Grāmatas konspekts: Iļja Prigožins - Kārtība no haosa. Šarlatāns Iļja Prigožins Prigožins Štengers pavēl no haosa

Reiz pagāju garām Iļjas Prigožina grāmatai "Pavēle no haosa". Vakar izlasīju - vienkārši prieks! Prigožins raksta no fizikas viedokļa par to pašu epiģenētiku, par tādu pašu pielāgošanās spēju kā Vadingtons, Šmalhauzens! Patīkami, ka ir "aiz" tāds cilvēks :)
Tālāk ir sniegti daži interesanti citāti (numurēti saskaņā ar Progress 1986. gada izdevumu):

194. lpp
Nelineārās termodinamikas pirmsākumi slēpjas kaut kas diezgan pārsteidzošs, fakts, ko no pirmā acu uzmetiena var viegli sajaukt ar neveiksmi: neskatoties uz visiem mēģinājumiem, minimālās entropijas veidošanas teorēmas vispārinājums sistēmām, kurās plūsmas vairs nav spēku lineāras funkcijas. izrādījās neiespējami. Tālu no līdzsvara, sistēma joprojām var attīstīties līdz stacionāram stāvoklim, taču šo stāvokli, vispārīgi runājot, vairs nenosaka atbilstoši izvēlēts potenciāls (analogi entropijas veidošanai vāji nelīdzsvarotiem stāvokļiem). Potenciālās funkcijas trūkums rada jautājumu: ko var teikt par to stāvokļu stabilitāti, uz kuriem sistēma attīstās? Patiešām, kamēr stāvokli-atraktoru nosaka minimālais potenciāls (piemēram, entropijas veidošanās), tā stabilitāte ir garantēta. Tiesa, svārstības var izvilkt sistēmas no šī minimuma. Bet tad otrais termodinamikas likums piespiedīs sistēmu atpakaļ uz sākotnējo minimumu. Tādējādi termodinamiskā potenciāla esamība padara sistēmu "imūnu" pret svārstībām. Izmantojot potenciālu, mēs raksturojam "stabilu pasauli", kurā sistēmas, attīstoties, pāriet statiskā stāvoklī, kas tām ir nodibināts uz visiem laikiem.

195. lpp
Dažkārt, rakstīja Lukrēcijs, visnenoteiktākajā laikā un visnegaidītākajās vietās mūžīgais un universālais atomu krišana piedzīvo nelielu novirzi - "klinamenu". Jaunais virpulis rada pasauli, visas lietas dabā. “Klinamens”, spontāna neparedzamā aberācija, bieži tiek kritizēta kā viens no vājākajiem punktiem Lukrēcijas fizikā, jo kaut kas tiek ieviests ad hoc. Faktiski ir otrādi: "klinamens" ir mēģinājums izskaidrot tādas parādības kā laminārās plūsmas stabilitātes zudums un tās spontāna pāreja uz turbulentu plūsmu. Mūsdienu šķidruma dinamikas eksperti pārbauda šķidruma plūsmas stabilitāti, ieviešot traucējumus, kas izsaka molekulārā haosa ietekmi, kas tiek uzklāta uz vidējo plūsmu. Mēs neesam tikuši tik tālu no Lukrēcija "klinamiem"!

198. lpp
Tādējādi sistēmas mijiedarbība ar ārējo pasauli, tās iegremdēšana nelīdzsvarotos apstākļos var kļūt par sākumpunktu jaunu dinamisku stāvokļu - izkliedējošu struktūru veidošanā. Izkliedējošā struktūra atbilst kādai supermolekulāras organizācijas formai. Lai gan parametrus, kas raksturo kristāla struktūras, var iegūt no to molekulu īpašībām, kas tos veido, un jo īpaši no savstarpējās pievilkšanās un atgrūšanas spēku darbības diapazona, Benarda šūnas, tāpat kā visas izkliedējošās struktūras, būtībā atspoguļo globālo situāciju nelīdzsvarotā sistēma, kas tos rada. Makroskopiskie parametri, kas tos raksturo, ir nevis 10–8 cm (kā attālumi starp molekulām kristālā), bet gan vairāki centimetri. Arī laika skalas ir dažādas: tās atbilst nevis molekulārajām skalām (piemēram, atsevišķu molekulu svārstību periodiem, t.i., apmēram 10–15 s), bet gan makroskopiskām, t.i. sekundes, minūtes vai stundas.

