Взаимодополнение хаоса и порядка в синергетическом подходе к природным системам

В последние два десятилетия в естественных науках произошел коренной перелом в понимании развития сложных систем. Изучением закономерностей их развития, процессов самоорганизации в них занимается новая отрасль науки - синергетика. В поле зрения синергетики оказываются объекты разной природы: физической, химической, биологической, геофизической, социальной и др. [1].

Синергетика выступает в роли той основы, на которой происходит объединение достижений естественных и гуманитарных наук в создании современной картины мира. Она описывает общие закономерности развития открытых нелинейных систем, состоящих из множества взаимодействующих элементов. Любые природные системы находятся в условиях постоянного обмена энергией и (или) веществом их средой, то-есть, все они с точки зрения синергетики относятся к открытым системам. Нелинейности системы - необходимое условие возникновения и развития в ней разного рода структур, олицетворяющих эволюцию системы. Математически развитие системы отображается нелинейными дифференциальными уравнениями или уравнениями, которые содержат коэффициенты, зависящие от свойств вещества системы [1,4].

Поскольку синергетика развивает новый взгляд на эволюцию природных систем, постольку естествен интерес философов к ее выводам. Синергетика помогла увидеть новые оттенки диалектической взаимосвязи между необходимостью и случайностью, между причиной и следствием, возможностью и действительностью и т.п. В настоящее время синергетика не без оснований претендует на роль новой естественнонаучной парадигмы философии.

В данной работе обращено внимание на значение хаоса как необходимого для эволюции состояния развивающейся системы.

Хаос в качестве воззренческой категории включался в самые первые представления человечества о мироустройстве [3]. В мифологии почти всех древних людей присутствовало понятие о хаосе как первобытной стихии, из которой с помощью богов возникал порядок мироздания. И в более поздних мифах о сотворении мира, например, библейском, по-прежнему, сохраняется идея первозданного хаоса. А идея развития оставалась идеей упорядочения, установления божественного порядка мироустройства.

Во времена взлета античной философской мысли хаос, как и в мифологии, оказывается оттесненным на задворки эволюционного процесса. Ему отводится эпизодическая роль в длительном существовании мироздания: в момент возникновения и, возможно, в момент исчезновения.

В XVII веке благодаря изменению методов познания (вовлечение эксперимента натурного и расчетного, дифференциация наук) была создана первая научная, логически стройная картина мира, названная впоследствии механистической. Основу её составили открытые к тому времени законы механического движения. В механической картине мира случайностям нет места: все причинно обусловлено. Каждая причина со 100%-ной вероятностью вызывает появление соответствующего следствия, поэтому и существует упорядоченный мир. Хаотическому состоянию отведено лишь небольшое время в самом начале создания мира, как это представлялось античным мыслителям.

Но в XIX веке, благодаря открытию английского ботаника Р. Броуна, пришлось признать постоянное существование хаоса в некоторых природных системах. В молекулярно-кинетической теории веществ хаос был впервые обоснованно встроен равноправным блоком в представления о влияниях природы. И сразу же возникла задача количественного описания хаотического движения молекул. Итогом поисков ученых явилось создание статистического подхода к описанию систем с хаосом.

Квантовая теория ХХ-го века о структуре материи не принесла в представление и описание хаоса принципиальной новизны. В ней, как и в статистической теории, используется вероятностный поход, вычисляются средние характеристики системы.

Итак, к началу второй половины ХХ-го века хаос был допущен к участию в процессах мироздания. Но считалось, что системы с хаотическим поведением частиц, всё-таки можно описать детерминистскими законами, а не вероятностными, если привлечь ЭВМ с громадными вычислительными возможностями, чтобы учесть для каждой частицы изменение её параметров движения со временем.

В 80-е годы текущего века с появлением синергетического подхода к вопросам эволюции, хаос стал одним из основных объектов нового мировоззрения. Особенности синергетической картины мира по сравнению с существующей физической отражены нами в таблице 1, из которой видно, что роль хаоса в эволюции природных систем не однозначна, как это считалось ранее.

