Александр Садохин - Концепции современного естествознания

• Название: Концепции современного естествознания
• Автор: Александр Садохин
• Жанр: Воспитание детей, педагогика

В сжатой и доступной форме изложен полный курс дисциплины, освещены важнейшие современные концепции наук о неживой и живой природе. Является дополненным и переработанным вариантом учебного пособия, рекомендованного Министерством образования и науки РФ для изучения курса «Концепции современного естествознания».

Для студентов бакалавриата, магистрантов, аспирантов и преподавателей гуманитарного профиля, для учителей средних школ, лицеев и колледжей, а также для широкого круга читателей, интересующихся различными аспектами естествознания.

---

Становление современной концепции развития (идея самоорганизации материи). Первая крупная брешь в классической концепции развития была пробита в 1920-е гг. в результате создания новой модели расширяющейся Вселенной, которая сменила старую стационарную модель. Согласно новым представлениям, наша Вселенная возникла 15–20 млрд лет назад в результате Большого взрыва и лишь постепенно пришла к современному состоянию, которое также не является стабильным. При этом эволюция шла от простейшего хаотического состояния к современному упорядоченному состоянию.

Затем новые эволюционные идеи утвердились в химии, геологии, экологии и в других науках. Но до середины XX в. по-прежнему считалось, что для неживой материи основной тенденцией является стремление к разрушению, и только жизнь, представляющая стремление к упорядоченности и организованности, противостоит этой тенденции. Данное противоречие впервые было четко зафиксировано в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Он предположил, что во Вселенной происходят процессы развития. Так был дан толчок исследованиям, позволившим по-новому посмотреть на процессы в неживой природе.

Также к середине XX в. были сформулированы общая теория систем и основы кибернетики, установившие, что все известные нам системы являются открытыми, т. е. постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Поэтому найти подходы к решению вопроса о тепловой смерти Вселенной удалось лишь тогда, когда физика обратилась к понятию открытой системы. Было установлено, что при определенных условиях в открытых системах может возникать процесс самоорганизации, переводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние – состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. Ключ к пониманию процесса самоорганизации находится в исследовании взаимодействия открытых систем с окружающей средой.

Примеров процессов самоорганизации можно привести много. Так, лазеры создают высокоорганизованное оптическое излучение. Оно отличается от традиционных источников света – ламп накаливания, газоразрядных ламп, которые действуют за основе статических законов (в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы и ионы излучают кванты света с различными длинами волн во всех направлениях, причем только малую их часть мы воспринимаем как видимый свет). В лазере в активной среде резонатора под воздействием внешнего светового поля (при «накачке») благодаря поступлению энергии извне частицы начинают колебаться в одной фазе. В результате возникает когерентное (согласованное) взаимодействие, формирующее узконаправленный луч почти монохроматических квантов света.

Хотя процессы самоорганизации стали известны ученым достаточно давно, общие теории самоорганизации появились лишь в 1970-е гг. К их созданию ученые шли разными путями: создатель синергетики Г. Хакен – из квантовой электроники и радиофизики, основатель неравновесной термодинамики И. Пригожин – из анализа специфических химических реакций. Эти процессы в биологии изучал М. Эйген, в метеорологии – Е. Лоренц, в теории катастроф – Р. Том. Постепенно ученые начали выходить за рамки своих узких дисциплин, замечая аналогию между математическими моделями и концептуальными системами, описывающими такие разные на первый взгляд процессы.

Стало формироваться убеждение, что во всех явлениях есть единая основа, позволяющая создать общую теорию самоорганизации материи. Сегодня эта теория развивается в основном в рамках двух наук – синергетики и неравновесной термодинамики, во многом дополняющих друг друга.

Основы синергетики и неравновесной термодинамики. Синергетика – кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы – по определению ее создателя Г. Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем различной природы (атомы, молекулы, клетки, механические элементы, органы, животные и даже люди). Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

Основная идея синергетики – о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Это происходит при возникновении положительной обратной связи между системой и окружающей средой. Иными словами, под воздействием внешней среды внутри системы возникают полезные изменения, которые постепенно накапливаются, а затем кардинально меняют эту систему, превращая ее в другую, более сложную и высокоорганизованную.

Воздействию окружающей среды могут подвергаться сразу несколько однотипных систем, но в силу различных флуктуаций (отклонений) они могут формировать разные обратные связи, порождать разные ответные реакции, далеко не все из которых приводят к самоорганизации системы. Можно сказать, что между этими системами идет своеобразная конкуренция, отбор того типа поведения, такой обратной связи, которые позволяют выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Г. Хакен, это приводит нас в определенном смысле к обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический мир, но и на неживую природу, а также на социальные системы.

Синергетика претендует на открытие универсального механизма самоорганизации. Но объектом синергетики независимо от его природы могут быть только те системы, которые удовлетворяют определенным требованиям. Это открытость, существенная неравновесность и выход из критического состояния скачком в процессе типа фазового перехода.

Открытость – важнейшее свойство самоорганизующихся систем, которые постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Именно открытость является причиной неравновесности систем. Если закрытые системы, для которых и были сформулированы начала классической термодинамики, неизбежно стремятся к однородному равновесному состоянию (состояние термодинамического равновесия), то открытые системы меняются необратимо, в них важным оказывается фактор времени.

При определенных условиях и значениях параметров, характеризующих систему и меняющихся под воздействием изменений окружающей среды, система переходит в состояние существенной неравновесности – критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости. Ведь любая система остается сама собой только в определенных рамках. Так, вода является водой только при температуре от 0 до 100 °C при нормальном атмосферном давлении, за границами этих условий она превращается в лед или пар. Естественно, что существование социальной или биологической системы будет зависеть от других условий, чем существование физических или химических систем. Но важнейшие факторы, от которых зависит само существование любых систем, есть всегда. Они называются управляющими параметрами системы.

Из критического состояния существенной неравновесности системы всегда выходят скачком. Скачок – крайне нелинейный процесс, при котором даже малые изменения управляющих параметров системы вызывают ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Итак, самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без всякого вмешательства извне. Обычно они состоят из большого числа подсистем. При изменении управляющих параметров в системе образуются качественно новые структуры. При этом системы переходят из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний.

Важно, что этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии, вещества или информации уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т. д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Несколько иной аспект имеет неравновесная термодинамика И. Пригожина. В созданной им науке он поставил задачу доказать, что неравновесие может быть причиной порядка. Новая термодинамика стала способна отражать скачкообразные процессы.