A könyv szinopszisa: Ilya Prigogine - Rend a káoszból. Charlatan Ilya Prigogine Prigogine Stengers káoszból rendel

Egyszer elhaladtam Ilja Prigogine "Rend a káoszból" című könyve mellett. Tegnap olvastam - csak öröm! Prigogine a fizika szemszögéből ugyanarról az epigenetikáról, ugyanarról az alkalmazkodóképességről ír, mint Waddington, Schmalhausen! Jó, hogy van egy ilyen ember "mögött" :)
Az alábbiakban néhány érdekes idézet található (a Progress 1986-os kiadása szerint számozva):

194. o
A nemlineáris termodinamika eredetében valami egészen meglepő, első pillantásra könnyen összetéveszthető kudarccal: minden próbálkozás ellenére a minimális entrópiatermelés tételének általánosítása olyan rendszerekre, amelyekben az áramlások már nem az erők lineáris függvényei. lehetetlennek bizonyult. Távol áll az egyensúlytól, a rendszer még mindig kialakulhat valamilyen stacionárius állapotba, de ezt az állapotot általában véve már nem egy megfelelően megválasztott potenciál határozza meg (hasonlóan a gyengén nem egyensúlyi állapotok entrópiájának létrehozásához). A potenciálfüggvény hiánya felveti a kérdést: mit lehet mondani azon állapotok stabilitásáról, amelyekre a rendszer fejlődik? Valójában mindaddig, amíg az állapotvonzót a minimális potenciál határozza meg (például entrópiatermelés), stabilitása garantált. Igaz, egy fluktuáció kihozhatja a rendszereket ebből a minimumból. De akkor a termodinamika második főtétele visszakényszeríti a rendszert az eredeti minimumra. Így a termodinamikai potenciál megléte "immunissá" teszi a rendszert a fluktuációkkal szemben. A potenciállal egy "stabil világot" írunk le, amelyben a rendszerek fejlődésük során statikus állapotba kerülnek, amely egyszer s mindenkorra létrejön számukra.

195. o
Néha – írta Lucretius – a leghatározatlanabb időben és a legváratlanabb helyeken az atomok örök és egyetemes zuhanása enyhe eltérést tapasztal – „clinamen”. A feltörekvő örvényből a világ, a természetben minden dolog keletkezik. A „Clinament”, a spontán előre nem látható aberrációt gyakran kritizálják a lucretiusi fizika egyik leggyengébb pontjaként, mint valami ad hoc bevezetést. Valójában ennek az ellenkezője igaz: a "clinamen" olyan jelenségeket próbál megmagyarázni, mint a lamináris áramlás stabilitásának elvesztése és spontán átmenete turbulens áramlásba. A modern folyadékdinamikai szakértők a folyadékáramlás stabilitását olyan perturbáció bevezetésével tesztelik, amely a molekuláris káosz hatását fejezi ki, amely az átlagos áramlásra van rárakva. Még nem mentünk olyan messzire Lucretius "klinamenjétől"!

198. o
Így a rendszer kölcsönhatása a külvilággal, nem egyensúlyi körülményekbe való belemerülése új dinamikus állapotok - disszipatív struktúrák - kialakulásának kiindulópontjává válhat. A disszipatív szerkezet a szupermolekuláris szerveződés valamilyen formájának felel meg. Bár a kristályszerkezeteket leíró paraméterek származtathatók az őket alkotó molekulák tulajdonságaiból, és különösen a kölcsönös vonzás és taszítás erőinek hatástartományából, a Benard-sejtek, mint minden disszipatív struktúra, lényegében a globális helyzetet tükrözik. az őket létrehozó nem egyensúlyi rendszer. Az őket leíró makroszkopikus paraméterek nem 10-8 cm-es nagyságrendűek (mint a molekulák közötti távolságok egy kristályban), hanem több centiméteresek. Az időskálák is eltérőek: nem molekuláris skáláknak (például az egyes molekulák rezgési periódusainak, azaz kb. 10-15 s-nak) felelnek meg, hanem a makroszkopikusoknak, pl. másodpercek, percek vagy órák.

209. o
Ezzel szemben a biológiából ismert önszerveződés számos példájában a reakcióséma egyszerű, míg az anyagok (fehérjék, nukleinsavak stb.) reakciójában részt vevő molekulák nagyon összetettek és specifikusak. Az általunk észlelt különbség aligha véletlen. Feltár egy bizonyos elsődleges elemet, amely a fizika és a biológia közötti különbségben rejlik. A biológiai rendszereknek van múlt. Az őket alkotó molekulák a korábbi evolúció eredményei; azért választották ki őket, hogy részt vegyenek olyan autokatalitikus mechanizmusokban, amelyek célja a szervezeti folyamatok nagyon specifikus formáinak előidézése.

pp.216-218
Egy bizonyos B értéknél elérjük a termodinamikai ág stabilitási küszöbét. Általában ezt a kritikus értéket bifurkációs pontnak nevezik. Tekintsünk néhány tipikus bifurkációs diagramot. A B bifurkációs pontban a termodinamikai ág instabillá válik a fluktuációk tekintetében. Az L szabályozási paraméter Lc kritikus értékénél a rendszer három különböző álló állapotban lehet: C, E és D. Ezek közül kettő stabil, a harmadik instabil. Nagyon fontos hangsúlyozni, hogy az ilyen rendszerek viselkedése az őstörténetüktől függ. Az L szabályozási paraméter kis értékeivel kezdve és lassan növelve nagy valószínűséggel írjuk le az ABC pályát. Ellenkezőleg, az X koncentráció nagy értékeivel kiindulva és az L szabályozási paraméter állandó értékét tartva nagy valószínűséggel elérjük a D pontot, így a végső állapot a rendszer történetétől függ. Eddig a történelmet használták a biológiai és társadalmi jelenségek értelmezésére. Egészen váratlanul derült ki, hogy az őstörténet egyszerű kémiai folyamatokban is szerepet játszhat.

219. o
Várható volt, hogy a kísérlet ismételt megismétlésével a bifurkációs ponton áthaladva a rendszer átlagosan az esetek felében jobb oldali maximális koncentrációjú állapotba kerül, az esetek felében pedig állapot a maximális koncentrációval a bal oldalon. Felmerül még egy érdekes kérdés. A minket körülvevő világban néhány egyszerű alapvető szimmetria megbomlik

222. o
Fontos megjegyezni, hogy a bifurkációért felelős kémiai folyamattól függően a fent leírt mechanizmus rendkívül érzékeny lehet. Mint már említettük, az anyag képessé válik az egyensúlyi körülmények között észrevehetetlen különbségek észlelésére. Az ilyen nagy érzékenység a legegyszerűbb élőlényekre, például baktériumokra utal, amelyekről ismert, hogy képesek reagálni az elektromos vagy mágneses mezőkre. Általánosságban ez azt jelenti, hogy az erősen egyensúlytalan kémiában lehetséges a kémiai folyamatokat a külső feltételekhez "illeszteni". Ily módon egy erősen nem egyensúlyi régió feltűnően különbözik az egyensúlyi régiótól, ahol az egyik struktúrából a másikba való átmenet erős perturbációkat vagy a peremfeltételek megváltoztatását követeli meg.

p.223-224
Ilyen helyzetekben a külső áramlás véletlenszerű ingadozása, amit zajnak neveznek, semmiképpen sem zavaró akadály: minőségileg új típusú rezsimek születnek, amelyek megvalósításához determinisztikus áramlásokkal összehasonlíthatatlanul bonyolultabb reakciósémák jöhetnek létre. szükséges. Azt is fontos megjegyezni, hogy a véletlenszerű zaj elkerülhetetlenül jelen van az áramlásokban minden "természetes rendszerben".

230. o
Feltételezhetjük, hogy az evolúció fő mechanizmusa a bifurkációk játékán alapul, mint olyan mechanizmusokon, amelyek az egyik vagy másik pályát stabilizáló kémiai kölcsönhatásokat vizsgálják és kiválasztják. Ezt az ötletet körülbelül negyven évvel ezelőtt terjesztette elő Waddington biológus. A stabilizált fejlődési utak leírására egy speciális fogalmat vezetett be - hitvallás. Waddington elképzelése szerint a hitvallásnak meg kellett felelnie a lehetséges fejlődési utaknak, amelyek a kettős imperatívusz – a rugalmasság és a megbízhatóság – hatására alakulnak ki.

240. o
A nagy hatótávolságú korrelációk még a makroszkopikus bifurkáció bekövetkezte előtt szervezik a rendszert. Ismét visszatérünk könyvünk egyik fő gondolatához: az egyensúlytalansághoz, mint a rend forrásához. Ebben az esetben a helyzet különösen egyértelmű. Egyensúlyi állapotban a molekulák egymástól függetlenül viselkednek: mindegyik figyelmen kívül hagyja a többit. Az ilyen független részecskéket hipnonoknak ("somnambulistáknak") nevezhetjük. Mindegyikük tetszőlegesen összetett lehet, ugyanakkor "figyelmen kívül hagyja" más molekulák jelenlétét. A nem egyensúlyi állapotba való átmenet felébreszti a hipnonokat, és olyan koherenciát hoz létre, amely teljesen idegen az egyensúlyi körülmények közötti viselkedésüktől.

A természetről alkotott elképzelésünk radikális változáson megy keresztül a sokféleség, az időbeliség és a komplexitás irányába. A nyugati tudományt sokáig a világegyetem mechanikus képe uralta. Ma felismerjük, hogy pluralista világban élünk. Vannak olyan jelenségek, amelyek számunkra determinisztikusnak és visszafordíthatónak tűnnek. Ilyen például a súrlódásmentes inga vagy a Föld mozgása a Nap körül. De vannak visszafordíthatatlan folyamatok is, amelyek úgy tűnik, az idő nyilát hordozzák. Például, ha két folyadékot, például alkoholt és vizet leeresztenek, a tapasztalat azt mutatja, hogy idővel összekeverednek. A fordított folyamat - a keverék spontán szétválása tiszta vízre és tiszta alkoholra - soha nem figyelhető meg. Ezért az alkohol és a víz összekeverése visszafordíthatatlan folyamat. Az egész kémia lényegében az ilyen visszafordíthatatlan folyamatok végtelen listája.

Nyilvánvaló, hogy a determinisztikus folyamatok mellett néhány alapvető jelenségnek, például a biológiai evolúciónak vagy az emberi kultúrák evolúciójának is tartalmaznia kell valamilyen valószínűségi elemet. Még a determinisztikus leírások helyességében mélyen meggyõzõdõ tudós is aligha meri azt állítani, hogy az õsrobbanás pillanatában, i.e. az általunk ismert univerzum születése, könyvünk megjelenési dátuma a természet törvényeinek tábláira volt írva. A klasszikus fizika az alapvető folyamatokat determinisztikusnak és visszafordíthatónak tekintette. A véletlenszerűséggel vagy visszafordíthatatlansággal kapcsolatos folyamatokat bosszantó kivételnek tekintették az általános szabály alól. Ma már azt látjuk, milyen fontos szerepet játszanak mindenhol a visszafordíthatatlan folyamatok és ingadozások.

Bár a nyugati tudomány lendületet adott az ember és a természet közötti szokatlanul gyümölcsöző párbeszédnek, a természettudományok emberi kultúrára gyakorolt ​​hatásának egyes következményei nem mindig voltak pozitívak. Például a „két kultúra” szembenállása nagyrészt a klasszikus tudomány időtlen megközelítése és a társadalom- és bölcsészettudományok túlnyomó többségét uralt időorientált megközelítése közötti konfliktusra vezethető vissza. Ám az elmúlt évtizedekben drámai változások mentek végbe a természettudományban, olyan váratlanok, mint a geometria megszületése vagy a világegyetem grandiózus képe Newton Principia Mathematicájában. Egyre jobban tudatában vagyunk annak, hogy minden szinten - az elemi részecskéktől a kozmológiáig - fontos szerepet játszik a véletlenszerűség és az irreverzibilitás, melynek jelentősége tudásunk bővülésével nő. A tudomány újra felfedezi az időt. Könyvünket e fogalmi forradalom leírásának szenteljük.

A szóban forgó forradalom minden szinten megtörténik: az elemi részecskék szintjén, a kozmológiában, az úgynevezett makroszkopikus fizika szintjén, lefedve az atomok vagy molekulák fizikáját és kémiáját, akár egyedileg, akár globálisan, ahogy az történik, például a folyadékok vagy gázok tanulmányozása során. Lehetséges, hogy a természettudomány fogalmi forradalma makroszkópikus szinten követhető a legvilágosabban. A klasszikus dinamika és a modern kémia jelenleg gyökeres változás időszakán megy keresztül. Ha néhány évvel ezelőtt megkérdeztünk volna egy fizikust, milyen jelenségekre tud magyarázatot adni a tudománya, és milyen problémák maradtak nyitva, akkor valószínűleg azt válaszolta volna, hogy még nem értünk el kellően az elemi részecskék vagy a kozmológiai evolúció megfelelő megértéséhez, de elég kielégítő ismeretekkel rendelkezünk a szubmikroszkópos és a kozmológiai szintek közötti skálákon zajló folyamatok. Ma a kutatók azon kisebbsége, amelyhez e könyv szerzői is tartoznak, és amely napról napra növekszik, nem osztozik ilyen optimizmusban: még csak most kezdjük megérteni a természet azon szintjét, amelyen élünk, és ez a szint könyv összpontosít.

Ahhoz, hogy megfelelően felmérhessük a fizika folyamatban lévő fogalmi újrafelszerelését, ezt a folyamatot a megfelelő történelmi perspektívában kell szemlélnünk. A tudománytörténet semmi esetre sem lineáris fejlődése valamely mély igazsághoz való egymás utáni közelítések sorozatának. A tudomány története tele van ellentmondásokkal és váratlan fordulatokkal. Könyvünk jelentős részét Newtontól kezdve a nyugati tudomány történeti fejlődésének sémájának szenteltük, i.e. a háromszáz évvel ezelőtti eseményekből. Arra törekedtünk, hogy a tudománytörténetet beírjuk a gondolattörténetbe, hogy integráljuk azt a nyugati kultúra elmúlt három évszázados fejlődésével. Csak így tudjuk értékelni annak a pillanatnak az egyediségét, amelyben élnünk kell.

Az általunk megörökölt tudományos örökségben két alapvető kérdés van, amelyekre elődeink nem találtak választ. Az egyik a káosz és a rend kapcsolatának kérdése. A növekvő entrópia híres törvénye szerint a világ a rendből a káoszba folyamatosan fejlődik. Ugyanakkor, ahogy a biológiai vagy társadalmi evolúció is mutatja, a komplexus az egyszerűből fakad. Hogy lehet ez? Hogyan alakulhat ki a struktúra a káoszból? Mostanra némi előrelépést tettünk a kérdés megválaszolásában. Ma már tudjuk, hogy az egyensúlyhiány – az anyag vagy energia áramlása – a rend forrása lehet.

De van egy másik, még alapvetőbb kérdés is. A klasszikus vagy kvantumfizika a világot reverzibilisnek, statikusnak írja le. Leírásukban az evolúciónak nincs helye sem a rendnek, sem a káosznak. A dinamikából kinyert információ időben állandó marad. Egyértelmű ellentmondás van a dinamika statikus képe és a termodinamika evolúciós paradigmája között. Mi az a visszafordíthatatlanság? Mi az entrópia? Nem valószínű, hogy a tudomány fejlődése során olyan gyakran szóba kerülne más kérdés. Csak most kezdjük elérni a megértésnek és a tudásnak azt a szintjét, amely lehetővé teszi számunkra, hogy ilyen vagy olyan mértékben válaszoljunk ezekre a kérdésekre. A rend és a káosz összetett fogalmak. A dinamika által adott statikus leírásban használt mértékegységek eltérnek az entrópia növekedése által kifejezett evolúciós paradigma létrehozásához használt mértékegységektől. Az egyik egységről a másikra való átmenet egy új anyagfogalomhoz vezet. Az anyag „aktívvá” válik: visszafordíthatatlan folyamatokat generál, és az irreverzibilis folyamatok szervezik az anyagot.<...>

A klasszikus tudomány mely előfeltételeitől sikerült megszabadulnia a modern tudománynak? Általában azoktól, amelyek az alaptézis köré összpontosultak, amely szerint egy bizonyos szinten egyszerű a világés engedelmeskedik az időben visszafordítható alaptörvényeknek. Ez a nézőpont ma túlzott leegyszerűsítésnek tűnik. Megosztani azt jelenti, hogy olyanná válunk, mint azok, akik az épületekben csak egy halom téglát látnak. De ugyanabból a téglából lehet gyárépületet, palotát és templomot építeni. Csak ha az épületet egészében tekintjük, akkor elnyerjük azt a képességet, hogy egy korszak, kultúra, társadalom, stílus termékeként fogjuk fel. Van még egy egészen nyilvánvaló probléma: mivel a körülöttünk lévő világot senki sem építette fel, ezért azzal kell szembesülnünk, hogy a legkisebb „tégláiról” (azaz a világ mikroszkopikus szerkezetéről) olyan leírást kell adni, ami megmagyarázza. az önszerveződési folyamat.

A klasszikus tudomány által felvállalt igazságkeresés önmagában is pompás példája lehet annak a kettősségnek, amely a nyugat-európai gondolkodás történetében egyértelműen nyomon követhető. Hagyományosan csak az eszmék megváltoztathatatlan világát tartották számon, Platón kifejezésével élve, "amelyet megvilágított az érthetőek Napja". Ugyanebben az értelemben szokás volt a tudományos racionalitást csak örök és változatlan törvényekben látni. Minden átmeneti és mulandó illúziónak számított. Ma az ilyen nézeteket tévesnek tekintik. Azt tapasztaltuk, hogy a természetben lényeges szerepet játszik a korántsem illuzórikus, hanem egészen valóságos visszafordíthatatlanság, amely a legtöbb önszerveződési folyamat hátterében áll. A reverzibilitás és a merev determinizmus a körülöttünk lévő világban csak egyszerű korlátozó esetekben alkalmazható. A visszafordíthatatlanságot és a véletlenszerűséget ma már nem kivételnek tekintik, hanem általános szabálynak.<...>

Napjainkban a tudományos kutatás fő súlypontja a szubsztanciáról a kapcsolatra, kapcsolatra, időre helyeződött át.

