Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Июня 2015 в 20:58, реферат
Несмотря на то, что идеи эволюции, начиная от космогонической гипотезы Канта Лапласа и кончая эволюционной теорией Дарвина, получили широкое признание в науке, тем не менее, они формулировались скорее в интуитивных, чем теоретических терминах. Поэтому в них трудно было выявить тот общий механизм, посредством которого осуществляется эволюция. Как отмечалось выше, главным препятствием здесь служило резкое противопоставление живых систем неживым, общественных -- природным. В основе такого противопоставления лежали слишком абстрактные, а потому неадекватные понятия и принципы классической термодинамики об изолированных и равновесных системах.
Оглавление
Несмотря на то, что идеи эволюции, начиная от космогонической гипотезы Канта Лапласа и кончая эволюционной теорией Дарвина, получили широкое признание в науке, тем не менее, они формулировались скорее в интуитивных, чем теоретических терминах. Поэтому в них трудно было выявить тот общий механизм, посредством которого осуществляется эволюция. Как отмечалось выше, главным препятствием здесь служило резкое противопоставление живых систем неживым, общественных -- природным. В основе такого противопоставления лежали слишком абстрактные, а потому неадекватные понятия и принципы классической термодинамики об изолированных и равновесных системах. Именно поэтому эволюция физических систем связывалась с их дезорганизацией, что противоречило общепринятым в биологических и социальных науках представлениям об эволюции.
Чтобы разрешить возникшее глубокое противоречие между классической термодинамической эволюцией, с одной стороны, и эволюцией биологической и социальной, с другой, физики вынуждены были отказаться от упрощенных понятии и схем и вместо них ввести понятия об открытых системах и необратимых процессах. Благодаря этому оказалось возможным развить новую нелинейную и неравновесную термодинамику необратимых процессов, которая стала основой современной концепции самоорганизации.
Системное движение, получившее широкое распространение в науке после Второй мировой войны, ставит своей целью обеспечить целостный взгляд на мир, покончить с узким дисциплинарным подходом к его познанию и содействовать развертыванию множества программ по междисциплинарному исследованию комплексных проблем. Именно в рамках этого движения сформировались такие важнейшие направления междисциплинарных исследований, как кибернетика и синергетика.
Теория систем в том виде, как она представлена австрийским биологом-теоретиком Людвигом фон Берталанфи (1901-1972) и его последователями, ориентируется в целом на поддержание и сохранение стабильности и устойчивости динамических систем. Нам уже приходилось указывать, что кибернетическая самоорганизация технических систем регулирования нацелена на сохранение их динамической устойчивости посредством отрицательной обратной связи. Новая, более общая динамическая теория систем должна, очевидно, опираться на те фундаментальные результаты, которые были достигнуты в нелинейной термодинамике и прежде всего в теории диссипативных структур. Ведь опираясь на прежние представления равновесной термодинамики, нельзя понять механизма возникновения нового порядка и структур, а следовательно, и подлинной эволюции систем, связанной с возникновением нового в развитии. Вот почему современные авторы обратились к теории диссипативных структур и синергетике для объяснения процессов эволюции. Конечно, эта теория не может еще обосновать ряд важнейших положений эволюции, в особенности, когда речь заходит о космологической эволюции, взаимодействии процессов организации и дезорганизации и некоторых других*. Но она дает ключ к пониманию многих важных эволюционных процессов, происходящих в живой природе; а самое главное -- помогает установить связь между неживой и живой природой путем анализа форм предбиотической эволюции, возникновения элементарных живых систем из органических макромолекул.
Если самоорганизация в простейшей форме может возникнуть уже в физико-химических системах, то вполне обоснованно предположить, что более сложноорганизованные системы могли появиться также в результате специфического, качественно отличного во многих отношениях, но родственного по характеру процесса самоорганизации. С этой точки зрения и возникновение жизни на Земле вряд ли можно рассматривать как уникальное и крайне маловероятное событие, как утверждал, например, известный французский биолог Жак Моно. Несмотря на крайне редкое сочетание благоприятствующих факторов, возникновение жизни на Земле представляет, тем не менее, закономерный результат длительного процесса эволюции.
