Словом, термодинамика неравновесных процессов изучает незамкнутые системы, которые в результате внутренних коллективных сил и внешних воздействий оказываются в состояниях, далеких от равновесных.
Все необратимые процессы происходят до тех пор, пока не установится равновесие системы, а это свидетельствует о том, что работа совершается системой только в том случае, пока ею не достигнуто равновесное состояние. Неравновесные системы, не получая дополнительную энергию, не могут длительное время сохранять свое состояние.
Неравновесность связана с адаптацией к внешней среде, она вынуждена изменять свою структуру и может претерпевать много различных состояний неопределенности.
НелинейностьНелинейностью называется свойство системы иметь в своей структуре различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам поведения этой системы. Система нелинейна, если в разное время, при разных внешних воздействиях ее поведение определяется различными законами.
Нелинейность также рассматривается как необычная реакция на внешние воздействия, когда не очень сильное, но «правильное» воздействие оказывает большее влияние на систему, чем воздействие более сильное, но неадекватное ее собственным тенденциям.
Хорошим примером нелинейности служит реакция организма человека на внешние раздражители. Организм, реагируя на внешние воздействия, не соблюдает принцип «чем больше, тем лучше (или хуже)». Человеческому организму оказалось удобнее, экономичнее и выгоднее использовать нелинейную зависимость его реакции от величины раздражителя.
Оказывается, в организме существуют несколько фаз, в пределах которых проявляется реакция организма на действие внешнего раздражителя. Например, в реакции организма на стресс выделяют три фазы. Первая фаза – начальная. Для нее характерно возникновение чувства тревоги, беспокойства. Вторая фаза – фаза сопротивления. Она характеризуется выработкой сил и средств, направленных на борьбу с факторами, вызывающими стресс. Третья фаза – фаза истощения. Ресурс защитных сил организма исчерпан, и организм заболевает. Именно на третьей стадии и возникают так называемые болезни на нервной почве.
Фазной реакцией на внешние раздражители обладает не только весь человеческий организм, но и каждая отдельная мембрана клетки, каждая клетка, отдельная клеточная популяция, отдельное нервное волокно, а также каждый участок кожи. Такой же по форме отклик на воздействие извне характерен даже для всей биосферы как единой сложной системы.
Важным достижением синергетики является открытие механизма резонансного возбуждения. Оказывается, система, находящаяся в неравновесном состоянии, чутка к воздействиям, согласованным с ее собственными свойствами. Поэтому флуктуации во внешней среде являются не «шумом», а фактором генерации новых структур. Малые, но согласованные с внутренним состоянием системы внешние воздействия на нее могут оказаться более эффективными, чем большие. Нелинейные системы демонстрируют неожиданно сильные ответные реакции на релевантные[8] их внутренней организации, резонансные возмущения.
Являясь неравновесными и открытыми, нелинейные системы сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, то есть система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Например, в ходе химической реакции вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.
На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции[9]: здесь возможны ситуации, когда эффект от совместного действия причин А и В не имеет ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.
Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью.
ДиссипативностьОткрытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, то есть своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Иными словами, неравновесное протекание множества микропроцессов суммируется на макроуровне и качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом.
Например, причиной таких процессов диссипации, как вязкостное трение, является тепловое движение молекул: при движении выбранного малого объема вещества молекулы на границе объема, хаотически перемещаясь, постоянно сталкиваются с молекулами других объемов, в результате чего происходит непрерывный обмен импульсом и веществом между малыми объемами среды.
В закрытых системах диссипация – это тенденция к размыванию организации, но в открытых, нелинейных, неравновесных системах она проявляет себя и через противоположную функцию – структурообразование.
Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно формироваться новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Если замкнутая система, выведенная из состояния равновесия, всегда стремится вновь прийти к максимуму энтропии, то в открытой системе отток энтропии может уравновесить ее рост в самой системе, и есть вероятность возникновения стационарного состояния. Если же отток энтропии превысит ее внутренний рост, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации, и при определенных условиях в системе начинают происходить самоорганизационные процессы, создание упорядоченных структур.
Под влиянием энергетических взаимодействий с окружающей средой в открытых системах возникают эффекты согласования и кооперации, когда различные элементы начинают действовать в унисон. Такое согласованное поведение называется когерентным.
После возникновения новая структура, называемая диссипативной, включается в дальнейший процесс самоорганизации материи.
Системы, в которых энергия упорядоченного движения с течением времени убывает за счет диссипации, переходя в другие виды энергии, например в теплоту или излучение, называются диссипативными.
Самоорганизующийся хаосГлавная идея синергетики – идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом.
Синергетика переосмысливает понятие хаоса, характерное для классического и неклассического естествознания. Она определяет хаос как многоликое материальное начало, которое не только разрушает и само является продуктом разрушения, но и способствует созиданию нового.