Egy ilyen drasztikus szemléletváltás semmiképpen sem önkényes döntés eredménye. A fizikában új, előre nem látott felfedezések kényszerítenek ránk. Ki gondolta volna, hogy sok (ha nem az összes) elemi részecske instabil lesz? Ki várta volna, hogy a táguló univerzum hipotézisének kísérleti igazolásával lehetőségünk lesz a minket körülvevő világ történetének egészében nyomon követni?

A XX. század végére. megtanultuk jobban megérteni két nagy természettudományi forradalom értelmét, amelyek döntően befolyásolták a modern fizika kialakulását: a kvantummechanika és a relativitáselmélet létrehozását. Mindkét forradalom a klasszikus mechanika korrekciójára tett kísérletekkel kezdődött, újonnan talált univerzális állandók bevezetésével. Most a helyzet megváltozott. A kvantummechanika elméleti alapot adott számunkra, hogy leírjuk az egyik részecske végtelen átalakulását a másikba. Hasonlóképpen, az általános relativitáselmélet lett az az alap, amelyen nyomon követhetjük az univerzum hőtörténetét annak korai szakaszában.

Univerzumunk természeténél fogva pluralista, összetett. A struktúrák eltűnhetnek, de megjelenhetnek is. Egyes folyamatok a meglévő tudásszinttel determinisztikus egyenletekkel írhatók le, mások valószínűségi megfontolások bevonását igénylik.

Hogyan lehet leküzdeni a determinisztikus és a véletlen közötti látszólagos ellentmondást? Hiszen ugyanabban a világban élünk. Ahogy a későbbiekben látni fogjuk, csak most kezdjük felfogni a szükségszerűséggel és a véletlennel kapcsolatos problémák teljes körének jelentőségét. Emellett a klasszikus fizikától egészen más, olykor egyenesen ellentétes jelentést tulajdonítunk a különféle általunk megfigyelt és leírt jelenségeknek. Említettük már, hogy a korábbi hagyomány szerint az alapvető folyamatokat determinisztikusnak és visszafordíthatónak tekintették, a véletlenszerűséggel vagy visszafordíthatatlansággal összefüggő folyamatokat pedig az általános szabály alóli kivételként kezelték. Ma már mindenhol azt látjuk, hogy milyen fontos szerepet játszanak a visszafordíthatatlan folyamatok, ingadozások. A klasszikus fizika által vizsgált modellek, amint azt ma értjük, csak korlátozó helyzeteknek felelnek meg. Mesterségesen létrehozhatók, ha a rendszert egy dobozba helyezzük, és megvárjuk, amíg egyensúlyi állapotba kerül.

A mesterséges lehet determinisztikus és visszafordítható. A természetes minden bizonnyal a véletlen és a visszafordíthatatlanság elemeit tartalmazza. Ez a megjegyzés elvezet bennünket egy új szemlélethez az anyagnak a Világegyetemben betöltött szerepéről. Az anyag már nem passzív szubsztancia, mechanisztikus világkép keretei között írják le, spontán tevékenység is jellemzi. Az új világszemlélet és a hagyományos között olyan mély a különbség, hogy – amint az előszóban már említettük – joggal beszélhetünk ember és természet új párbeszédéről.<...>

A hőelmélet két egyenes vonalú leszármazottja - az energia egyik formából a másikba való átalakulásának tudománya és a hőgépek elmélete - közösen vezetett az első "nem klasszikus" tudomány - a termodinamika - megalkotásához. A termodinamika által a tudomány kincstárához nyújtott hozzájárulások egyike sem hasonlítható össze újdonságként a termodinamika híres második főtételével, amelynek megjelenésével az „idő nyila” először lépett be a fizikába. Az egyoldalú idő bevezetése a nyugat-európai gondolkodás tágabb mozgalmának szerves része volt. A 19. századot joggal nevezhetjük az evolúció évszázadának: a biológia, a geológia és a szociológia a XIX. növekvő figyelem az új szerkezeti elemek megjelenési folyamatainak vizsgálatára, a komplexitás fokozása. Ami a termodinamikát illeti, kétféle folyamat különbségén alapul: az idő irányától nem függő reverzibilis folyamatok és az idő irányától függő irreverzibilis folyamatok. Reverzibilis és irreverzibilis folyamatok példáival ismerkedünk meg a jövőben. Az entrópia fogalmát azért vezették be, hogy megkülönböztessék a reverzibilis folyamatokat az irreverzibilisektől: az entrópia csak az irreverzibilis folyamatok eredményeként nő.

Az egész 19. században a középpontban a termodinamikai evolúció végső állapotának vizsgálata állt. század termodinamikája egyensúlyi termodinamika volt. A nem egyensúlyi folyamatokat apró részleteknek, perturbációknak, apró jelentéktelen részleteknek tekintették, amelyek nem érdemelnek különösebb vizsgálatot. Jelenleg a helyzet teljesen megváltozott. Ma már tudjuk, hogy az egyensúlytól távol, spontán módon új típusú struktúrák keletkezhetnek. Erősen kiegyensúlyozatlan körülmények között megtörténhet az átmenet a rendezetlenségből, a termikus káoszból a rendbe. Új dinamikus halmazállapotok alakulhatnak ki, amelyek tükrözik az adott rendszer és a környezet kölcsönhatását. Ezeket az új struktúrákat elneveztük disszipatív struktúrák, kialakításukban a disszipatív folyamatok konstruktív szerepének hangsúlyozására törekszik.

Ez a könyv bemutat néhány, az elmúlt években kifejlesztett módszert a disszipatív struktúrák kialakulásának és fejlődésének leírására. Bemutatásukban először találkozunk olyan kulcsszavakkal, mint a "nemlinearitás", az "instabilitás", a "fluktuáció", vezérmotívumként áthaladva az egész könyvön. Ez a triász kezdett áthatolni világnézetünkön túl a fizikán és a kémián.

A természettudományok és a bölcsészettudományok ellentétének tárgyalása során Isaiah Berlin szavait idéztük. Berlin szembeállította a konkrétat és az egyedit az ismétlődővel és az általánossal. Az általunk vizsgált folyamatok figyelemre méltó jellemzője, hogy az egyensúlyi feltételekről a nagyon nem egyensúlyi feltételekre való átmenet során az ismétlődő és általánostól az egyedi és specifikus felé haladunk. Valójában az egyensúlyi törvények nagyon általánosak: egyetemesek. Ami az anyag egyensúlyi állapothoz közeli viselkedését illeti, azt az "ismételhetőség" jellemzi. Ugyanakkor, távol az egyensúlytól, különféle mechanizmusok kezdenek működni, amelyek megfelelnek a különféle típusú disszipatív struktúrák megjelenésének lehetőségének. Például, távol az egyensúlytól, megfigyelhetjük egy kémiai óra megjelenését - kémiai reakciókat a reagensek koncentrációjának jellegzetes koherens (konzisztens) periodikus változásával. Az egyensúlytól távol, önszerveződési folyamatok is megfigyelhetők, amelyek inhomogén struktúrák - nem egyensúlyi kristályok - kialakulásához vezetnek.

Külön hangsúlyozni kell, hogy az erősen nem egyensúlyi rendszerek ilyen viselkedése meglehetősen váratlan. Valójában mindannyian intuitív módon azt képzeljük, hogy egy kémiai reakció körülbelül a következőképpen megy végbe: a molekulák „lebegnek” a térben, ütköznek, és az ütközés következtében átrendeződnek, és új molekulákká alakulnak. A molekulák kaotikus viselkedése ahhoz a képhez hasonlítható, amelyet az atomisták festenek, és leírják a levegőben táncoló porszemcsék mozgását. Ám egy kémiai óra esetében egy kémiai reakcióval kell szembenéznünk, amely egyáltalán nem úgy megy végbe, ahogy az intuíciónk mondja. Némileg leegyszerűsítve a helyzetet kijelenthetjük, hogy egy kémiai óra esetén minden molekula megváltoztatja kémiai azonosságát egyidejűleg, a megfelelő időközönként. Ha elképzeljük, hogy a kiindulási anyag molekuláit kékre, illetve a reakcióterméket pirosra színezzük, akkor azt látnánk, hogyan változik a színük a kémiai óra ritmusában.

Nyilvánvaló, hogy egy ilyen periodikus reakciót nem lehet leírni a molekulák kaotikus viselkedésére vonatkozó intuitív elképzelések alapján. Új, korábban ismeretlen típusú rendelés érkezett. Ebben az esetben egy új koherenciáról, a molekulák közötti „kommunikáció” mechanizmusáról illik beszélni. Ilyen típusú kötés azonban csak erősen nem egyensúlyi körülmények között jöhet létre. Érdekes megjegyezni, hogy egy ilyen kapcsolat széles körben elterjedt az élővilágban. Létét tekinthetjük a biológiai rendszer meghatározásának alapjául.

Hozzá kell tenni azt is, hogy a disszipatív szerkezet típusa nagyban függ a kialakulásának körülményeitől. Az önszerveződési mechanizmus kiválasztásában alapvető szerepet játszhatnak a külső mezők, például a Föld gravitációs tere vagy a mágneses tér.

Kezdjük megérteni, hogy a kémia alapján hogyan lehet összetett struktúrákat, összetett formákat építeni, beleértve azokat is, amelyek az élet előfutáraivá válhatnak. Az erősen egyensúlyhiányos jelenségeknél az anyag egy nagyon fontos és váratlan tulajdonságát sikerült megbízhatóan megállapítani: ezentúl a fizika joggal írhatja le a struktúrákat a rendszer külső feltételekhez való alkalmazkodásának formáiként. A legegyszerűbb kémiai rendszerekben egyfajta prebiológiai adaptációs mechanizmussal találkozunk. Némileg antropomorf nyelven azt mondhatjuk, hogy egyensúlyi állapotban az anyag „vak”, míg erősen nem egyensúlyi körülmények között képessé válik arra, hogy érzékelje a külső világban tapasztalható különbségeket (például gyenge gravitációs és elektromos mezőket) és „ figyelembe veszi” őket működése során.

Természetesen az élet keletkezésének problémája továbbra is nagyon nehéz, és a közeljövőben nem számítunk rá egyszerű megoldásra. Ennek ellenére a mi megközelítésünkkel az élet megszűnik ellenállni a "hétköznapi" fizika törvényeinek, harcolni ellenük, hogy elkerülje a rákészült sorsot - a halált. Éppen ellenkezőleg, az élet éppen azoknak a feltételeknek a megnyilvánulásaként jelenik meg előttünk, amelyek között bioszféránk található, beleértve a kémiai reakciók nemlinearitását és a napsugárzás által a bioszférára rótt erősen nem egyensúlyi feltételeket.

Részletesen tárgyaljuk azokat a fogalmakat, amelyek lehetővé teszik a disszipatív struktúrák kialakulásának leírását, például a bifurkációk elméletének fogalmait. Hangsúlyozni kell, hogy a bifurkációs pontok közelében lévő rendszerekben jelentős ingadozások figyelhetők meg. Az ilyen rendszerek „haboznak”, mielõtt a fejlõdés számos útja közül választanak egyet, és a nagy számok híres törvénye, ha a szokásos módon értelmezzük, leáll. Egy kis ingadozás az evolúció kezdeteként szolgálhat egy teljesen új irányba, amely drámaian megváltoztatja a makroszkopikus rendszer egész viselkedését. A társadalmi jelenségekkel, sőt a történelemmel való analógia elkerülhetetlenül felvetődik. Nem gondoljuk a véletlen és a szükség szembeállítását, hanem úgy gondoljuk, hogy mindkét szempont alapvető szerepet játszik a nemlineáris, erősen nem egyensúlyi rendszerek leírásában.

Összegezve elmondható, hogy könyvünk első két részében a fizikai világ két ellentétes nézetét vizsgáljuk: a klasszikus dinamika statikus megközelítését és az entrópia fogalmán alapuló evolúciós szemléletet. Az ilyen ellentétes megközelítések konfrontációja elkerülhetetlen. Régóta visszatartotta az irreverzibilitás hagyományos nézete, mint illúzió, közelítés. Az ember bevezette az időt egy időtlen univerzumba. Számunkra elfogadhatatlan az irreverzibilitás problémájának olyan megoldása, amelyben az irreverzibilitás illúzióvá redukálódik, vagy bizonyos közelítések következménye, hiszen, mint ma már tudjuk, az irreverzibilitás a rend, koherencia, szervezettség forrása lehet.

A klasszikus mechanika időtlen megközelítése és az evolúciós megközelítés szembeállítása elkerülhetetlenné vált. Könyvünk harmadik részét a világ leírásának e két ellentétes megközelítése éles ütközésének szenteljük. Ebben részletesen áttekintjük az irreverzibilitás problémáinak megoldására irányuló hagyományos próbálkozásokat, amelyek először a klasszikus, majd a kvantummechanikában történtek. Ebben különös szerepet játszott Boltzmann és Gibbs úttörő munkája. Ennek ellenére jó okkal állíthatjuk, hogy a visszafordíthatatlanság problémája nagyrészt megoldatlan maradt.<...>

Most már pontosabban meg tudjuk ítélni az idő fogalmának eredetét a természetben, és ez a körülmény messzemenő következményekhez vezet. A visszafordíthatatlanságot a termodinamika második főtétele – a nem csökkenő entrópia törvénye – vezeti be a makroszkopikus világba. Most már mikroszkópikus szinten is megértjük a termodinamika második főtételét. Amint a későbbiekben bemutatjuk, a termodinamika második főtétele egy kiválasztási szabály funkcióit látja el - a kezdeti feltételek korlátozásait, amelyek a későbbi időpontokban a dinamika törvényei szerint terjednek. Így a második törvény egy új, redukálhatatlan elemet vezet be a természet leírásába. A termodinamika második főtétele nem mond ellent a dinamikának, de nem is származtatható belőle.

Boltzmann már megértette, hogy szoros kapcsolatnak kell lennie a valószínűség és a visszafordíthatatlanság között. A múlt és a jövő megkülönböztetése, tehát a visszafordíthatatlanság csak akkor kerülhet bele egy rendszer leírásába, ha a rendszer kellően véletlenszerűen viselkedik. Elemzésünk megerősíti ezt az álláspontot. Valóban, mi az idő nyila a természet determinisztikus leírásában? mi a jelentése? Ha a jövő valamilyen módon benne van a jelenben, amely a múltat ​​is tartalmazza, akkor mit jelent pontosan az idő nyila? Az idő nyila annak a ténynek a megnyilvánulása, hogy a jövő nincs meghatározva; hogy Paul Valéry francia költő szavaival élve „az idő konstrukció”.

Mindennapi tapasztalataink azt mutatják, hogy alapvető különbség van idő és tér között. Mozoghatunk a tér egyik pontjáról a másikba, de nem forgathatjuk vissza az időt. Nem rendezhetjük át a múltat ​​és a jövőt. Mint később látni fogjuk, az idő visszafordításának lehetetlenségének ez az érzése mára pontos tudományos értelmet nyer. A megengedett („megengedett”) állapotokat a termodinamika második főtétele által tiltott állapotoktól egy végtelenül magas entrópiagát választja el. Sok más akadály is van a fizikában. Ezek egyike a fénysebesség. A modern elképzelések szerint a jelek nem haladhatnak gyorsabban, mint a fénysebesség. Ennek a gátnak a megléte nagyon fontos: enélkül az okság porrá omlana. Hasonlóképpen, az entrópiagát előfeltétele annak, hogy a kötésnek pontos fizikai jelentést adjunk. Képzeld el, mi történne, ha a jövőnk mások múltja lenne!<...>

De a legfontosabb előrelépés talán az, hogy a szerkezet, a rend problémája most más szemszögből jelenik meg előttünk. Ahogy az a fejezetben látható lesz. 8, a mechanika, akár a klasszikus, akár a kvantum szempontjából, nem létezhet evolúció egyirányú idővel. Az „információ”, ahogyan a dinamika szempontjából meghatározható, idővel állandó marad. Ez paradoxon hangzik. Ha két folyadékot összekeverünk, akkor semmiféle "evolúció" nem megy végbe, pedig nem lehet szétválasztani őket valamilyen külső eszköz igénybevétele nélkül. Éppen ellenkezőleg, a nem csökkenő entrópia törvénye két folyadék keveredését írja le, mint a „káosz” vagy „rendellenesség”, a legvalószínűbb állapot felé vezető fejlődést. Most már minden megvan ahhoz, hogy bizonyítsuk a két leírás kölcsönös konzisztenciáját: ha információról vagy sorrendről beszélünk, minden alkalommal újra kell definiálni a vizsgált egységeket. A fontos új tény, hogy immár pontos szabályokat tudunk felállítani az egyik típusú egységekről a másik típusú egységekre való áttéréshez. Más szóval, sikerült megkapnunk a termodinamika második főtétele által kifejezett evolúciós paradigma mikroszkopikus megfogalmazását. Ez a következtetés fontosnak tűnik számunkra, mivel az evolúciós paradigma felöleli az egész kémiát, valamint a biológia és a társadalomtudományok lényeges részeit. Nemrég feltárult előttünk az igazság. A fizikában jelenleg zajló alapfogalmak felülvizsgálatának folyamata még korántsem zárult le. Célunk egyáltalán nem a tudomány elismert vívmányainak, stabil és megbízhatóan megalapozott eredményeinek kiemelése. A tudományos tevékenység során megszületett új fogalmakra, annak kilátásaira, új problémáira szeretnénk felhívni az olvasó figyelmét. Világosan felismerjük, hogy a tudományos kutatás új szakaszának még csak a legelején járunk.<...>

Hiszünk abban, hogy egy új szintézis, egy új természetfelfogás útján járunk. Talán egyszer sikerül összeolvasztani a kísérletezést és a mennyiségi megfogalmazást hangsúlyozó nyugati hagyományt és a kínaihoz hasonló hagyományt a spontán módon változó, önszerveződő világról alkotott elképzeléseivel. A bevezető elején Jacques Monod szavait idéztük az ember univerzumbeli magányáról. A következő következtetésre jut:

„Az [ember és a természet] ősi szövetsége megsemmisült. Az ember végül tudatában van magányának az Univerzum közömbös határtalanságában, amelyből véletlenül keletkezett.

