Файл: Никита Николаевич МоисеевЧеловек и ноосфера.pdf

ничениям физического характера, состоит более чем из од- ного элемента, то есть они не выделяют единственного дви- жения или состояния, то заключительный этап отбора, отбор реализуемых движений или состояний, которые также могут и не быть единственными, определяется минимумом дисси- пации энергии или минимумом роста энтропии.
Это утверждение не является строгой теоремой, подобной вариационным принципам механики. Это всего лишь пред- положение, но достаточно правдоподобное и, во всяком слу- чае, не противоречащее экспериментальному материалу. И
поэтому оно позволяет получить весьма полезные результа- ты, полезные с точки зрения практики. Приведем один при- мер, иллюстрирующий его применение., Рассмотрим устано- вившееся движение по круглой трубе смеси двух жидкостей разной вязкости, но одинаковой плотности. Коэффициент вязкости этой смеси будет зависеть от процентного соотно- шения ее составляющих. Рассматриваемое течение модели- рует движение суспензии, представляющей собой жидкость со взвешенными в ней частицами, когда их размер очень мал по сравнению с диаметром трубы.
Течение такой суспензии обладает замечательным свой- ством: в узкой зоне около стенок трубы взвешенные части- цы отсутствуют. Это явление носит название пристеночно- го эффекта. Его подробное аналитическое исследование бы- ло проведено Ю. Н. Павловским (см.: Павловский Ю. Н. О
пристеночном эффекте. – Механика жидкостей и газов. М.,

1967, № 2, с. 160).
Законам сохранения может удовлетворить движение сме- си с произвольным распределением концентрации более вяз- кой жидкости. Однако в природе устанавливается такое тече- ние, которое обладает пристеночным эффектом, когда кон- центрация жидкости большей вязкости практически равна нулю у стенок трубы и максимальна в окрестности ее оси.
Оказывается, что такое течение удовлетворяет принципу ми- нимума диссипации.
Нетрудно привести еще серию примеров из самых разных областей науки и техники, показывающих, как, используя принцип минимума диссипации, можно объяснить и пред- сказать целый ряд наблюдаемых явлений.
Итак, опытные данные показывают, что существует опре- деленный класс явлений в неживой природе, для которых принцип минимума диссипации энергии оказывается одним из важнейших принципов, позволяющих выделить реальные состояния из множества виртуальных. На этом основании в предлагаемой книге и был сформулирован этот принцип как некоторое эмпирическое обобщение, если угодно, как неко- торая гипотеза.
Именно в такой форме он и был внесен в иерархию прин- ципов отбора. В ней он играл роль «замыкающего» прин- ципа: когда другие принципы не выделяют единственного устойчивого состояния, а определяют целое возможное мно- жество, то принцип минимума диссипации служит допол-

нительным принципом отбора. Заметим, что среди неустой- чивых (или лучше сказать, быстро протекающих) движений могут быть и такие, которым отвечает меньшее производ- ство энтропии. Однако из-за их неустойчивости мы их и не способны наблюдать.
Чтобы избежать лишних дискуссий, я хочу еще раз под- черкнуть, что мое утверждение не является строгой теоре- мой и вряд ли оно вообще может быть обосновано с тради- ционных позиций, согласно которым обоснование того или иного вариационного принципа сводится к доказательству тождественности траекторий движения экстремалям мини- мизируемого функционала. Мне кажется, что обсуждаемый факт связан с общим стохастическим фоном любого явле- ния, протекающего в нашем мире.
Заметим, что, никогда специально не формулируя, мы всегда пользуемся еще одним подобным принципом –
«принципом устойчивости». Этот принцип я бы сформули- ровал так: множество наблюдаемых стационарных состоя- ний включает в себя лишь устойчивые. Он тривиален, если учесть, что любая система все время подвержена действию случайных возмущений. В самом деле, мы никогда не наблю- даем карандаша, стоящего на своем острие, или маятника в его верхнем неустойчивом состоянии.
Вариационные принципы, возникшие в механике и физи- ке, сыграли выдающуюся роль в их развитии и создании эф- фективных методов анализа различных прикладных задач. В

последние десятилетия вариационные принципы широко ис- пользовались и при создании сложных физических теорий.
На этом пути очень важные результаты были получены еще в 1931 году создателем неравновесной термодинамики гол- ландским физиком Л. Онзагером. Им был найден некоторый функционал, который получил название потенциала рассе- ивания, достигавший своего минимального Значения на ре- шениях уравнений, описывающих движение сплошной сре- ды, в которой происходят химические реакции. В 1947 го- ду бельгийским физиком И. Пригожиным другим путем был также получея принцип, который был им назван принципом минимума производства энтропии. В 70-х годах венгерский физик И. Дьярмати показал, что оба эти принципа при из- вестных условиях являются эквивалентными (см.: Дьярма- ти И. Неравновесная термодинамика. М., 1974) и принцип
Пригожина следует из принципа Онсагера.
Работа Онсагера, Пригожина и их последователей име- ла своей целью построение «классических» вариационных принципов, таких, из которых законы сохранения, то есть уравнения, описывающие движение среды, были бы прямы- ми следствиями. Другими словами, ими была сделана попыт- ка построить принципы, носящие достаточно универсаль- ный характер. Во всяком случае, такой же, как и принципы механики. Однако для их вывода требовалось сделать ряд серьезных предположений об особенности изучаемых дви- жений и процессов: локальная обратимость, линейность в