В самом деле, наука о хаосе – это система представлений о различных формах порядка. «Хаос представляет собой более высокую форму порядка, где случайность и бессистемные импульсы становятся организующим принципом скорее, нежели более традиционные причинно-следственные отношения в теориях Ньютона и Евклида» [13].
Дуглас Хофстадтер пишет: «Получается, что наводящий ужас хаос может скрываться за фасадом порядка, но вместе с тем в глубине хаоса всегда прячется сверхъестественный порядок».
Хаос не нов, он существовал повсюду еще до появления времени и человечества. Мы – продукт хаоса, а не изобретатели его. Хаос создал нас, и хаос будет влиять и определять наше существование в будущем. Мы сами, наше тело, индивидуальность и все прочее развивались в результате хитрых взаимодействий между стабильностью и хаосом, порядком и беспорядком. Даже сам процесс мышления – результат взаимодействия стабильности и хаоса, линейной и нелинейной активности. Хаос свидетельствует, что нелинейное мышление приводит к более точному пониманию нестандартных ситуаций.
Постоянное присутствие хаоса в плотном плане не случайно. Творец, дав человеку право выбора своего пути, тот «пьянящий напиток», который мы все стремимся выпить, разрешил ему моделировать и создавать свой микромир. А когда у человека есть право выбора, то множественность и разноплановость его мыслей создают атмосферу хаоса.
Хаос нашего пространства есть результат нашего присутствия, ибо каждую минуту раздумья мы генерируем множество мыслей, а генерируя свои эмоции, мы создаем такое бесконечное множество энергетических импульсов, что действительно создается впечатление генерирования нами хаоса психической энергии.
Хаос нашего пространства есть результат нашего присутствия, ибо каждую минуту раздумья мы генерируем множество мыслей, а генерируя свои эмоции, мы создаем такое бесконечное множество энергетических импульсов, что действительно создается впечатление генерирования нами хаоса психической энергии.
Хаос обеспечивает микромиру гибкость и легкую восприимчивость к любым тонким возмущениям, и это способствует совершенствованию и микромира, и человека! Свободный в своем выборе человек сам становится гибкой, динамичной энергетической системой, чутко реагирующей даже на малые возмущения пространства.
Именно в хаосе мыслей или действий люди являются легко обучаемыми объектами. Их энергия при объединении создает мощные энергетические центры, которые, структурируясь, превращаются в кластеры (скопления) энергии пространства – упорядоченные, строго структурированные, суперстабильные объединения.
Кластер представляет собой объединение однородных энергий, энергий единомышленников. Самой сильной энергией в тонком мире является энергия мысли. Среди хаоса мыслей и эмоций нашего физического плана выкристаллизовывается единственный и неповторимый путь к Богу! [7]
Аструс: Вы выразили квинтэссенцию предмета, который вы выражаете. Очень точное описание. Попадание 99,9 %. Есть ма-а-аленький нюанс.
– Этот хаос мыслей воздействует и на наши клетки?
Аструс: Воздействует.
– То есть мы своими мыслями вызываем хаос в организме и переводим его в порядок?
Аструс: Так.
– Особенно, если мысли положительные?
Аструс: Так. А теперь допустите, что будет происходить в процессе эволюции. Все более, более, более будет эволюционировать человек и в конечном счете достигнет такого уровня, который от теперешнего человека даже не находится в поле зрительной видимости. Настолько клетки упорядочатся и структурно изменят свойства.
– И что будет представлять собой человек в недалеком будущем? Правильный и упорядоченный?
Аструс: Дело не в упорядоченности. Он поднимается на уровень, откуда для грубой материи он становится невоспринимаем.
– Мы перейдем на другой уровень вибраций. До 2018 года идет первый этап перехода. В человеке постоянно имеет место самоорганизующийся хаос. Это и есть жизнедеятельность?
Аструс: Один из способов выражения жизнедеятельности.
– Скажите, Аструс, то, что у нас на Земле все время такая нестабильная погода, это тоже связано с переходом?
Аструс: Точка флуктуации верна, точка прохода.
– А не есть ли это переход с одного режима на другой, когда все параметры неустойчивы, болтаются, как хотят?
Аструс: Есть.
Синергетика конкретизирует созидательные функции хаоса. Во-первых, хаос необходим для исходного структурирования нелинейной среды. Во-вторых, он способствует резонансному объединению простых структур в единую сложную структуру, согласованию темпов их эволюции, объединению, «склеиванию» «темпомиров».
