Химия и синергетика

В последние годы энергично изучаются связи химии с синергетикой^[1]. Получены весьма актуальные результаты. Они заслуживают обсуждения в специальном параграфе.

Синергетика (от гр. synergia — сотрудничество) — теория самоорганизации сложных систем. Термин «синергетика» предложил немецкий математик Г. Хакен. Благодаря стараниям Г. Хакена и особенно бельгийского ученого И. Пригожина к синергетике было привлечено внимание широкой, и не только научной, общественности с конца 1960;х гг. Когда в связи с тридцатилетием синергетики попросили Г. Хакена назвать ключевые положения синергетики, то он перечислил их в приводимом ниже порядке.

Основные положения синергетики по Г. Хакену:

" 1. Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.

• 2. Эти системы являются нелинейными.
• 3. При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия.
• 4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.
• 5. Системы могут стать нестабильными.
• 6. Происходят качественные изменения.
• 7. В этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. ранее отсутствовавшие) новые качества.
• 8. Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.
• 9. Структуры могут быть упорядоченными или хаотичными.
• 10. Во многих случаях возможна математизация"^[2].

В приведенных десяти положениях Г. Хакену удалось в весьма лаконичной форме выразить основное содержание синергетики. Разумеется, каждый из концептов синергетики может быть проблематизирован. Так, существуют разные воззрения по поводу того, что собой представляют самоорганизация, нелинейность, хаос, порядок, аттрактор, неустойчивость, бифуркация. Упомянутые проблематизации не входят в задачу автора. Задача состоит, прежде всего, в философской характеристике синергетики.

Вопрос о статусе синергетики запутан сверх всякой меры. В ней видят и физико-математическую дисциплину, и направление междисциплинарных исследований, и общую теорию развития. Довольно часто синергетика ставится в одну параллель с диалектикой как философским учением (синергетика — это диалектика сегодня?!). Вошло в моду, причем даже среди очень компетентных авторов, говорить о синергетике высоким стилем: речь идет, мол, не менее чем о новом мировидении, новом образе научного мышления и новой парадигме^[3]. На наш взгляд, этот высокий стиль свидетельствует скорее об энтузиазме профессиональных синергетиков и их философствующих коллег, чем о статусе самой синергетики. Итак, каково же место синергетики в современной науке? Отвечая на этот вопрос, резонно обратить внимание на характер деятельности выдающихся синергетиков — Г. Хакена, И. Пригожина, С. П. Курдюмова.

Г. Хакен — профессиональный математик, но его интересы простираются далеко за пределы математики. Каким образом демонстрирует математик свою компетентность в нематематических дисциплинах? Исключительно за счет математического моделирования. Возьмем на себя смелость утверждать, что в работах Хакена синергетика выступает как определенная математическая дисциплина плюс соответствующее моделирование. Сам Хакен определяет синергетику как «учение о взаимодействии» и «исследование общих закономерностей, которые действуют в системах, состоящих из отдельных частей»^[4]. Допустим, но каким образом изучают синергетики «учение о взаимодействии»? Посредством математического моделирования. Непосредственно, например, химическое взаимодействие изучают химики, а отнюдь не синергетики.

Многие философы любят выступать от имени универсализма. Они убеждены, что существуют общие законы природы, общества и мышления. Им кажется, что синергетика подтверждает их воззрения. Критикуемое воззрение превращает философию в формалистическое учение, что недопустимо.

Обратимся к воззрениям И. Пригожина. Он — профессиональный химик, склонный к далеко идущим философским экстраполяциям. Как правило, он рассуждал в весьма раскованной манере, а именно вносил коррективы в популярные философские концепции. Если бы он выявлял подлинные истоки этих концепций, то выяснилось бы, что их коррекцию надо проводить не только от имени синергетики, но и от имени всех естественных наук.

Строго говоря, Пригожин отнюдь не доказал, что синергетика изучает химические процессы. Рассмотренная им «модель брюсселятора, — пишут С. П. Кудрюмов и Г. Г. Малинецкий, — является одной из самых известных математических моделей (курсив мой. -Прим. авт.) синергетики»^[5]. Иначе говоря, и на этот раз речь идет о математическом моделировании. Есть химия, но нет химической синергетики. Синергетика позволяет моделировать некоторые химические процессы. Природа химических процессов изучается химией, в том числе с помощью синергетики.

