Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Мы уже упоминали о трудностях, с которыми еще совсем недавно сталкивались физики при ответе на вопрос, согласуется ли процесс развития биологических структур с основополагающими физическими принципами. На ряде конкретных примеров мы видели, что и в мире неживой природы могут возникать такие структуры, существование которых поддерживается постоянным притоком энергии извне: мы говорили о лазере, испускающем строго упорядоченные световые волны определенной длины, о ячеистых структурах, образующихся в жидкостях, и о химических спиральных волнах. Все эти примеры представляют собой системы, нуждающиеся в постоянном притоке энергии (а в отдельных случаях и материи), которая преобразуется внутри системы и в преобразованном виде выделяется наружу. Все описанные системы относятся к так называемым открытым системам. Здесь и выходят на сцену открытия, сделанные синергетикой. На открытые системы не распространяется принцип, согласно которому при предоставлении такой системы самой себе хаос в ней будет постоянно расти. Принцип Больцмана, касающийся энтропии как меры хаоса, стремящейся достичь своего максимума, оказывается верен только для закрытых систем. Как было показано в двенадцатой главе, где речь шла о сущности хаоса, в случае закрытой системы рост энтропии зависит только от количества возможностей, которые может реализовать система — например, от числа различных положений молекул газа в системе, которая представляет собой емкость, наполненную газом. Поскольку для каждой системы существует совершенно определенное число таких положений, принцип Больцмана является статическим. Существуют ли общие принципы возникновения структур в открытых системах? На решение именно этой проблемы и направлены прежде всего синергетические исследования. Множество отдельных элементов открытой системы задействованы в процессе постоянного тестирования различных возможностей, предоставляемых им системой, пробуя при этом все новые и новые типы движения или реакции. Под воздействием непрерывно поступающей энергии (или же энергии и вещества) один или несколько типов такого коллективного движения или коллективной реакции оказывается предпочтительнее других; именно эти формы движения или типы реакций становятся преобладающими в системе. Постепенно происходит подавление — или, говоря языком синергетики, подчинение — ими всех прочих форм движения или типов реакций. Подчиняющие себе всю систему типы движения или реакций называются также модами; они проявляются в явных и отчетливо наблюдаемых изменениях макроскопической структуры системы. Состояния, достигаемые системой в результате возникновения новых мод, представляются нам, как правило, состояниями более высокой степени упорядоченности. Таким образом, рассмотренный принцип возникновения структур в открытых системах является принципом динамическим, поскольку определяется скоростью роста мод. Успеха добиваются, как правило, те моды, чья скорость роста выше; они же определяют макроскопическую структуру. В том случае, если несколько мод (называемых также параметрами порядка) имеют равную скорость роста, они могут при известных условиях объединиться друг с другом «на кооперативных началах», что в итоге приводит к возникновению опять-таки совершенно новой структуры. Добиться того, чтобы скорость роста той или иной моды стала положительной (а в природе возможны случаи, когда эта скорость равна нулю или отрицательна), приток энергии в систему должен быть достаточно велик. При достижении определенных критических значений поступающей энергии общее макроскопическое состояние системы может измениться за счет возникновения иного типа упорядоченности. В этих случаях Природа использует поступающую в систему энергию, руководствуясь своего рода правилом рычага — тем самым правилом из механики, в соответствии с которым мы можем, верно рассчитав длину плеча рычага и располагая лишь ограниченной подъемной силой, поднять большой вес. Аналогичным образом поступает и Природа при создании структур в открытых системах. Влияние незначительных изменений внешних условий — например увеличение мощности накачки в лазере или повышение температуры нагревания слоя жидкости — увеличивается за счет того, что при этом становится сильнее некая определенная форма движения. Можно доказать математически, что подобное усиление моды играет в этом случае роль плеча рычага, а изменение внешних условий соответствует силе, приложенной к этому плечу; изменение же макроскопического состояния системы, переходящей на более высокий уровень упорядоченности, можно в данном контексте представить как поднимаемый груз.

От неживой природы к природе живой