Файл: Тесты с ответами по естествознанию.doc

5. Слабо развитая система может перейти в лучшее состояние почти без предварительного ухудшения, в то время как развитая система, в силу своей устойчивости, на такое непрерывное улучшение неспособна.

6. Если, однако, систему удается сразу, скачком, а не непрерывно, перевести из плохого устойчивого состояния в состояние, достаточно близкое к лучшему, то дальше она сама собой будет эволюционировать в сторону лучшего состояния.

С этими объективными законами функционирования нелинейных систем нельзя не считаться. Теория катастроф дает возможность получить и количественные модели. Но в некоторых случаях качественные выводы теории катастроф представляются более важными и даже более надежными, поскольку они мало зависят от деталей.

12.5. Природные диссипативные структуры (стихии)

Очень эффектные диссипативные структуры постоянно возникают у всех на глазах и часто являются «катастрофами» не только по механизму своего образования, который описывается теорией катастроф, но и в обычном смысле по своему воздействию на жизнь человека. Это, прежде всего, различные атмосферные явления, а также извержения вулканов и землетрясения.

Облака — наверное, самые разнообразные и красивые образования, имеющие отчетливую и наглядную диссипа-тивную структуру (а, кроме того, они еще и фрактальные по своей геометрической природе, о чем будет сказано в следующем параграфе). Это динамические образования, существующие лишь при условии непрерывного переноса влаги потоками воздуха. Облака очень упорядоченные структуры, и существует не так много стандартных типов облачности, связанных с совершенно определенными динамическими процессами в атмосфере (хотя мелкие детали формы облаков очень разнообразны и поэтому до сих пор не удалось автоматизировать наблюдения за облаками).

Тропический циклон (от греч. kyklon — кружащийся), он же тайфун (китайское название), он же ураган (классификация по шкале Бофорта) — это сложнейшая вихревая структура, обеспечивающая скачкообразное усиление рассеяния энергии, накопленной в нагретой воде некоторого участка океана. Нагреваемая Солнцем вода океана длительное время спокойно отдает свое тепло и влагу атмосфере, там возникают конвекционные потоки, появляются облака, выпадают дожди, часть тепла в виде длинноволнового излучения уходит в космос. В открытое пространство. Но вдруг, по достижении потоком тепла, отдаваемого океаном, определенной интенсивности на участке поверхности достаточно большой площади, характер теплоотдачи резко меняется — возникает тропический циклон. Огромная скорость ветра и волнение моря приводят к увеличению теплоотдачи с его поверхности в десятки раз. Основное количество тепла отнимается у воды путем испарения. Когда влага конденсируется в облаках, она отдает скрытую теплоту парообразования атмосфере — это очень эффективный механизм теплопередачи. Часть тепла преобразуется в энергию ветра, который усиливает теплоотдачу. Раз начавшись, благодаря такой положительной обратной связи, циклон очень быстро набирает максимальную интенсивность — происходит скачок системы в новое состояние с определенным образом упорядоченной вихревой структурой. А по существу, это такая же перестройка, усложнение структуры, способствующее усилению диссипации, как возникновение правильных конвективных ячеек в подогреваемой снизу жидкости (бинаровская конвекция).

Циклон (тайфун, ураган) — структура устойчивая: раз возникнув, он сохраняется и при довольно значительном изменении условий, перемещаясь по поверхности океана на большие расстояния туда, где он никогда бы не мог возникнуть, и даже выходит на сушу. Здесь работает принцип максимального промедления.

Явление Эль-Ниньо — перегрев больших масс воды в восточной экваториальной зоне Тихого океана, ослабление пассатов, оттеснение к югу холодного Перуанского течения — это опять перестройка структуры атмосферной циркуляции, только еще большего масштаба, чем восточ-ноазиатский тихоокеанский тайфун.

