Синергетика. Преджизнь

               СИНЕРГЕТИКА И НАУЧНЫЕ ПОПЫТКИ ОСМЫСЛИТЬ ЖИЗНЬ.
             (цитаты в основном по журналу «Новый мир» №3 за 2000 г.)

    СИНЕРГИЯ - значит “совместное действие”. Возникновение синергетики как самостоятельного направления научных исследований можно датировать 1969 годом. Именно тогда немецкий физик Герман Хакен стал использовать термин “синергетика” в своём курсе по теории лазерного излучения, который он читал в университете города Штутгарт. Новый термин был образован им от греческого выражения Sin-ergia, что означает сотрудничество, согласованное действие, соучастие.
    Синергетику определяют как науку о самоорганизации или, более развёрнуто, о самопроизвольном возникновении и самоподдержании упорядоченных временных и пространственных структур в открытых нелинейных системах различной природы. В описании процессов в синергетике важно то, что рассматриваемая система является открытой, то есть имеет интенсивный приток энергии извне, а также оттоки энергии. Возникающая временная или пространственная структура формируется в активной среде и представляет собой выявление одного из потенциально присущих ей дискретных состояний.
    Система реагирует нелинейно, то есть переход от неорганизованного поведения атомов к слиянию их излучения в когерентную световую волну происходит не плавным путем, в линейной пропорции к увеличению энергии, а скачкообразно — в момент, когда приток энергии превысит определённый барьер. Разрозненное и неупорядоченное поведение отдельных атомов соответствует хаотическому состоянию системы, макроскопическому хаосу, из которого путём фазового перехода рождается порядок.
    Для всякой системы можно определить параметры порядка, позволяющие описать её сложное поведение достаточно простым образом, а также выбрать определённые контролирующие параметры, при изменении которых существенно меняется макроскопическое поведение системы. Параметры порядка подчиняют поведение отдельных элементов системы — в чём выражается введённый Хакеном принцип подчинения.
    Хакену принадлежит бесспорный приоритет в создании нового термина — “синергетика” и в разработке системы понятий и теоретических моделей, описывающих механизмы самоорганизации, но не абсолютное первенство в исследовании самих явлений самоорганизации. В физике эффекты образования устойчивых структур в условиях интенсивного внешнего притока энергии известны весьма давно.

    Взять классический пример — образование так называемых ячеек Бенара, вызванных конвективными течениями в подогреваемой снизу вязкой жидкости. Этот опыт каждый может воспроизвести у себя дома. Достаточно налить в сковороду толстый слой растительного масла и поставить её на сильный огонь. Через некоторое время можно будет наблюдать, как нижний, очень горячий слой масла, и верхний, не столь горячий, начинают постоянно сменять друг друга в вертикальном течении — но не беспорядочном или распространяющемся сразу на всю ёмкость, а структурированном в форме правильных шестигранных ячеек, напоминающих пчелиные соты.
 
    Пространственные структуры самоорганизации возникают тогда, когда разница температур нижнего и верхнего слоёв жидкости достигает определённого порогового значения. Потоки жидкости спонтанно, то есть без всякого организующего воздействия извне, переходят в упорядоченное состояние, соответствующее относительно устойчивым и геометрически правильным формам. Стоит убавить огонь под сковородой, и ячейки снова превратятся в беспорядочные завихрения масла (что не помешает по итогам опыта поджарить в нём колбасу). При более интенсивном нагревании жидкости в ней могут возникнуть более сложные пространственно-временные структуры, например, осцилляции вихрей.

    Вычислительные эксперименты, проведённые в 60-х годах, показали неожиданную вещь: существует такой режим сверхбыстрого сжатия и разогрева плазмы, при котором показатель её температуры на графике взлетает вверх почти вертикально, стремясь к бесконечности, а вот пространственный объём клубка, то есть островка тепла в окружающем холодном мире, не расползается, оставаясь в первоначальных границах. Получается, что плазма создаёт границы вокруг себя из самой себя.

    Этот нелинейный эффект позволяет в десятки тысяч раз снизить энергию, которая требуется для инициирования реакции термоядерного синтеза. Необычность такого состояния плазменной среды заключается в том, что в любых нормальных условиях потенциал “тепло — холод” стремится к выравниванию, подобно тому как порция холодного молока, влитого в горячий кофе, делает его тёплым.
    А вот СИНЕРГЕТИКА — чем она и привлекательна для пытливых умов, тяготеющих к необычному в окружающем нас мире, — доказывает ВОЗМОЖНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ В ПРОТИВОПОЛОЖНОМ НАПРАВЛЕНИИ: от расползания к локализации тепла, от равновесия к возрастающему неравновесию и созданию структур в состояниях, далёких от равновесия.