Независимые, еще не объединенные структуры существуют, не чувствуя друг друга. Они живут в разных темпомирах, то есть каждая из них развивается в своем темпе. Сложная структура представляет собой объединение структур разных возрастов – структур, находящихся на разных стадиях развития. Сложность структуры связана с когерентностью. Под когерентностью понимается согласование темпов жизни структур посредством диффузионных, диссипативных процессов, являющихся макроскопическим проявлением хаоса. Для построения сложной организации необходимо когерентно соединить подструктуры внутри нее, синхронизировать темп их эволюции. В результате объединения структуры попадают в один темпомир, а значит, приобретают один и тот же момент обострения, начинают «жить» в одном темпе.
В-третьих, хаос может выступать как механизм переключения смены различных режимов развития системы, переходов от одной относительно устойчивой структуры к другой.
В нелинейных (неравновесных, открытых) системах постоянно действует диссипативный, рассеивающий, хаотизирующий фактор. Однако в силу избирательности такой системы, ее различной чувствительности к разным воздействиям (и внешним, и внутренним) диссипативный фактор действует так же избирательно: он рассеивает одни образования и усиливает другие, способствуя тем самым их структурированию и локализации.
Таким образом, хаос содействует стабилизации и самоструктурированию нелинейной среды, проявляет себя как творческое начало. Следовательно, хаос – это и деструктивная, и созидательная сила; хаос не только разрушает то, что он сам создал, но и способствует созиданию качественно нового, самоорганизации мира.
Открытая нелинейная система в ситуации критической неравновесности способна порождать «чудо создания порядка из хаоса», менять сам тип своего поведения. В ней могут формироваться новые динамические состояния, названные И. Пригожиным диссипативными структурами. Если размазывающий процесс диссипации (диффузия, молекулярный хаос) ведет равновесную систему к хаосу, то в неравновесных системах он, напротив, приводит к возникновению новых структур, так как устраняет все нежизненные, неустойчивые состояния. «Диссипативность – фактор „естественного отбора“, разрушающий все, что не отвечает тенденциям развития, „молоток скульптора“, которым тот отсекает все лишнее от глыбы камня, создавая скульптуру» [10].
В диссипативной структуре между частицами устанавливаются дальнодействующие корреляции[10], меняется тип поведения – частицы начинают вести себя согласованно, когерентно, «как по команде» происходит синхронизация пространственно разделенных процессов. Порядок в синергетике понимается как макроскопическая упорядоченность при сохранении микроскопической молекулярной разупорядоченности, то есть порядок на макроуровне вполне мирно уживается с хаосом на микроуровне.
Возникновение диссипативных структур носит пороговый характер. Неравновесная термодинамика связала пороговый характер с неустойчивостью, показав, что новая структура всегда является результатом раскрытия неустойчивости в результате флуктуаций – движения элементов микроуровня.
Флуктуации и точка бифуркации
Анализ диссипативных систем показал, как в хаотической системе возникают самоорганизующиеся структуры, и помог понять роль флуктуаций.
Флуктуации бывают внутренние (внутрисистемные) и внешние (микровозмущения среды). В зависимости от своей силы флуктуации, воздействующие на систему, могут иметь совершенно разные для нее последствия. Если флуктуации открытой системы недостаточно сильны, система попытается вернуться к старому состоянию, структуре или поведению. Если флуктуации очень сильны, система может разрушиться. И, наконец, третья возможность заключается в формировании новой диссипативной структуры и изменении состояния, поведения и/или состава системы.
То есть в синергетике флуктуации при определенных условиях вырастают до масштабов системы и могут послужить началом образования новой структуры[11].
Отдельная флуктуация или комбинация флуктуаций может стать настолько сильной, что вся система в целом не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент, который называют «точкой бифуркации»[12] (или точка катастрофы), возможен переход системы в новое состояние.
Суть бифуркации лучше всего иллюстрирует «витязь на распутье», который стоит перед камнем с надписью: «Направо пойдешь – женатому быть, налево пойдешь – коня потеряешь, прямо пойдешь – буйну голову сложишь».
У системы, находящейся в точке бифуркации, ситуация несколько другая, поскольку неизвестно, чего можно ожидать дальше при любом варианте выбора.
Будущее системы не определено и принципиально непредсказуемо в силу фундаментальной роли случайного. Именно случайность выступает творцом будущего. Случайное слабое внешнее воздействие или слабые флуктуации внутренних параметров, возникшие в «нужный момент и в нужном месте» системы, могут привести ее к большим внутренним изменениям.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухают; остаются только те, которые образуют новые устойчивые структуры – аттракторы[13].
Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий развития системы, определяемых разными значениями начальных параметров, создавая своеобразный конус. Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию.
И. Пригожин пишет: «Во всех случаях, каково бы ни было первоначальное приготовление системы, ее эволюция – при данных граничных условиях – может быть описана траекторией, ведущей из точки, которая представляет начальное состояние, к аттрактору. Таким образом, конечная точка-аттрактор представляет собой финальное состояние любой траектории в пространстве» [14].