Механизм возникновения в хаотической среде упорядоченной структуры можно рассмотреть на классическом для синергетики явлении ячеек Бенара, известных с 1900 года [1]. Шестигранные ячейки получаются в слое масла (машинного, силиконового, растительного) толщиной в доли сантиметра, которое подогревается в сосуде с плоским дном на газовой горелке. Для улучшения видимости картины упорядочения в масло сыплют щепотку мелких легких частиц (алюминиевых опилок, манной крупы). Управляющим параметром для этой открытой физической системы служит градиент температуры в вертикальном направлении. При возрастании градиента температуры с течением времени нагрева при некотором критическом (пороговом) значении его величины наступает переход беспорядок - порядок в движении молекул масла. До достижения порогового значения параметра порядка передача тепла от нижних горячих слоев вещества к верхним холодным происходит путём теплопроводимости: быстрые «горячие» молекулы, двигаясь хаотично, сталкиваются с медленными и передают им энергию. По достижению порога система приходит в неустойчивое состояние, так как теплопроводность (хаотическое движение) уже не обеспечивает полный перенос тепла, которое непрерывно поступает в систему. Нужен другой, более эффективный способ передачи тепла. И система создаёт его -однородный объем жидкости структурируется в ячейки, образованные упорядоченными конвективными потоками. Теперь уже миллиарды молекул организованно движутся вверх в срединных областях ячеек и вниз - по краям их. Фундаментом, на котором образовался порядок, возникло коллективное согласованное движение молекул, явился хаос. В моменты неустойчивости системы (в точке бифуркации) именно хаотическое движение, случайные столкновения дают многообразный набор скоростей молекул по величине и по направлению. Именно хаос содействует спонтанному возникновению в некоторой области системы по микроскопическим масштабам флуктуации - области, где многие молекулы имеют преимущественную компоненту скорости, направленную по вертикали вверх или вниз. Появление большой флуктуации, амплитуда которой сравнима или даже больше среднего значения флуктуирующей величины, мгновенно влияет на поведение всей системы. Она, во-первых, далеко уводит систему от прежнего хаотического состояния, и, во-вторых, это локализованное новое состояние оказывает коррелирующее влияние на движение молекул во всем объеме. Согласованное движение возможно только в открытой нелинейной среде и (или) при нелинейном воздействии. При указанных условиях и происходит самоорганизация, самоструктурирование среды (вещества).

Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что хаос служит необходимой предпосылкой перехода системы в упорядоченное состояние, так как только хаос может дать строительный материал (набор подходящих состояний частиц) для начала формирования будущей структуры.

Если после прохождения системой точки бифуркации управляющий параметр продолжает увеличиваться, то в некотором интервале его значений структура, в данном примере в виде ячеек, продолжает сохраняться до следующей точки бифуркации. В течение времени существования ячеек хаос окончательно не исчезает. Он остается в системе в роли одной из главных противоборствующих тенденций и в существовании и развитии явления. В соответствии с законом диалектики единства и борьбы противоположностей в рассматриваемом физическом процессе в единстве существуют беспорядочное хаотичное движение молекул и упорядоченное конвективное. Это противостояние хаоса и конвекции, порядка и беспорядка в диссипативной структуре при достижении системой новой точки фуркации с другим критическим значением управляющего параметра приводит к победе хаоса - наступает состояние неустойчивости, и далее снова может повториться процесс структурирования, включающий в действие другие физические явления.

Подводя итог развитию системы от одной точки бифуркации до другой, можно прийти к заключению о том, что система шла от хаоса и пришла к хаосу. Но это не повторение прежнего хаоса. В конечной точке бифуркации хаос имеет новое лицо - другие значения физических характеристик: большие средние скорости молекул, большую температуру, меньшую плотность и др. Эволюция системы идет не по замкнутому кругу, а по спирали, как это и утверждает диалектика.

В точках неустойчивости проявляется еще один аспект конструктивной роли хаоса в эволюции природных систем. Синергетический подход позволил увидеть альтернативные пути развития, а не единственный путь, который предписывался детерминистским подходом к эволюции. Хаос предоставляет возможность для проявления нескольких вариантов поведения системы, соответствующих ее внутренним свойствам в данных условиях. Хаотичное поведение элементов системы дает бесконечное множество значений их параметров, из которого можно подобрать подходящие для каждого из альтернативных путей. Хаос определяет и вероятностный характер выбора системой определенного эволюционного пути.