    Известное нам второе начало термодинамики, говорящее о росте беспорядка (ЭНТРОПИИ) в ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМАХ, теряет свою силу для открытых нелинейных систем, изучаемых синергетикой. Локализованные, быстро развивающиеся структуры существуют за счёт возрастающей хаотизации среды на основе производства в ней энтропии. Структуры горения как бы интенсивно “выжигают” среду вокруг себя. И организация (порядок), и дезорганизация (энтропия) увеличиваются одновременно. Но на пике обострения процесса разогрева и “подбирания” границ тепла структура становится чрезвычайно шаткой, чувствительной к малейшим флуктуациям, случайным изменениям хода процесса. Они способны инициировать распад сложной структуры или же вывести на иной, противоположный режим  - режим спада температуры и расползания тепла.

                ПРЕДЖИЗНЬ.

    Важные результаты, касающиеся спонтанного возникновения упорядоченных структур, были получены к началу 70-х годов и в химии. Они связаны в первую  очередь с исследованиями, проводимыми в Свободном университете Брюсселя под руководством Ильи Пригожина — бельгийского учёного русского происхождения (в 1927 году в десятилетнем возрасте он был увезён родителями из России), получившего в 1977 году за свои работы в области неравновесной термодинамики Нобелевскую премию.

    “В различных экспериментальных условиях, — пишут Илья Пригожин и его соавтор Изабелла Стенгерс, — у одной и той же системы могут наблюдаться различные формы самоорганизации — химические часы, устойчивая пространственная дифференциация или образование волн химической активности на макроскопических расстояниях.”
[Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М., “Прогресс”, 1986, стр. 208.]

    Химические часы — пожалуй самый яркий феномен самоорганизации химических процессов, открытый в начале 50-х годов российскими учеными Б. П. Белоусовым  и А. М. Жаботинским. Структура, которая здесь образуется, представляет собой  не пространственную, а временную структуру — колебание с регулярной периодичностью. Для теоретического описания реакции Белоусова — Жаботинского  Илья Пригожин со своими сотрудниками разработал специальную модель, названную брюсселятором.

    Модель  выглядит так. Имеются вещества, вступающие  между собой в химическую реакцию. Концентрацию только одного из них — “управляющего” вещества — плавно увеличивают. Как только концентрация переходит критический порог (при прочих равных параметрах), прежнее стационарное состояние химической системы становится неустойчивым и концентрации двух других реагирующих веществ начинают колебаться с отчетливо выраженной периодичностью. Колебания происходят вокруг некоторого нестабильного фокуса и выходят на предельный цикл, то есть устанавливается устойчивое периодическое движение.
   Конечную область неминуемого схождения фазовых траекторий движения сложной системы называют в синергетике АТТРАКТОРОМ. В качестве аттрактора может выступать или точка (устойчивый фокус), или иное более сложное образование. Существуют странные аттракторы, когда траектории системы совершают произвольные и не поддающиеся регулярному описанию блуждания внутри определённой области. Следуя Пригожину, странный аттрактор можно назвать “привлекающим хаосом”.

    Чтобы представить себе нагляднее картину химических часов, а её необычность выразить более впечатляющим образом, Пригожин и Стенгерс предлагают условно считать, что в реакции участвуют молекулы двух сортов — “красные” и “синие”. До перехода критического порога концентрации “управляющего” вещества они находятся в хаотической смеси, и мы имеем в пробирке какую-то фиолетовую жидкость с лёгкими беспорядочными отклонениями в один из двух первоначальных цветов.

   “Иную картину мы увидим, разглядывая химические часы: вся реакционная смесь будет иметь синий цвет, затем её цвет резко изменится на красный, потом снова на синий и т.д. Поскольку смена окраски происходит через правильные интервалы времени, мы имеем дело с когерентным процессом. СТОЛЬ ВЫСОКАЯ УПОРЯДОЧЕННОСТЬ, ОСНОВАННАЯ НА СОГЛАСОВАННОМ ПОВЕДЕНИИ МИЛЛИАРДОВ МОЛЕКУЛ, КАЖЕТСЯ НЕПРАВДОПОДОБНОЙ, и если бы химические часы нельзя было бы наблюдать „во плоти”, вряд ли кто-нибудь поверил, что такой процесс возможен. Для того, чтобы одновременно изменить свой цвет, молекулы должны „каким-то образом” поддерживать связь между собой. СИСТЕМА ДОЛЖНА ВЕСТИ СЕБЯ КАК ЕДИНОЕ ЦЕЛОЕ.” [Пригожин И., Стенгерс И. "ПОРЯДОК ИЗ ХАОСА...", стр. 202 — 203.]

