Проблемы самоорганизации материи кратко

Обновлено: 05.07.2024

Примером первых являются физические представления о магнетизме, об электричестве, о строении атомов, о ядерном синтезе и радиоактивном распаде, и другое.


Основные принципы построения структур материи

3. При распаде сверхплотного образования начинается процесс формирования поколений элементарных частиц, начало которого становится возможным, только в силу изначальных бесструктурных свойств прото-частиц.

4. Элементарные частицы всех следующих поколений обладают структурой, в которой структурообразующими частицами для каждого следующего поколения элементарных частиц становятся элементарные частицы предыдущих поколений.

7. При формировании вихревых структур элементарных частиц, каждое их следующее поколение обладает большей массой и меньшей величиной угловой и линейной скорости, по отношения к их структурообразующим частицам (элементарным частицам предыдущих поколений).

12. Частицы-Н обладают наибольшей массой (и пропорционально ей максимальной величиной «магнитного дипольного момента) и наименьшей угловой и линейной скоростью.

15.На всех этапах возникновения структур атомов вещества и антивещества (микро, макро и космо) и между их структурными совокупностями возникают силы отталкивания, которые способствуют разделению их в окружающем (микро, макро и космо) пространстве.

16. Это разделение приводит к образованию структур вещества и антивещества, в том числе и галактик, состоящих только из вещества или только из антивещества, гравитационные поля которых действуют друг на друга, как силы отталкивания. Образование групп галактик, в которых соседние галактики состоят из вещества и антивещества, приводит к разбеганию их в межгалактическом пространстве.

17. И, наоборот, внутри вещества или антивещества на всех уровнях (микро, макро и космо) возникают внутренние силы притяжения, которые объединяют вещественные или антивещественные атомы в структуры молекул, кристаллов, химических соединений, небесных тел, галактик и т.д..

Изотропная поляризация элементарных частиц пространства создает иллюзию их отсутствия.

Между веществом и пространством осуществляется непрерывный энергетический обмен, который реализуется через поглощение веществом элементарных частиц из пространства и излучение веществом такого же количества элементарных частиц в пространство.

19. Последовательное расширение пространства приводит к уменьшению в нем концентрации элементарных частиц, и это приводит к энергетической деградации вещественных и антивещественных структур внутри каждой из галактик.

20. На определенном этапе расширения межгалактического пространства начинается распад всех вещественных и антивещественных структур, включая и структуры атомов.

Процесс увеличения энергии и массы таких структур происходит с положительной обратной связью.

23. Внутри галактик силы гравитационного притяжения также сменяются силами магнитного притяжения; замкнутые токовые контуры наращивают свои структуры, поглощая из окружающего пространства свободные элементарные частицы, которые возникают от распада вещественных (антивещественных) структур.

Направление притяжения их разноименных магнитных полюсов будет совпадать с их встречным движением, это значит, что структурное вращение прото-частиц в галактиках и антигалактиках будет происходить в противоположных направлениях.

27.Это определит начало следующего цикла образования различных форм материальных структур (элементарных частиц, атомов, небесных тел и т.д.).

Возникают интересные вопросы и в частности:

1. Насколько в следующем цикле развития материи ее вещественные формы будут отличаться от вещественных форм, которые возникали в предыдущем цикле?


Подобные мысли высказывались шотландскими моралистами, которые на основе подобных подходов описывали становление нравственности. Нормы морали не устанавливаются кем-то приказным порядком, а формируются медленно на основе опыта и жизнедеятельности людей. Причем при изменении внешних условий постепенно меняются и эти нормы.

Следует особо подчеркнуть, что идеи самоорганизации появились при исследовании общественных явлений. В настоящее время существует необоснованное мнение о том, что современные идеи самоорганизации не применимы в гуманитарных науках, поскольку были рождены в рамах строгих естественных наук, описываются математическим аппаратом, который связан с термодинамикой неравновесных систем (об этом более детально мы поговорим позже). Это заблуждение связано с тем, что рождение идей самоорганизации связывают с появлением их математического описания.

