Синергетика: неожиданные находки в Храме Науки

А.В. Блинков, А.Н. Киселев

г. Екатеринбург

"Неожиданные находки в Храме Науки"

(Полная версия статьи "Неожиданные находки в Храме Науки", Химия и Жизнь, №12, 1992г.)

Человечество в своем историческом развитии, не вняв великой книге - Библии, повторило путь многих ее героев. Подобно Адаму и Еве, люди сорвали плод с древа познания и вкусили от него. Мироощущение человека разделилось и эта трещина существует до сих пор и в наших душах - душах людей научно-технической эпохи. С одной стороны, все мы по воспитанию принадлежим культуре, которая корнями глубоко уходит в религиозность. Даже атеисты не могут отрицать принадлежность традициям, которые создавались поколениями верующих людей. С другой стороны, все мы, хотим мы того или нет, вкусили от плода рациональной науки и сок науки - ее принцип "подвергай все сомнению, проверяй истину опытом" - проник в наше сознание. Конфликт Веры и рационального Знания рождает смятение в душе и требует разрешения. Недаром многие классики науки отдали дань размышлениям на тему - как созданная ими картина мира согласуется с идеей Высшего Разума.

Зададимся вопросом - что собственно есть религиозность? Одна вера признает наличие единого Бога, другая допускает бесконечное число божественных инкарнаций, третья, например, буддизм, отрицает наличие Верховной Божественной Личности вообще.

Очевидно, что имена Бога, либо какие-то уникальные для той или иной религии или конфессии понятия не могут быть использованы в нашем исследовании. В качестве инварианта религиозности возьмем следующие три принципа, присущие любой вере:

- наличие высшего смысла всего происходящего в этом мире;

- наличие абсолютных ценностей, священных заповедей или законов;

- воздаяние каждому за дела его.

Теперь обратим внимание на научное здание.

Все объекты окружающего нас мира можно выстроить вдоль некоторой оси сложности, где каждый вышестоящий объект включает в себя нижестоящие в качестве элементов. Традиционно схема науки представляется нам в виде луча, острие которого находится где-то в нижнем конце нашей оси систем. В этом острие находятся физические теории объектов микромира и фундаментальных взаимодействий. Строение объектов любого рода объясняется на основании законов поведения составляющих его элементов: атом как система элементарных частиц, молекула как система атомов, ..., работа механизма как взаимодействие деталей,..., общество как система индивидуумов.

По мере движения по лучу и удаления от его острия объекты природы объединяются во все более сложные системы - атомы, молекулы, тела, живая природа, общество и т.д. Cоответственно с этим дробятся отрасли науки, если в острие находятся универсальные теории единых кирпичиков мироздания, то теперь появляются частные области знания: биология, технические науки, социология, экономика...

Нарисованная картинка достаточно привычна. Мы всегда, если задаемся вопросом как работает то-то, или почему происходит так, прежде всего пытаемся заглянуть внутрь и увидеть причину внутри объекта нашего внимания.

Законы, описывающие поведение объектов, принято объединять в разделе "Динамика". В том случае, когда законы Динамики не являются достаточными для определения "траектории" поведения, применяют законы и принципы, которые носят общий характер и относятся к разделу "Термодинамика". Для термодинамики характерен чрезвычайно общий взгляд на объекты окружающего мира - конкретная природа систем не имеет значения, важно только, что они представляют собой совокупности взаимосвязанных элементов и имеют некоторые общесистемные параметры состояния, например, энергию, энтропию, температуру и т.п. Традиционно было принято отводить термодинамике второстепенную роль, вплоть до утверждения об антропоморфном характере ее законов.

Современный взгляд на структуру науки заключается в признании равноправного взаимодополняющего положения Динамики и Термодинамики. Становление подобных взглядов на науку связано, в частности, с именем нобелевского лауреата И.Р. Пригожина (I.Prigogine).

Таким образом, пользуясь архитектурной метафорой, можно сказать, что наука - это храм о двух шпилях. Среди архитекторов второго шпиля Храма Науки было и есть много ученых, так или иначе связанных с Россией - Вернадский (ноосфера), Богданов (Всеобщая организационная наука или Тектология), Афанасьева-Эренфест (необратимость), Пригожин (неравновесная термодинамика), Тимофеев-Ресовский (биофизика), Лев Гумилев (этногенез), Н.Н.Моисеев (алгоритмы развития).

