ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.06.2021
Просмотров: 128
Скачиваний: 1
Тема 9. Принципы эволюции, воспроизводства и развитие живых систем
Лекция 9.
План:
1. Необратимость времени.
2.Самоорганизация в живой и неживой природе.
3. Ноосфера.
4. Принципы универсального эволюционизма; путь к единой культуре.
Законы классической механистически являются обратимыми. С возникновением термодинамики в физику вошло представление о необратимости процессов, что указывает на границы применимости динамического описания явлений.
Для описания термодинамических процессов первого начала термодинамики недостаточно. Это связано с тем, что первое начало термодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Характер протекания процессов в природе фиксируется II началом термодинамики, согласно которому в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.
Р. Клаузиусом было установлено, что в обратимых процессах некоторая физическая величина, названная им энтропией S, сохраняется. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.
Понятие энтропии позволяет отличать в случае изолированных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).
Благодаря работам Л. Больцмана это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический. Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W, или термодинамической вероятностью макросостояния. Больцман первым увидел связь между энтропией и вероятностью и связал понятие энтропии S c натуральным логарифмом статистического веса
где к — коэффициент пропорциональности, названный постоянной Больцмана.
Связав энтропию с вероятностью, Больцман показал, что второй закон термодинамики является следствием статистических законов поведения большой совокупности частиц.
Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующее состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, возрастание энтродии является платой за любой выигрыш в работе, оно присутствует во всех физических явлениях. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном состоянии существует состояние молекулярного хаоса, что означает полное забывание системой своего начального состояния, несохранение системой информации о своем прошлом
По словам У. Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, «стрелу времени». Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку.
Таким
образом, возможна еще одна формулировка
второго начала термодинамики: «Энтропия
изолированной системы при протекании
необратимых процессов возрастает, так
как система, предоставленная самой
себе, переходит из менее вероятного
состояния в более вероятное. Энтропия
системы, находящейся в равновесном
состоянии, максимальна, постоянна и
2.Самоорганизация в живой и неживой природе.
В последние годы наблюдается стремительный и бурный рост интереса к междисциплинарному направлению, получившему название "синергетика". Издаются солидные монографии, учебники, выходят сотни статей, проводятся национальные и международные конференции.
Создателем синергетического направления и изобретателем термина "синергетика" является профессор Штутгартского университета и директор Института теоретической физики и синергетики Герман Хакен. Сам термин "синергетика" происходит от греческого "синергена" - содействие, сотрудничество. По Хакену, синергетика занимается изучением систем, состоящих из большого числа частей, компонент или подсистем, одним словом, деталей, сложным образом взаимодействующих между собой. Слово "синергетика" и означает "совместное действие", подчеркивая согласованность функционирования частей, отражающуюся в поведении системы как целого. Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.
Синергетика,
занимающаяся изучением процессов
самоорганизации и возникновения,
поддержания, устойчивости и распада
структур самой различной природы, еще
далека от завершения и единой общепринятой
терминологии пока не существует. Бурные
темпы развития новой области, не оставляют
времени на унификацию понятий и приведение
в стройную систему всей суммы накопленных
фактов. Кроме того, исследования в новой
области ввиду ее специфики ведутся
силами и средствами многих современных
наук, каждая из которых обладает
свойственными ей методами и сложившейся
терминологией. Параллелизм и разнобой
в терминологии и системах основных
понятий в значительной мере обусловлены
также различием в подходе и взглядах
отдельных научных школ направлений и
в акцентировании ими различных аспектов
сложного и многообразного процесса
самоорганизации. Отсутствие в синергетике
единого общепринятого научного языка
глубоко символично для науки, занимающейся
явлениями развития и качественного
преобразования.
Разумеется, строгое
определение синергетики требует
уточнения того, что следует считать
большим числом частей и какие взаимодействия
подпадают под категорию сложных.
Считается, что сейчас строгое определение,
даже если бы оно было возможным, оказалось
бы явно преждевременным.
