервная, пищеварительная, дыхательная, кровеносная и др. В свою очередь они состоят из отдельных органов и тканей, которые есть элементы человеческого организма. Но мы можем рассматривать в качестве самостоятельных систем и выделенные нами подсистемы; в таком случае подсистемами будут органы и ткани, а элементами системы – клетки. Таким образом, системы, подсистемы и элементы находятся в отношениях иерархического со подчинения.

В рамках системного подхода была создана общая теория систем, которая сформулировала принципы, общие для самых различных областей знания. Она начинается с классификации систем и дается по нескольким основаниям.

В зависимости от структуры системы делятся на дискретные, жесткие и централизованные. Дискретные (корпускулярные) системы состоят из подобных друг другу элементов, не связанных между собой непосредственно, а объединенных только общим отношением к окружающей среде, поэтому потеря нескольких элементов не наносит ущерба целостности системы. Жесткие системы отличаются повышенной организованностью, поэтому удаление даже одного элемента губит всю систему. Централизованные системы имеют одно основное звено, которое, находясь в центре системы, связывает все остальные элементы и управляет ими.

По типу взаимодействия с окружающей средой все системы делятся на открытые и закрытые. Открытые системы – системы реального мира, обязательно обменивающиеся веществом, энергией или информацией с окружающей средой. Закрытые системы не обмениваются ни веществом, ни энергией, ни информацией с окружающей средой. Это понятие является абстракцией высокого уровня и хотя существует в науке, но реально не существует, так как в действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем. Поэтому все известные в мире системы являются открытыми.

По составу системы можно разделить на материальные и идеальные. К материальным системам относится большинство органических, неорганических и социальных (физические, химические, биологические, геологические, экологические, социальные). Также среди материальных систем можно выделить искусственные технические и технологические, созданные руками человека для удовлетворения его потребностей. Идеальные системы представляют собой отражение материальных систем в человеческом и общественном сознании. Примером такой системы является наука, которая с помощью законов и теорий описывает реальные материальные системы, существующие в природе.

Практически для любой системы характерна иерархичность строения: последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня. Отношения и связи в системе сами могут рассматриваться как ее элементы, подчиняющиеся соответствующей иерархии. Это позволяет строить различные, не совпадающие между собой последовательности включения систем друг в друга, описывающие исследуемый материальный объект с разных сторон.

В соответствии с системным подходом в природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы. Естественные науки, начиная изучение материального мира с наиболее простых, непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, постепенно переходят к изучению сложнейших структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного окружения. Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, но раскрывает их связь и соотношение.

Понятие системы, как и системный подход в целом, было сформировано в XX в. Известный советский ученый А.А. Богданов стал основоположником тектологии (всеобщей организационной науки). Он утверждал, что любой предмет или явление имеют свою цель и устроены в соответствии с ней. Это дает основание считать предметы и явления организмами и организациями. В природе существует объективная целесообразность (организованность), являющаяся результатом естественного отбора. Ученый понимал организованность как свойство целого быть больше суммы своих частей; причем чем больше эта разница, тем выше степень организации.

Известный австрийский биолог-теоретик Л. фон Берталанфи разработал теорию открытых биологических систем, способных достигать своего конечного состояния, несмотря на некоторые нарушения условий своего существования. Он обратил внимание на существование моделей, принципов и законов, применимых к любым системам независимо от их содержания. Физические, химические, биологические и социальные системы, по его мнению, должны функционировать по одним правилам. Он же дал первое определение системы как совокупности элементов, находящихся во взаимодействии.

Глобальный эволюционизм. Если в системном подходе воплотилась идея всеобщей связи всех предметов и явлений мира, то в глобальном эволюционизме – идея развития мира. Глобальный эволюционизм – убеждение в том, что как Вселенная в целом, так и отдельные ее элементы не могут существовать, не развиваясь. При этом считается, что развитие идет по единому алгоритму – от простого к сложному путем самоорганизации.

Классическая концепция развития. Этот принципиально новый взгляд на мир был сформулирован лишь во второй половине XX в., хотя сама идея развития была присуща научному мировоззрению еще с начала XIX в. Тогда существовала классическая концепция развития, которая признавала, что весь мир находится в постоянном развитии, но живая природа развивается от простого к сложному, а неживая – от современного сложного состояния к самому простому состоянию хаоса. Классическая концепция развития нашла свое обоснование в эволюционной теории Ч. Дарвина, где он описал эволюцию живой природы, а также в классической термодинамике, из которой вытекали представления об эволюции неживой материи.

Классическая термодинамика – физическая наука, занимающаяся изучением взаимопревращения различных видов энергии. Эта наука основывается на трех основных постулатах (началах).

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина – энергия – сохраняется неизменной в изолированной системе. Когда мы говорим о сохранении энергии, то имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергию, т. е. зависящую лишь от термодинамического состояния системы. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других типов энергий, связанных с состоянием электронов в атомах и молекулах.

Согласно этому закону, в изолированной системе энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что горячий чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.