Луч законов Термодинамики направлен со стороны высших систем природы навстречу лучу законов Динамики. В острие его расположены три основных закона или начала : закон сохранения энергии, невозможность самопроизвольного уменьшения энтропии для замкнутых систем и принцип минимума диссипации (то есть - рассеяния) энергии для открытых.

"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

Современная термодинамика изучает процессы происходящие в открытых, сложных, нелинейных системах - активных или пассивных. Это удивительный мир чудесных явлений самоорганизации! И это практически бескрайний мир объектов изучения, ведь системами такого рода являются все объекты, окружающие нас, - от камня на дороге до всей системы живой природы планеты.

Действие законов термодинамики на объекты несколько необычно для мышления, привыкшего к чисто динамическому подходу, когда кирпичи определяли параметры всего здания. Оказывается, что окружающая среда, внешняя система, не менее явно определяет строение и поведение любого своего элемента. Любая система создает свои законы для своих составляющих, любой элемент оказывается несвободен от внешнего мира. Именно эти системные законы термодинамики и определяют историческую эволюцию форм и структур объектов природы, именно они позволяют изучать внезапные качественные процессы, критические точки катастроф, маршруты бифуркации состояния систем.

Причем, с точки зрения Динамики, объясняющей поведение объекта на основании взаимодействия его частей, невозможно обнаружить причину, которая бы заставила элементы резко менять свое поведение.

Поведение и строение любого объекта природы, таким образом, определяется не только законами Динамики, то есть снизу оси сложности, но и законами Термодинамики - с противоположного конца оси, если хотите, - свыше.

Любой объект этого мира всегда как бы освещен с двух сторон - изнутри и снаружи - лучами законов природы, которые определяют его строение и поведение.

Теории, принадлежащие первому лучу - Динамике, составляют специальное знание. Человек, разбирающийся в тонкостях явлений, в их природе, называется Специалистом. Знание законов второго луча - Термодинамики, позволяет человеку видеть важные причины изменения любых объектов независимо от их природы. Это как раз то самое знание, которое испокон века называлось Мудростью.

Именно второй, "термодинамический" шпиль Храма Науки позволит нам обнаружить удивительное соответствие Науки и Веры. Проявление действия принципа минимума рассеяния энергии представляет для нас особый интерес.

Мы хотим предложить читателю самостоятельно провести небольшой эксперимент: попробуйте заменить в тексте слова "Принцип минимума рассеяния энергии" (или просто -"Принцип") на "Господь Бог" и убедитесь сами, что этого оказывается достаточно для того, чтобы научные положения обратились в постулаты веры.

СОЗДАТЕЛЬ

Принцип минимума рассеяния без преувеличения можно назвать Универсальным Законом Созидания.

Действительно, все бесконечные проявления природы нашего мира осенены этим Принципом.

Так, поток энергии, поступающий извне в систему неорганизованной материи, обуславливает в определенные моменты возникновение в ее хаотической структуре организованного поведения, вихрей, от галактик и планетных систем до течений в океане и тайфунов в атмосфере. Момент возникновения новой структуры определяется точкой пересечения термодинамических траекторий - в этот момент происходит удивительный акт самоорганизации материи - система переходит на новую траекторию, обеспечивающую минимум производства энтропии в структуре.

Аналогично происходит организация и усложнение молекулярных систем, пока не возникают белковые молекулы - начало живой природы. С возникновением жизни ситуация меняется кардинальным образом - системы становятся активными, они способны на целенаправленное поведение, с целью поглощения энергии или питания. С этого момента возникает эволюция живых систем, направленная на сохранение их гомеостаза. Причем, движущей силой эволюции теперь становится не избыток поступающей извне энергии, как это было для пассивных систем неживой природы, а недостаток питания, который, в свою очередь, имеет место всегда (или почти всегда) - то ли из-за естественных причин, то ли в силу конкуренции внутри или между видами. Именно достижение каждый раз нового уровня экономии энергии обеспечивает живым системам большую устойчивость и более широкие границы существования. Так возникают новые виды живой природы, поражая нас своим разнообразием и гармонией. Можно утверждать, что удивительная гармония природы не есть только игра слепого случая, она является проявлением Принципа минимума рассеяния энергии.
 