Mono helyesnek tűnik. Az ősi unió porig rombolt. De nem a múlt gyászában látjuk sorsunkat, hanem abban, hogy a modern természettudományok rendkívüli sokszínűségében megpróbálunk vezérfonalat találni, amely valamilyen egységes világképhez vezet. A természettudomány történetének minden nagy korszaka a saját természetmodelljéhez vezet. A klasszikus tudomány számára egy ilyen modell egy óra volt, a 19. században - az ipari forradalom időszakában - egy gőzgép. Mi lesz számunkra szimbólum? Úgy tűnik, ideálunkat a szobrászat fejezi ki legteljesebben, az ókori India vagy Közép-Amerika művészetétől a Kolumbusz előtti korszakban a modern művészetig. A szobrászat néhány legtökéletesebb példáján, például a táncoló Shiva figuráján vagy a Guerrero templomok miniatűr modelljein egyértelműen érezhető a megfoghatatlan átmenet keresése a nyugalomból a mozgásba, a megállt időből az időbe folyásba. Meggyőződésünk, hogy ez a konfrontáció határozza meg korunk egyedi identitását.<...>

Az entrópiát egy dinamikus rendszerrel összekapcsolva ezzel visszatérünk Boltzmann koncepciójához: a valószínűség egyensúlyi állapotban éri el a maximumot. A termodinamikai evolúció leírására használt szerkezeti egységek egyensúlyi állapotban kaotikusan viselkednek. Ezzel szemben gyengén nem egyensúlyi körülmények között korrelációk és koherencia keletkeznek.

Itt jutunk el az egyik fő következtetésünkhöz: minden szinten, legyen az a makroszkopikus fizika szintje, a fluktuációk szintje vagy a mikroszkopikus szint, a rend forrása az egyensúlyhiány. Az egyensúlyhiány az, ami „rendet teremt a káoszból”. De ahogy már említettük, a rend (vagy rendezetlenség) fogalma összetettebb, mint gondolnánk. Csak szélsőséges esetekben, például ritka gázoknál nyer egyszerű jelentést Boltzmann úttörő munkáinak megfelelően.<...>

A természet "racionalitásába" vetett bizalmunkat részben megrendítette korunkban a természettudomány rohamos fejlődése. Amint az előszóban megjegyeztük, a természetről alkotott elképzelésünk alapvető változáson ment keresztül. Most figyelembe vesszük a változás olyan aspektusait, mint a sokféleség, az időtől való függés és a komplexitás. A világról alkotott nézetünkben végbement váltások közül néhányat leír ez a könyv.

Kerestünk általános, átfogó sémákat, amelyek lehetővé teszik az örök törvények nyelvén történő leírást, de találtunk időt, eseményeket, különféle átalakuláson átmenő részecskéket. A szimmetriát keresve meglepődve tapasztaltuk, hogy minden szinten – az elemi részecskéktől a biológiáig és az ökológiáig – szimmetriatöréssel járó folyamatokat találtunk. Könyvünkben leírtuk a benne rejlő időszimmetriával rendelkező dinamika és a termodinamika ütközését, amelyet az idő egyirányú irányultsága jellemez.

Új egység bontakozik ki a szemünk előtt: a visszafordíthatatlanság a rend forrása minden szinten. A visszafordíthatatlanság az a mechanizmus, amely rendet teremt a káoszból.

Prigogine I., Stengers I. Rend a káoszból. Új párbeszéd ember és természet között. M., 1986. S. 34-37, 47-50, 53-61, 65-66, 357, 363.

Az Order Out of Chaos szerzői megmutatják, hogy a gépkorszakban a mainstream tudomány a stabilitásra, a rendre, az egységességre és az egyensúlyra összpontosít. Főleg zárt rendszereket és lineáris kapcsolatokat vizsgál, amelyekben a bemeneten lévő kis jel kis választ okoz a kimeneten. Prigogine paradigmája azért különösen érdekes, mert a valóság azon aspektusaira fókuszál, amelyek a felgyorsult társadalmi változás jelenlegi szakaszára a legjellemzőbbek: rendezetlenség, instabilitás, diverzitás, nem egyensúlyi, nem lineáris kapcsolatok, amelyekben egy kis bemeneti jel önkényesen okozhat erős kimeneti válasz.

Prigogine munkái új, átfogó elméletet alkotnak. Erősen leegyszerűsített formában ennek az elméletnek a lényege a következő. Az univerzum egyes részei valóban működhetnek mechanizmusként. Ezek zárt rendszerek, de legjobb esetben is csak a fizikai univerzum töredékét teszik ki. A számunkra érdekes rendszerek többsége nyitott – energiát vagy anyagot (hozzátehetnénk: és információt) cserél a környezettel. A biológiai és társadalmi rendszerek kétségtelenül a nyitott rendszerek körébe tartoznak, ami azt jelenti, hogy minden olyan próbálkozás, amely ezeket egy mechanisztikus modell keretein belül kívánja megérteni, nyilvánvalóan kudarcra van ítélve.

Véleményem szerint Prigogine könyve érdekes lehet a menedzserek számára, mint a szervezetek szisztematikus szemléletének kialakításának újabb építőköve (lásd még James Gleick. Káosz. Új tudomány létrehozása).

Prigozhim I., Stengers I. Rend a káoszból: Új párbeszéd ember és természet között. - M.: Haladás, 1986. - 432 p.

Ha Prigogine terminológiáját használjuk, akkor azt mondhatjuk, hogy minden rendszer tartalmaz olyan alrendszereket, amelyek folyamatosan ingadoznak. Előfordul, hogy egyetlen fluktuáció vagy ingadozások kombinációja (a pozitív visszacsatolás hatására) olyan erőssé válhat, hogy a korábban létező szervezet nem bírja és összeomlik. Ezen a fordulóponton (a bifurkációs ponton) alapvetően lehetetlen megjósolni, hogy milyen irányban fog továbbfejlődni: kaotikussá válik-e a rendszer állapota, vagy egy új, differenciáltabb és magasabb szintre kerül át. rendelés.

Az erősen nem egyensúlyi állapotok és nemlineáris folyamatok tanulmányozása eredményeként feltárt és megértett tények, valamint a meglehetősen bonyolult, visszacsatolásos rendszerekkel kombinálva egy teljesen új megközelítés megalkotásához vezettek, amely lehetővé teszi a kapcsolat megteremtését a fundamentális tudományok és a „periférikus” élettudományok, sőt talán megértenek néhány társadalmi folyamatot is. (A szóban forgó tények egyenlő, ha nem nagyobb jelentőséggel bírnak a társadalmi, gazdasági vagy politikai valóság szempontjából. Az olyan szavak, mint a „forradalom”, „gazdasági válság”, „technológiai váltás” és „paradigmaváltás” új árnyalatokat kapnak, amikor elkezdünk gondolkodni a megfelelő fogalmakon a fluktuációk, a pozitív visszacsatolások, a disszipatív struktúrák, a bifurkációk és a Prigogine-iskola fogalmi lexikonjának egyéb elemei alapján.)

Azzal, hogy hangsúlyozzák, hogy a visszafordíthatatlan idő nem aberráció, hanem az univerzum nagy részének jellemző vonása, Prigogine és Stengers aláássa a klasszikus dinamika alapjait. A szerzők számára a reverzibilitás és az irreverzibilitás közötti választás nem a két egyenlő alternatíva egyikének a választása. A visszafordíthatóság (legalábbis, ha kellően hosszú időtartamokról beszélünk) a zárt rendszerek velejárója, az irreverzibilitás - az Univerzum többi részében.

Az általunk megörökölt tudományos örökségben két alapvető kérdés van, amelyekre elődeink nem találtak választ. Az egyik a káosz és a rend kapcsolatának kérdése. Znamya 1. A növekvő entrópia törvénye a világot úgy írja le, mint amely folyamatosan fejlődik a rendből a káoszba. Ugyanakkor, ahogy a biológiai vagy társadalmi evolúció is mutatja, a komplexus az egyszerűből fakad. Hogyan alakulhat ki a struktúra a káoszból? Az egyensúlyhiány – az anyag vagy energia áramlása – a rend forrása lehet. De van egy másik, még alapvetőbb kérdés is. A klasszikus vagy kvantumfizika a világot reverzibilisnek, statikusnak írja le. Egyértelmű ellentmondás van a dinamika statikus képe és a termodinamika evolúciós paradigmája között. Mi az a visszafordíthatatlanság? Mi az entrópia?

BEVEZETÉS KIHÍVÁS A TUDOMÁNYNAK

A klasszikus tudomány mely előfeltételeitől sikerült megszabadulnia a modern tudománynak? Általános szabály, hogy azok közül, amelyek az alaptézis köré összpontosultak, amely szerint a világ egy bizonyos szinten egyszerűen rendeződik, és időben megfordítható alaptörvényeknek engedelmeskedik. Ez a nézőpont ma túlzott leegyszerűsítésnek tűnik. Mivel a körülöttünk lévő világot nem építette fel senki, ezért szembesülünk azzal, hogy a legkisebb „tégláról” (vagyis a világ mikroszkopikus szerkezetéről) olyan leírást kell adni, amely megmagyarázná az önszerveződési folyamatot.

Azt tapasztaltuk, hogy a természetben lényeges szerepet játszik a korántsem illuzórikus, hanem egészen valóságos visszafordíthatatlanság, amely a legtöbb önszerveződési folyamat hátterében áll. A reverzibilitás és a merev determinizmus a körülöttünk lévő világban csak egyszerű korlátozó esetekben alkalmazható. A visszafordíthatatlanságot és a véletlenszerűséget ma már nem kivételnek tekintik, hanem általános szabálynak.

Univerzumunk természeténél fogva pluralista, összetett. A struktúrák eltűnhetnek, de megjelenhetnek is. Egyes folyamatok a meglévő tudásszinttel determinisztikus egyenletekkel írhatók le, mások valószínűségi megfontolások bevonását igénylik. A korábbi hagyomány szerint az alapvető folyamatokat determinisztikusnak és visszafordíthatónak tekintették, a véletlenszerűséggel vagy visszafordíthatatlansággal összefüggő folyamatokat pedig az általános szabály alóli kivételként kezelték. Ma már mindenhol azt látjuk, hogy milyen fontos szerepet játszanak a visszafordíthatatlan folyamatok, ingadozások. A klasszikus fizika által vizsgált modellek, amint azt ma értjük, csak korlátozó helyzeteknek felelnek meg. Mesterségesen létrehozhatók, ha a rendszert egy dobozba helyezzük, és megvárjuk, amíg egyensúlyi állapotba kerül. A mesterséges lehet determinisztikus és visszafordítható. A természetes minden bizonnyal a véletlen és a visszafordíthatatlanság elemeit tartalmazza. Ez a megjegyzés elvezet bennünket egy új szemlélethez az anyagnak a Világegyetemben betöltött szerepéről. Az anyag már nem passzív szubsztancia, mechanisztikus világkép keretei között írják le, spontán tevékenység is jellemzi.

A termodinamika által a tudomány kincstárához nyújtott hozzájárulások egyike sem hasonlítható össze újdonságként a termodinamika híres második főtételével, amelynek megjelenésével az „idő nyila” először lépett be a fizikába. Az entrópia fogalmát azért vezették be, hogy megkülönböztessék a reverzibilis folyamatokat az irreverzibilisektől: az entrópia csak az irreverzibilis folyamatok eredményeként nő. Az általunk vizsgált folyamatok figyelemre méltó jellemzője, hogy az egyensúlyi feltételekről a nagyon nem egyensúlyi feltételekre való átmenet során az ismétlődő és általánostól az egyedi és specifikus felé haladunk.

Könyvünk első két részében a fizikai világ két ellentétes nézetét vizsgáljuk: a klasszikus dinamika statikus megközelítését és az entrópia fogalmán alapuló evolúciós szemléletet. A klasszikus mechanika időtlen megközelítése és az evolúciós megközelítés szembeállítása elkerülhetetlenné vált. Könyvünk harmadik részét a világ leírásának e két ellentétes megközelítése éles ütközésének szenteljük.

Van valami specifikus a dinamikus rendszerek szerkezetében, ami lehetővé teszi számukra, hogy „megkülönböztessék” a múltat ​​a jövőtől? Mekkora minimális komplexitás szükséges ehhez? Boltzmann már megértette, hogy szoros kapcsolatnak kell lennie a valószínűség és a visszafordíthatatlanság között. A múlt és a jövő megkülönböztetése, tehát a visszafordíthatatlanság csak akkor kerülhet bele egy rendszer leírásába, ha a rendszer kellően véletlenszerűen viselkedik. Az idő nyila annak a ténynek a megnyilvánulása, hogy a jövő nincs meghatározva.

„A mi korunkban a fizika és a metafizika valójában együtt jut el a világ fogalmához (hogyan! Kiderült, hogy a metafizika uralkodik... a te Feuerbachjaid és Marxaid bolondok voltak! Nem csoda, hogy I.P. olyan szorgalmasan szűri a 19. század egész második felét – van egy tömör diamat, és mit hogy a szörnyű dialektikus materializmus szülte?! -JC)
...
A klasszikus tudomány egy olyan kultúrából született, amelyet áthatott az egyesülés gondolata Férfi, félúton az isteni rend és a természetes rend között, és Isten racionális és közérthető jogalkotó, szuverén építész, akit a magunk képére fogunk fel (ilyen a klasszikus tudomány! Isten nélkül nincs rá mód - JC). A kulturális összhang pillanatát élte át, amely lehetővé tette a filozófusok és teológusok számára, hogy a természettudomány problémáival foglalkozzanak, a tudósok pedig megfejtsék az alkotó szándékait, és véleményt nyilvánítsanak a világ teremtése során megnyilvánuló isteni bölcsességről és hatalomról. (Kiderült, hogy a tudósok megfejtik terveket Teremtő! -JC). A vallás és a filozófia támogatásával a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy tevékenységük önellátó. (igen, főleg a vallás támogatásával! - JC), hogy kimeríti a természeti jelenségek racionális megközelítésének minden lehetőségét ...
A modern tudomány dualista vonatkozásaihoz képest... a leírás annyiban objektív, amennyiben a megfigyelő ki van zárva belőle, és maga a leírás egy de jure világon kívüli pontról, azaz isteni nézőpontból jön létre, amely a világról elérhető. az emberi lélek kezdete, Isten képmására teremtve... (A zárt rendszerek klinikailag őrültebb leírása még keresendő! - JC)
Az Úristen, ha akarja, kiszámíthatja a pályákat egy instabil dinamikus világban. Ezzel ugyanazt az eredményt kapta volna, mint amit a valószínűségelméletből kaphatunk. (és a valószínűségelméletet isteni szempontból tekintjük! - elfelejtetted, amit fentebb írtál? - JC). Persze egy mindentudó istennek abszolút tudásával nem lenne nehéz megszabadulni minden véletlentől. Tehát kijelenthetjük, hogy az instabilitás és a valószínűség között kétségtelenül szoros kapcsolat áll fenn." (zseniális érvelés! - JC)
...
Veszélyes és bizonytalan világban élünk, amely nem a vak bizonyosság érzését, hanem ugyanazt a mérsékelt remény érzését kelti, amelyet egyes talmudi (sic! - JC) szövegek a Genezis istenének tulajdonítanak.
- "Rend a káoszból" - Ilya Prigogine, Isabella Stengers - a remekmű a Genezis könyvéből (és miért ne a Mahábháratából?!) idézettel zárul.

Elnézést az emlékeztetésért, de ezeknek a szövegrészeknek a szerzője olyan, mint egy tudós, sőt Nobel-díjas is, és nem valami pop vagy újságíró az utro.ru "tudományról" rovatából... A szövegben szereplő betű szerint azt írják, hogy "isten" - kitalálható a fordítás dátuma - 1986. (de mi már laktunk pluralizmus- és nem telt el pár év a remekmű londoni kiadása óta!)

Valaki más kételkedik mit Nobel-díjat adott ennek a kutatónak a tudománytól a Nagy Tudósig? És milyen csodálatos és érthető nyelven van megírva ez a haladó (igen!) alkotás! Mindenhez értesz kulturális összhangÉs dualista vonatkozásai?
Egyébként pontos kérésre" kulturális összhang" - nincs találat a Google-ban. Ha pedig meg akarod találni az idézet forrását - csak be kell írnod, hogy "a kulturális összhang pillanata".
Nos, hogy díjat kapott más tudósok helyett, akik valóban elképesztő felfedezéseket tettek az általa lefoglalt területen, Prigozhin közvetve elismeri önéletrajzában – ó, nem lehet kisajátítani a Belousov-Zhabotinsky reakció szerzőjét, valamint annak értelmezése... de a Nobel-díj azért van nem egyensúlyi termodinamika Prigozsinnak adta át, és nem valami tetves szovjet tudósnak (Belousov is vörösdandár parancsnok volt!)
Tudományos a prokapitalista közvélemény természetesen megdöbbent, amikor a BJ reakciója 1968-ban a világ előtt ismertté vált - hogyan kérdőjelezték meg a szovjet kínzólaboratóriumok komor pincéiben Isten gondviselését - fedezték fel az önrezgéseket - az én jeleit -szervezés - kémiai rendszerekben! Így van ez az élet istentelen eredetének igazolására, még ha reakciója is vegyész! Itt jól jött biztató módszerész, örökletes vegyész, jó családból származó fiú, monográfiák összeállítója a nem egyensúlyi statisztikai mechanikáról és ügyes tolmács részmunkaidős - I. Prigozhin ideális profillal - a menekültek fia (nehéz viszony az új rendszerrel) a vérbeli bolsevikoktól! És teljesen kiérdemelte a díját.