209. lpp
Savukārt daudzos no bioloģijas zināmos pašorganizēšanās piemēros reakcijas shēma ir vienkārša, savukārt vielu (olbaltumvielu, nukleīnskābju u.c.) reakcijā iesaistītās molekulas ir ļoti sarežģītas un specifiskas. Mūsu pieminētā atšķirība diez vai ir nejauša. Tas atklāj noteiktu primāro elementu, kas raksturīgs atšķirībai starp fiziku un bioloģiju. Bioloģiskām sistēmām ir pagātne. Molekulas, kas tās veido, ir iepriekšējās evolūcijas rezultāts; viņi tika atlasīti, lai piedalītos autokatalītiskos mehānismos, kas izstrādāti, lai radītu ļoti specifiskas organizācijas procesu formas.

216.-218.lpp
Pie noteiktas B vērtības mēs sasniedzam termodinamiskā atzara stabilitātes slieksni. Parasti šo kritisko vērtību sauc par bifurkācijas punktu. Apsveriet dažas tipiskas bifurkācijas diagrammas. Bifurkācijas punktā B termodinamiskā atzara kļūst nestabila attiecībā pret svārstībām. Pie vadības parametra L kritiskās vērtības Lc sistēma var būt trīs dažādos stacionāros stāvokļos: C, E un D. Divi no tiem ir stabili, trešais ir nestabils. Ir ļoti svarīgi uzsvērt, ka šādu sistēmu uzvedība ir atkarīga no to aizvēstures. Sākot ar mazām kontroles parametra L vērtībām un lēnām tās palielinot, ar lielu varbūtību aprakstīsim trajektoriju ABC. Gluži pretēji, sākot ar lielām koncentrācijas X vērtībām un saglabājot kontroles parametra L vērtību nemainīgu, mēs ar lielu varbūtību sasniegsim punktu D. Tādējādi galastāvoklis ir atkarīgs no sistēmas vēstures. Līdz šim vēsture tika izmantota bioloģisko un sociālo parādību interpretācijā. Pavisam negaidīti izrādījās, ka aizvēsturei var būt nozīme vienkāršos ķīmiskos procesos.

219. lpp
Varētu sagaidīt, ka, atkārtoti atkārtojot eksperimentu, izejot cauri bifurkācijas punktam, sistēma vidēji pusē gadījumu būs stāvoklī ar maksimālo koncentrāciju labajā pusē, bet pusē gadījumu - stāvoklis ar maksimālo koncentrāciju kreisajā pusē. Rodas vēl viens interesants jautājums. Apkārtējā pasaulē dažas vienkāršas fundamentālas simetrijas ir izjauktas

222. lpp
Ir svarīgi atzīmēt, ka atkarībā no ķīmiskā procesa, kas ir atbildīgs par bifurkāciju, iepriekš aprakstītais mehānisms var būt ārkārtīgi jutīgs. Kā jau minēts, matērija iegūst spēju uztvert atšķirības, kas līdzsvara apstākļos ir nemanāmas. Šāda augsta jutība liecina par vienkāršākajiem organismiem, piemēram, baktērijām, kas, kā zināms, spēj reaģēt uz elektriskajiem vai magnētiskajiem laukiem. Vispārīgāk tas nozīmē, ka ļoti nelīdzsvarotā ķīmijā ir iespējams "pielāgot" ķīmiskos procesus ārējiem apstākļiem. Tādā veidā stipri nelīdzsvarots reģions pārsteidzoši atšķiras no līdzsvara apgabala, kur pārejai no vienas struktūras uz otru ir nepieciešami spēcīgi traucējumi vai robežnosacījumu izmaiņas.

223.-224.lpp
Šādās situācijās nejaušas ārējās plūsmas svārstības, ko mēdz dēvēt par troksni, nekādā gadījumā nav kaitinošs traucēklis: tas rada kvalitatīvi jaunus režīmu veidus, kuru īstenošanai pie deterministiskām plūsmām būtu nesalīdzināmi sarežģītākas reakcijas shēmas. pieprasīt. Ir arī svarīgi atcerēties, ka nejaušs troksnis neizbēgami ir plūsmās jebkurā "dabiskā sistēmā".