ПО ОБРАЗУ И ПОДОБИЮ СВОЕМУ

Удивительно, но сложнейшая работа мозга представляет собой всего лишь акт самоорганизации системы клеток, направленный на сокращение потребления энергии. Весь процесс мышления - и разряды нейронов, и образование нейронных ансамблей, и реагирование на сигналы внешнего мира, и подсознание - есть лишь решение в эволюционном процессе единственной первичной задачи - о выживаемости биологических единиц - клеток в условиях ограниченного питания. Только минимизация потребления энергии большим ансамблем клеток порождает всю бездну нашего сознания! Только реализация Принципа в конкретном организме - и ничего более! Вот уж действительно, человек - венец действия Принципа минимума рассеяния создан по образу и подобию самого этого Принципа!

С возникновением человека эволюционировать начинает система людей, то есть общество. Прогресс общества, возникновение и смена экономических структур - все это лишь проявление Принципа экономии энергии на уровне социальных систем. Объективное истощение ресурсов и социальная конкуренция отдельных персон, групп производителей, стран и сообществ заставляют людей непрерывно совершенствовать способы производства, что приводит к постоянному повышению эффективности использования ресурсов. Если социальная система не обеспечит собственный прогресс, то она вынуждена будет уйти с исторической сцены. Смена персонажей на этой сцене происходит скачком (бифуркация состояния системы), который может быть воплощен в виде войны, революции, или же в более цивилизованных формах, например, - "экономическое чудо" Японии.
 

ТВОРЕЦ

Явления самоорганизации в открытых системах не могут не удивлять. Действительно, элементы, составляющие систему, вдруг в один момент начинают действовать поразительно согласованно: молекулы вдруг начинают кружиться в едином вихре, люди за малый промежуток времени организуются в новый этнос. (Г. Хакен предложил именовать науку, занимающуюся исследованием такого рода процессов "Синергетикой". Этот термин, от древнегреческого "вместе-действие", акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого.) Со стороны Термодинамики, ее системных законов все понятно - флуктуации, присущие поведению частиц всегда, усиливаются и система переходит в новое, энергетически более выгодное состояние, удовлетворяющее Принципу. Но с точки зрения Динамики - любой акт самоорганизации предстает в виде чудесного Акта Творения - на локальном уровне, на уровне отдельного элемента невозможно обнаружить силу или причину, которая заставляла бы его вдруг менять свое поведение при изменении внешних условий. На локальном уровне трудно понять, например, как в хаотическом движении молекулы жидкости вдруг появляется выделенное направление перемещения по кругу.
 

СПАСИТЕЛЬ

В целом, картина естественноисторического прогресса в глобальном масштабе, с точки зрения законов термодинамики открытых систем, куда более оптимистична, чем та, которую рисовал один только ее Второй Закон ("тепловая смерть" Вселенной, Жизнь - лишь временная флуктуация). Совместное действие Второго начала и Принципа минимума рассеяния определяет обратную зависимость степени прогресса живой природы от энергетических ресурсов, которые имеются у нее в распоряжении. Чем сильнее давит пресс Второго начала, тем мощнее работает двигатель самоорганизации, продвигая природу вверх по оси сложности, под управлением Принципа минимума рассеяния. Точки пересечения термодинамических траекторий активной системы, и, следовательно, бифуркации ее состояния и возникновение новой структуры имеют место быть как раз в самые критические для системы моменты, когда внешние обстоятельства ставят ее на грань гибели.

Так, скачкообразная эволюция биологического вида может произойти в тех условиях, когда исходный вид поставлен перед дилеммой - или измениться, или исчезнуть.

Другой пример благотворного влияния ресурсного голода - экономические чудеса в странах, лишенных каких бы то ни было ископаемых - Япония, Корея, Тайвань, Сингапур.

Можно надеяться, что охлаждение Вселенной выведет Жизнь на гораздо более совершенный уровень. Можно предположить также, что во Вселенной существует определенное равновесие: глобальное возрастание энтропии в масштабах Вселенной компенсируется ее локальным уменьшением.