Из отечественных ученых наибольший вклад в развитие синергетики внес, пожалуй, С. П. Кудрюмов. Он принадлежал к знаменитой школе математического моделирования, главой которой является академик А. А. Самарский. Все представители этой школы рассматривают синергетику как результат синтеза «чистого» математического моделирования с информатикой (с вычислительным экспериментом в том числе). Синергетика выступает как особая наука, сохраняющая теснейшую преемственность с математикой и информатикой и, следовательно, с компьютерным моделированием.

Иногда полагают, что школа А. А. Самарского и С. П. Курдюмова демонстрирует всего лишь один из многих подходов к пониманию научного статуса синергетики. С этим мнением трудно согласиться, причем по очень простой причине — не видно альтернативы тому пониманию статуса синергетики, которое разработано в рассматриваемой школе. В конечном счете, этому пониманию не противоречат воззрения Г. Хакена и И. Пригожина, равно как и их многочисленных учеников.

Таким образом, синергетика должна быть отнесена к математике. Она имеет дело не с природными и социальными явлениями как таковыми, а с определенными возможными нелинейными мирами. Основная проблема синергетики — это нахождение нелинейных уравнений, которые могут быть использованы для моделирования тех или иных процессов. Итак, синергетика — это научная дисциплина, предметом которой являются определенный класс нелинейных математических уравнений и возможности их использования в целях моделирования. В начале параграфа синергетика определялась как теория самоорганизации сложных систем. Как видим, это определение пришлось существенно уточнить.

Попытка представить синергетику как междисциплинарный подход не проясняет, а лишь затемняет суть дела. Разумеется, синергетическое моделирование действенно для очень многих наук, в том числе для физики и химии. Но это обстоятельство не позволяет превращать синергетику из науки в некий аморфный подход. Характеристика синергетики в качестве подхода создает впечатление, что она является чем-то бо? льшим, чем одной из специальных наук. Это мнение невозможно обосновать.

Итак, синергетика не относится ни к естествознанию, ни к обществоведению. Не является синергетика и некоторой формой философии, например мировоззрением. Ее предметом не является мир в целом. Характеристика синергетики как новой научной парадигмы, нового образа мышления имеет смысл лишь в том случае, если ее научное значение не абсолютизируется и рассматривается наряду со значением других наук. Подобно любой науке синергетика нуждается в философском осмыслении. Синергетика и философия синергетики — это разные вещи. Многих ошибочных суждений о синергетике можно было бы избежать, если бы четко проводилось различие между синергетикой и философией синергетики.

После философской оценки синергетики резонно обратиться непосредственно к использованию ее потенциала в химии. В этой связи трудно переоценить актуальность исследований Нобелевского лауреата в области химии И. Пригожина, особенно изучение им брюсселятора (тримолекулярной модели)^[6]. Брюсселятор описывает простейшую химическую реакцию преобразования исходных веществ, А и В в конечные продукты С и D:

(13.7).

посредством следующих стадий:

(13.8).

(13.9).

(13.10).

(13.11).

где концентрации промежуточных компонентов X и У в отличие от концентраций исходных и конечных продуктов могут изменяться.

Приравнивая константы реакций (13.7) — (13.10) к единице, получают систему, состоящую из двух уравнений:

(13.12).

(13.13).

Эти уравнения могут относиться к стационарному состоянию, в таком случае.

(13.14).

(13.15).

В случае же, если.

(13.16).

возникает неустойчивое состояние, при котором химическая система из любой исходной точки переходит на одну и ту же замкнутую кривую. Это и означает, что возникло аттракторное состояние, причем в данном случае с устойчивой пространственной и временно? й организацией (структурой). Самое поразительное состоит в том, что из неустойчивого состояния в результате бифуркации система переходит не в равновесное состояние, как известно, обладающее максимально большой энтропией, а в состояние с меньшей энтропией. Происходит самоорганизация химической системы. Причем есть основания считать, что сходные процессы широко распространены в химическом мире. Три автора в этой связи даже называют брюсселятор абстрактной химической реакцией^[7]. Имеется в виду, что широкий класс химических реакций обладает сходными чертами. Разумеется, это обстоятельство не дает оснований называть брюсселятор абстрактной химической реакцией. Действительно, при рассмотрении брюсселятора абстракции вообще не использовались.