Поэтому вполне правдоподобно допущение, что процессы автокаталитической самоорганизации могут стать основой для исследования множества самых различных эволюционных процессов. Правда, при этом высказываются опасения, не ведет ли такой подход к редукционизму или даже к физикализму, т. е. объяснению свойств и закономерностей более сложноорганизованных систем закономерностями простых физических систем. Против такого опасения можно выдвинуть ряд убедительных аргументов. Начать с того, что теория диссипативных структур с самого начала постулирует, что вновь возникающие структуры и системы образуются в результате нарушения прежних симметрии, структур и порядка, так что о сведении к ним новых структур не может быть речи. Кроме того, говоря о каталитических диссипативных структурах как основе различных форм эволюции, теоретики синергетики обращают внимание не столько на простое их сходство, сколько на глубокое родство лежащего в их основе механизма самоорганизации.
И так, эволюционные процессы характеризуются необратимостью во времени и случайностью изменения хода процесса. Канонической иллюстрацией этих свойств является теория Дарвина. Эволюционные процессы представляют собой разновидность динамических процессов (процессов протекающих во времени).
В физике описание динамических
процессов осуществляется с помощью систем
дифференциальных уравнений. Традиционно
как примеры динамических процессов почти
во всех учебниках приводятся: движение
маятника или движение одного тела в поле
тяготения другого. Эти примеры, однако,
являются лишь частным случаем динамических
систем – это, так называемые консервативные сист
Консервативные динамические системы принято делить на интегрируемые и неинтегрируемые. Система дифференциальных уравнений проинтегрирована, если найден полный набор ее первых интегралов. Первым интегралом называют функцию, которая сохраняет постоянное значение на всей траектории, определяемой уравнениями движения. Первым интегралом является, например, полная энергия системы. Динамическая система называется интегрируемой, если все ее первые интегралы – аналитические функции координат и скоростей. Первые интегралы позволяют найти состояние системы в любой момент времени, если известно ее состояние в какой-либо предыдущий момент времени. Для интегрируемых систем, т.о. задание состояния системы в один из моментов времени фактически соответствует заданию всей прошлой и будущей истории системы. Это позволяет говорить о предопределенности (детерминированности) поведения интегрированной системы. Так, указанное выше движение одного тела в поле тяготения другого описывается двумя интегралами – интегралом энергии и импульса.
Число первых интегралов совпадает с числом независимых динамических переменных, описывающих состояние системы, которые называются степенями свободы. Структура любой системы характеризуется распределением энергии по внутренним степеням свободы. В интегрируемых консервативных системах это распределение энергии либо остается неизменным, либо периодически меняется, - т.е. в интегрированных системах не происходит смены структур, и система рано или поздно возвращается в начальное состояние. Иными словами интегрируемые консервативные системы не эволюционируют.
В конце прошлого века (1892г.)
Пуанкаре доказал существование неинтегрируемых
Примером неинтегрированной системы являет движение трех тел в поле тяготения друг друга – траектории тел становятся очень сложными и запутанными.
Характерной чертой неинтегрированных систем является отсутствие симметрии между прошлым и будущим - неинтегрированная система эволюционирует во времени! Эволюционные свойства неинтегрируемых систем определяются в основном характером взаимодействия в системе. Систему, в которой стохастичность траекторий есть следствие внутренних взаимодействий, а не случайных внешних воздействий называют динамическим хаосом - движения частиц воспринимаются наблюдателем как случайные блуждания.
Другим классом физических систем являются диссипативные системы. Диссипативные физические системы также приводят к необратимым процессам. "Ярче всего различие между консервативными и диссипативными системами проявляется при попытке макроскопического описания последних, когда для определения мгновенного состояния системы используются такие коллективные переменные, как температура, концентрация, давление и т.д. При рассмотрении поведения этих переменных выясняется, что они не инвариантны относительно операции обращения времени. В качестве простейших примеров диссипативных процессов обычно рассматриваются теплопроводность и диффузия.
В случае изолированных систем, в которых нет никаких обменов с внешней средой, необратимость выражена знаменитым вторым законом термодинамики, в соответствии с которым существует функция переменных состояния системы, изменяющаяся монотонно в процессе приближения к состоянию термодинамического равновесия. Обычно в качестве такой функции состояния выбирается энтропия, и второе начало формулируется так: "производная энтропии по времени не отрицательна". Традиционно это утверждение интерпретируется как "тенденция к возрастанию разупорядоченности" или как “производство энтропии”.
В случае неизолированных систем, которые обмениваются с внешней средой энергией или веществом, изменение энтропии будет обусловлено процессами внутри системы (производство энтропии) и обменами с внешней средой (поток энтропии). Если производство энтропии в соответствии со вторым законом термодинамики неотрицательно, то "поток энтропии" может быть как положительным, так и отрицательным. Если поток энтропии отрицательный, то определенные стадии эволюции могут происходить при общем понижении энтропии. Последнее, согласно традиционной трактовке, означает, что "в ходе эволюции разупорядоченность будет уменьшаться за счет оттока энтропии".