Наконец, еще более крупные перестройки — глобальные оледенения, ледниковые периоды. Это тоже скачки из одного устойчивого состояния в другое. Оледенение, раз возникнув, способно поддерживать само себя: лед и снег обладают большой отражательной способностью и сильно уменьшают поглощение поверхностью Земли солнечного тепла. Охлаждающее действие постоянных ледников продлевает продолжительность снежного покрова там, где он не постоянный. Лес заменяется тундрой, которая также поглощает тепла меньше, а отражает больше. Таким образом, раз начавшись после преодоления какой-то критической грани, процесс оледенения способен поддерживать сам себя длительное время — опять мы имеем дело с положительной обратной связью и принципом максимального промедления. Но переход от межледниковья к ледниковью и обратно происходит очень резко, катастрофически.

Возникновение и жизнь вулканов — это процесс, в известном смысле, аналогичный процессу возникновения и жизни ураганов. Здесь такжде возникают устойчивые диссипативные конвективные структуры, резко интенсифицирующие рассеяние внутрипланетной тепловой энергии. Вулканы (вулканические центры), так же как и ураганы, зарождаются в определенных тектонически активных районах при определенных условиях и также через какое-то время прекращают свою активность. Значительно большее время жизни вулканического центра, по сравнению с временем жизни урагана, связано с значительно большими характерными временами процессов тепло- и массо-переноса в недрах Земли по сравнению с атмосферой.

Аналогичную картину можно увидеть и в экономике. Два листа поверхности равновесия (сборки) могут описывать, например, состояния, соответствующие низкому уровню производства в сочетании с низким уровнем потребления и высокому уровню производства с высоким уровнем потребления. Эти состояния отчетливо видны: мир разделен на две хорошо различающиеся системы или группы — на группу промышленно развитых и группу отсталых (довольно лицемерно называемых «развивающимися») стран. Пропасть между этими группами стран продолжает углубляться, а промежуточные устойчивые состояния отсутствуют. Перейти из бедной в богатую группу можно только скачком. Здесь также присутствует положительная обратная связь: снижение потребления сужает рынок, заставляет снижать производство, порождая безработицу и тем самым дальше снижая потребление. Бедность приводит к снижению уровня образования, квалификации и технологии, что еще больше усиливает эту бедность. Расщепляющим параметром здесь может служить степень диверсификации и монополизации производства: при натуральном хозяйстве кризисы исключены (как скачки вниз, так и скачки вверх), они возможны только, когда есть общественное разделение труда и глубина их тем больше, чем сильнее такое разделение и чем монополизиро-ваннее отдельные отрасли. С нормальным параметром здесь сложнее — экономическая наука, во всех ее существующих ипостасях, пока не в состоянии учесть, при формализации задачи, факторы индивидуальной и массовой психологии, идеологии и политики. Простой сборкой здесь не обойтись, но на некоторую (вот только непонятно на какую конктретно) комбинацию сборок в соответствии с общей теорией катастроф, очевидно, можно разложить и экономику, и социологию и многие другие гуманитарные науки.

12.6. Фракталы, сети и сетевые структуры природы и общества

На оснований всех этих примеров и глядя вокруг себя мы убеждаемся, что эволюция происходит не гладко. Эта негладкость связана с образованием и преобразованием структур. Причем характерно, что малый толчок, не очень значительное изменение лишь одного или немногих параметров часто приводит к фундаментальнейшей перестройке структуры, иногда к очень сильному ее усложнению. Думается, что именно с неучетом этой особенности поведения динамических систем связаны отмечаемые многими учеными противоречия классической дарвиновской теории эволюции живого мира.

Программа строения и всей жизни существа записана в его геноме, при помощи последовательности четырех нуклеотидов — аденина, гуанина, тимина и цитозина. Алфавит наследственности состоит всего из четырех букв и текст ее написан трехбуквенными словами, которые в молекуле ДНК образуют цепочку более чем двухметровой длины, сложным образом многократно свернутую спиралью. На отдельных участках этой огромной записи закодированы все белки, из которых строится организм, вся программа последовательного построения этих белков, их сочетания в более сложные структуры и совместного функционирования. Как такую грандиозную программу можно было создать путем случайных мутаций и отбора? И как поместить ее в таком ограниченном объеме?