Конечно, первые идеи самоорганизации математически не обосновывались, но это связано не с тем, что они не применимы в гуманитарной области, а с тем, что в то время еще недостаточно был разработан математический аппарат.

В неживую материю идеи самоорганизации проникли через развитие термодинамики открытых неравновесных систем. В контексте неравновесной термодинамики появилась возможность объяснить образование сложных структур за счет взаимодействия системы с окружающей средой, при котором происходит выход системы из равновесия в неустойчивое состояние, в результате которого происходит образование новых структур. Главную роль при этом играет неравновесность. На всех уровнях, будь то уровень макроскопической физики, уровень флуктуаций или микроскопический уровень, источником порядка является неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает "порядок из хаоса".

Решение задач самоорганизации при взаимодействии с окружающей средой рассматривает синергетика (от греческого sinergeia –совместное действие), которая появилась в 70-х годах ХХ века и представляет собой междисциплинарное направление, претендующее на объяснение различных процессов самой разнообразной природы в едином аспекте с точки зрения взаимодействия и развития систем. Синергетика описывает возникновение согласованного (когерентного) поведения элементов, коллективных мод (поведение на масштабах больших по сравнению с размерами элементов), вырастающих из неравновесных флуктуаций, стабилизирующихся за счет обмена энергией с внешней средой. Не движение – перемещение в пространстве состояний, а возникновение новых структур, т.е. процесс рождения и становления нового качества, находится в центре рассмотрения синергетики.

На сегодняшний день к синергетике отношение неоднозначное. Некоторые ее рассматривают как некое веяние настоящего времени, которое в ближайшее время пройдет. Другая крайность состоит в том, что это чуть ли не новое мировоззрение, которое в ближайшем будущем заменит диалектику и вообще станет парадигмой нового картины мира.

Семантической единицей синергетики является структура, объектом исследования служат самоорганизующиеся системы самого разного уровня сложности.

Понятие самоорганизующейся системы, было введено Хакеным в 1991 году: Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки.

Главными характеристиками таких систем выступают: открытость, избирательность внешней информации, нелинейность, диссипативность.

Открытость системы означает, что она должна обмениваться информацией с окружающей средой. Причем эта информация принимается самоорганизующейся системой избирательно – та информация, которая соответствует внутренней структуре системы ею принимается и вписывается во внутреннюю структуру системы, а та информация, которая структуре системы не соответствует, системой отвергается.

Важную роль в самоорганизующихся системах играет понятие точки бифуркации, под которой понимают такое состояние системы, при котором она находится как бы в точке развилки, и ее дальнейшая эволюция становится неоднозначной. Как правило, это происходит в момент поступления в систему новой информации. Это и есть особенность нелинейной системы, когда малейшее изменение начальных условий может кардинально отразится на всем последующем развитии системы. В точке бифуркации система не может быть описана строго детерминировано.

Диссипативность системы связана со своеобразным проявлением макроскопических процессов, которые протекают на микроуровне. Хаотичные, несвязанные между собой параметры отдельных микроскопических составляющих системы на макроуровне образуют определенный порядок. В системе наблюдаются, так называемые, параметры порядка – наиболее существенные свойства, которые определяют поведение системы в целом, но не могут определить характеристики ее отдельных составляющих. Например, хаотичное движение отдельных молекул при их огромном количестве дает определенные давление и температуру газа. Но эти параметры порядка системы могут дать только вероятностную информацию о движении отдельных молекул.

Возможность образования порядка из хаоса на основе диссипативности играет исключительно важную роль в эволюции материи и дает научное понимание качественных скачков, связанных с переходом к более организованной форме движения материи.

Важным фактором в исследовании самоорганизующихся систем любого уровня являются условия, способствующие их формированию. Эти вопросы решались еще в рамках системного подхода. П.К. Анохин отмечает, что обязательным положением для всех видов и направлений системного подхода является поиск и формулировка системообразующего фактора. Эта ключевая проблема определяет как само понятие системы, так и всю стратегию его применения в исследовательской работе. Под системообразующим фактором понимают все явления, силы, вещи, связи и отношения, которые приводят к образованию системы.