Az Order Out of Chaos szerzői megmutatják, hogy a gépkorszakban a mainstream tudomány a stabilitásra, a rendre, az egységességre és az egyensúlyra összpontosít. Főleg zárt rendszereket és lineáris kapcsolatokat vizsgál, amelyekben a bemeneten lévő kis jel kis választ okoz a kimeneten. Prigogine paradigmája azért különösen érdekes, mert a valóság azon aspektusaira fókuszál, amelyek a felgyorsult társadalmi változás jelenlegi szakaszára a legjellemzőbbek: rendezetlenség, instabilitás, diverzitás, nem egyensúlyi, nem lineáris kapcsolatok, amelyekben egy kis bemeneti jel önkényesen okozhat erős kimeneti válasz.

Prigogine munkái új, átfogó elméletet alkotnak. Erősen leegyszerűsített formában ennek az elméletnek a lényege a következő. Az univerzum egyes részei valóban működhetnek mechanizmusként. Ezek zárt rendszerek, de legjobb esetben is csak a fizikai univerzum töredékét teszik ki. A számunkra érdekes rendszerek többsége nyitott – energiát vagy anyagot (hozzátehetnénk: és információt) cserél a környezettel. A biológiai és társadalmi rendszerek kétségtelenül a nyitott rendszerek körébe tartoznak, ami azt jelenti, hogy minden olyan próbálkozás, amely ezeket egy mechanisztikus modell keretein belül kívánja megérteni, nyilvánvalóan kudarcra van ítélve.

Prigozhim I., Stengers I. Rend a káoszból: Új párbeszéd ember és természet között. - M.: Haladás, 1986. - 432 p.

Töltsön le egy rövid kivonatot formátumban vagy

Ha Prigogine terminológiáját használjuk, akkor azt mondhatjuk, hogy minden rendszer tartalmaz olyan alrendszereket, amelyek folyamatosan ingadoznak. Előfordul, hogy egyetlen fluktuáció vagy ingadozások kombinációja (a pozitív visszacsatolás hatására) olyan erőssé válhat, hogy a korábban létező szervezet nem bírja és összeomlik. Ezen a fordulóponton (a bifurkációs ponton) alapvetően lehetetlen megjósolni, hogy milyen irányban fog továbbfejlődni: kaotikussá válik-e a rendszer állapota, vagy egy új, differenciáltabb és magasabb szintre kerül át. rendelés.

Az erősen nem egyensúlyi állapotok és nemlineáris folyamatok tanulmányozása eredményeként feltárt és megértett tények, valamint a meglehetősen bonyolult, visszacsatolásos rendszerekkel kombinálva egy teljesen új megközelítés megalkotásához vezettek, amely lehetővé teszi a kapcsolat megteremtését a fundamentális tudományok és a „periférikus” élettudományok, sőt talán megértenek néhány társadalmi folyamatot is. (A szóban forgó tények egyenlő, ha nem nagyobb jelentőséggel bírnak a társadalmi, gazdasági vagy politikai valóság szempontjából. Az olyan szavak, mint a „forradalom”, „gazdasági válság”, „technológiai váltás” és „paradigmaváltás” új árnyalatokat kapnak, amikor elkezdünk gondolkodni a megfelelő fogalmakon a fluktuációk, a pozitív visszacsatolások, a disszipatív struktúrák, a bifurkációk és a Prigogine-iskola fogalmi lexikonjának egyéb elemei alapján.)

Azzal, hogy hangsúlyozzák, hogy a visszafordíthatatlan idő nem aberráció, hanem az univerzum nagy részének jellemző vonása, Prigogine és Stengers aláássa a klasszikus dinamika alapjait. A szerzők számára a reverzibilitás és az irreverzibilitás közötti választás nem a két egyenlő alternatíva egyikének a választása. A visszafordíthatóság (legalábbis, ha kellően hosszú időtartamokról beszélünk) a zárt rendszerek velejárója, az irreverzibilitás - az Univerzum többi részében.

Az általunk megörökölt tudományos örökségben két alapvető kérdés van, amelyekre elődeink nem találtak választ. Az egyik a káosz és a rend kapcsolatának kérdése. A növekvő entrópia híres törvénye szerint a világ a rendből a káoszba folyamatosan fejlődik. Ugyanakkor, ahogy a biológiai vagy társadalmi evolúció is mutatja, a komplexus az egyszerűből fakad. Hogyan alakulhat ki a struktúra a káoszból? Az egyensúlyhiány – az anyag vagy energia áramlása – a rend forrása lehet. De van egy másik, még alapvetőbb kérdés is. A klasszikus vagy kvantumfizika a világot reverzibilisnek, statikusnak írja le. Egyértelmű ellentmondás van a dinamika statikus képe és a termodinamika evolúciós paradigmája között. Mi az a visszafordíthatatlanság? Mi az entrópia?

BEVEZETÉS KIHÍVÁS A TUDOMÁNYNAK

A klasszikus tudomány mely előfeltételeitől sikerült megszabadulnia a modern tudománynak? Általános szabály, hogy azok közül, amelyek az alaptézis köré összpontosultak, amely szerint a világ egy bizonyos szinten egyszerűen rendeződik, és időben megfordítható alaptörvényeknek engedelmeskedik. Ez a nézőpont ma túlzott leegyszerűsítésnek tűnik. Mivel a körülöttünk lévő világot nem építette fel senki, ezért szembesülünk azzal, hogy a legkisebb „tégláról” (vagyis a világ mikroszkopikus szerkezetéről) olyan leírást kell adni, amely megmagyarázná az önszerveződési folyamatot.

Azt tapasztaltuk, hogy a természetben lényeges szerepet játszik a korántsem illuzórikus, hanem egészen valóságos visszafordíthatatlanság, amely a legtöbb önszerveződési folyamat hátterében áll. A reverzibilitás és a merev determinizmus a körülöttünk lévő világban csak egyszerű korlátozó esetekben alkalmazható. A visszafordíthatatlanságot és a véletlenszerűséget ma már nem kivételnek tekintik, hanem általános szabálynak.

Univerzumunk természeténél fogva pluralista, összetett. A struktúrák eltűnhetnek, de megjelenhetnek is. Egyes folyamatok a meglévő tudásszinttel determinisztikus egyenletekkel írhatók le, mások valószínűségi megfontolások bevonását igénylik. A korábbi hagyomány szerint az alapvető folyamatokat determinisztikusnak és visszafordíthatónak tekintették, a véletlenszerűséggel vagy visszafordíthatatlansággal összefüggő folyamatokat pedig az általános szabály alóli kivételként kezelték. Ma már mindenhol azt látjuk, hogy milyen fontos szerepet játszanak a visszafordíthatatlan folyamatok, ingadozások. A klasszikus fizika által vizsgált modellek, amint azt ma értjük, csak korlátozó helyzeteknek felelnek meg. Mesterségesen létrehozhatók, ha a rendszert egy dobozba helyezzük, és megvárjuk, amíg egyensúlyi állapotba kerül. A mesterséges lehet determinisztikus és visszafordítható. A természetes minden bizonnyal a véletlen és a visszafordíthatatlanság elemeit tartalmazza. Ez a megjegyzés elvezet bennünket egy új szemlélethez az anyagnak a Világegyetemben betöltött szerepéről. Az anyag már nem passzív szubsztancia, mechanisztikus világkép keretei között írják le, spontán tevékenység is jellemzi.

A termodinamika által a tudomány kincstárához nyújtott hozzájárulások egyike sem hasonlítható össze újdonságként a termodinamika híres második főtételével, amelynek megjelenésével az „idő nyila” először lépett be a fizikába. Az entrópia fogalmát azért vezették be, hogy megkülönböztessék a reverzibilis folyamatokat az irreverzibilisektől: az entrópia csak az irreverzibilis folyamatok eredményeként nő. Az általunk vizsgált folyamatok figyelemre méltó jellemzője, hogy az egyensúlyi feltételekről a nagyon nem egyensúlyi feltételekre való átmenet során az ismétlődő és általánostól az egyedi és specifikus felé haladunk.

Könyvünk első két részében a fizikai világ két ellentétes nézetét vizsgáljuk: a klasszikus dinamika statikus megközelítését és az entrópia fogalmán alapuló evolúciós szemléletet. A klasszikus mechanika időtlen megközelítése és az evolúciós megközelítés szembeállítása elkerülhetetlenné vált. Könyvünk harmadik részét a világ leírásának e két ellentétes megközelítése éles ütközésének szenteljük.

Van valami specifikus a dinamikus rendszerek szerkezetében, ami lehetővé teszi számukra, hogy „megkülönböztessék” a múltat ​​a jövőtől? Mekkora minimális komplexitás szükséges ehhez? Boltzmann már megértette, hogy szoros kapcsolatnak kell lennie a valószínűség és a visszafordíthatatlanság között. A múlt és a jövő megkülönböztetése, tehát a visszafordíthatatlanság csak akkor kerülhet bele egy rendszer leírásába, ha a rendszer kellően véletlenszerűen viselkedik. Az idő nyila annak a ténynek a megnyilvánulása, hogy a jövő nincs meghatározva.

Mindennapi tapasztalatunk azt mutatja, hogy alapvető különbség van idő és tér között. Mozoghatunk a tér egyik pontjáról a másikba, de nem forgathatjuk vissza az időt. Nem rendezhetjük át a múltat ​​és a jövőt. Mint később látni fogjuk, az idő visszafordításának lehetetlenségének ez az érzése mára pontos tudományos értelmet nyer. A megengedett („megengedett”) állapotokat a termodinamika második főtétele által tiltott állapotoktól egy végtelenül magas entrópiagát választja el.

ELSŐ RÉSZ. AZ UNIVERZÁLIS ILLÚZIÓJA

1. fejezet: AZ ÉRZET GYŐZETE

Newton nem próbálta megmagyarázni a gravitációt – az egyetemes gravitáció létezését Newton vitathatatlan tényként fogadta el. Hasonlóképpen minden más diszciplínát úgy kell felépíteni, hogy valamilyen központi megmagyarázhatatlan tényt vegyünk kiindulópontnak. Az orvosok Newton tekintélyén felbuzdulva lehetségesnek találták a vitalista koncepció aktualizálását, és egy „életerőről” beszélnek, amelynek használata a létfontosságú jelenségek leírásában a vágyott következetességet és szisztematikusságot adná. Az affinitás ugyanazt a célt szolgálja – egy különleges, tisztán kémiai erő, amely állítólag a molekulák kölcsönhatása során nyilvánul meg.

Minden más nem más, mint elegáns irodalom (és gyakran newtoni irodalom): jelenségként mutatták be a sztárok világában uralkodó harmóniát, a szelektív affinitást és az ugyanilyen szelektív ellenségeskedést, ami a kémiai vegyületek „társadalmi életének” megjelenését idézi elő. kiterjed az emberi társadalomra. Ezért nem meglepő, hogy ez az időszak a klasszikus tudomány aranykorának tűnt. Kétségtelen azonban, hogy a klasszikus tudomány aranykora véget ért. Most kezdjük világosabban látni a newtoni racionalitás határait. A tudomány és a természet új, következetesebb felfogása jelenik meg.

Egy új kezdet. Könyvünk első részében egyrészt a klasszikus tudomány által lehetővé tett párbeszédet ismertettük a természettel, másrészt a tudomány bizonytalan helyzetét a kulturális rendszer egészében. Van-e kiút ebből a meglehetősen nehéz helyzetből? Ebben a fejezetben az alternatív megismerési módok megvalósítására tett kísérletek közül néhányat tárgyaltunk. Figyelembe vettük a pozitivista nézőpontot is, amely elválasztja a tudományt a valóságtól.

A régiek számára a természet volt a bölcsesség forrása. A középkori természet Istenről beszélt. A modern időkben a természet annyira felelőtlenné vált, hogy Kant szükségesnek találta a tudomány és a bölcsesség, a tudomány és az igazság teljes szétválasztását. Ez a szakadás az elmúlt két évszázadban létezett. Eljött az idő, hogy véget vessünk ennek. Ami a tudományt illeti, megérett erre. Az első lépés a tudás lehetséges újraegyesítése felé, ahogyan most látjuk, az volt, hogy a XIX. hőelméletek, a termodinamika törvényeinek vagy „kezdeteinek” felfedezése. A termodinamika az, amelyik kronológiailag az első "bonyolultság tudománya".

MÁSODIK RÉSZ. A KOMPLEXITÁS TUDOMÁNYA

4. fejezet Az energia és az ipari korszak

A hő a gravitáció vetélytársa. A hővezetés elméletének megjelenése óta a matematika, a fizika és a newtoni tudomány már nem szinonimája. A fizikában két univerzális létezik: a hő és a gravitáció. Sőt, ahogy Comte később kénytelen volt beismerni, ez a két univerzális antagonista. A gravitáció a gravitációnak kitett tehetetlenségi tömegre hat anélkül, hogy a gravitáció más módon hatna rá, mint a mozgás révén, amelyet megszerez vagy továbbít. A hő átalakítja az anyagot, meghatározza az állapotváltozásokat, és változásokat okoz a belső tulajdonságokban. A Fourier-törvény az egyensúly fokozatos létrejöttét írja le. A hővezetés a hőmérséklet-eloszlás egyre inkább kiegyenlítődéséhez vezet, amíg az eloszlás a testben egyenletessé nem válik. Mindenki tudja, hogy a hőmérséklet-kiegyenlítés visszafordíthatatlan folyamat.

Az energiamegmaradás elve. 1847-ben Joule rájött, hogy a hő, az elektromosság és a mágnesesség felszabadulása vagy elnyelése, a kémiai reakciók lefolyása és a biológiai tárgyak között talált összefüggések „átalakulás” jellegűek. Az átalakítás gondolata, amely a "valami" mennyiségi megőrzésének posztulátumán alapul, annak minőségi változásaival, általánosítja azt, ami a mechanikai mozgás során történik. Mint már tudjuk, a teljes energia megmarad, míg a potenciális energia mozgási energiává alakul, és fordítva. Joule meghatározta a fizikai-kémiai átalakulások közös egyenértékét, amely lehetővé tette a megőrzött mennyiség mérését. Ezt a mennyiséget később "energia" néven ismerték. Az energiamegmaradás a legkülönfélébb fizikai, kémiai és biológiai rendszerek átalakulásai során az új folyamatok tanulmányozásának vezérelvévé vált. A termodinamika legfontosabb hozzájárulása a természettudományhoz az irreverzibilitás fogalma.

Hőmotorok és az idő nyila. Thomson kozmológiája a világot olyan gépként írta le, amelyben a hő csak bizonyos visszafordíthatatlan veszteségek és haszontalan disszipáció (szórás) árán alakul mozgássá. Ennek megfelelően csökkentek a mechanikai hatást kiváltani képes természetbeli különbségek. A világ ezeket a különbségeket használja fel az egyik átalakulásból a másikba való átmenet során, és hajlik a termikus egyensúly végső állapotára - "termikus halálra".

Az entrópia születése. 1865-ben Clausius bevezetett egy új fogalmat - az entrópiát. Clausius kezdetben egyértelmű különbséget kívánt tenni a konzerváció és a visszafordíthatóság fogalma között. Ellentétben a mechanikai átalakulásokkal, amelyeknél a reverzibilitás és a megmaradás egybeesik, a fizikai-kémiai átalakulás során az energia még akkor is megőrzhető, ha az átalakulás irreverzibilis. Ez különösen vonatkozik a súrlódásra, amikor a mozgás hővé alakul, túl kell lépnünk az energiamegmaradás törvényén, és meg kell találnunk a módot a Carnot-ciklusban zajló "hasznos" energiacsere és a visszafordíthatatlanul elveszett "disszipált" energia közötti különbség kifejezésére. . Pontosan ezt a lehetőséget kínálja a Clausius által bevezetett új, "entrópiának" nevezett függvény, amelyet általában betűvel jelölnek. S.

Az elszigetelt rendszerek esetében a jövő mindig a növekvő entrópia irányába mutat. Melyik rendszer lehetne jobban elszigetelve, mint a mi univerzumunk? Ez a gondolat képezte az alapját a termodinamika első és második törvényének Clausius által 1865-ben javasolt kozmológiai megfogalmazásának: a világ energiája állandó; a világ entrópiája a maximumra hajlik. Az entrópia növekedése már nem a veszteség szinonimája. Most a rendszeren belüli természetes folyamatokra utal. Ezeknek a folyamatoknak a hatására a rendszer termodinamikai „egyensúlyba” kerül, ami megfelel egy maximum entrópiájú állapotnak.

A reverzibilis transzformációk a klasszikus tudományhoz tartoznak abban az értelemben, hogy meghatározzák a rendszer befolyásolásának, a rendszer irányításának lehetőségét. Egy dinamikus objektum a kezdeti feltételek változtatásával vezérelhető. Hasonlóképpen a reverzibilis átalakulások alapján meghatározott termodinamikai üzem a peremfeltételek megváltoztatásával vezérelhető. A visszafordíthatatlanság kezelhetetlen változások formájában nyilvánul meg, amelyek akkor következnek be, amikor a rendszer kikerül az irányítás alól.

A visszafordíthatatlan folyamatok a természet által megnyilvánuló spontán belső tevékenység utolsó maradványainak tekinthetők, amikor az ember kísérleti eszközök segítségével próbálja megfékezni azt. Így a "negatív" tulajdonság - disszipáció - azt mutatja, hogy a dinamikus objektumokkal ellentétben a termodinamikai objektumok nem teljesen szabályozhatók. Néha „kiszabadulnak a kezükből”, spontán változáson mennek keresztül.

Tekintsük az entrópia növekedését dS rövid ideig dt. Egy ideális és valós hőgép esetében egészen más a helyzet. Az első esetben dS teljes mértékben kifejezhető a gép és a környezet közötti hőcserével. Beállíthat olyan speciális kísérleteket, amelyek során a rendszer hőt ad le ahelyett, hogy elnyeli azt. Az entrópia megfelelő növekedése ebben az esetben csak az előjelet változtatja meg. Az entrópia teljes növekményének egy ilyen összetevőjét fogjuk jelölni d e S. Visszafordítható abban az értelemben, hogy lehet pozitív és negatív is. A valódi gépeknél egészen más helyzettel állunk szemben. Bennük a reverzibilis hőátadás mellett visszafordíthatatlan folyamatok mennek végbe: hőveszteség, súrlódás stb. Ezek az entrópia vagy entrópiatermelés növekedését eredményezik a rendszeren belül. Az entrópia növekedése, amit jelölni fogunk dén S, nem válthat előjelet, ha a hőcsere megfordul a külvilággal. Mint minden visszafordíthatatlan folyamat (például a hővezetés), az entrópiatermelés mindig ugyanabban az irányban megy végbe. Más szóval, az érték d i S csak pozitív lehet, vagy visszafordíthatatlan folyamatok hiányában válhat golyóvá.