Исчерпывающего ответа пока нет, но некоторые соображения имеются. Очевидно у природы есть некие заложенные в нее сущности, встроенные программы создания программ, общие алгоритмы, один из которых, очевидно, так называемые фрактальные структуры. При помощи фракталов очень сложную структуру можно «записать» в виде относительно короткой и простой программы. Вероятно, что-то подобное и имеет место при построении и эволюции биологических объектов.

Целостное, возникающее сейчас вновь, холистское, мировоззрение, холизм, в аспекте постнеклассической парадигмы, является прямым наследником мифологии (с ее антропоморфизмом) и античной натурфилософии (с ее космоцентризмом) и философии Средневековой алхимии. Существует почти прямая связь античной неисчерпаемости гомеомерий Анаксагора и идей Парменида и Зенона Элейского, с современной концепцией фрак-тальности и фрактальных множеств. Развиваемое с 1875 года понятие фрактальности в работах Фату, Жю-лиа, Пуанкаре, Хаусдорфа, Безиковича, приобрело современный смысл в монографии 1977 года Бенуа Ман-дельброта «The Fractal Geometry of Nature». Как и философские точки зрения Анаксагора и Парменида — Зенона претендовали на всеобщую целостность и единство мира, так и фрактальность претендует на всеобщность, единство и целостность любых возможных систем — естественных и гуманитарных.

Сам Мандельброт так определил фрактал (от лат. fractus — состоящий из фрагментов): «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому» или еще его же другое определение: «Фрактал — самоподобная структура, чье изображение не зависит от масштаба». Здесь отмечено одно важное свойство фракталов — самоподобие, или скейлинг, но остаются не раскрытыми многие другие свойства. Какие? Во-первых, непрерывное увеличение разрешающей способности наблюдения (приближение к структуре) позволяет обнаруживать «деталь за деталью», а не одну какую-нибудь точку, во-вторых, структуры имеют крайне запутанное, нерегулярное строение, не поддающееся классическому описанию, в-третьих, вблизи каждой детали строения есть бесконечное число других, разделенных промежутками разной длины, так что фрактал дыряв на всех масштабах рассмотрения, поэтому-то, в-четвертых, фрактальная размерность дырявой субстанции обычно дробное число, в-пятых, математически фрактал характеризуется как вырожденно-непрерывное, всюду недифферен-цируемое множество. Все отмеченные свойства могут либо частично, либо полностью принадлежать одному фрактальному множеству, но целостность фрактала проявляется в том, что какая-либо одна и та же форма встречается в структуре среды в разных его местах и имеет разные размеры. Поэтому, в физике, например, отпадает необходимость в усреднении, т. е. в стирании мелких деталей, так как во фрактальном описании учитывается самоаффинная (инвариантно неизменная, самоподобная) структура среды. В заключение отметим, что фрактальность или ее отсутствие в мире структур, вовсе не научная или философская панацея от всех проблем, ибо, как сказал английский биолог Джон Холдейя-мл., «мир устроен не только причудливей, чем мы думаем, но и причудливей, чем мы можем предполагать».

12.7. Фундаментальные концепции постнеклассического естествознания

Сформулируем основные, фундаментальные понятия постнеклассической или эволюционно-диссипативной парадигмы, развивающейся парадигмы современного естествознания. Известно, что материальное единство мира находит свое отражение и в исследованиях взаимосвязи целого и его частей. Постнеклассицизм описывает процессы, в которых целое обладает такими свойствами, которых нет у его частей, проявляется так называемое свойство эмерджентности. Новая парадигма ставит задачу отыскать единую основу организации мира, как для простейших, так и для сложных его структур.

До настоящего времени в естествознании преобладающим был подход, согласно которому часть всегда рассматривалась как более простое, чем целое. В постнекласси-цизме делается попытка описать развитие мира в соответствии с его внутренними законами развития (дао, согласно воззрениям Лао-цзы) и при этом на основании результатов всего комплекса естественных наук. Одним из наиболее фундаментальных понятий постнеклассицизма является понятие нелинейности.