Т.о. эволюционные свойства диссипативных систем уже нельзя объяснить исключительно внутренним взаимодействием частиц.
В центре современных представлений об эволюционных процессах находится понятие "самоорганизации". С точки зрения теории динамического хаоса "феномен самоорганизации можно рассматривать, как рождение структуры из хаоса структур: динамический хаос состоит из структур, под которыми понимается определенная корреляция в расположении частиц друг относительно друга. Время жизни структур зависит от так называемого "времени перемешивания" - если оно достаточно большое, то в распределении вещества системы будут наблюдаться корреляции (структуры).
Примером самоорганизации в изолированной системе является автоволна в активной среде, содержащей источники энергии: это реакции Белоусова-Жаботинского, горение всех видов, импульсы возбуждения в нервных волокнах и мышцах.
В отрытых системах поток энергии может вывести ее из устойчивого состояния начинается развитие неустойчивостей, а их последующая самоорганизация может привести систему в устойчивое неоднородное состояние. Такие состояния И. Пригожин назвал "диссипативными структурами". Примерами таких структур могут служить автоколебания, возникающие, например, в тонком горизонтальном слое масла при его подогреве снизу (ячейки Бенара) или в лазерах. Другой знаменитый пример – уединенные волны на поверхности воды и в других средах (солитоны).
Общим в описанных выше процессах самоорганизации, является то, что все виды самоорганизации характеры для сложных систем (ансамблей) - под самоорганизацией подразумевается возникновение макроскопических структур (корреляций) в результате коллективного взаимодействия.
Попытка выработки общей концепции объясняющей явления самоорганизации систем получила название "синергетика". Термин "синергетика" происходит от греческого "синергеа" - содействие, сотрудничество. Предложенный Г.Хакеном, этот термин акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого.
Под этим названием объединяются различные направления исследований в различных науках - в физике, биологии, химии, математике. В математике развивается теория динамического хаоса, школа И.Пригожина развивает термодинамический подход к самоорганизации с точки зрения диссипативных структур, а Г.Хакен понимает под структурой состояние, возникающее в результате когерентного (согласованного) поведения большого числа частиц.
Следует отметить, что термин "самоорганизующаяся система" был впервые использован У.Р.Эшби в 1947г. для описания определенной модели поведения кибернетических систем, и, в известном смысле, заменил термин "целесообразность". Это смысловое разнообразие является источником различных спекуляций, в которых каждый трактует "самоорганизацию" на свой манер. С другой стороны, это может свидетельствовать действительно о создании новой парадигмы в истории науки.
Бурные темпы развития новой области, переживающей период «штурма и натиска», не оставляют времени на унификацию понятий и приведение в стройную систему всей суммы накопленных фактов. Кроме того, исследования в новой области ввиду ее специфики ведутся силами и средствами многих современных наук, каждая из которых обладает свойственными ей методами и сложившейся терминологией. Параллелизм и разнобой в терминологии и системах основных понятий в значительной мере обусловлены также различием в подходе и взглядах отдельных научных школ и направлений и в акцентировании ими различных аспектов сложного и многообразного процесса самоорганизации.
Синергетика и синергетики. Подобно тому, как кибернетике Винера предшествовала кибернетика Ампера, имевшая весьма косвенное отношение к «науке об управлении, получении, передаче и преобразовании информации в кибернетических системах», синергетика Хакена имела своих «предшественниц» по названию: синергетику Ч. Шеррингтона, синергию С. Улана и синергетический подход И. Забуского.
Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.
С. Улам был непосредственным участником одного из первых численных экспериментов на ЭВМ первого поколения (ЭНИВАКе).- проверке гипотезы равнораспределения энергия по степеням свободы. Эксперимент, проведенный над числовым аналогом системы кубических осцилляторов, привел к неожиданному результату, породив знаменитую проблему Ферми-Пасты-Улама: проследив за эволюцией распределения энергии по степеням свободы на протяжении достаточно большого числа циклов, авторы не обнаружили ни малейшей тенденции к равнораспределению. С. Улам, много работавший с ЭВМ, понял всю важность и пользу «синергии, т. е. непрерывного сотрудничества между машиной и ее оператором», осуществляемого в современных машинах за счет вывода информации на дисплей.
Информация о работе Самоорганизация науки: физика, химия, биология