Системы, составляющие предмет изучения синергетики, могут быть самой различной природы и содержательно и специально изучаться различными науками, например, физикой, химией, биологией, математикой, нейрофизиологией, экономикой, социологией, лингвистикой. Каждая из наук изучает "свои" системы своими, только ей присущими, методами и формулирует результаты на "своем" языке. При существующей далеко зашедшей дифференциации науки это приводит к тому, что достижения одной науки зачастую становятся недоступными вниманию и тем более пониманию представителей других наук.
В отличие от традиционных областей науки синергетику интересуют общие закономерности эволюции систем любой природы. Отрешаясь от специфической природы систем, синергетика обретает способность описывать их эволюцию на интернациональном языке, устанавливая своего рода изоморфизм двух явлений, изучаемых специфическими средствами двух различных наук, но имеющих общую модель, или, точнее, приводимых к общей модели. Обнаружение единства модели позволяет синергетике делать достояние одной области науки доступным пониманию представителей совсем другой, быть может, весьма далекой от нее области науки и переносить результаты одной науки на, казалось бы, чужеродную почву.
Как и всякое научное направление, родившееся во второй половине ХХ века, синергетика возникла не на пустом месте. Ее можно рассматривать как преемницу и продолжательницу многих разделов точного естествознания, в первую очередь (но не только) теории колебаний и качественной теории дифференциальных уравнений. Именно теория колебаний с ее "интернациональным языком", а впоследствии и "нелинейным мышлением" (Л.И. Мандельштам) стала для синергетики прототипом науки, занимающейся построением моделей систем различной природы, обслуживающих различные области науки. Теория дифференциальных уравнений, начало которой было положено в трудах Анри Пуанкаре, и выросшая из нее современная общая теория динамических систем вооружила синергетику значительной частью математического аппарата. Так любые объекты окружающего нас мира представляют собой системы, то есть совокупность составляющих их элементов и связей между ними. Элементы любой системы, в свою очередь, всегда обладают некоторой самостоятельностью поведения. При любой формулировке научной проблемы всегда присутствуют определенные допущения, которые отодвигают за скобки рассмотрения какие-то несущественные параметры отдельных элементов. Однако этот микроуровень самостоятельности элементов системы существует всегда. Поскольку движения элементов на этом уровне обычно не составляют интереса для исследователя, их принято называть “флуктуациями”. В нашей обыденной жизни мы также концентрируемся на значительных, информативных событиях, не обращая внимания на малые, незаметные и незначительные процессы.
Малый уровень индивидуальных проявлений отдельных элементов позволяет говорить о существовании в системе некоторых механизмов коллективного взаимодействия обратных связей. Когда коллективное, системное взаимодействие элементов приводит к тому, что те или иные движения составляющих подавляются, следует говорить о наличии отрицательных обратных связей. Собственно говоря, именно отрицательные обратные связи и создают системы, как устойчивые, консервативные, стабильные объединения элементов. Именно отрицательные обратные связи, таким образом, создают и окружающий нас мир, как устойчивую систему устойчивых систем.
Стабильность и устойчивость, однако, не являются неизменными. При определенных внешних условиях характер коллективного взаимодействия элементов изменяется радикально. Доминирующую роль начинают играть положительные обратные связи, которые не подавляют, а наоборот усиливают индивидуальные движения составляющих. Флуктуации, малые движения, незначительные прежде процессы выходят на макроуровень. Это означает, кроме прочего, возникновение новой структуры, нового порядка, новой организации в исходной системе.
Момент,
когда исходная система теряет структурную
устойчивость и качественно перерождается,
определяется системными законами,
оперирующими такими системными
величинами, как энергия, энтропия.
"Мне
кажется, что особую роль в мировом
эволюционном процессе играет принцип
минимума диссипации энергии. Сформулирую
его следующим образом: если допустимо
не единственное состояние системы
(процесса), а целая совокупность состояний,
согласных с законами сохранения и
связями, наложенными на систему (процесс),
то реализуется то ее состояние, которому
отвечает минимальное рассеяние энергии,
или, что то же самое, минимальный рост
энтропии." Н.Н.Моисеев, академик РАН.