230. lpp
Varētu uzskatīt, ka galvenais evolūcijas mehānisms ir balstīts uz bifurkāciju spēli kā mehānismu ķīmisko mijiedarbību noteikšanai un atlasei, kas stabilizē vienu vai otru trajektoriju. Šo ideju pirms aptuveni četrdesmit gadiem izvirzīja biologs Vadingtons. Lai aprakstītu stabilizētus attīstības ceļus, viņš ieviesa īpašu jēdzienu - kreods. Kā izdomājis Vadingtons, kreodam bija jāatbilst iespējamajiem attīstības ceļiem, kas rodas dubultā imperatīva – elastības un uzticamības – ietekmē.

240. lpp
Liela attāluma korelācijas organizē sistēmu pat pirms makroskopiskās bifurkācijas. Mēs atkal atgriežamies pie vienas no mūsu grāmatas galvenajām idejām: nelīdzsvarotības kā kārtības avota. Šajā gadījumā situācija ir īpaši skaidra. Līdzsvara stāvoklī molekulas uzvedas neatkarīgi: katra no tām ignorē pārējās. Šādas neatkarīgas daļiņas varētu saukt par hipnoniem ("somnambulistiem"). Katrs no tiem var būt patvaļīgi sarežģīts, bet tajā pašā laikā "ignorēt" citu molekulu klātbūtni. Pāreja uz nelīdzsvara stāvokli pamodina hipnonus un izveido saskaņotību, kas ir pilnīgi sveša viņu uzvedībai līdzsvara apstākļos.

Mūsu redzējums par dabu radikāli mainās uz daudzveidību, laicīgumu un sarežģītību. Rietumu zinātnē ilgu laiku dominēja mehānisks Visuma attēls. Šodien mēs saprotam, ka dzīvojam plurālistiskā pasaulē. Ir parādības, kas mums šķiet deterministiskas un atgriezeniskas. Tādas, piemēram, ir bezberzes svārsta vai Zemes kustības ap Sauli. Taču ir arī neatgriezeniski procesi, kas it kā nes laika bultu. Piemēram, ja tiek notecināti divi šķidrumi, piemēram, spirts un ūdens, pieredze liecina, ka laika gaitā tie sajaucas. Reversais process – maisījuma spontāna sadalīšanās tīrā ūdenī un tīrā spirtā – nekad netiek novērots. Tāpēc spirta un ūdens sajaukšanās ir neatgriezenisks process. Visa ķīmija būtībā ir bezgalīgs šādu neatgriezenisku procesu saraksts.

Ir skaidrs, ka papildus deterministiskajiem procesiem dažām fundamentālām parādībām, piemēram, bioloģiskā evolūcija vai cilvēku kultūru evolūcija, ir jāsatur kāds varbūtības elements. Pat zinātnieks, kurš ir dziļi pārliecināts par deterministisko aprakstu pareizību, diez vai uzdrošināsies apgalvot, ka Lielā sprādziena brīdī, t.i. mums zināmā Visuma dzimšana, mūsu grāmatas izdošanas datums tika ierakstīts dabas likumu plāksnēs. Klasiskā fizika fundamentālos procesus uzskatīja par deterministiskiem un atgriezeniskiem. Procesi, kas saistīti ar nejaušību vai neatgriezeniskumu, tika uzskatīti par kaitinošiem vispārējā noteikuma izņēmumiem. Šodien mēs redzam, cik lielu lomu visur spēlē neatgriezeniski procesi un svārstības.

Lai gan Rietumu zinātne ir kalpojusi par stimulu neparasti auglīgam dialogam starp cilvēku un dabu, dažas dabaszinātņu ietekmes uz cilvēka kultūru sekām ne vienmēr ir bijušas pozitīvas. Piemēram, "divu kultūru" pretnostatījums lielā mērā ir saistīts ar konfliktu starp klasiskās zinātnes pārlaicīgo pieeju un uz laiku orientēto pieeju, kas dominēja lielākajā daļā sociālo un humanitāro zinātņu. Taču pēdējo desmitgažu laikā dabaszinātnēs ir notikušas dramatiskas pārmaiņas, tikpat negaidītas kā ģeometrijas dzimšana vai grandiozais Visuma attēls, kas zīmēts Ņūtona Principia Mathematica. Mēs arvien vairāk apzināmies, ka visos līmeņos – no elementārdaļiņām līdz kosmoloģijai – lielu lomu spēlē nejaušība un neatgriezeniskums, kuru nozīme pieaug līdz ar mūsu zināšanu paplašināšanos. Zinātne no jauna atklāj laiku. Mūsu grāmata ir veltīta šīs konceptuālās revolūcijas aprakstam.