В рамках синергетического подхода отмечается, что внутренние силы – это системообразующий фактор, стремление элементов к устойчивости, сохранению, которое заставляет их перемещаться в оптимальную для этого нишу. К условиям образования самоорганизующихся систем относят:

Определенную степень концентрации элементов будущей системы, возникающую в результате их относительной изолированности.

Тождественность (общность) существенных признаков элементов будущей системы.

Комплементарность, взаимодополнение элементов.

Непрерывное поступление определенного количества энергии.

Относительное постоянство внешней среды системы

Каждое из указанных условий играет определенную роль при фор­мировании самоорганизующейся системы.

Динамику развития и эволюцию самоорганизующейся системы можно представить как колебательный процесс.

Примем за начальное состояние системы устойчивое состояние, при котором отдельные параметры порядка системы взаимодействуют между собой, что, впрочем, и делает совокупность отдельных составляющих собственно системой. В таком состоянии открытая система может принимать информацию из окружающей среды.

Заранее предсказать, какой из вариантов реализуется, практически невозможно. Но, чем больше вновь поступившая информация соответствует внутренней структуре системы, тем больше вероятность, что система сохранит свое существование. но при этом мала и вероятность перехода системы в новое качественное состояние. Если же новая информация не вписывается в систему плавно, возможны три варианта: система информацию отторгает; система прекращает свое существование; система перестраивает свою внутреннюю структуру в соответствии с пришедшей информацией – акт самоорганизации.

Если реализовалась последняя возможность, система приходит в новое устойчивое состояние и цикл повторяется снова.

Особо следует подчеркнуть, что чем больше в системе составляющих элементов, тем у нее больше шансов перейти в новое качественное состояние, вписав в свою внутреннюю структуру вновь пришедшую информацию. Многообразие элементов системы обеспечивает ее устойчивость по отношению к внешним условиям окружающей среды.

Любую систему можно представить себе, как систему, состоящую из отдельных информационных блоков. При этом его устойчивость может характери­зоваться количеством связей между отдельными информационными бло­ками. Будем называть коэффициентом связности системы отношение имею­щихся связей к числу возможных связей между отдельными информацион­ными блоками.

Допустим, в системе имеется 5 блоков информации. Между ними существует 8 свя­зей из 10 возможных (рис.1). Тогда коэффи­циент связности будет равен 0,8.

Поскольку самоорганизующаяся сис­тема всегда является открытой, она посто­янно обменивается информацией с окру­жающей средой. Если в вышеуказанную сис­тему ввести шестой блок информации, в первый момент он не будет связан с другими информационными блоками. Но число возможных связей возрастет до 15 (рис.2). В результате коэффициент связности снизится до 0,53. Таким образом, вве­дение новой информации в первый момент ведет к уменьшению устой­чивости системы.


.

Дальнейшая судьба системы зависит от того, смогут ли образоваться связи между вновь введенным и имеющимися блоками информации. Если образуются связи между всеми пятью блоками, то коэффициент связно­сти будет равен0,87 (рис.3). Более того, вновь образовавшиеся связи могут соз­дать взаимосвязь и между теми блоками, которые не были взаимосвязанными в начальном состоянии. Скажем, между вторым и четвертым. Тогда коэффици­ент связности будет еще больше. В этом случае можно сказать, что система перешла на качественно новый уровень устойчивости, то есть, произошла самоорганизация системы. Если же новые связи не образуются, система сни­жает свою устойчивость и может даже прекратить свое существование.

Таким образом, введение в систему нового блока информации, с одной стороны, может привести к развалу системы, а, с другой стороны, повысить уровень ее самоорганизации. Все зависит от того, впишется ли новая инфор­мация в имеющуюся информационную структуру, или нет.

Для данной системы информация будет позитивной в том случае, если она в конечном итоге увеличивает коэффициент ее связности, и негативной – если уменьшает.

В настоящее время большое количество работ связано с использованием синергетического подхода в самых различных областях науки.

В.С. Степин рассматривает развитие техногенной цивилизации в контексте функционирования саморазвивающихся систем. На основе такого подхода необходим пересмотр прежнего отношения к природе, идеалов господства, ориентированных на силовое преобразование природного и социального мира, необходима выработка новых идеалов человеческой деятельности, нового понимания перспектив человека.