Синергетика открыла перед химией, равно как и перед другими науками, новую математическую перспективу, связанную с использованием некоторых классов нелинейных уравнений, позволяющих описать динамику процессов с невиданной ранее детальностью. Она существенно способствовала торжеству динамического подхода в химии и физике. Впрочем, неверно считать, что этот успех пришел исключительно из математики. Он был подготовлен в химии ее собственными успехами, в частности, изучением необратимых процессов, критических состояний, проведением тщательных измерений, в отсутствие которых вообще невозможно продуктивно использовать математический аппарат. Таким образом, в очередной раз проявилась плодотворность интернаучных связей.

И. Пригожин более других сделал для развития понятия диссипативной (от лат. dissipatio — «рассеиваю») структуры, представляющей собой устойчивое состояние, возникающее в неустойчивой и неравновесной среде при условии рассеивания энергии, поступающей извне. В отсутствие поступления энергии диссипативная структура разрушается. Примерами диссипативных структур являются лазеры и биологические клетки. «Для диссипативных структур, — отмечал И. Пригожин, — характерна постоянная взаимосвязь трех их особенностей: функции, выражаемой уравнениями идущих в них химических реакций, пространственно-временной организации, обусловленной возникающими в них нестабильностями, и флуктуаций, „запускающих“ нестабильности»^[8].

Свою Нобелевскую лекцию И. Пригожин закончил следующим утверждением: «Уровень развития теории, достигнутый уже сейчас, позволяет нам выделить различные уровни времени: время, выражаемое понятием классической или квантовой механики, время, связанное с необратимостью процесса через функцию Ляпунова, и время, характеризующее „историю“ системы через бифуркации. Я полагаю, что на основе проведенного выше выделения различных концепций времени можно достичь лучшей интеграции теоретической физики и химии с другими науками о природе, чем это имеет место сегодня»^[9]. Добавим, что новая теория развивает представления не только о времени, но и обо всех других концептах, входящих в ту или иную химическую теорию.

Отметим еще два положения, актуальных для оценки синергетики. Крайне важно понимать, что диссипативными структурами можно и нужно управлять. В этой связи отечественный мыслитель ?. Н. Моисеев, большой знаток синергетики, отмечал, что людям следует быть осторожными и храбрыми — в соответствии с условиями нелинейности и сложности эволюции^[10]. В очередной раз проявляется необходимость сочетания науки, в частности химии, с этикой. Нельзя уповать на самоорганизацию мира человека, его необходимо целенаправленно формировать.

Наконец, следует развеять широко распространенное убеждение, что синергетика позволяет стереть границы между науками, разъясняя механизмы перехода от физики к химии, от химии к биологии, от биологии к социологии и т. д. Синергетическое моделирование, подобно любому другому типу математического моделирования, не выводит за пределы той науки, в интересах которой оно проводится. В интересующем нас случае химия остается химией.

Выводы

• 1. Синергетика представляет собой математическую теорию, определенные классы нелинейных уравнений, позволяющих моделировать разнообразные, в том числе и химические процессы.
• 2. Основное понятие синергетики — диссипативные структуры.
• 3. Использование синергетики в химии позволяет очертить возможности человечества по познанию нелинейных химических систем и выработке в этой связи новой стратегии поведения, адекватной реалиям XXI в.

• [1] Быков В. И. Моделирование критических явлений в химической кинетике. М.: КомКнига, 2007.
• [2] Интервью с профессором Г. Хакеном // Вопросы философии. 2000. № 3. С. 55.
• [3] Синергетическая парадигма. Нелинейное мышление в науке и искусстве. М.: Прогресс-Традиция, 2001.
• [4] Интервью с профессором Г. Хакеном // Вопросы философии. 2000. № 3. С. 54.
• [5] Курдюмов С. Я., Малинецкий Г. Г., Потапов А. Б., Самарский А. А. Структуры в нелинейных системах // Компьютеры и нелинейные системы. М.: Наука, 1988. С. 103.
• [6] Пригожин И. Время, структура и флуктуации // Успехи физических наук. 1980. Т. 132. № 1. С. 185−207.
• [7] Лаврова А. И., Постников Е. Б., Романовский Ю. М. Брюсселятор — абстрактная химическая реакция? // Успехи физических наук. 2009. Т. 179. № 12. С. 1327−1332.
• [8] Пригожин И. Время, структура и флуктуации. С. 195.
• [9] Пригожин И. Время, структура и флуктуации. С. 206.
• [10] Моисеев Η. Н. Универсальный эволюционизм (Позиция и следствия) // Вопросы философии. 1991. № 3. С. 3−28.