Науке сегодня не известна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению этого закона. Иначе можно было бы создать вечный двигатель, создающий энергию из ничего. Поэтому первый закон термодинамики более известен в другой редакции: нельзя построить вечный двигатель первого рода, т. е. такую машину, которая совершала бы работу больше подводимой к ней извне энергии.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии – теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением молекул (например, броуновское движение молекул, скорость которых напрямую связана с температурой), и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло – наши предки получали огонь трением. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя, всегда останется некоторое количество теплоты, которое пропадет бесполезно. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности (мерой хаоса) системы в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна. Исключением является случай, когда идеальный кристалл находится при температуре абсолютного нуля, что невозможно, так как означает прекращение любого движения, в том числе атомов и элементарных частиц (на этот счет существует третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного –273 °C).

Иногда используется отрицательная величина энтропии – негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательной. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии – росту хаоса.

В соответствии со вторым началом термодинамики в случае изолированной системы (не обменивающейся веществом, энергией или информацией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. Представим себе закрытую систему, в которой вся энергия находится в упорядоченном состоянии (энергия – работа). Если в этой системе начнется процесс преобразования энергии, то мы увидим, что вся энергия – работа постепенно перейдет в энергию – тепло. Полученное тепло может быть использовано для совершения какой-либо полезной работы, но не полностью. Так появится энтропия. При следующем цикле преобразования работа опять полностью перейдет в тепло, но тепло вновь не сможет полностью превратиться в работу, и поэтому энтропия вновь увеличится. Так будет происходить до тех пор, пока вся энергия системы не превратится в тепло и не установится состояние термодинамического равновесия. Таким образом, в изолированной системе энтропия может только расти. Поэтому второе начало термодинамики еще называют принципом возрастания энтропии. Эта более точная формулировка второго начала термодинамики утверждает, что при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Иными словами, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Именно из этого принципа вытекали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. Они воплотились в идею тепловой смерти Вселенной, сформулированную В. Томсоном в 1851 г. Упорядоченными источниками энергии во Вселенной являются звезды, возраст которых хотя и велик, но не бесконечен. До открытия второго начала термодинамики считалось, что на смену погасшим звездам возникают новые, и процесс этот будет идти бесконечно. Но тот факт, что все виды энергии деградируют, постепенно превращаясь в тепло, требовал признать, что новых звезд должно загораться меньше, чем погасло старых. Поэтому со временем должны закончить существование все звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой, которая лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии – не будет жизни.

Становление современной концепции развития (идея самоорганизации материи). Первая крупная брешь в классической концепции развития была пробита в 1920-е гг. в результате создания новой модели расширяющейся Вселенной, которая сменила старую стационарную модель. Согласно новым представлениям, наша Вселенная возникла 15–20 млрд лет назад в результате Большого взрыва и лишь постепенно пришла к современному состоянию, которое также не является стабильным. При этом эволюция шла от простейшего хаотического состояния к современному упорядоченному состоянию.

Затем новые эволюционные идеи утвердились в химии, геологии, экологии и в других науках. Но до середины XX в. по-прежнему считалось, что для неживой материи основной тенденцией является стремление к разрушению, и только жизнь, представляющая стремление к упорядоченности и организованности, противостоит этой тенденции. Данное противоречие впервые было четко зафиксировано в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Он предположил, что во Вселенной происходят процессы развития. Так был дан толчок исследованиям, позволившим по-новому посмотреть на процессы в неживой природе.

Также к середине XX в. были сформулированы общая теория систем и основы кибернетики, установившие, что все известные нам системы являются открытыми, т. е. постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Поэтому найти подходы к решению вопроса о тепловой смерти Вселенной удалось лишь тогда, когда физика обратилась к понятию открытой системы. Было установлено, что при определенных условиях в открытых системах может возникать процесс самоорганизации, переводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние – состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. Ключ к пониманию процесса самоорганизации находится в исследовании взаимодействия открытых систем с окружающей средой.

Примеров процессов самоорганизации можно привести много. Так, лазеры создают высокоорганизованное оптическое излучение. Оно отличается от традиционных источников света – ламп накаливания, газоразрядных ламп, которые действуют за основе статических законов (в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы и ионы излучают кванты света с различными длинами волн во всех направлениях, причем только малую их часть мы воспринимаем как видимый свет). В лазере в активной среде резонатора под воздействием внешнего светового поля (при «накачке») благодаря поступлению энергии извне частицы начинают колебаться в одной фазе. В результате возникает когерентное (согласованное) взаимодействие, формирующее узконаправленный луч почти монохроматических квантов света.

Хотя процессы самоорганизации стали известны ученым достаточно давно, общие теории самоорганизации появились лишь в 1970-е гг. К их созданию ученые шли разными путями: создатель синергетики Г. Хакен – из квантовой электроники и радиофизики, основатель неравновесной термодинамики И. Пригожин – из анализа специфических химических реакций. Эти процессы в биологии изучал М. Эйген, в метеорологии – Е. Лоренц, в теории катастроф – Р. Том. Постепенно ученые начали выходить за рамки своих узких дисциплин, замечая аналогию между математическими моделями и концептуальными системами, описывающими такие разные на первый взгляд процессы.