Приложения самоорганизации имеют своей целью создание математических моделей с нелинейной динамикой и хорошо определенными социоэкономическими параметрами – моделей, призванных помочь в решении сложных проблем организации, прогнозирования и принятия решений.

Культурологические аспекты нашли отражение у Е.Н. Князевой, которая считает, что обладание синергетическим знанием или, по крайней мере, синергетическим стилем мышления может быть некой платформой для открытого творческого диалога между учеными, мыслителями, деятелями искусства, имеющими различные творческие установки и взгляды на мир.

Н.Н. Мальцева рассматривает вопросы применения синергетики в процессе обучения.

Наиболее существенным является применение системного и синергетического подхода к неживой природе, что в настоящее время породило концепцию глобального эволюционизма.

Научному мировоззрению по крайней мере с XIX века была присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) - самого простого из всех возможных состояний системы, не обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной маловероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Следовательно, упорядоченное состояние вещества, которое наблюдается в доступной части Вселенной, возникло случайно, жизнь, как самая высокая из всех известных науке форм упорядоченности, тем более случайна и противоестественна. Так возникла модель стационарной Вселенной.

Что же заставило изменить этот, казалось бы, незыблемый взгляд на развитие, прийти к идее самоорганизации материи, которая внедрилась в научное мировоззрение во второй половине нашего века и коренным образом изменила старые взгляды на процессы развития? Эта идея появилась в связи с заменой модели стационарной Вселенной моделью развивающейся Вселенной и связанной с ней новой естественнонаучной концепцией развития мира.

Прежние представления о развитии сформировались в XIX веке под влиянием двух классических физических дисциплин -статистической механики и равновесной термодинамики. Обе научные дисциплины описывают поведение изолированных макросистем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. Вселенная, как самая крупная из всех известных систем, также считалась замкнутой. Но сегодня наука считает все известные системы от самых малых до самых больших открытыми, обменивающимися энергией и (или) веществом с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. А развитие таких систем, как стало известно, протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем.

Понятие самоорганизации

В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип Природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития.

Прежде чем привести примеры самоорганизации, необходимо уточнить, что же считать усложнением элементов и систем, их переходом от более простых к более сложным формам.

Намного сложнее обстоит дело при соединении атомов в молекулы. Здесь также существуют пороговые значения параметров (температуры, плотности), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен.

После выхода книги Шредингера создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция - неизбежно разрушать любую упорядоченность, возникшую в результате случайных отклонений от равновесия. И лишь сравнительно недавно стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Нужны лишь подходящие условия для ее проявления.

Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и пространстве. Разработка теории самоорганизации началась буквально в последние годы, причем по нескольким, сходящимся направлениям. Это синергетика (Г. Хакен), термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин), теория катастроф (Р. Том). Изложим кратко сущность этих теорий, практическое значение которых теперь уже никто из ученых не отрицает.

В предыдущей теме, рассматривая закономерности и механизмы саморегуляции живых систем, мы вынуждены были затронуть и проблему самоорганизации. Несмотря на созвучность терминов и их кажущуюся однозначность, на самом деле они выражают альтернативные понятия.

Как мы только что показали на примере экологических систем, саморегуляция означает поддержание стабильного состояния системы, ее гомеостаз на основе обратных отрицательных связей, тогда как самоорганизация – это необратимое изменение, развитие системы на основе обратных положительных связей. В соответствии с законами диалектики эти две противоположности взаимодействуют, дополняют друг друга, так что вместе обеспечивают процесс устойчивого развития биосистем.

В этой теме мы должны более основательно рассмотреть вопросы происхождения и исторического развития жизни на Земле, эволюцию живых форм, причины и движущие силы этих глобальных процессов. Ключевым понятием в проблеме эволюции сегодня выступает понятие самоорганизации как основы любого процесса развития.

В кругу этих проблем на стыке интересов физики, химии, биологии, а также социологии и философии во второй половине XX века возникла новая наука синергетика (от греческого synergos – совместно действующий) – наука о самоорганизации физических, биологических и социальных систем.