    Налицо эффект когерентного, кооперативного поведения элементов в химических системах. В теории самоорганизации проводится чёткое различие между стационарными, “застывшими” структурами, такими, как решётки кристаллов, и относительно устойчивыми структурами, вызываемыми к жизни из первоначально хаотического состояния путём интенсивного изменения по некоторому ведущему параметру — будь то накачкой энергии в физическом эффекте лазерного излучения, увеличением концентрации вещества в описанном выше химическом эффекте или, с самой общей точки зрения, притоком информации в среду, что также охватывается синергетическими моделями.
    Первый тип структур — это, можно сказать, тупики эволюции. Для равновесных стационарных структур малое возмущение “сваливается” на ту же самую структуру. Второй тип — это структуры, способные самопроизвольно возникать и развиваться в активных, рассеивающих (диссипативных) средах в состояниях, далёких от термодинамического равновесия. Для обозначения такого типа структур Пригожин предложил использовать понятие диссипативной структуры. Именно они в фокусе внимания синергетики.
    Диссипативные структуры проявляют характерное свойство: в состояниях неустойчивости они могут оказаться чувствительными к малейшим случайным отклонениям в среде. Краткий момент неустойчивости, балансирования системы на острие выбора между будущими состояниями, когда судьба всей системы может зависеть от вторжения одной случайной флуктуации, называется в синергетике БИФУРКАЦИЕЙ. Исследования явлений самоорганизации в химических процессах привели Пригожина к созданию собственной обобщённой теории самоорганизации, далеко выходящей за пределы химии. Он называет её по-разному: нелинейной неравновесной термодинамикой, наукой о сложном, теорией перехода от хаоса к порядку, но чаще всего теорией диссипативных структур. Пригожин предпочитает не пользоваться термином “синергетика”, хотя по своему внутреннему содержанию его исследования, бесспорно, относятся к синергетической теории эволюции и самоорганизации сложных систем.

    Но создание теории самоорганизации для Пригожина — ещё не самоцель. Его сверхзадача — использовать данную теорию для раскрытия глубинных механизмов происхождения живого. Он стремится преодолеть качественный разрыв между описанием живой и неживой природы или по меньшей мере — что лежит в пределах возможностей современной науки — добавить ещё несколько пролетов к тому мосту, который учёные издавна пытаются навести над пропастью, лежащей между ними.
 
   “Жизнь, заведомо укладывающаяся в рамки естественного порядка, предстаёт перед нами как высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации. Мы... утверждаем, что, коль скоро условия для самоорганизации выполнены, жизнь становится столь же предсказуемой, как неустойчивость Бенара или падение свободно брошенного камня” [Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса..., стр. 234.].
 
   В поисках связующих звеньев между живым и неживым Пригожин опирается на данные молекулярной биологии, находящейся как бы посередине реки, разделяющей два берега. Он высоко оценивает модель предбиологической эволюции, разработанную немецким ученым Манфредом Эйгеном. Согласно исследованиям Эйгена, системы полимерных молекул — молекул, которые, взятые сами по себе, лишены в традиционном представлении и “капли” жизни, — способны поддерживать собственное существование через цикл самовоспроизводства и противодействия возмущающим влияниям извне.
   Механизм их самосохранения и адаптации к окружающей среде является прообразом механизма воспроизводства живых организмов через цепи ДНК. Пригожин говорит о спонтанных островках самоорганизации при переходе к живому:

   “По-видимому, разумно предположить, что некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. На этой стадии жизнь, или „преджизнь”, была редким событием и дарвиновский отбор не играл такой существенной роли, как на более поздних стадиях” [Там же стр. 245].

    ВЗГЛЯД НА ПРИРОДУ КАК НА ЕДИНОЕ ЦЕЛОЕ, где деление на живое и неживое не является абсолютным, но связано с ограниченностью нашего понимания вещей, можно проследить далеко вглубь истории человеческой мысли. Более характерен он для восточной философии, но имел влияние и на Западе. В числе приверженцев такого взгляда и, в сущности, отдалённых предшественников синергетического мировоззрения стоит упомянуть Шеллинга, который строил свою философию, исходя из представления о природе как о едином живом организме.
 “Неорганическая и органическая природа связаны одним и тем же началом” [Шеллинг  "О мировой душе" (1797 г.). Сочинения. В 2-х томах. Т. 1. М., “Мысль”, 1987, стр. 92.], — писал он, усматривая такое начало в феноменах “организации” и спонтанного творческого акта.

    Что же нового вносит тогда синергетика? Её новшество и её шаг вперёд по отношению к предшествующим представлениям о единых началах живого и неживого заключаются в междисциплинарном научном и обобщённо-теоретическом изучении тех закономерностей, которые составляют универсальную основу процессов самоорганизации и эволюции сложного, и в постоянном подкреплении своих теоретических представлений многочисленными опытными данными базовых научных дисциплин.