Основным вопросом, который постнеклассицизм обсуждает в своих задачах, является вопрос о том, как возникает порядок из беспорядка, как в однородной, в среднем неравновесной среде, появляются вполне определенные структуры.

Основой постнеклассики служит единство явлений, моделей и методов, с которыми приходится сталкиваться при исследовании процессов «возникновение порядка из беспорядка» в химии (реакция Белоусова-Жаботинского), космологии (спиральные галактики, крупномасштабная структура Метагалактики), экологии (организация сообществ) и т. д. Примером самоорганизации в гидродинамике служит образование в подогреваемой жидкости (начиная с некоторых градиентов температуры) шестиугольных «медовых» ячеек Бенара или возникновения тороидальных вихрей (вихрей Тейлора) между вращающимися цилиндрами.

Постнеклассическая парадигма наделена необычными идеями и представлениями.

Во-первых, становится очевидным, что сложноорганизованным системам нельзя навязывать пути их развития. Скорее необходимо понять, как способствовать их собственным тенденциям развития, как выводить системы на эти пути.

Во-вторых, она демонстрирует нам, каким образом и почему хаос может выступать в качестве созидающего начала, конструктивного механизма эволюции, как из хаоса собственными силами может развиться новая организация, возникать новая структура.

В-третьих, новая парадигма свидетельствует о том, что для сложных систем, как правило, существует несколько альтернативных путей развития. Несмотря на то, что путей эволюции много, но с выбором конкретного дальнейшего пути развития в точке ветвления (точке бифуркации), выбора возникающего при достижении определенных стадий эволюции, она проявляет себе как некая предопределенность, предзаданность, преддетерминирован-ность развертывания процесса. Настоящее состояние системы определяется не только ее прошлым, но и строится, формируется из будущего (!), в соответствии с грядущим порядком.

В-четвертых, постнеклассика открывает новые принципы суперпозиции, сборки сложного эволюционного целого из частей, построение сложных развивающихся структур из структур простых. Но объединение простых структур не сводится к их простому сложению: имеет место перекрытие областей локализации структур с дефектом энергии. Целое уже не равно сумме частей — проявляется то, что принято называть эмерджентностью. Вообще говоря, оно не больше и не меньше суммы частей, оно качественное иное. Появляется и новый принцип временного согласования частей (сосуществование структур разного возраста в одном темпоритме (времени)).

В-пятых, она дает знание о том, как надлежащим образом оперировать со сложными системами и как эффективно управлять ими. Оказывается, главное — не сила, а правильная топологическая конфигурация, архитектура воздействия на сложную систему (среду).

В-шестых, постнеклассика раскрывает закономерности и условия протекания быстрых, лавинообразных процессов и процессов нелинейного, самостимулирующего роста. Важно понять и знать, как можно инициировать такого рода процессы в открытых нелинейных средах, например, в среде экономической, социальной, в любой иной, и какие существуют требования, позволяющие избежать вероятностного распада сложных структур вблизи моментов максимального развития.

Модели постнеклассицизма — это модели нелинейных неравновесных систем, подвергающихся действию флуктуации. В момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно несколько устойчивых состояний, то флуктуации отбирают лишь одну из них. При анализе сложных систем, например в биологии или экологии, синергетика исследует простейшие основные модели, позволяющие понять и выделить наиболее существенные механизмы «организации порядка» (избирательную неустойчивость, вероятностный отбор, конкуренцию или синхронизацию подсистем и другие).

Большинство изучаемых природных и гуманитарных систем — физических, биологических, химических, экологических и т. д. — как ранее отмечалось, диссипативные, т. е. поглощающие и растрачивающие (рассеивающие) энергию. Общность нелинейных процессов в открытых диссипативных системах, которая и стала основой постнеклассицизма, приводит к тому, что появляется возможность описывать явление из самых разных областей с помощью близких математических моделей.

Подытоживая проведенный краткий анализ фундаментальных основ нового видения мира, мира синергетичес-кого, диссипативно-структурированного, можно привести те ключевые положения, раскрывающие их сущность, которые указал Герман Хакен, родоначальник этого научного направления, в интервью по случаю 30-летия синергетики (в 1999 году):