До недавнего времени проблема эволюции жизни оставалась чисто биологической, так как еще в XIX веке эволюция в неживых системах понималась физиками иначе, чем в биологии. Обращаясь с системами закрытого типа, теплофизика считала, что их самопроизвольное изменение, то есть эволюция, протекает путем дезорганизации и разрушения систем.

При этом доля свободной энергии, способной к совершению работы, в системе убывает, а энтропия системы – деградированная, отработанная энергия – растет и стремится к максимальному значению. Этот закон был сформулирован как второе начало термодинамики, о чем мы уже говорили в сегменте 12. Однако оказалось, что реальные системы в природе являются открытыми. Это означает, что они обмениваются с внешней средой веществом, энергией и информацией.

При поглощении внешней энергии в них возникают процессы самоорганизации, усложнения материи, но при этом происходит диссипация (рассеяние) использованной энергии, которая становится непригодной к производству работы.

Можно сказать, что открытая развивающаяся система производит энтропию, но не накапливает ее, а рассеивает во внешнюю среду. Таким образом, интерес ученых сместился к изучению открытых диссипативных систем и принципов их взаимодействия с внешней средой, так как в этом взаимодействии и виделся ключ к пониманию универсальных законов эволюции.

Диссипативные системы – способные к поглощению и диссипации энергии и поддерживающие за этот счет свою собственную структуру и самоорганизацию – существуют на разный уровнях организации материи.

Мы уже видели это на примере жизнедеятельности элементарной живой системы – клетки (см. сегмент 12 и рис. 4). За счет солнечной энергии или энергии экзотермических химических реакций клетка строит из простых неорганических веществ сложные органические вещества, поддерживает свою целостность и развитие, тем самым противодействуя росту энтропии.

Причем движущей силой самоорганизующихся реакций, пружиной химических часов может выступать такая незаметная на первый взгляд сила, как гравитационное поле Земли. Колебательная химическая система, названная брюсселятором, изучена отечественными учеными радиохимиком Б. П. Белоусовым и биофизиком А. М. Жаботинским.

Теоретическое объяснение и математическую модель процессов самоорганизации диссипативных структур предложил бельгийский физико-химик И. Р. Пригожин, получивший в 1977 г. за эту работу Нобелевскую премию. Назовем основные положения синергетики, объясняющие механизм самоорганизующихся процессов.

С некоторыми из них мы уже хорошо знакомы.

  1. Самоорганизующаяся система должна быть открытой – доступной для обмена веществом, энергией и информацией с внешней средой.
  2. Система должна быть неравновесной, то есть находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия (точка дезорганизации с максимальной энтропией), так как вблизи этой точки наступает необратимое скатывание к равновесному состоянию.
  3. Образование нового порядка через флуктуации. В системе всегда возникают флуктуации – случайные отклонения от среднего положения. По законам саморегуляции они устраняются, но при достаточной неравновесности системы за счет свободной энергии отклонения усиливаются, наступает момент бифуркации – переломная точка в развитии системы, за которой возможно устойчивое отклонение от прежнего состояния. Прежний порядок исчезает, возникает и закрепляется новый порядок элементов в системе.
  4. Самоорганизация ведет к новому порядку согласно принципу обратной положительной связи, по которому отклонения в системе не устраняются, а напротив, закрепляются и усиливаются.
  5. Самоорганизация ведет к нарушению симметрии – структура и свойства системы до и после точки бифуркации не симметричны, то есть различаются в следствие необратимости процессов развития.
  6. Самоорганизация возможна при некотором критическом количестве элементов в системе, достаточном для возникновения их кооперативного поведения. Путь к новому качеству возможен через изменение количества.

Разумеется, здесь приведены лишь самые необходимые условия самоорганизации. В зависимости от уровня сложности развивающихся систем, могут появляться и другие, частные факторы, необходимые и достаточные для полноценной эволюции. Наша дальнейшая задача – найти эти факторы в процессах исторического развития жизни на Земле. И первый вопрос – о происхождении жизни как таковой.

Читайте также: