Порядок и беспорядок в природе

То есть все процессы, «пущенные на самотек», всегда протекают так, что их беспорядок увеличивается.

Энтропия обозначается символом S, а ее изменение — ∆S. В дальнейшем это понятие уточнялось на основе новых термодинамических моделей, отличающихся от моделей термодинамической системы в классической термодинамике. В частности, во второй половине ХХ в. стали рассматривать прирост энтропии за единицу времени в единице объема в открытых термодинамических системах как функцию диссипации (рассеяния) энергии.

Диссипативными системами называют термодинамические системы, в которых функция диссипации (прирост энтропии) не равна нулю. В начале второго десятилетия ХХ в. стали пользоваться еще одним понятием, выражающим устойчивое поддержание упорядоченности термодинамической системы во времени. Это понятие называется негэнтропией.

Введение

этого понятия было связано с применением закона классической термодинамики к живым организмам. В результате было обнаружено существование в природе двух физических процессов: энтропийного и негэнтропийного.

Энтропийный означает, что любая термодинамическая система, изолированная от внешней среды, переходит со временем от упорядоченного, структурного энергетического состояния к неупорядоченному, хаотическому движению составных ее элементов. Негэнтропийный означает, что организм стремится избежать перехода к состоянию хаоса и беспорядка. По второму закону классической термодинамики живой организм представляет единство положительной и отрицательной энтропии. Жизнь, как писал один из основателей квантовой механики Э. Шредингер, — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается во времени.

Это определение Э. Шредингера появилось уже в сороковых годах ХХ в. в его книге «Что такое жизнь? (физический аспект клетки)» и было определенным обобщением дискуссий по поводу второго закона классической термодинамики

Клаузиуса. 6, c.74]

Обобщая свои исследования по термодинамическим системам, Клаузиус высказал следующие положения: энергия мира постоянна; энтропия мира стремится к максимуму. Обобщение этих положений выразилось в знаменитой формуле: «Энергия — царица мира, энтропия — ее тень».

Процессы самоорганизации в открытых системах изучает синергетика. Она исходит из термодинамики и предметом своего изучения имеет антиэнтропийные процессы в диссипативных структурах. Процессы самоорганизации оказались универсальными для целого ряда систем.

Главный сдвиг, произведенный синергетикой, можно выразить следующим образом:

процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равноправны;

процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

они должны быть открытыми, т. е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;

они должны также быть существенно неравновесными, т. е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями.

Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность). Порядок и хаос не исключают, а дополняют друг друга: порядок возникает из хаоса.

Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а скорее исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Следовательно, случайность — не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. А еще это означает, что нынешний путь эволюции системы может быть и не лучше отвергнутых случайным выбором. 4, c/84]

Как меру упорядоченности системы можно рассматривать информацию. Под информацией (от лат. informatio — разъяснение, изложение) понимают любые сведения, передаваемые с помощью каких-либо сигналов или знаков от одного объекта к другому объекту. При этом в качестве объектов могут выступать люди, любые живые организмы или даже отдельные клетки, а также технические устройства.

Как отмечал академик В. М. Глушков: «Информация существует, поскольку существуют сами материальные тела и, следовательно, созданные ими неоднородности. Всякая неоднородность несет с собой какую-то информацию». Таким образом, любое отклонение от хаоса в сторону структурирования и упорядочения системы повышает информацию о ней. Поскольку энтропия системы при этом уменьшается, то австрийский физик Э. Шредингер (1887—1961) предложил считать информацию величиной, равной энтропии со знаком «минус». Французский физик и специалист по теории информации Л. Бриллюэн (1889—1969) назвал информацию I негэнтропией. Таким образом, ∆ I ~ −∆S.

Всякое сообщение, закодированное какими-либо символами, содержит в себе неопределенность, пропорциональную числу возможных сочетаний из этого набора символов по их позициям, т. е. может быть охарактеризована некоторым статистическим весом сообщения.

В смысловом аспекте энтропия характеризует степень деградации энергии в системе, связанную с ее рассеянием: энергия высокого качества, за счет которой может производиться работа, превращается в энергию более низкого качества — тепловую энергию хаотического теплового движения частиц. Тогда информация характеризует уровень качества энергии в системе. Таким образом, для заметного вклада в уменьшение энтропии системы требуется огромное количество информации, выраженной в битах.

В наиболее простых, телеграфных кодах, предназначенных для передачи лишь словесных сообщений, используется предложенный французским изобретателем Ж. Бодо 5-разрядный алфавит на основе двух символов. В русском языке это обеспечивает передачу всех букв алфавита, кроме ё. Однако любой сбой на входе канала связи или в процессе передачи сообщения приводит к ошибкам на выходе. Поэтому, с целью помехоустойчивости кодирования, помимо смысловой оценки сообщений в ответственных случаях используется дублирование передаваемой информации.

Природа поступила мудрее. В генетическом коде используются 3-буквенные слова — кодоны на основе 4-символьного алфавита, образованного следующими нуклеотидами: А — аденин, Г — гуанин, У — урацил, Ц — цитозин. Каждый кодон кодирует одну аминокислоту, входящую в состав белка. Явная избыточность генетического кода обеспечивает его высокую помехоустойчивость к мутациям. Участок ДНК, содержащий в виде последовательности нуклеотидов информацию об одном белке, — ген — может быть представлен разным набором кодонов, образуя аллели — разновидности одного и того же гена. Наличие в популяциях нескольких аллелей каждого гена приводит к полиморфизму и комбинативной изменчивости при половом размножении, т. е. служит исходным материалом для эволюции.

Упорядоченную, прибранную или украшенную Вселенную древние греки назвали космосом (Kosmos от греч. kosmetike — искусство украшать). Это упорядочение количественно может быть выражено в пропорциях (от лат. pro — на и portia — часть, доля), т. е. в числовых соотношениях, показывающих, какую долю составляет та или иная часть объекта от целого или каково соотношение между различными частями целого. Если эти части образуют какие-либо эстетически приятные соотношения, то говорят о симметрии (от греч. symmetria — соразмерность) тела.

В современном понимании симметрия — это инвариантность (неизменность) структуры объекта относительно каких-либо преобразований (поворотов, отражений, переносов и т. п.)

В микромире симметрия частиц определяется формой атомных или молекулярных орбиталей (соответственно АО или МО). Орбиталью называется геометрическое место точек, в которых может находится валентный электрон атома, или пространственное распределение электронной плотности вероятности, описываемой одноэлектронной волновой функцией такого электрона. На рис. 3.1 показаны характерные АО для атома водорода.

Рис.

3.1. АО для атома водорода. Знаки «плюс» и «минус» указывают знаки вол;

новой функции В макромире, представленном в виде живой и неживой природы, симметрия встречается очень широко. Богатым набором всевозможных элементов симметрии обладают кристаллы. На рис. 3.2 представлены некоторые формы кристалла NaCl, выращенные из водного раствора при различных условиях. Все они получаются путем комбинации простых форм кубического кристалла NaCl, каковыми являются сам куб (гексаэдр) и изоморфный ему по симметрии октаэдр.

Рис.

3.2. Различные формы кристалла NaCl

Симметрия живых организмов изменялась в ходе эволюции жизни на Земле. Вирусы, бактерии, многие одноклеточные организмы имеют симметрию, близкую к симметрии шара. Например, белковая оболочка многих вирусов имеет форму икосаэдра. Форму правильных многогранников, группы симметрии которых являются подгруппами группы симметрии шара, имеют радиолярии. Это простейшие организмы подкласса саркодовых (жгутиковых). Их размеры колеблются от 40 мкм до 1 мм, иногда чуть больше. Радиолярии входят в состав морского планктона. Их скелеты, опускаясь на дно, образуют большую часть морского ила.

Примитивные формы многоклеточных беспозвоночных либо ведут сидячий (придонный) образ жизни, либо активно плавают во всех горизонтальных направлениях. Соответственно этому их симметрия описывается подгруппами симметрии конуса. В первом случае присутствует лишь одна (вертикальная) поворотная ось бесконечного порядка и бесчисленное множество проходящих вдоль нее плоскостей симметрии. Таково, например, строение археоциат, имеющих вид «древних кубков (бокалов)», именно так в переводе с греческого переводится название этих старейших обитателей морей. Во втором случае имеет место радиально-лучевая симметрия. Она встречается у медуз, морских звезд и морских ежей.

Часть поздних многоклеточных перешла к ползанию или плаванию в одном направлении — это черви, рыбы и далее земноводные, птицы, млекопитающие. У этих животных развилась двусторонняя симметрия. Передняя часть тела у них отличается от задней, спинная от брюшной, но левая и правая половины симметричны. Что касается растений, то у них симметрия в целом коническая. Ось конуса совпадает с направлением гравитационного поля Земли. У некоторых животных, например, моллюсков и растений возникла винтовая симметрия. Это обусловлено вращением животного вокруг своей оси, поворотом растения вслед за движением Солнца или в противоположную сторону, а также динамикой ионов, содержащихся в клетках организма, в магнитном поле Земли.

В мегамире симметрия объектов преимущественно сферическая, эллипсоидальная или спиральная. Наша Вселенная в целом сферическая, так как расширяется во все стороны одинаково. Галактики бывают эллиптические, спиральные или неправильной формы. 2, c.115]

Из изложенного выше следует, что энтропия является мерой беспорядка в системе, количественной характеристикой наличия в ней энергии низкого качества, приводящей к хаотическому перемешиванию ее частей. Информация, наоборот, является мерой упорядоченности системы, характеризующей в ней долю энергии высокого качества. Некоторую информацию о соотношении частей тела и их взаимном расположении дает нам и понятие симметрия.

В обыденной жизни большинство людей считает, что наличие симметрии в системе предполагает в ней существование какого-либо порядка. Это, действительно, так. Но предполагать, что чем больше симметрии, тем больше порядка, неверно. Симметрия, как и энтропия, является мерой беспорядка в системе, мерой ее близости к равновесному, максимально перемешанному состоянию.

Самую высокую симметрию имеет шар (∞ / ∞ тт). У него бесконечное количество осей симметрии бесконечного порядка, проходящих через центр симметрии, и бесконечное количество проходящих через эти оси плоскостей симметрии. Но именно такую форму принимает в отсутствие сил тяжести вода или другая жидкость. Силы поверхностного натяжения, уравновешивая друг друга, стягивают жидкость в шар, чтобы окружить ее поверхностью минимальной для данного объема площади. В сферическом сосуде с газом при достаточно высокой температуре, когда кинетическая энергия молекул велика, они равномерно заполняют весь сосуд. Если же температура газа мала настолько, что кинетическая энергия молекул мала по сравнению с их потенциальной энергией, то концентрация молекул в нижней части сосуда будет больше, чем в верхней. Симметрия газа понизится и будет описываться предельной группой конуса (∞ тт). Но во втором случае относительно молекул газа мы располагаем кое-какой информацией: мы, например, знаем распределение молекул по высоте сосуда.

Следовательно, чем выше симметрия системы, тем меньше в ней порядка. При упорядочении системы ее симметрия всегда понижается. В ходе эволюции живых организмов их симметрия, как правило, понижается. В случае же регрессивного развития происходит редукция приобретенных новых элементов структуры, и форма организма вновь упрощается, его симметрия снова возрастает. Такое регрессивное развитие, ведущее к дегенерации, всегда имеет место, когда вид находится в изоляции или на него перестают действовать возмущающие факторы.

Многие считают симметрию синонимом красоты. Это верно лишь отчасти. Нельзя назвать красивым лицо, если волосы расчесаны на прямой пробор, слева и справа от носа, на щеках симметрично расположены одинаковые родинки. Художники, визажисты, модницы всегда вносят в фигуру легкий элемент асимметрии. Пользуются этим и архитекторы.