Egy termodinamikai rendszer esetében nem minden változás egyenértékű. Ez a bomlás fizikai jelentése dS =d e S +d i S. Spontán változás d i S, egyensúly felé, eltér a változástól d e S, amelyet a peremfeltételek (például a környezeti hőmérséklet) változtatásával határoznak meg és szabályoznak. Izolált rendszer esetén az egyensúly a nem egyensúlyi állapotok vonzási halmazaként vagy "vonzójaként" működik. Eredeti állításunk tehát általánosítható: az attraktor állapot felé történő evolúció eltér minden más változástól, különösen a változó peremfeltételek miatti változásoktól.

A természetben lehetetlenek azok a folyamatok, amelyekben a természet kevésbé részesíti előnyben a végső állapotot, mint a kezdeti állapotot. A határesetet reverzibilis folyamatok képviselik; bennük a természet egyformán preferálja mind a kiindulási, mind a végső állapotot, ezért az egyik állapotból a másikba való átmenet mindkét irányban megtörténhet. Milyen idegennek tűnik egy ilyen nyelv a dinamika nyelvéhez képest! A dinamikában a rendszer egy egyszer s mindenkorra megadott pálya mentén változik, anélkül, hogy elfelejtené a kiindulási pontot (hiszen a kezdeti feltételek meghatározzák a teljes pályát bármilyen időértékre). Izolált rendszer esetén minden nem egyensúlyi helyzet egy azonos típusú egyensúlyi állapot felé vezet evolúciót. Mire az egyensúly létrejön, a rendszer elfelejti kezdeti feltételeit, azaz. ahogyan elkészítették.

Két alapvetően különböző leírással állunk tehát szemben: a mozgás világában alkalmazható dinamikával és a termodinamika, a komplex rendszerek tudománya, amely belső képességgel rendelkezik, hogy az entrópia növekedése felé fejlődjön.

Boltzmann rendi elve. A termodinamika második főtétele két alapvetően fontos elemet tartalmaz: 1) "negatív", amely bizonyos folyamatok tilalmát fejezi ki, pl. lehetetlenségük (a hő átterjedhet a forró forrásból a hidegbe, de nem a hűtőszekrényből a fűtőberendezésbe); 2) „pozitív”, konstruktív. A második elem az első következménye: egyes folyamatok tilalma lehetővé teszi olyan függvény (entrópia) bevezetését, amely izolált rendszerek esetén monoton nő. Az entrópia izolált rendszerek attraktorjaként viselkedik.

A mikroszkopikus szintről a makroszkopikusra való átmenet problémái rendkívül gyümölcsözőnek bizonyultak a fizika egésze számára. Boltzmann volt az első, aki elfogadta a kihívást. A finom fizikai intuíció arra késztette, hogy ki kell dolgozni néhány új koncepciót, amelyek lehetővé teszik a pályák fizikájának általánosítását, kiterjesztve azt a termodinamika által leírt rendszerekre. Maxwell nyomdokait követve Boltzmann koncepcionális újításokat kezdett keresni a valószínűségszámításban.

Boltzmann volt az első, aki felismerte, hogy az entrópia visszafordíthatatlan növekedése felfogható az egyre növekvő molekuláris káosz megnyilvánulásának, a kezdeti aszimmetria fokozatos elfelejtésének, mivel az aszimmetria a komplexek számának csökkenéséhez vezet a megfelelő állapothoz képest. a valószínűség maximális értéke R. Miután erre a következtetésre jutott, Boltzmann úgy döntött, hogy azonosítja az entrópiát S a komplexek számával: az entrópia minden makroszkopikus állapotot azáltal jellemez, hogy hány módon érhető el. A híres Boltzmann rokonság S=k*lnP ugyanazt a gondolatot fejezi ki mennyiségileg. Arányossági tényező k ebben a formában az univerzális állandó, „Boltzmann-állandó” néven ismert. Boltzmann eredményei azt jelentik, hogy az irreverzibilis termodinamikai változás a valószínűbb állapotok felé történő változás, az attraktor állapot pedig egy valószínűségi maximumnak megfelelő makroszkopikus állapot.

A kezdeti feltételek elfelejtése azért lehetséges, mert bárhogyan is fejlődik a rendszer, végül a makroszkopikus káosz és maximális szimmetriaállapotnak megfelelő mikroszkopikus állapotok valamelyikébe kerül, mivel éppen az ilyen makroszkopikus állapotok alkotják a rendszer túlnyomó részét. minden lehetséges mikroszkopikus állapot. A legvalószínűbb állapot elérése után a rendszer csak kis távolságokra és rövid időre tér el attól. Más szóval, a rendszer csak az attraktor állapota körül ingadozik.

Carnot és Darwin. Az egyensúlyi struktúrák a mikroszkopikus elemek (molekulák, atomok) aktivitásának statisztikai kompenzációjának eredményének tekinthetők. Globális szinten az egyensúlyi struktúrák értelemszerűen inertek. Ugyanezen okból „halhatatlanok”: ha egyszer kialakult egy egyensúlyi struktúra, az izolálható és korlátlanul fenntartható anélkül, hogy a környezettel további interakcióba lépne. Ám amikor egy biológiai sejtet vagy várost vizsgálunk, egészen más helyzettel állunk szemben: ezek a rendszerek nemcsak nyitottak, hanem csak azért is léteznek, mert nyitottak. A külvilágból érkező anyag- és energiaáramlások táplálják őket. El tudjuk izolálni a kristályt, de ha a városokat és sejteket elvágják a környezetüktől, akkor meghalnak.

Hogyan lehet például a darwini evolúciót (a ritka események statisztikai szelekcióját) összekapcsolni az összes egyedi jellemző, minden ritka esemény statisztikai eltűnésével, amiről Boltzmann beszél? Boltzmann értelmezése a kezdeti feltételek elfelejtését, a kezdeti struktúrák „megsemmisítését” jelenti, míg a darwini evolúció önszerveződéssel, folyamatosan növekvő komplexitással társul.

Az egyensúlyi termodinamika volt a fizika első válasza a természet összetettségének problémájára. Ez a válasz az energia disszipációjában, a kezdeti feltételek elfelejtésében és a káosz felé való evolúcióban fejeződött ki. Mi a jelentősége az élőlények evolúciójának a termodinamika által leírt és egyre rendezetlenebb világban? Mi a kapcsolat a termodinamikai egyensúlyi idő és az egyre növekvő komplexitás felé vezető idő között?

5. fejezet A termodinamika fejlődésének három szakasza

Áramlás és teljesítmény. Az entrópia növekménye lehetővé teszi a kiterjesztést két tag összegére: a tagra d e S, amely a rendszer és a világ többi része közötti cseréhez kapcsolódik, és egy tagja d i S, amely a rendszeren belüli irreverzibilis folyamatok következtében létrejövő entrópia képződését írja le. A második tag mindig pozitív, kivéve termodinamikai egyensúlyban, amikor eltűnik. Egy elszigetelt rendszerhez ( d e S = 0) az egyensúlyi állapot a maximális entrópiájú állapotnak felel meg.

Adhatnak-e támpontot a kémiai folyamatok a kristály és a sejt viselkedése közötti különbségre? Lehetetlen figyelmen kívül hagyni a fizika és a kémia közötti alapvető fogalmi különbséget. A klasszikus fizikában legalábbis elképzelhetünk reverzibilis folyamatokat, például egy súrlódásmentes inga mozgását. Az irreverzibilis folyamatok figyelmen kívül hagyása a dinamikában mindig megfelel az idealizálásnak, de legalábbis bizonyos esetekben ez az idealizálás ésszerű. A kémiában teljesen más a helyzet. Az általa vizsgált folyamatok (a reakciósebességgel jellemezhető kémiai átalakulások) visszafordíthatatlanok. Emiatt a kémia nem redukálható a klasszikus vagy kvantummechanika mögöttes idealizálására, amelyben a múlt és a jövő egyenértékű szerepet játszik.

Lineáris termodinamika. A lineáris termodinamika leírja azoknak a rendszereknek a stabil, előre megjósolható viselkedését, amelyek olyan minimális aktivitási szintre hajlanak, amely kompatibilis az őket tápláló csíkokkal. Abból, hogy a lineáris nemegyensúlyi termodinamika, valamint az egyensúlyi termodinamika leírható egy potenciállal, nevezetesen az entrópia létrehozásával, az következik, hogy mind az egyensúly felé, mind a stacionárius állapot felé történő evolúció során a rendszer „elfelejti” a kezdeti állapotot. körülmények. A kezdeti feltételektől függetlenül a rendszer előbb-utóbb a peremfeltételek által meghatározott állapotba kerül.

Távol az egyensúlytól. Mindaddig, amíg az állapotvonzót a minimális potenciál határozza meg (például entrópia létrehozása), stabilitása garantált. Igaz, egy ingadozás kihozhatja a rendszert ebből a minimumból. De akkor a termodinamika második főtétele visszakényszeríti a rendszert az eredeti minimumra. Így a termodinamikai potenciál megléte "immunissá" teszi a rendszert a fluktuációkkal szemben. A potenciállal egy "stabil világot" írunk le, amelyben a rendszerek fejlődésük során statikus állapotba kerülnek, amely egyszer s mindenkorra létrejön számukra. De amikor a rendszerre ható termodinamikai erők kellően "nagyok" lesznek, és arra kényszerítik, hogy elhagyja a lineáris tartományt, akkor meggondolatlanság lenne az álló állapot stabilitását vagy ingadozásoktól való függetlenségét garantálni.

Ilyen állapotokban bizonyos ingadozások ahelyett, hogy elhalványulnának, felerősödnek, átveszik az uralmat az egész rendszeren, új rezsimre kényszerítve azt, amely minőségileg eltérhet az entrópiatermelés minimumának megfelelő stacionárius állapotoktól. Az ilyen jelenségek jól ismertek a hidrodinamikában - az áramlások elméletében. Például régóta ismert, hogy egy bizonyos sebesség mellett a lamináris áramlást turbulens áramlással lehet helyettesíteni.

A turbulenciát sokáig káosszal vagy zajjal azonosították. Ma már tudjuk, hogy ez nem így van. Bár makroszkopikus léptékben a turbulens áramlás teljesen rendezetlennek vagy kaotikusnak tűnik, mikroszkopikus léptékben erősen szervezettnek tűnik. A térbeli és időbeli skálák halmaza, amelyen a turbulencia játszódik, millió és millió molekula koherens viselkedésének felel meg. Ebből a szempontból a lamináris áramlásból a turbulenciába való átmenet önszerveződési folyamat. A Boltzmann-féle rend elve az entrópiát a valószínűséghez (a komplexek számához) kapcsolja R). Ez az arány érvényes ebben az esetben? A koherens mozgás azt jelenti, hogy sok molekula közel azonos sebességgel mozog (a sebesség terjedése kicsi). Egy ilyen eloszlás ilyen kis számú komplexnek felel meg R hogy az önszerveződés valószínűsége szinte nulla. Erősen egyensúlyhiányos körülmények között a Boltzmann-rendelv alapjául szolgáló valószínűség fogalma használhatatlanná válik: a megfigyelt struktúrák nem felelnek meg a komplexek maximumának. A kezdeti feltételek kiegyenlítésének és „elfelejtésének” tendenciája megszűnik általános tendencia lenni.

Új koncepciót vezettünk be - disszipatív szerkezet hangsúlyozni az ilyen helyzetekben fennálló szoros és első pillantásra paradox viszonyt egyrészt a struktúra és a rend, másrészt a szétszóródás vagy a veszteségek között.

A kémiai instabilitás küszöbén túl. Még egyszer hangsúlyozzuk, hogy a térszerkezetek spontán kialakulása milyen erősen ellentmond az egyensúlyi fizika törvényeinek és a Boltzmann-féle rendelvnek. Az ilyen struktúráknak megfelelő komplexek száma rendkívül kicsi az egyenletes eloszlásnak megfelelő komplexek számához képest. A nem egyensúlyi folyamatok azonban olyan helyzetekhez vezethetnek, amelyek klasszikus szemszögből elképzelhetetlennek tűnnek.

Első bevezetés a molekuláris biológiába. A kollektív amőbakolóniák kialakulása tipikus példája annak, amit „fluktuációkon keresztüli rendnek” nevezhetünk: a ciklikus AMP-t kibocsátó „vonzásközpont” kialakulása a normál tápközeg stabilitásának elvesztését jelzi, i. a tápanyagok kimerüléséről. Az a tény, hogy táplálékforráshiány esetén bármely amőba elkezdhet kémiai jeleket - ciklikus AMP - kibocsátani, és ezáltal más amőbák "vonzási központjává" válni, megfelel az ingadozások véletlenszerű természetének. Ebben az esetben a fluktuáció felerősödik, és rendezi a környezetet.

Elágazások és szimmetriatörés. Vizsgáljuk meg részletesebben, hogyan jön létre az önszerveződés, és milyen folyamatok indulnak el, ha túllépjük annak küszöbét. Egyensúlyi vagy gyengén nem egyensúlyi állapotban csak egy stacionárius állapot van, amely a szabályozási paraméterek értékétől függ. Jelöljük a szabályozási paramétert λ (ez lehet például egy anyag koncentrációja BAN BEN egy brüsszeliben. Kövessük nyomon, hogyan változik a rendszer állapota az érték növekedésével BAN BEN. A B koncentrációjának növelésével a rendszert egyre távolabbra visszük az egyensúlytól. Valami értékért BAN BEN elérjük a termodinamikai ág stabilitási küszöbét. Ezt a kritikus értéket általában ún bifurkációs pont.

Tekintsünk néhány tipikus bifurkációs diagramot. A bifurkációs ponton BAN BEN a termodinamikai ág instabillá válik a fluktuációk tekintetében (1. ábra). Kritikus értéknél λ C vezérlő paraméter λ A rendszer három különböző álló állapotban lehet: TÓL TŐL, EÉs D. Közülük kettő stabil, a harmadik instabil. Nagyon fontos hangsúlyozni, hogy az ilyen rendszerek viselkedése az őstörténetüktől függ. A vezérlőparaméter kis értékeivel kezdve λ és lassan növelve ezeket, nagy valószínűséggel leírjuk a pályát ABC. Éppen ellenkezőleg, a magas koncentrációktól kezdve xés a vezérlőparaméter állandó értékének fenntartása λ , nagy valószínűséggel eljutunk a ponthoz D. Így a végső állapot a rendszer történetétől függ. Eddig a történelmet használták a biológiai és társadalmi jelenségek értelmezésére. Egészen váratlanul derült ki, hogy az őstörténet egyszerű kémiai folyamatokban is szerepet játszhat.

Rizs. 1. Bifurkációs diagram. Stacionárius változó értékek x a diagramon a bifurkációs paraméter függvényeiként szerepelnek λ . A folytonos vonalak a stabil, a szaggatott vonalak az instabil álló állapotoknak felelnek meg. Az ág eléréséhez D, meg kell választani a kezdeti koncentrációt X 0 feletti értékeket x az ágnak megfelelő E.

Tekintsük az ábrán látható bifurkációs diagramot. 2. Abban különbözik az előző diagramtól, hogy a bifurkációs pontban két stabil megoldás jelenik meg. Ezzel kapcsolatban természetesen felmerül a kérdés: milyen úton halad a rendszer továbbfejlődése, miután elérjük a bifurkációs pontot? A rendszernek van „választéka”: két lehetőség közül egyet részesíthet előnyben, amelyek két nem egyenletes koncentráció-eloszlásnak felelnek meg. xűrben.

Rizs. 2. Szimmetrikus bifurkációs diagram. x a bifurkációs paraméter függvényében λ . Nál nél λ < λ C, csak egy stacionárius állapot van, amely stabil. Nál nél λ > λ C bármely értékhez két stacionárius állapot tartozik x(a korábbi stabil álló állapot elveszti stabilitását).

Elágazások zuhatagjai és átmenetek a káoszba. Egyes esetekben a bifurkációk sorozata visszafordíthatatlan evolúcióhoz vezet, és a karakterisztikus frekvenciák determinizmusa generálja az összes b ról ről Nagyobb véletlenszerűség a folyamatban részt vevő nagyszámú frekvencia miatt. Viszonylag a közelmúltban a tudósok figyelmét a káoszhoz vezető szokatlanul egyszerű út, a Feigenbaum-szekvencia hívta fel magára. A Feigenbaum által felfedezett minta minden olyan rendszerre érvényes, amelynek viselkedését egy nagyon általános tulajdonság jellemzi, nevezetesen: a paraméterértékek bizonyos tartományában a rendszer periodikus üzemmódban működik periódussal. T; a küszöb átlépésekor a periódus megduplázódik és egyenlővé válik 2T, a következő küszöb átlépésekor a periódus ismét megduplázódik és egyenlővé válik 4T stb. Így a rendszert perióduskétszerező bifurkációk sorozata jellemzi. A Feigenbaum-szekvencia az egyik tipikus útvonal, amely egy egyszerű periodikus rezsimből egy összetett aperiodikus rezsimbe vezet, amely a periódus végtelen megduplázódásával a határban fordul elő. Feigenbaum felfedezte, hogy ezt az utat univerzális állandók jellemzik, amelyek értéke nem függ a mechanizmus sajátosságaitól, mindaddig, amíg a rendszernek megvan az a minőségi tulajdonsága, hogy megduplázza az időszakot. (Bővebben Feigenbaum munkájáról lásd.)

A rendelésvezérlő paraméter értékével λ Mivel a rendszer számos stabil és instabil üzemmódban lehet, a "történelmi" pályát, amely mentén a rendszer a szabályozási paraméter növekedésével fejlődik, a stabil régiók váltakozása jellemzi, ahol a determinisztikus törvények dominálnak, és a bifurkációhoz közeli instabil régiók váltakozása. pontok, ahol a rendszernek lehetősége van több határidő közül egyet választani. Mind a kinetikai egyenletek determinisztikus jellege, amelyek lehetővé teszik a lehetséges állapotok halmazának előzetes kiszámítását és relatív stabilitásának meghatározását, mind a véletlenszerű ingadozások, amelyek a bifurkációs pont közelében lehetséges állapotok közül egyet „választanak”, szorosan összefüggenek. A szükség és a véletlen keveréke alkotja a rendszer „történelmét”.

Eukleidésztől Arisztotelészig. A disszipatív struktúrák egyik legérdekesebb jellemzője a koherencia. A rendszer egészében úgy viselkedik, mintha nagy hatótávolságú erők konténerje lenne. Annak ellenére, hogy a molekuláris kölcsönhatás erői rövid hatótávolságúak (10-8 cm-es nagyságrendű távolságban hatnak), a rendszer úgy épül fel, mintha minden molekula „informált” lenne a rendszer egészének állapotáról. Az élet spontán önszerveződés eredménye, amely kedvező körülmények között megy végbe.

Az erősen egyensúlyhiányos rendszert nem azért nevezhetjük szervezettnek, mert elemi szinten tevékenységtől idegen vagy az elsődleges tevékenységi megnyilvánulási körön túlmutató tervet valósít meg, hanem az ellenkező okból: a mikroszkopikus fluktuációk erősödése, amelyek az alapszinten jelentkeztek. A „megfelelő pillanat” egy reakcióút preferenciális kiválasztásához vezet egy sor a priori ugyanilyen lehetséges reakció közül. Ebből következően bizonyos feltételek mellett az egyik vagy másik egyéni rezsim szerepe meghatározóvá válik. Összegezve elmondható, hogy a viselkedés "átlagosan" nem tud uralkodni az azt alkotó elemi folyamatokon. Erősen nem egyensúlyi körülmények között az önszerveződési folyamatok a véletlen és a szükségszerűség, a fluktuációk és a determinisztikus törvények finom kölcsönhatásának felelnek meg. Úgy gondoljuk, hogy a bifurkációk közelében a fluktuációk vagy véletlenszerű elemek játsszák a főszerepet, míg a bifurkációk közötti intervallumokban a determinisztikus szempontok dominálnak.

6. fejezet. REND INDULÁSOK KERESZTÜL

Ingadozások és kémia. A determinisztikus, reverzibilis folyamatoktól a fizika a sztochasztikus és irreverzibilis folyamatok felé halad. Ez a szemléletváltás mélyreható hatással van a kémiára. A kémiai folyamatok, ellentétben a klasszikus dinamika pályáival, irreverzibilis folyamatoknak felelnek meg. A kémiai reakciók entrópia kialakulásához vezetnek. Mindeközben a klasszikus kémia továbbra is a kémiai evolúció determinisztikus leírására támaszkodik. A kémiai kinetika teoretikusainak fő "fegyvere" a differenciálegyenletek, amelyeket a reakcióban részt vevő anyagok koncentrációja elégít ki. Ismerve ezeket a koncentrációkat valamilyen kezdeti időpontban (és a megfelelő peremfeltételeket is, ha térbeli változóktól függő jelenségekről beszélünk, mint pl. a diffúzió), a későbbi időpontokban kiszámolhatjuk. Érdekes megjegyezni, hogy a kémia ilyen determinisztikus felfogása már nem felel meg a valóságnak, csak át kell váltani az erősen egyensúlytalan folyamatokra.

Amikor a rendszer a fejlődőben eléri a kettéválási pontot, a determinisztikus leírás használhatatlanná válik. A fluktuáció arra kényszeríti a rendszert, hogy válassza ki azt az ágat, amely mentén a rendszer további fejlődése megtörténik. A bifurkáción való áthaladás ugyanolyan véletlenszerű folyamat, mint az érme feldobása. Csak statisztikai leírás lehetséges. Ez a helyzet alapjaiban változtatja meg az atomok és molekulák alapján leírható mikroszkopikus szint és a makroszkopikus szint közötti kapcsolat hagyományos felfogását, amelyet olyan globális változókkal, mint például a koncentrációval írnak le. Sok esetben az ingadozások csak kis korrekciókat hajtanak végre.

Példaként vegyünk egy gázt N amelynek molekulái egy térfogatú edénybe vannak zárva V. Osszuk ezt a kötetet két egyenlő részre. Mennyi a molekulák száma x az egyikben? Itt x egy "véletlenszerű" változó, és várhatóan az értéke elég közel van ahhoz N/2. A valószínűségszámítás főtétele (az ún. nagy számok törvénye) lehetővé teszi a fluktuációk okozta hiba becslését. Lényegében a nagy számok törvénye azt mondja, hogy amikor mér x-os rendelési értékre számíthatunk. Egy nagy N a fluktuációk által okozott hiba is lehet nagy, de a fluktuációk által okozott relatív hiba általában nulla N. Amint a rendszer elég nagy lesz, a nagy számok törvénye lehetővé teszi az átlagértékek megkülönböztetését az ingadozásoktól (ez utóbbiak elhanyagolhatóak).

Nem egyensúlyi folyamatok esetén az ellenkező helyzet áll elő. A fluktuációk határozzák meg a rendszer evolúciójának globális kimenetelét. Az átlagok kisebb korrekciói helyett az ingadozások jelentősen megváltoztatják az átlagokat.

Néhány olvasónak tisztában kell lennie a Heisenberg-féle bizonytalansági összefüggésekkel, amelyek kissé váratlan módon fejezik ki a kvantumelmélet valószínűségi aspektusát. A kvantumelméletben megszűnik a koordináták és az impulzus egyidejű mérésének lehetősége, ami sérti a klasszikus determinizmust. Úgy vélték azonban, hogy ennek nincs hatása az ilyen makroszkopikus objektumok, például élő rendszerek leírására. De a fluktuációk szerepe erősen nem egyensúlyi rendszerekben azt mutatja, hogy ez nem így van. A véletlenszerűség makroszkopikus szinten is nagyon jelentős marad.

Ingadozások és összefüggések. A nagy számok törvénye lehetővé teszi a molekulák száma közötti összefüggések kiszámítását x a tér két pontjában, amelyek adott távolságra vannak egymástól. A számítások azt mutatják, hogy ilyen korreláció egyensúlyi körülmények között nem létezik. A molekula egyidejű megtalálásának valószínűsége x azon a ponton rés egy molekula X' azon a ponton r'(a ponton kívül r) egyenlő a molekula megtalálási valószínűségének szorzatával x azon a ponton rés a molekula megtalálásának valószínűsége X' azon a ponton r'(azt az esetet vesszük figyelembe, amikor a pontok közötti távolság rÉs r' nagy az intermolekuláris kölcsönhatás sugarához képest). A legújabb kutatások egyik legváratlanabb eredménye az volt, hogy a nem egyensúlyi régióban a helyzet drámaian megváltozik. Megjelennek a hosszú távú összefüggések. Az egymástól makroszkopikus távolságra elhelyezkedő részecskék megszűnnek függetlenek lenni. A helyi események "visszhangja" az egész rendszeren keresztül terjed.

A nagy hatótávolságú korrelációk még a makroszkopikus bifurkáció bekövetkezte előtt szervezik a rendszert. Ismét visszatérünk könyvünk egyik fő gondolatához: az egyensúlytalansághoz, mint a rend forrásához. Ebben az esetben a helyzet különösen egyértelmű. Egyensúlyi állapotban a molekulák egymástól függetlenül viselkednek: mindegyik figyelmen kívül hagyja a többit.

Az anyag aktivitása olyan nem egyensúlyi állapotokhoz kapcsolódik, amelyeket maga az anyag generál.

A fluktuációk felerősítése. Amint azt elméleti tanulmányok és numerikus szimulációk mutatják, a mag kritikus méretei a rendszer minden területét összekötő diffúziós mechanizmusok hatékonyságával nőnek. Más szóval, minél gyorsabban továbbítják a jelet a rendszeren belüli "kommunikációs csatornákon", annál nagyobb a hatástalan ingadozások százaléka, és ennek következtében a rendszer annál stabilabb. A kritikus méret problémájának ez az aspektusa azt jelenti, hogy ilyen helyzetekben a „külvilág”, pl. minden, ami körülveszi a fluktuáló régiót, mindig hajlamos kioltani az ingadozást. Az, hogy a fluktuációk elhalnak vagy felerősödnek, a fluktuáló régió és a külvilág közötti „kommunikációs csatorna” hatékonyságától függ. A kritikus dimenziókat tehát a rendszer „integráló ereje” és a fokozott fluktuációhoz vezető kémiai mechanizmusok közötti versengés határozza meg. Az általunk leírt modell különösen alkalmazható a közelmúltban in vitro a rákos daganatok kialakulásának kísérleti vizsgálatai során kapott eredményekre. Ezekben a vizsgálatokban egyetlen rákos sejtet olyan fluktuációnak tekintenek, amely képes spontán és folyamatosan megjelenni és szaporodni a replikáció révén. A felbukkanás után egy rákos sejt találkozik citotoxikus sejtpopulációval, és vagy meghal, vagy túlél. A rákos sejtek replikációját és pusztulását jellemző különböző paraméterek értékétől függően akár regressziót, akár daganatnövekedést jelezhetünk előre.

Gyakran felmerült a rendszer bonyolultságának határainak kérdése. Valójában minél összetettebb a rendszer, annál több a stabilitását veszélyeztető ingadozás. Megengedhető azonban a kérdés, hogy akkor hogyan léteznek olyan összetett rendszerek, mint az emberi társadalom ökológiai vagy társadalmi szerkezete? Hogyan tudják elkerülni az állandó káoszt? Az ilyen kérdésekre adott részleges válasz a rendszerek részei közötti kommunikáció, diffúziós folyamatok stabilizáló hatására való hivatkozás lehet. Összetett rendszerekben, ahol az egyes növény-, állat- és egyedfajok számos és változatos kölcsönhatásba lépnek, a rendszer különböző részei közötti kapcsolat nem lehet más, mint kellően hatékony. Verseny van a kommunikáció nyújtotta stabilitás és a fluktuációk miatti instabilitás között. A stabilitás küszöbe a verseny kimenetelétől függ.

szerkezeti stabilitás. Ebben a könyvben nagy figyelmet szentelnek a mikroszkopikus és a makroszkopikus kapcsolatnak. Az evolúcióelmélet egyik legfontosabb problémája a makroszkopikus struktúrák és a mikroszkopikus események közötti visszacsatolás: a mikroszkopikus eseményekből kialakuló makroszkopikus struktúráknak viszont a mikroszkopikus mechanizmusok megváltozásához kell vezetniük. Furcsa módon, de jelenleg a leginkább érthető esetek az emberi társadalomban felmerülő helyzetekhez kapcsolódnak. Amikor utat fektetünk vagy hidat építünk, megjósolhatjuk, hogy ez milyen hatással lesz a környező lakosság viselkedésére, ami viszont meghatározza a régión belüli kommunikáció jellegének és módszereinek változásait. Az ilyen összefüggő folyamatok nagyon összetett helyzeteket szülnek, és ezt a körülményt fel kell ismerni a modellezés megkezdésekor.

Logisztikai evolúció. A szerkezeti stabilitás fogalmát széles körben használják társadalmi problémákban. Hangsúlyozni kell azonban, hogy minden alkalommal a valós helyzet erőteljes leegyszerűsítéséről beszélünk, amelyet az önreplikációs folyamatok közötti versenyben írnak le egy korlátozott élelmiszer-forrásokkal rendelkező környezetben. Az ökológiában az ilyen problémát leíró klasszikus egyenletet ún logisztikai egyenlet. Leírja, hogyan alakul ki egy populáció N egyének, figyelembe véve a termékenységet, a mortalitást és a lakosság rendelkezésére álló erőforrások mennyiségét. A logisztikai egyenlet a következőképpen ábrázolható dN/dt =rN(K–N) -mN, ahol rés m jellemző születési és halálozási állandók, NAK NEK- a környezet „eltartó képessége”. Bármilyen kezdeti értékre N a rendszer végül elér egy stacionárius értéket N=K-m/r, a környezet teherbíró képessége és az állandó halandóság és születésszám aránya közötti különbség függvényében. Amikor ezt a stacionárius értéket elérjük, telítettség következik be: minden időpillanatban annyi egyed születik, ahány meghal.

Rizs. 3. Népességfejlődés N az idő függvényében t logisztikai görbe írja le. Álló állapot N=0 instabil és állandósult állapot N=K-m/r stabil a mennyiségi ingadozások tekintetében N

May felhívta a figyelmet az ilyen egyenletek egy figyelemreméltó tulajdonságára: egyszerűségük ellenére szokatlanul sok megoldást engednek meg. Paraméterértékekkel 0 < r< 2 az egyensúly monoton megközelítése figyelhető meg. Paraméterértékekkel 2 < r< 2,444 határciklus lép fel: kétéves periódusú periodikus rezsim figyelhető meg. Még nagyobb paraméterértékekhez r vannak négy-nyolc évesek stb. ciklus a periodikus rezsimek átviteléig (az értékekhez r 2,57-nél nagyobb) egy csak kaotikusnak nevezhető rezsimbe. Itt a káoszba való átmenetről van szó, a periódusok megkettőződésének sorozatán keresztül. Előfordul-e ilyen káosz a természetben? A legújabb tanulmányok szerint a természetben a valódi populációkat jellemző paraméterek nem teszik lehetővé, hogy elérjék a kaotikus régiót.

A komplexitás szimulációja. Modellünk egyszerűsége ellenére meglehetősen pontosan közvetíti az összetett rendszerek fejlődésének néhány jellemzőjét. Különösen a nagyszámú, egymással kölcsönhatásban lévő elemtől függő fejlődés „irányításának” nehézségeinek természetére világít rá. Minden egyes egyedi cselekvés vagy helyi beavatkozás a rendszerbe kollektív aspektust kap, ami teljesen váratlan globális változásokhoz vezethet. Jelenleg még keveset tudunk a rendszer legvalószínűbb reakciójáról egy adott változásra. Egy rendszer zavarra adott válasza gyakran az ellenkezője annak, amit intuíciónk mond. Csalódott várakozásainkat ebben a helyzetben jól tükrözi a Massachusetts Institute of Technology kifejezése. ellentétes az intuitív.

Például a nyomortelep-felszámolási program ahelyett, hogy javítana, ront a helyzeten. A lebontottak helyén épült új épületek több embert vonzanak a környékre, de ha nem kapnak munkát, továbbra is szegények, otthonaik még zsúfoltabbakká válnak. Megtanítottak bennünket arra, hogy lineáris ok-okozati összefüggésben gondolkodjunk, de most új „gondolkodási eszközökre” van szükségünk.

Vegyük például az ökológusok által tett különbséget NAK NEK-stratégiák és r- stratégiák ( NAK NEKÉs r a logisztikai egyenletben szereplő paraméterek). Az áldozatok populációjára jellemző evolúció a születési arány növekedése r, a ragadozók populációja számára pedig - a zsákmányfogási módszerek fejlesztése, i.e. együttható növekedés NAK NEK. De az emelkedés NAK NEK a logisztikai modell keretein belül olyan következményekkel jár, amelyek túlmutatnak a logisztikai egyenletek által leírt jelenségek körén. K A stratégia azt jelenti, hogy az egyén egyre inkább növeli képességét a tapasztalatokból való tanulásra és a felhalmozott információk emlékezetében való tárolására. Más szóval, az egyének egyre összetettebbé válnak, és egyre hosszabb érési és tanulási időszakokkal. Ez viszont azt jelenti, hogy az egyének egyre „értékesebbé” válnak, ami nagyobb „biológiai tőke” befektetést jelent, és hosszabb időn keresztül sebezhetővé válik. A „társadalmi” és „családi” kötelékek kialakulása tehát logikus következmény NAK NEK- stratégiák.

A komplex jelenségek modellezését óvatosan kell kezelni: összetett rendszerekben maguknak az entitásoknak a meghatározása és a köztük lévő kölcsönhatások az evolúció folyamatában változhatnak. Nemcsak a rendszer minden állapota, hanem maga a rendszer definíciója is, ahogy azt a modell leírja, általában instabil.

Nyitott világ. A biológiai és társadalmi evolúció hagyományos értelmezése nagyon szerencsétlenül alkalmazza a fizikából átvett fogalmakat és módszereket – sajnálatos, mert a fizika nagyon szűk területén alkalmazhatók, és a köztük és a társadalmi vagy gazdasági jelenségekkel való analógia minden alapot nélkülöz. Ennek első példája az optimalizálási paradigma. Mind az emberi társadalom irányítása, mind a rendszerre gyakorolt ​​szelektív „befolyások” működése a viselkedés vagy kommunikációs módok bizonyos aspektusainak optimalizálását célozza, de meggondolatlanság lenne az optimalizálásban látni a kulcsot a populációk és az egyének túlélésének megértéséhez. Azok, akik így gondolkodnak, abba a hibába eshetnek, hogy összetévesztik az okokat a következményekkel, és fordítva. Az optimalizálási modellek figyelmen kívül hagyják mind a radikális transzformációk lehetőségét (azaz olyan transzformációkat, amelyek megváltoztatják a probléma megfogalmazását és ezáltal a keresendő megoldás természetét), mind pedig az inerciális összefüggéseket, amelyek végső soron módba váltásra kényszeríthetik a rendszert. halálához vezető műtétről.

Akárcsak az olyan tanok, mint Adam Smith „láthatatlan vezető keze” vagy a haladás egyéb definíciói a kritériumok maximalizálása vagy minimalizálása szempontjából, az optimalizálási modellek megnyugtató képet festenek a természetről, mint mindenható és racionális kalkulátorról, valamint a rendkívül rendezett történelemről, amely az egyetemes, szigorú fejlődést jelzi. . A tehetetlenség és a váratlan események lehetőségének helyreállítása érdekében, pl. a történelem nyitott jellegének helyreállításához fel kell ismerni alapvető határozatlanságát.

HARMADIK RÉSZ. A LÉTŐL A VÁLÁSBA

7. fejezet

A kvantummechanika megjelenése. Az első fizikai elmélet, amely valóban szakított a múlttal, a kvantummechanika volt. Nemcsak elhelyezett minket a természetben, hanem a „nehéz” attribútumot is hozzárendelte, azaz. makroszkopikusan nagy számú atomból áll. Annak érdekében, hogy b ról ről Hogy jobban szemléltesse egy olyan univerzális állandó létezésének fizikai következményeit, mint a fénysebesség, Einstein elképzelte, hogy egy fotonon lovagol. De ahogy a kvantummechanika megmutatta, túl nehezek vagyunk ahhoz, hogy meglovagoljuk a fotonokat vagy elektronokat.

Az energia diszkrétségének vagy kvantálásának felfedezése nem érintkezett más fizikai jelenségekkel egészen addig, amíg Einstein nem javasolta a Planck-állandó első általános értelmezését. Einstein felismerte Planck felfedezésének messzemenő következményeit a fény természetére nézve, és radikálisan új koncepciót terjesztett elő: a hullám-részecske kettősséget (a fény esetében).

A fényhullámot frekvencia jellemzi ν és a hullámhossz λ . A Planck-állandó lehetővé teszi, hogy a frekvenciáról és a hullámhosszról a mechanikai mennyiségekre, például az energiára váltson ε és lendület R. közötti kapcsolatok ν És λ , valamint között ε És R Nagyon egyszerű ( ε = hν, p=h/λ ), és mindkettő tartalmazza a Planck-állandót h. Húsz évvel Einstein után Louis de Broglie általánosította a hullám-részecske kettősséget a fényről az anyagra. Ez a felfedezés szolgált kiindulópontul a kvantummechanika modern megfogalmazásához. Egy atom (és ez nagyon fontos!) csak az elektronok különböző pályáinak megfelelő diszkrét energiaszinteken létezhet.

A kvantummechanika alapgondolata, hogy a Hamilton-féle, mint a klasszikus mechanika más mennyiségei, mint például a koordináták q vagy impulzusok R, operátorként kell kezelni.

Heisenberg bizonytalansági viszonyok. A kvantummechanikában minden fizikai mennyiség egy operátornak felel meg, amely függvényekre hat. A számunkra érdekes operátor sajátfüggvényei és sajátértékei különösen fontos szerepet játszanak. A sajátértékek megfelelnek a mennyiség megengedett számértékeinek. A klasszikus mechanikában a koordináták és a nyomaték függetlenek abban az értelemben, hogy egy koordinátához bármilyen számértéket rendelhetünk, teljesen függetlenül attól, hogy milyen értéket adunk az impulzusnak. De a Planck-állandó létezése h a független változók számának csökkenéséhez vezet. Következésképpen a kvantummechanikai részecskék koordinátái és impulzusai többé nem független változók, mint a klasszikus mechanikában. A kvantummechanikában nincsenek olyan állapotok, amelyekben ez a két fizikai mennyiség (azaz a koordináta) qés lendület R) határozott jelentése lenne. Ezt a klasszikus mechanikában ismeretlen helyzetet fejezik ki a híres Heisenberg-féle bizonytalansági viszonyok. Helyzetet és lendületet mérhetünk, de értékükben bizonytalanságokat Δ qÉs Δp A Heiseiberg-egyenlőtlenség köti össze őket Δ qΔ p≥ h. Ha bizonytalanság Δ q a részecske pozíciójában, hogy tetszőlegesen kicsi legyen, akkor a bizonytalanság Δp lendületében a végtelenbe fordul, és fordítva.

A Heisenberg-féle bizonytalansági reláció szükségszerűen az okság fogalmának felülvizsgálatához vezet. A koordinátát abszolút pontossággal meg tudjuk határozni, de abban a pillanatban, amikor ez megtörténik, a lendület teljesen tetszőleges értéket vesz fel, legyen az pozitív vagy negatív. Ez azt jelenti, hogy az a tárgy, amelynek helyzetét abszolút pontosan meg tudtuk mérni, azonnal a kívánt távolságra mozog. A lokalizáció elveszti értelmét: a klasszikus mechanika alapját képező fogalmak mélyreható változásokon mennek keresztül a kvantummechanikára való átmenet során.

Abból a tényből, hogy a kvantummechanika arra kényszerít bennünket, hogy kevésbé határozottan beszéljünk egy objektum lokalizációjáról, az következik, ahogy Niels Bohr gyakran hangsúlyozta, hogy fel kell hagyni a klasszikus fizikával. Bohr esetében a Planck-konstans határozza meg a kvantumrendszer és a mérőeszköz egésze közötti kölcsönhatást, beleértve a mérési folyamat közbeni interakciót is, aminek eredményeként lehetőségünk nyílik számszerű értékeket rendelni a mért mennyiségekhez. Bohr szerint minden mérés magában foglalja a mérőeszköz kiválasztását, a megválaszolandó kérdés kiválasztását. Ilyen értelemben a válasz, i.e. a mérés eredménye nem ad hozzáférést ehhez a valósághoz. El kell döntenünk, hogy milyen mérést végzünk a rendszeren, és milyen kérdést tesznek fel a kísérleteink. Következésképpen a rendszer reprezentációinak redukálhatatlan sokasága létezik, amelyek mindegyike egy bizonyos operátorkészlethez kapcsolódik. Ez viszont azzal jár, hogy a kvantummechanika eltávolodik az objektivitás klasszikus felfogásától, mivel a klasszikus szempontból egyetlen objektív leírás létezik. Ez a rendszer teljes leírása „úgy, ahogy van”, függetlenül a megfigyelési módszer megválasztásától.

Bohr megfogalmazta a komplementaritás elvét, amely a Heisenberg-féle bizonytalansági viszonyok általánosításaként fogható fel. Mérhetjük a koordinátákat vagy a nyomatékot, de a koordinátákat és az impulzusokat nem. A rendszer fizikai tartalma nem korlátozódik egyetlen elméleti nyelvre sem, amelyen keresztül jól definiált értékeket felvenni képes változókat lehetne kifejezni. A rendszer különböző nyelvei és nézőpontjai opcionálisak lehetnek. Mindegyik ugyanahhoz a valósághoz kapcsolódik, de nem redukálódnak egyetlen leírásra.

Az igazi tanulság, amit levonhatunk a komplementaritás elvéből (amely más tudásterületek számára is fontos lecke) a valóság gazdagságának és sokszínűségének megállapítása, amely felülmúlja egyetlen nyelv, egyetlen logikai struktúra képi lehetőségeit. . Mindegyik nyelv a valóságnak csak egy részét képes kifejezni. A fizika által vizsgált valóság nem más, mint elménk konstrukciója, és nem csupán adott. Különbséget kell tenni a pozíció vagy impulzus absztrakt fogalma között, amelyet az operátorok matematikailag reprezentálnak, és ezek kísérletekkel elért numerikus megvalósítását. A „két kultúra” ellentétének egyik oka úgy tűnik, hogy abban a hitben rejlik, hogy az irodalom a valóság valamilyen konceptualizálásának, valami kitaláltnak felel meg, míg a tudomány az objektív valóságot fejezi ki. A kvantummechanika azt tanítja nekünk, hogy a helyzet nem ilyen egyszerű. A fogalomalkotás lényeges eleme a valóság minden szintjén benne van.

Ideiglenes deÉn vagyok a kvantumrendszerek evolúciója. A kvantummechanika a klasszikus mechanika változóinak csak a felét használja, így a klasszikus determinizmus alkalmazhatatlanná válik, és a kvantumfizika középpontjában a statisztikai megfontolások állnak. Ismét egy nagyon fontos eltéréssel állunk szemben a klasszikus elmélettől: csak a valószínűségek jósolhatók meg, az egyedi események nem. A fizika történetében másodszorra hivatkoznak valószínűségekre a természet néhány alapvető tulajdonságának magyarázatára. Boltzmann volt az első, aki valószínűségeket használt az entrópia értelmezésében. Boltzmann értelmezése azonban korántsem zárta ki azt a szubjektív nézőpontot, hogy „csak” tudásunk korlátai a rendszer összetettségével szemben akadályozzák a teljes leírást.

Akárcsak Boltzmann idejében, a valószínűségek használata a kvantummechanikában elfogadhatatlannak bizonyult sok fizikus számára (beleértve Einsteint is), akik „teljes” determinisztikus leírásra törekedtek. A reverzibilitás és az irreverzibilitás együttélése a kvantummechanikában azt jelzi, hogy a klasszikus idealizálás, amely a világot zárt rendszerként írja le, mikroszkopikus szinten lehetetlen. A visszafordíthatatlanság akkor lép be a klasszikus fizikába, amikor a pálya fogalmán alapuló idealizálás alkalmatlanná válik.

8. fejezet

Boltzmann áttörés. Boltzmann az entrópia "mechanikus" értelmezését kívánta adni. De Boltzmann konceptuális teljesítménye különösen nagy abban, hogy a termodinamika második főtételét megalapozó reverzibilis és irreverzibilis folyamatok közötti különbséget a makroszkopikusról a mikroszkopikus szintre csökkentette. A molekulák szabad mozgásából adódó sebességeloszlás változása a reverzibilis résznek, az ütközések eloszlásváltozásához való hozzájárulás pedig az irreverzibilis résznek felel meg. Boltzmann szerint ez volt az entrópia mikroszkopikus értelmezésének kulcsa. A Boltzmann-i áttörés egy új tudományos irány - a folyamatok fizikája - kialakulásának meghatározó állomása lett. Ideiglenes nál nél A Boltzmann-egyenletben az evolúciót már nem a Hamilton-féle határozza meg, amely az erők típusától függ. A Boltzmann megközelítésben a mozgást a folyamathoz kapcsolódó függvények, például a szórási keresztmetszet generálják.

9. fejezet

Az entrópia és az idő nyila. Az emberek két véglet között tétováztak: az irreverzibilitás fizikából való kizárása (Einstein ennek az iránynak a híve volt) és az irreverzibilitásnak a természeti jelenségek fontos jellemzőjeként való felismerése között (Whitehead a folyamatról alkotott koncepciójával ennek az iránynak a szóvivője lett). Jelenleg senki sem vonja kétségbe, hogy makroszkopikus szinten létezik visszafordíthatatlanság, és fontos építő szerepet játszik. Ezért a mikroszkopikus világban léteznie kell valaminek, ami makroszkopikus szinten nyilvánul meg, mint például a visszafordíthatatlanság. A mikroszkopikus elméletnek két, egymással szorosan összefüggő elemet kell figyelembe vennie. Mindenekelőtt Boltzmann nyomán kell követnünk az entrópia mikroszkopikus modelljét, amely idővel monoton módon változik. Ennek a változásnak kell beállítania az idő nyilát. Egy elszigetelt rendszer entrópiájának növekedése a rendszer öregedését fejezi ki.

Az irreverzibilitás mint a szimmetriatörés folyamata. Megfogalmazhatjuk a második elv belső jelentését. A kiválasztási elv státuszát kapja, kimondva, hogy a természetben a kétféle megoldás közül csak az egyik valósul meg és figyelhető meg. Ahol alkalmazható, a termodinamika második főtétele a természet belső polarizációját fejezi ki. Ez nem lehet magának a dinamikának a következménye. A második alapelv egy további szelekciós elv, amely megvalósulása után a dinamika továbbterjed.

Kijelenthetjük, hogy az instabilitás és a valószínűség között szoros kapcsolat van.

entrópia gát. Az idő egy irányba folyik: a múltból a jövőbe. Most már jobban megértjük, miért nem lehet „visszaforgatni” az időt. Egy végtelenül magas entrópiagát választja el a megengedett kezdeti állapotokat a tiltottaktól. Ezt a gátat a technikai fejlődés soha nem fogja legyőzni: végtelenül magas. Nincs más dolgunk, mint megválni egy időgép álmától, amely a múltba visz minket.

A hő és a mechanikai energia egyenértékű az energia-megmaradás szempontjából, de semmiképpen sem a második törvény szerint. Röviden: a mechanikai energia "magasabb" (koherensebb), mint a hő, és mindig hővé alakítható. Ennek a fordítottja nem igaz. Hasonló különbség van mikroszkopikus szinten az ütközések és a korrelációk között. Dinamikai szempontból az ütközések és a korrelációk egyenértékűek. Az ütközések összefüggéseket generálnak, és az összefüggések elpusztíthatják az ütközések következményeit. De jelentős különbség van az ütközések és az összefüggések között. Az ütközéseket ellenőrizhetjük, összefüggéseket generálhatunk, de nem tudjuk úgy irányítani az összefüggéseket, hogy a rendszerben az ütközések által okozott következményeket kiküszöböljük. Ez a lényeges különbség a dinamikában hiányzik, de a termodinamikában figyelembe vehető. Meg kell jegyezni, hogy a termodinamika sehol sem kerül konfliktusba a dinamikával. A termodinamika fontos kiegészítő elemet hoz a fizikai világ megértéséhez.

Az entrópia, mint a kiválasztás elve. Nem lehet csak meglepődni azon, hogy az irreverzibilis folyamatok mikroszkópos elmélete milyen erősen hasonlít a hagyományos makroszkopikus elmélethez. Mindkét elméletben az entrópiának van negatív aspektusa. A makroszkopikus elméletben az entrópia tilt bizonyos folyamatokat, például a hő áramlását egy hideg tárgyról a melegre. A mikroszkopikus elméletben az entrópia tiltja a kezdeti feltételek bizonyos osztályait. A tiltott és a megengedett különbséget az időben a dinamika törvényei tartják fenn. A negatív oldalból adódik a pozitív: az entrópia létezése annak valószínűségi értelmezésével együtt. A visszafordíthatatlanság már nem fordul elő csodával határos módon valamilyen makroszkopikus szinten. A makroszkopikus visszafordíthatatlanság csak annak a világnak az időorientált polarizált természetét teszi láthatóvá, amelyben élünk. Mint többször hangsúlyoztuk, a természetben vannak reverzibilis viselkedésű rendszerek, amelyek a klasszikus vagy a kvantummechanika törvényeinek keretein belül teljes mértékben leírhatók. De a legtöbb számunkra érdekes rendszer, beleértve az összes kémiai és következésképpen minden biológiai rendszert is, makroszkopikus szinten időorientált. Korántsem illuzórikus időbeni egyirányúságuk az időbeli szimmetria mikroszkopikus szintű megsértését tükrözi. A második törvény egy új anyagfogalomhoz vezet, amelynek leírására most rátérünk.

aktív anyag. Az entrópiát egy dinamikus rendszerrel összekapcsolva ezzel visszatérünk Boltzmann koncepciójához: a valószínűség egyensúlyi állapotban éri el a maximumot. A termodinamikai evolúció leírására használt szerkezeti egységek egyensúlyi állapotban kaotikusan viselkednek. Ezzel szemben gyengén nem egyensúlyi körülmények között korrelációk és koherencia keletkeznek. Itt jutunk el az egyik fő következtetésünkhöz: minden szinten, legyen az a makroszkopikus fizika szintje, a fluktuációk szintje vagy a mikroszkopikus szint, a rend forrása az egyensúlyhiány.

Foglaljuk össze az elért eredményeket. Könyvünk első és második részében többször is hangsúlyozták, hogy a makroszkopikus rendszerek szintjén a második törvény (és a hozzá kapcsolódó irreverzibilitás fogalma) kiemelkedő fontosságú. A harmadik részben arra törekedtünk, hogy bemutassuk, a makroszkopikus szint túllépésének lehetősége megnyílt, illetve hogy bemutassuk, mit jelent az irreverzibilitás mikroszkopikus szinten. A makroszkopikus szintről a mikroszkopikus szintre való átmenet megköveteli a fizika alapvető törvényeiről alkotott nézeteink alapvető felülvizsgálatát. Csak a klasszikus fogalmak teljes megszabadulásával (mint a kellően instabil rendszerek esetében) beszélhetünk „belső véletlenszerűségről” és „belső irreverzibilitásról”.

A helyzet, amellyel szembesülünk, nagyon hasonló a kvantummechanika helyzetéhez. Kétféle leírás lehetséges: vagy kiválasztunk egy pontot a fázistérben, és akkor nem tudjuk, hogy melyik partícióhoz tartozik, és ezért mi a belső kora, vagy ismerjük a belső kort, de akkor csak a partíciót ismerjük , és nem a pont pontos lokalizációja. Miután beléptünk a belső időbe T, az entrópia kiválasztási elvként használható a kezdeti leírástól való elmozduláshoz az eloszlásfüggvény segítségével R egy új leíráshoz az elosztási függvény segítségével R', amelynek van egy belső időnyila, amely összhangban van a termodinamika második főtételével. A fő különbség a között RÉs R' ezeknek a függvényeknek az operátor sajátfüggvényei szempontjából történő kiterjesztésében nyilvánul meg T. Funkcióban R minden belső kor, akár a múlthoz, akár a jövőhöz tartozik, szimmetrikusan lép be. Funkcióban R' nem úgy mint R a múlt és a jövő más-más szerepet tölt be: a múlt belép Rés a jövő továbbra is bizonytalan. A múlt és a jövő aszimmetriája azt jelenti, hogy létezik egy időnyila. Az új leírásnak van egy fontos jellemzője, amit érdemes megjegyezni: a változás kezdeti feltételei és törvényei már nem függetlenek egymástól. Az idő nyilaival ellátott állapot a törvény hatása alatt jön létre, az idő nyilaival is felruházva és átalakítva az államot, de megőrizve az idő nyilát.

A XX. század két nagy forradalma a fizikában. Két, a klasszikus mechanikától idegen tilalom a fizika alapvető szerkezetébe való belefoglalásához kapcsolódnak: a jelek fénysebességénél nagyobb sebességgel történő terjedésének lehetetlensége, valamint a koordináták és impulzusok egyidejű mérésének lehetetlensége. Nem meglepő, hogy a második törvény, amely az anyag aktív befolyásolására való képességünket is korlátozza, mélyreható változásokhoz vezet a fizika alaptörvényeinek szerkezetében. Könyvünk harmadik részét egy figyelmeztetéssel zárjuk. Az irreverzibilis folyamatok fenomenológiai elmélete ma már teljesen kidolgozottnak tekinthető. Ezzel szemben az irreverzibilis folyamatok mikroszkópos elmélete csak az első lépéseket teszi meg.