Земная цивилизация, видимо, не всегда сможет существовать в нынешних формах. Возможно, что наступит конец этого света, когда человечество встанет перед гамлетовским выбором - быть или не быть. Возможно, что технологический прогресс не сможет больше обеспечивать сохранение цивилизации. Возможно, что человеку придется начать эволюционировать, как биологическому виду, и кто знает, какие новые формы примет "венец творения". Но в одном можно быть уверенным и черпать оптимизм - Принцип минимума рассеяния не бросит человечество в трудную минуту, он просто не может допустить гибели открытой активной системы.

Напомним читателю о том эксперименте, который он должен самостоятельно провести, следующей аналогией: в одной из древнейших религий земли, в индуизме, все в мире определяет триединое божество: Вишну - бог всего сущего, Шива, уничтожающий материальный космос, и Брахма, создающий все формы жизни. Невозможно не заметить, что основные постулаты Термодинамики соответствуют этим ролям: Закон сохранения энергии - Закон существования, Второе начало - Закон гибели, Принцип минимума рассеяния энергии - Закон жизни.
 

МОРАЛЬНЫЙ ЗАКОН

До сих пор мы смотрели на процессы в природе как бы со стороны. Однако любой объект мира есть лишь его составная часть. Как же отражается действие Принципа минимума рассеяния на наблюдателе, составляющем часть общей системы.

В исходном равновесном состоянии системы, например в жидкости, поведение частиц представляет собой броуновское движение - хаотическое изменение скорости и направления. В системе, выведенной из состояния равновесия, в момент возникновения новой структуры - вихря, поведение частиц кардинально меняется - все молекулы приобретают выделенное направление движения в едином круговороте. Ученые говорят, что меняется режим (мода) движения. Таким образом, подчинение системы принципу минимального рассеяния накладывает на частицы этой системы определенные правила, в соответствии с которыми одна мода поведения становится предпочтительной и усиливается (в нашем случае - циркуляция), другие моды - подавляются. Здесь можно говорить о том, что действие Принципа на систему создает для ее составляющих асимметрию вариантов поведения - некую ось, на которой можно указать положительное и отрицательное направления.

Аналогично этому для людей, которые есть лишь частицы другой неравновесной системы - общества, одни поступки оказываются предпочтительными, позитивными, другие - негативными. Таким образом, Принцип порождает на уровне человеческого общества категории Добра и Зла, Добродетели и Порока. Действительно, позитивным для каждой неравновесной системы является такое поведение ее частей, которое обеспечивает, говоря языком физики, минимальные внутренние потери, минимальное внутреннее трение. Для человеческого общества к таким потерям относятся результаты насилия и воровства, мести и зависти. И наоборот, снижение "трения" обеспечивают милосердие и любовь (употребляя категории восточных религий, кармическая деятельность).
 

ВСЕВЫШНИЙ

Итак, реализация Принципа в системе накладывает на ее частицы определенные правила или законы поведения. Но любая система сама, в свою очередь, является лишь частицей другой, более общей системы, и, следовательно на нее саму накладываются правила поведения, которые реализуются через поведение ее членов. И так далее без конца.

Иерархия систем создает систему законов поведения, которая проецируется на любой элемент в виде иерархии Целесообразности.

Для каждого из нас есть правила поведения, целесообразного с точки зрения семьи, с точки зрения ближнего окружения, с точки зрения государственной, человеческой и т.д. Это восхождение по иерархии систем уведет нас неизбежно в заоблачные выси, к тому пределу, где и Человечество, и Галактики, и Вселенные оказываются лишь частью чего-то еще большего, что порождает некую Высшую Целесообразность. Очевидно, что эта "всевышняя" метасистема есть образ, предел, к которому можно приближаться, но невозможно достичь, познать и остановиться.

Отметим также, что система целеуказующих правил для каждого объекта содержит, как правило, противоречивые требования - то, что хорошо с точки зрения одной системы, плохо с точки зрения другой.

СУДИЯ

Под действием Принципа минимума рассеяния изменение моды поведения частиц, например, в той же жидкости, происходит однозначно и немедленно при определенных условиях. Для объектов живой природы Принцип действует не столь жестко и, казалось бы, теряет характер Закона. Действительно, любой живой организм, а человек или общество - в особенности, обладают свободой в выборе поведения. Каждый из нас волен поступать вопреки любым заповедям и законам.