Американский математик Дж. Д. Биркгоф в начале XX в. разработал «теорию эстетической ценности», согласно которой произведение искусства интересно и приятно только в том случае, когда оно не слишком предсказуемо, но и не таит в себе слишком много сюрпризов. Жизнь эволюционирует, балансируя между порядком и беспорядком. Поэтому жизненным, динамичным, красивым нам и кажется то, в чем порядок прокладывает себе путь, борясь с беспорядком.

Заключение

В результате работы можно сделать следующие выводы.

Хаос — это события, способные приводить к катастрофам. Потеря устойчивости рождает турбулентность. Не случайно в восточной философии распространен графический образ хаоса в виде завихрений. Вихреобразные рисунки и аналогичная символика на японских кимоно — наиболее узнаваемые признаки восточной символики, интуитивно навевающие образ хаоса. Возникающий мир дает начало всем вещам и миру в природе.

Современный уровень развития проблематики порядка и хаоса формулирует три существенных дополнения к традиционным взглядам:

Представление о хаосе как источнике гибели и деструкции (разрушения) заменяется более емким пониманием хаоса как основания для установления упорядоченности, причины спонтанного структурирования.

Определение хаоса как состояния, производного от первичной неустойчивости материальных взаимодействий, подразумевается универсальной характеристикой, охватывающей живую, косную (неживую) и социально-организованную материю.

Хаос — это не только бесформенная масса, а сверхсложноорганизованная последовательность, логика которой представляет большой интерес.

Концепция динамического хаоса и самоорганизации стала новой общенаучной парадигмой. В их основу легла качественная теория динамических систем, или нелинейная динамика, которая создала специальный математический аппарат и новый нелинейный язык, чем изменила господствующее до этого в науке линейное мировоззрение, приобрела огромный круг приверженцев. В отличие от прежних, эта новая парадигма охватила не только физику, но и многие другие, науки, став действительно общенаучной. Во всяком случае, явление хаоса уже дало новые важные инженерные идеи, привело к созданию на их основе устройств и теорий, уже используемых на практике. Очевидно, что тема хаоса требует сейчас широкого философского осмысления с множества позиций, возможностей раздвинуть горизонты современной науки и необходимости рассмотреть собственно сложившуюся в науке ситуацию в связи с принятием новой парадигмы. Открывается широкое поле деятельности для совместной работы философов, физиков, биологов, лингвистов, социологов, ученых самых разных направлений. Здесь философия может дать прогноз — как именно повлияет принятие концепции хаоса на дальнейшее развитие науки и общества, и что может последовать за этим. Сейчас появилась наука — синергетика, которая делает своим предметом выявление наиболее общих закономерностей спонтанного структурирования.

Список литературы

Бочкарёв А. И. Концепции современного естествознания: учебник для вузов — Тольятти: ТГУС, 2008.

Браже Р. А. Концепции современного естествознания. Материалы к семинарским занятиям. Ч. 1: Учебное пособие / Р. А. Браже, Р. М. Мефтахутдинов. — Ульяновск: УлГТУ, 2003.

Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007

Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. проф. В. Н. Лавриненко, проф. В. П. Ратникова. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006.

Кукк В.А., Сергеев С. В., Решетников Б. А., Концепции современного естествознания: Учебное пособие. — 2-е изд. доп. и перераб. — Челябинск: Изд-во. ЮУрГУ, 2006.

Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания: учеб. — М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2006.

Найдыш В. М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004

Савченко В. Н. Начала современного естествознания: тезаурус / В. Н. Савченко, В. П. Смагин. — Ростов н/Д.: Феникс, 2006

Садохин А. П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов/ А. П. Садохин. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006

Смолко В. А. Концепции современного естествознания: Монография.- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007.

Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций / Изд. 4-е. — Ростов н/Д: Феникс, 2005