KÖVETKEZTETÉS. A földtől az égig: a természet új varázslatai

Nyílt tudomány. A tudomány természetesen magában foglalja a természetre gyakorolt ​​aktív hatást, de egyben kísérlet a természet megértésére, mélyebbre hatolni azokra a kérdésekre, amelyeket nem egy generáció tette fel. E kérdések egyike vezérmotívumként (szinte megszállottságként) hangzik e könyv lapjain, akárcsak a természettudomány és a filozófia történetében. A lét és a válás kapcsolatáról, a megváltoztathatatlanságról és a változásról szól. Könyvünk elején megemlítettük azokat a kérdéseket, amelyeken a szókratész előtti filozófusok gondolkodtak. Vajon a változás, amely minden dolgot előidéz és pusztulásra ítél, nem kívülről valami inert anyagra van rárakva? A változás nem az anyag belső önálló tevékenységének eredménye? Szükséges-e külső hajtóerő, vagy az anyag velejárója? A 17. század természettudománya. szemben állt az élőlények spontán és autonóm szerveződésének biológiai modelljével. Ugyanakkor a természettudománynak egy másik alapvető alternatívával kellett szembenéznie. A természet eredendően véletlenszerű? A rendezett viselkedés nem csak az atomok és instabil vegyületeik véletlenszerű ütközésének átmeneti eredménye?

A modern tudomány ellenállhatatlan vonzerejének egyik fő forrása az az érzés volt, hogy felfedezte a természet végtelen átalakulásának mélyén megbúvó örök törvényeket, és ezzel örökre száműzte az időt és a válást. A természetben a rend felfedezése az intellektuális bizonyosság érzését váltotta ki. Kerestünk általános, átfogó sémákat, amelyek lehetővé teszik az örök törvények nyelvén történő leírást, de találtunk időt, eseményeket, különféle átalakuláson átmenő részecskéket. A szimmetriát keresve meglepődve tapasztaltuk, hogy minden szinten – az elemi részecskéktől a biológiáig és az ökológiáig – szimmetriatöréssel járó folyamatokat találtunk. Könyvünkben leírtuk a benne rejlő időszimmetriával rendelkező dinamika és a termodinamika ütközését, amelyet az idő egyirányú irányultsága jellemez. Új egység bontakozik ki a szemünk előtt: a visszafordíthatatlanság a rend forrása minden szinten. A visszafordíthatatlanság az a mechanizmus, amely rendet teremt a káoszból.

Idő és idő. A fizikát több mint három évszázadon át az a nézet uralja, hogy az idő lényegében egy geometriai paraméter, amely lehetővé teszi a dinamikus állapotok sorozatának leírását.

entrópia gát. A második törvényt szelekciós elvként írtuk le: minden kezdeti feltétel valamilyen „információnak” felel meg. Minden olyan kezdeti feltétel, amelyre ez az információ véges, elfogadhatónak tekinthető. De az idő megfordításához végtelen információra van szükség; nem teremthetünk olyan helyzeteket, amelyek a múltba visznek bennünket! A múltba való utazás megakadályozása érdekében entrópiakorlátot emeltünk. Lehetetlen nem észrevenni egy érdekes analógiát az entrópia gát és a fénysebesség, mint a jelátvitel maximális sebessége között. Egy ilyen akadály szükséges ahhoz, hogy értelmet adjunk az okságnak. Az entrópia gátra is szükség van ahhoz, hogy értelmet adjon a jelzéseknek. A visszafordíthatatlanság és a jeladás szorosan összefügg. Wiener Norbert meggyőzően megmutatta, milyen szörnyű következményekkel járna az idő két irányának léte. Az entrópia gát az, amely garantálja az idő irányának egyediségét, az idő folyásának egyik irányból az ellenkezőjére való megváltoztatásának lehetetlenségét.

Csak a dinamika és a termodinamika egyesítése egy új szelekciós elv bevezetésével adja meg a második törvénynek a természettudományok evolúciós paradigmájának alapvető fontosságát. A természettudományos fogalmak szociológiára vagy közgazdaságtanra történő alkalmazásakor ügyelni kell.

színészek és nézők. Merleau-Ponty amellett érvelt, hogy a természettudomány „filozófiai” felfedezései, alapjainak fogalmi átalakulásai gyakran negatív felfedezések eredményeként következnek be, amelyek lendületként szolgálnak a kialakult nézetek felülvizsgálatához, és kiindulópontként szolgálnak az ellenkező nézőpont felé való elmozduláshoz. A lehetetlenség vagy a nemlétezés bizonyítékai (akár a relativitáselméletben, akár a kvantummechanikában vagy a termodinamikában) azt mutatják, hogy a természet nem írható le „kívülről”, a néző szemszögéből. A természet leírása élő párbeszéd, kommunikáció, és korlátok közé tartozik, jelezve, hogy makroszkopikus lények vagyunk elmerülve a valós fizikai világban.

A mai helyzetet hagyományosan diagram formájában ábrázolhatjuk (4. ábra). Kezdjük azzal, hogy egy megfigyelő méri a pozíciókat és a momentumokat, és meglátja, hogyan változnak az idők során. Mérései során felfedezést tesz: instabil rendszerek létezéséről és egyéb belső véletlenszerűséggel, belső irreverzibilitással járó jelenségekről értesül. De a belső irreverzibilitástól és entrópiától az erősen nem egyensúlyi rendszerekben lévő disszipatív struktúrák felé haladunk, ami lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük a megfigyelő időorientált tevékenységét. Nincs olyan tudományos tevékenység, amely ne lenne időorientált. A kísérlet előkészítése megköveteli az „előtte” és „utána” megkülönböztetést. A reverzibilis mozgást csak azért ismerjük fel, mert ismerjük az irreverzibilitást. Diagramunkból látható, hogy egy teljes kör leírása után visszatértünk a kiindulási ponthoz, és most úgy tekintjük magunkat, mint a leírt világ szerves részét. Ahhoz, hogy a makroszkopikus világ egy lakott világ legyen, amelyben "megfigyelők" élnek, azaz élővilág, az Univerzumnak erősen egyensúlytalan állapotba kell kerülnie.

Rizs. 4. Megfigyelő és természet

Forgószél a forrongó természetben. Charles S. Pierce: „Mindnyájan hallottatok már az energiaeloszlásról. Azt találták, hogy az energia bármely átalakulása során egy része hővé alakul, és a hő mindig kiegyenlíti a hőmérsékletet. Saját szükséges törvényei hatására a világ energiája kiszárad, a világ a halála felé halad, amikor az erők mindenhol megszűnnek, a hő és a hőmérséklet egyenletesen oszlik el... De bár ennek a tendenciának egyetlen erő sem tud ellenállni, a véletlen megakadályozhatja és meg is fogja akadályozni. Az erő végső soron disszipatív, a véletlen pedig koncentráló. A természet változhatatlan törvényei szerint, ugyanazon törvények alapján történő energiaeloszlás olyan körülményekkel jár, amelyek egyre kedvezőbbek a véletlenszerű energiakoncentrációnak. Elkerülhetetlenül eljön az a pont, amikor a két tendencia kiegyenlíti egymást. Ez az az állapot, amelyben most kétségtelenül az egész világ van.”

Túl a tautológián. A klasszikus tudomány világa olyan világ volt, amelyben csak a rendszer pillanatnyi állapotából származó események mehettek végbe. A klasszikus tudomány tagadta a természet kialakulását és sokféleségét. A klasszikus dinamika tárgyai önmagukban zártak. Kívülről nem tudnak semmit. A rendszer minden pontja az idő bármely pillanatában mindent tud, amit tudnia kell, nevezetesen a tömegek térbeli eloszlását és sebességét. Mindegyik állapot tartalmazza az összes igazságot az összes többi állapotról, összhangban a rendszerre rótt korlátokkal; mindegyik felhasználható más állapotok előrejelzésére, függetlenül azok relatív helyzetétől az időtengelyen.

A modern tudomány nézeteinek alapvető változása az időbeliségre és a pluralitásra való átmenet. A természettudományok mind makroszkopikus, mind mikroszkopikus szinten már nem használják az objektív valóság fogalmát, amelyből az örök és változatlan egyetemes törvények nevében az újdonság és a sokféleség elhagyásának igénye következett. A természettudományok megszabadultak a racionálisba, mint valami zártságba vetett vak hittől, és feladták a végső tudás elérhetőségének eszményét, ami már-már elértnek tűnt. A természettudományok ma már nyitottak minden váratlanra, amit már nem a tökéletlen tudás vagy az elégtelen kontroll eredményének tekintenek.

A belső világ állapota. A klasszikus tudomány ideálja a fizikai univerzum "átlátszó" képe volt. Minden esetben meg kellett volna jelezni az okot és annak okozatát. Ám amikor sztochasztikus leírásra van szükség, az oksági rész bonyolultabbá válik. Nem beszélhetünk többet az ok-okozati összefüggésről minden egyes kísérletben. Célszerű csak statisztikai ok-okozati összefüggésről beszélni.

A természet megújulása. Azok a gondolatok, amelyeknek a könyvben nagy figyelmet szenteltünk – a fluktuációk instabilitásával kapcsolatos elképzelések – kezdenek behatolni a társadalomtudományokba. Ma már tudjuk, hogy az emberi társadalom egy rendkívül összetett rendszer, amely képes hatalmas számú elágazáson átmenni, amint azt az emberi történelem viszonylag rövid időszaka alatt kialakult számos kultúra bizonyítja. Tudjuk, hogy az ilyen összetett rendszerek nagyon érzékenyek az ingadozásokra. Ez egyszerre ad reményt és szorongást: azt a reményt, hogy a kis ingadozások is felerősíthetik és megváltoztathatják egész szerkezetüket (ez különösen azt jelenti, hogy az egyéni tevékenység egyáltalán nincs értelmetlenségre ítélve); szorongás - mert világunk, úgy tűnik, örökre elvesztette a stabil, tartós törvények garanciáit.

Veszélyes és bizonytalan világban élünk, amely nem a vak bizonyosság érzését, hanem ugyanazt a mérsékelt remény érzését ébreszti, amelyet egyes talmudi szövegek a Genezis istenének tulajdonítanak: Huszonhat kísérlet előzte meg a világ megteremtését, és mindegyik kudarccal végződött. Az ember világa a korábbi próbálkozásokból visszamaradt törmelék káoszából keletkezett. Túl törékeny, és fennáll annak a veszélye, hogy újra semmivé válik. „Bízzunk benne, hogy ezúttal sikerült” – kiáltott fel Isten, miután megteremtette a világot, és ez a remény végigkísérte a világ és az emberiség egész későbbi történetét, s e történelem kezdetétől fogva hangsúlyozta, hogy az eltávolíthatatlan pecsétje fémjelezte. bizonytalanság.

Utószó. TERMÉSZETTUDOMÁNY ÉS FEJLESZTÉS: PÁRBESZÉD MÚLTVAL, JELEN ÉS JÖVŐVEL
V. I. Arshinov, Yu. L. Klimontovich, Yu. V. Sachkov

A fizikai, kémiai és biológiai rendszerekben zajló folyamatok két osztályba sorolhatók. Az első osztályba a zárt rendszerekben zajló folyamatok tartoznak. Egy egyensúlyi állapot létrejöttéhez vezetnek, amely bizonyos feltételek mellett a rendezetlenség lehető legnagyobb mértékének felel meg. Ezt az állapotot fizikai káosznak nevezzük. Az egyensúlyi állapotra vonatkozó modern elképzelések Boltzmann és Gibbs figyelemre méltó munkáihoz nyúlnak vissza, akik kimutatták, hogy az entrópia, amelyet Clausius vezetett be a termodinamikába, a statisztikaelmélet egyik fontos jellemzője, a statisztika állapotának rendezetlenségének vagy kaotikusságának mértéke. rendszer.

A második osztályba a nyílt rendszerekben zajló folyamatok tartoznak, amelyek során a fizikai káoszból struktúrák, disszipatív struktúrák születnek. Az önszerveződési folyamatokra jellemző a disszipatív struktúrák megjelenése az időbeli evolúció során a nyílt rendszerekben az egyre rendezettebb disszipatív struktúrák sorozatán keresztül. Az önszerveződés problémája a különböző rendszerekben természetesen nem új keletű. Számos kiemelkedő munkát szenteltek ennek a problémának a különböző aspektusainak. Különleges helyet foglalnak el köztük Charles Darwinnak az evolúció folyamatában zajló természetes kiválasztódásról szóló munkái.

Valamikor az volt a vélemény, hogy egyértelmű ellentmondás van Darwin elmélete és a termodinamika második főtétele között. Valóban, Darwin szerint a biológiai fejlődés folyamatában a struktúrák bonyolultabbá válnak, és a rendezettség mértéke nő. A termodinamika második főtétele szerint bármely zárt rendszerben a káosz (entrópia) mértéke az evolúció során növekszik. Ez a látszólagos ellentmondás megszűnt annak felismerésével, hogy az evolúciónak két alapvetően eltérő (fent említett) folyamata van: a zárt rendszerekben zajló folyamatok termikus egyensúlyhoz vezetnek (a mi terminológiánk szerint fizikai káosz), a nyitott rendszerekben pedig a folyamatok önszerveződés.

Platón és tanítványai elképzelései szerint a káosz (modern szóhasználattal) a rendszer olyan állapota, amely megmarad, mivel tulajdonságainak megnyilvánulási lehetőségei megszűnnek. A „struktúra” fogalma is rendkívül általános. A struktúra a rendszer elemeinek valamiféle szerveződése, összekapcsolása.

Arra a kérdésre, hogy "Mi a turbulencia?" nem könnyű válaszolni. Sokak számára szinte nyilvánvalónak tűnik, hogy a lamináris áramlásból a turbulens áramlásba való átmenet a rendezett mozgásból a kaotikusba való átmenet. „Sokáig a turbulenciát káosszal vagy zajjal azonosították. Ma már tudjuk, hogy ez nem így van. Bár makroszkopikus léptékben a turbulens áramlás teljesen rendezetlennek vagy kaotikusnak tűnik, mikroszkopikus léptékben erősen szervezettnek tűnik. A térbeli és időbeli skálák halmaza, amelyen a turbulencia játszódik, millió és millió molekula koherens viselkedésének felel meg. Ebből a szempontból a lamináris áramlásból a turbulenciába való átmenet önszerveződési folyamat. A rendszer energiájának egy része, amely a lamináris áramlásban a molekulák hőmozgásában volt, makroszkopikus szervezett mozgásba megy át.

Elméletre van szükség a különféle állapotok rendezettségi fokának számszerűsítéséhez nyitott rendszerekben, pl. a káoszból kibontakozó struktúrák rendezettségének mértéke. Természetesen a nem egyensúlyi folyamatok modern statisztikai elméletén kell alapulnia.

A szabályozási paraméterek megválasztásának (meghatározásának) kérdése az önszerveződés elméletében az egyik leglényegesebb és egyben legnehezebb. Számos rendparaméter jelenlétében az önszerveződés különféle módjai lehetségesek - különféle „forgatókönyvek” a káoszból a rend kialakulásához. Ezáltal lehetőség nyílik az optimális szabályozásra. A rendezettség fokának egyik jellemzőjeként (bizonyos további feltételek mellett) a Boltzmann-Gibbs entrópia használható.

Nem tűnik nyilvánvalónak az a lehetőség, hogy a Boltzmann-Gibbs entrópia segítségével számszerűsítsük a nyílt rendszerek önszerveződési folyamatainak rendezettségét. Az egyik esetben az egyensúlyi állapotba való evolúció egy elszigetelt rendszerben történik. Ebben az esetben a rendszer entrópiája monoton módon növekszik, és az egyensúlyi állapot elérésekor változatlan marad. Egy másik esetben a vezérlési paraméter különböző értékeinek megfelelő álló állapotok készletét veszik figyelembe. A vezérlőparaméter origója különösen úgy választható meg, hogy annak nulla értéke megfeleljen az "egyensúlyi állapotnak".

Aberráció - eltérés a normától; hiba, hiba, hiba.

Vitalizmus (a lat. vitalis - "létfontosságú") - a doktrína a jelenléte az élő szervezetekben egy megfoghatatlan természetfeletti erő, amely irányítja az életjelenségeket - "életerő". A vitalizmus elmélete azt feltételezi, hogy a biológiai szervezetekben zajló folyamatok ettől az erőtől függenek, és nem magyarázhatók fizikával, kémiával vagy biokémiával.

Ignoramus et ignorabimus (lat. „nem tudjuk, és nem is fogjuk tudni”) – idézet Emile Dubois-Reymond „A természet megismerésének határairól” című jelentéséből. A kifejezés jelentése abban rejlik, hogy Dubois-Reymond szerint soha nem lépjük át az emberi szellem számára meghatározott természetismereti határokat.

A logaritmus ebben a kifejezésben azt jelzi, hogy az entrópia egy additív mennyiség S1+2 = S1+S2, míg a P komplexek száma multiplikatív P 1+2 =P 1 *P2.

A ciklikus AMP (cAMP) számos biokémiai folyamatban, például a hormonális szabályozásban megtalálható anyag.

A Brusselator egy nemlineáris modell, amelyet Prigogine talált fel; Brüsszel városáról nevezték el, ahol dolgozott.

Az in vitro (lat. „üvegben”) olyan kísérletek végzésére szolgáló technológia, amikor a kísérleteket „kémcsőben” – élő szervezeten kívül – végzik. Ez a kifejezés ellentétben áll az in vivo kifejezéssel – élő szervezeten (személyen) végzett kísérlet.

Jamshid Garaedaghi a könyvben az ellenérzésről beszél, mint az egyik fő rendszerszemléletű elvről (a nyitottság, a céltudatosság, a többdimenziós és a megjelenés mellett).