Дело, однако, заключается в том, что для сложных систем действие Принципа аналогично действию фундаментальных законов микромира, которые также оставляют некоторую неопределенность для поведения отдельной микрочастицы, но однозначно выполняются в статистическом виде. Если бы Некто мог рассматривать человечество с тех же позиций, с каких человек рассматривает объекты микромира, то для него действие Принципа ничем бы не отличалось от действия этих законов. Для нас же, являющихся лишь частицами метасистемы, Принцип проявляется в виде Отбора действующего в историческом плане. Частным случаем действия Принципа в виде Отбора является естественный отбор биологических существ.

Так, строение организма или поведение живого существа может отличаться от оптимального, но это означает лишь то, что Отбор оставляет такому объекту мало шансов на выживание. Человек может действовать не лучшим образом, но это обязательно приведет его к поражению в конкурентной борьбе (если это профессиональная деятельность), к болезни (если это образ жизни), или иначе негативно отразится на нем, его окружении и его потомках (если это связано с нормами морали). Последнее связано с тем, что, действуя неверно (то есть вопреки ограничениям, накладываемым Принципом), человек не только ухудшает свое состояние (личная карма), но и увеличивает энтропию окружающей его системы - общества (коллективная карма), а это, в свою очередь, снижает жизнестойкость всей этой системы, что не может не отразиться рано или поздно на ее членах, то есть и на других людях, и, в конечном итоге, на нем самом.

ПРОВИДЕНИЕ

Человек, будучи объективно лишь частицей бесконечной иерархии систем, действует в условиях, когда, с одной стороны, его поведение должно соответствовать ограничениям Принципа, с другой, никто не в состоянии охватить всю бесконечную иерархию Целесообразности и, следовательно, не в состоянии направлять свои поступки и свою жизнь сознательно строго по оптимальной траектории.

Общее течение исторического процесса определено высшим смыслом, действием нашего Универсального Закона - Принципа минимума рассеяния энергии. Возможность отдельного человека познать истинные мотивы истории в каждом конкретном случае и действовать строго в ее русле ограничена объективно. Однако, несовершенные и не оптимальные действия отдельных личностей, рождают как раз ту флуктуационность на локальном уровне, которая и определяет самоорганизацию в критические моменты.

Думаем, что мы здесь вправе воскликнуть - языки Науки и Религии совпадают с точностью до терминологии! Зачастую достаточно лишь заменить название Принцип на конкретное имя Бога в приведенных выше положениях, чтобы получить непосредственно постулат Веры.

Аналогии и параллели научных положений и постулатов религиозности достаточно прозрачны, чтобы приводить дополнительные примеры. Любой может найти их в большом количестве, пользуясь различными источниками - от Библии до буддийской Дхаммапады или индуистской Бхагавадгиты.

Для верующего этот вывод подтверждает очевидную, наверное, для него истину, что Человек, будучи проявлением воли Всевышнего, не может создать язык, в том числе и язык науки, в котором не присутствовал бы Всевышний.

Для атеиста - это факт удивительного соответствия древнего знания самым современным научным результатам.

Подобно тому, как язык любого народа земли содержит в себе один круг понятий - мать , земля, красота, любовь.., - языки религии и знания каждый по-своему отражают единую для всех объективную действительность.

Человечество, вступив на путь Познания, прошло долгий и мучительный путь поиска Истины, основанной только на личном опыте. Долгое время, подобно неверующему Фоме, вкладывающему пальцы в раны Христа, Человек испытывает Природу, расчленяя ее на части, подвергая различным воздействиям, кроя по своему усмотрению.

И вот теперь, наконец, Человек с удивлением обнаруживает, что этот долгий путь привел его к тем же пределам, которые он покинул десятки веков назад. Он видит, что поиски рационального знания привели его, обогащенного новым опытом и пониманием, к старой религиозной истине, к традиционным идеалам - подобно возвратившемуся к отцу блудному сыну. Он видит, что не смог построить Храма Науки, который бы не оказался, в некотором смысле, и Храмом Бога.