смысле Онсагера и т. д. Благодаря этому развитие и исполь- зование принципов Онсагера и Пригожина для анализа при- кладных задач столкнулись с целым рядом трудностей, и их область применимости оказалась на деле весьма ограничен- ной.
Вместе с тем И. Пригожий дает следующую формулиров- ку принципа минимума производства энтропии: «Теорема о минимуме производства энтропии… утверждает, что произ- водство энтропии системой, находящейся в стационарном,
достаточно близком к равновесному состоянию, минималь- но» (см.: Пригожий И. Р. Время, структуры и флюктуации. –
Успехи физических наук. М., 1980, т. 131, вып. 2, с. 185).
Он рассматривает сформулированный принцип в качестве весьма универсального.
Примеров, показывающих неуниверсальность этого прин- ципа, который в литературе получил название теоремы При- гожина – Глейнсдорфа, сейчас известно уже достаточно мно- го. Поэтому я отношу принцип Онсагера – Пригожина –
Глейнсдорфа, как и остальные классические вариационные принципы, к числу важных утверждений физики и физико- химии, каждый из которых имеет свою вполне определен- ную область применимости. Что же касается принципа «ми- нимума энтропии», который я ввел и использую в этой ра- боте, то он не имеет прямого отношения к указанным выше принципам, не следует из них и представляет, с моей точки зрения, некоторое эвристическое утверждение, отвечающее

тому, что мы наблюдаем в окружающем мире.
Проблема формулировки принципов отбора, когда мы пе- реходим к описанию процессов развития живого вещества,
еще резко усложняется. Появляется стремление к сохране- нию гомеостазиса, которому отвечает представление об об- ратных связях. Они, в свою очередь, являются новыми прин- ципами отбора, свойственными только живой природе.
Но эти принципы отбора действуют совершенно иначе,
нежели принципы отбора в неживой природе. Так, напри- мер, законы сохранения массы или импульса не могут не вы- полняться. Ничему и никому ни при каких обстоятельствах не дано возможности нарушить эти законы. Что же касает- ся принципа стабильности живого организма – принципа со- хранения гомеостазиса, то он проявляется не как закон фи- зики, а как тенденция: живое существо стремится сохранить свою стабильность, но в принципе оно способно ее и нару- шить. При этом оно может погибнуть или выжить, но это уже другой вопрос. Тенденция сохранения гомеостазиса у живо- го вещества – это эмпирическое обобщение, ибо оно наблю- дается в природе и не знает примеров, ему противоречащих.
Точно так же и принцип минимума диссипации энергии проявляется в живом веществе как некоторая тенденция:
эмпирический принцип переходит в эмпирическую тенден- цию – любому живому существу свойственно стремление в максимальной степени использовать внешнюю энергию и ве- щество.

Я думаю, что это очень важный принцип, неэквивалент- ный принципу сохранения гомеостазиса. Более того, в из- вестных условиях первый может даже противоречить вто- рому. Эту проблему я уже обсуждал. Здесь заметим толь- ко, что с позиций представления о самоорганизации разре- шение возникающего противоречия вполне возможно; что- бы найти новые и более устойчивые состояния, живая систе- ма должна покинуть старое состояние, а это можно сделать только за счет внешних энергии и вещества при положитель- ных обратных связях, разрушающих старые стабильные со- стояния.
В живой природе описанное противоречие между тенден- цией к локальной стабильности и стремлением в максималь- ной степени использовать внешнюю энергию и материю яв- ляется одним из важнейших факторов создания новых форм организации материального мира.

методологии, которую принимают в качестве основы для глобального анализа: сама Земля и все, что на ней происхо- дило, происходит сегодня и будет происходить' завтра – суть частные проявления единого, общего процесса саморазви- тия материи, подчиняющегося единой системе законов (пра- вил), действующих в нашей Вселенной.
Пользуясь терминологией, получившей ныне широкое распространение, мы можем сказать, что все наблюдаемое нами, все, в чем мы сегодня участвуем, – это лишь фраг- менты единого синергетического мирового процесса. Его те- чение обусловлено законами, характерные времена которых лежат за пределами доступных нам сегодня знаний и изме- рений. Это позволяет считать их постоянными.
Все развитие нашего мира выглядит сложной борьбой различных противоположных начал и противоречивых тен- денций на фоне непрерывного действия случайных причин,
разрушающих одни устойчивые (точнее, квазистабильные)
структуры и создающих предпосылки для появления новых.
Несмотря на огромные достижения науки последних де- сятилетий, от нее сегодня, как и во времена В. И. Вернад- ского, остаются пока скрытыми основные детали важнейшей
«земной тайны» – появления жизни на нашей планете, воз- никновения буфера – пленки, по терминологии В. И. Вер- надского, между космосом и неживым веществом Земли.
Мы знаем только, что около 3,5–4 миллиардов лет тому на- зад на Земле появилась качественно иная форма организа-

ции материи, которая обладает удивительной способностью усваивать внешнюю энергию, прежде всего энергию Солнца,
с помощью реакции фотосинтеза.
Примечание. Впрочем, может быть, и иным путем.
В конце прошлого века С. Н. Виноградским был открыт хемосинтез – процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из двуокиси углерода за счет химических реакций, например,
окисления серы. Открытие наряду с фотосинтезом реакции хемосинтеза существенно расширило наши представления о возможностях возникновения и развития форм жизни, которыми располагает Природа.
На этапе возникновения жизни Природа нашла новый ряд организационных форм, которые обеспечивают материаль- ным объектам значительно более глубокое значение мини- мума функционала, отвечающего обобщенному принципу диссипации энергии, – возникли организационные формы,
способные не только рассеивать энергию, но и накапливать ее.
Одновременно эти формы обладали невероятней способ- ностью сохранять свой гомеостазис. В самом деле, первые прокариоты появились и жили на Земле в условиях почти кипящего океана, при исключительной сейсмической актив- ности и очень высоком уровне коротковолновой радиации –
ведь тогда еще не было озонового слоя!
Я думаю, что из всех живых организмов, когда-либо су-