Справедливости
ради необходимо отметить, что принцип
минимума диссипации (рассеяния) энергии,
приведенный выше в изложении академика
Моисеева, не признается в качестве
универсального естественнонаучного
закона. Илья Пригожин, в частности,
указал на тип систем, не подчиняющихся
этому принципу. Оставим, однако, ведущим
ученым фундаментальные вопросы. С другой
стороны, употребление термина "принцип",
а не "закон", оставляет возможность
уточнения формулировок.
Моменты
качественного изменения исходной
системы называются бифуркациями
состояния и описываются соответствующими
разделами математики теория катастроф,
нелинейные дифференциальные уравнения
и т.д. Круг систем, подверженных такого
рода явлениям, оказался настолько широк,
что позволил говорить о катастрофах и
бифуркациях, как об универсальных
свойствах материи.
Таким образом, движение материи вообще можно рассматривать, как чередование этапов адаптационного развития и этапов катастрофного поведения. Адаптационное развитие подразумевает изменение параметров системы при сохранении неизменного порядка ее организации. При изменении внешних условий параметрическая адаптация позволяет системе приспособиться к новым ограничениям, накладываемым средой.
Катастрофные этапы это изменение самой структуры исходной системы, ее перерождение, возникновение нового качества. При этом оказывается, что новая структура позволяет системе перейти на новую термодинамическую траекторию развития, которая отличается меньшей скоростью производства энтропии, или меньшими темпами диссипации энергии.
Возникновение
нового качества, как уже отмечалось,
происходит на основании усиления малых
случайных движений элементов флуктуаций.
Это в частности объясняет тот факт, что
в момент бифуркации состояния системы
возможно не одно, а множество вариантов
структурного преобразования и дальнейшего
развития объекта. Таким образом, сама
природа ограничивает наши возможности
точного прогнозирования развития,
оставляя, тем не менее, возможности
важных качественных заключений.
Таким
образом, синергетика находится целиком
в русле традиционной диалектики, ее
законов развития перехода количественных
изменений в качественные, отрицания
отрицания и т.п.
Исторический процесс развития любых типов систем предстает перед нами в виде чередования "спокойных" этапов изменения количественных свойств и "революционных" этапов качественного усложнения структуры, самоорганизации, поднимающей системы вверх по оси сложности.
Синергетика вплотную подошла к научному описанию таких явлений, как происхождение жизни, происхождение видов, возникновение и развитие сознания.
Синергетический процесс самоорганизации материи это (с точки зрения Господа) бесконечное чередование этапов "спокойной" адаптации и "революционных" перерождений, выводящих системы на новые ступени совершенства.
Но в тоже время, синергетический процесс самоорганизации материи это бесконечное чередование этапов "спокойной" инженерной, управленческой, организационной работы, адаптирующей существующие объекты к изменениям среды, и неординарных идей, новаторских решений, изобретений и "революционных" реорганизаций, выводящих системы на совершенно новые ступени совершенства. Именно на этих этапах человек, нашедший неординарное решение, практически реализует бифуркацию состояния конкретной системы.
Что такое "адаптационный этап" с нашей земной точки зрения? С точки зрения, так сказать, элементика, находящегося внутри системы. Просто мы все время занимаемся оптимизацией: инженер "шлифует" конструкцию изделия, управляющий добивается лучшей работы коллектива, бизнесмен - повышения рентабельности фирмы.
Что означает "катастрофный этап"? Это означает, что наступает наш звездный час: инженер изобретает новую конструкцию, управленец проводит коренную реорганизацию, бизнесмен открывает новое дело. Очевидно, что такие решения составляют наиболее эффективную форму человеческой деятельности. Умение, во-первых, в любой ситуации увидеть суть дела, во-вторых, вовремя заметить проблему, то есть не пропустить момент, когда обстоятельства требуют ломки привычных представлений, и, в-третьих, найти одно или несколько красивых решений, отличает людей, добивающихся успеха в любом деле.