Стало формироваться убеждение, что во всех явлениях есть единая основа, позволяющая создать общую теорию самоорганизации материи. Сегодня эта теория развивается в основном в рамках двух наук – синергетики и неравновесной термодинамики, во многом дополняющих друг друга.

Основы синергетики и неравновесной термодинамики. Синергетика – кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы – по определению ее создателя Г. Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем различной природы (атомы, молекулы, клетки, механические элементы, органы, животные и даже люди). Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

Основная идея синергетики – о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Это происходит при возникновении положительной обратной связи между системой и окружающей средой. Иными словами, под воздействием внешней среды внутри системы возникают полезные изменения, которые постепенно накапливаются, а затем кардинально меняют эту систему, превращая ее в другую, более сложную и высокоорганизованную.

Воздействию окружающей среды могут подвергаться сразу несколько однотипных систем, но в силу различных флуктуаций (отклонений) они могут формировать разные обратные связи, порождать разные ответные реакции, далеко не все из которых приводят к самоорганизации системы. Можно сказать, что между этими системами идет своеобразная конкуренция, отбор того типа поведения, такой обратной связи, которые позволяют выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Г. Хакен, это приводит нас в определенном смысле к обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический мир, но и на неживую природу, а также на социальные системы.

Синергетика претендует на открытие универсального механизма самоорганизации. Но объектом синергетики независимо от его природы могут быть только те системы, которые удовлетворяют определенным требованиям. Это открытость, существенная неравновесность и выход из критического состояния скачком в процессе типа фазового перехода.

Открытость – важнейшее свойство самоорганизующихся систем, которые постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Именно открытость является причиной неравновесности систем. Если закрытые системы, для которых и были сформулированы начала классической термодинамики, неизбежно стремятся к однородному равновесному состоянию (состояние термодинамического равновесия), то открытые системы меняются необратимо, в них важным оказывается фактор времени.

При определенных условиях и значениях параметров, характеризующих систему и меняющихся под воздействием изменений окружающей среды, система переходит в состояние существенной неравновесности – критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости. Ведь любая система остается сама собой только в определенных рамках. Так, вода является водой только при температуре от 0 до 100 °C при нормальном атмосферном давлении, за границами этих условий она превращается в лед или пар. Естественно, что существование социальной или биологической системы будет зависеть от других условий, чем существование физических или химических систем. Но важнейшие факторы, от которых зависит само существование любых систем, есть всегда. Они называются управляющими параметрами системы.

Из критического состояния существенной неравновесности системы всегда выходят скачком. Скачок – крайне нелинейный процесс, при котором даже малые изменения управляющих параметров системы вызывают ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Итак, самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без всякого вмешательства извне. Обычно они состоят из большого числа подсистем. При изменении управляющих параметров в системе образуются качественно новые структуры. При этом системы переходят из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний.

Важно, что этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии, вещества или информации уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т. д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Несколько иной аспект имеет неравновесная термодинамика И. Пригожина. В созданной им науке он поставил задачу доказать, что неравновесие может быть причиной порядка. Новая термодинамика стала способна отражать скачкообразные процессы.

Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать упорядоченность из хаоса, она непременно должна быть открытой и иметь приток вещества, энергии и информации извне. Именно такие системы названы И. Пригожиным диссипативными. Диссипативность – особое динамическое состояние, когда из-за процессов, протекающих с элементами неравновесной системы, на уровне всей системы проявляются качественно новые свойства и процессы. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые структуры, происходить переход к порядку из хаоса.

В ходе своего развития диссипативные системы проходят два этапа:

1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2) скачок, одномоментно переводящий систему в новое устойчивое состояние с более высокой степенью сложности и упорядоченности.

Особое внимание неравновесная термодинамика уделяет фазе скачка, являющейся разрешением возникшей кризисной ситуации и характеризующейся критическими значениями управляющих параметров системы. Илья Пригожин трактует такой переход как приспособление диссипативной системы к изменившимся внешним условиям, чем обеспечивается ее выживание. Это и есть акт самоорганизации.

Важно отметить, что переход диссипативной системы из критического состояния в новое устойчивое состояние неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого положения в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В какое именно совершится переход – дело случая. Это связано с тем, что в системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации. Под действием одной из них и происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и «выбор» конечного состояния оказывается случайным. Но после совершения перехода назад возврата нет; скачок носит одноразовый и необратимый характер. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называют точкой бифуркации.

Обнаружение феномена бифуркации, как считает И. Пригожин, ввело в физику элемент исторического подхода, смогло доказать необратимость времени. При протекании самоорганизации в явном виде обнаруживается «стрела времени» – однонаправленность времени от прошлого к будущему. Классическая термодинамика доказывала необратимость времени, используя второе начало термодинамики. Необратимый процесс возрастания энтропии всегда идет от прошлого к будущему. Тем не менее в классической механике возможность обращения времени была не исключена. Так, поменяв в уравнениях «плюс» на «минус» перед временем и скоростью, можно получить описание движения данного тела по пройденному пути в обратном направлении. Конечно, весь наш опыт убеждал в невозможности повернуть время вспять, но теоретически такая возможность оставалась.