Attiecīgā revolūcija notiek visos līmeņos: elementārdaļiņu līmenī, kosmoloģijā, tā sauktās makroskopiskās fizikas līmenī, kas aptver atomu vai molekulu fiziku un ķīmiju, aplūkojot vai nu atsevišķi, vai globāli, kā tas tiek darīts, piemēram, šķidrumu vai gāzu izpētē. Iespējams, ka tieši makroskopiskā līmenī dabaszinātņu konceptuālajai revolūcijai var visskaidrāk izsekot. Klasiskā dinamika un mūsdienu ķīmija šobrīd piedzīvo radikālu pārmaiņu periodu. Ja mēs pirms dažiem gadiem fiziķim būtu jautājuši, kādas parādības viņa zinātne var izskaidrot un kādas problēmas paliek atklātas, viņš droši vien būtu atbildējis, ka mēs vēl neesam sasnieguši adekvātu izpratni par elementārdaļiņām vai kosmoloģisko evolūciju, bet mums ir diezgan apmierinošas zināšanas par procesi, kas notiek mērogos starp submikroskopisko un kosmoloģisko līmeni. Mūsdienās mazākums pētnieku, pie kuriem pieder šīs grāmatas autori un kas ar katru dienu pieaug, nedalās ar šādu optimismu: mēs tikai sākam saprast dabas līmeni, kurā dzīvojam, un tieši šajā līmenī mūsu grāmata koncentrējas uz.

Lai pareizi novērtētu notiekošo fizikas konceptuālo pārkārtošanu, šis process ir jāapsver atbilstošā vēsturiskā perspektīvā. Zinātnes vēsture nekādā gadījumā nav lineāra attīstība secīgu tuvinājumu sērijai kādai dziļai patiesībai. Zinātnes vēsture ir pilna ar pretrunām un negaidītiem pavērsieniem. Ievērojamu savas grāmatas daļu veltījām Rietumu zinātnes vēsturiskās attīstības shēmai, sākot ar Ņūtonu, t.i. no notikumiem pirms trīssimt gadiem. Mēs esam centušies zinātnes vēsturi ierakstīt domas vēsturē, lai integrētu to ar Rietumu kultūras attīstību pēdējo trīs gadsimtu laikā. Tikai tā mēs varam novērtēt tā brīža unikalitāti, kurā mums ir jādzīvo.

Zinātniskajā mantojumā, ko esam mantojuši, ir divi pamatjautājumi, uz kuriem mūsu priekšgājēji nespēja rast atbildi. Viens no tiem ir jautājums par haosa un kārtības attiecībām. Slavenais pieaugošās entropijas likums apraksta pasauli kā nepārtrauktu attīstību no kārtības uz haosu. Tajā pašā laikā, kā liecina bioloģiskā vai sociālā evolūcija, komplekss rodas no vienkāršā. Kā tas var būt? Kā struktūra var izkļūt no haosa? Tagad mēs esam panākuši zināmu progresu, atbildot uz šo jautājumu. Tagad mēs zinām, ka nelīdzsvarotība – matērijas vai enerģijas plūsma – var būt kārtības avots.

Bet ir vēl viens, vēl fundamentālāks jautājums. Klasiskā jeb kvantu fizika pasauli raksturo kā atgriezenisku, statisku. Viņu aprakstā evolūcijai nav vietas ne kārtībai, ne haosam. Informācija, kas iegūta no dinamikas, paliek nemainīga laikā. Pastāv skaidra pretruna starp statisko dinamikas ainu un termodinamikas evolūcijas paradigmu. Kas ir neatgriezeniskums? Kas ir entropija? Diez vai būs citi jautājumi, kas tik bieži tiktu apspriesti zinātnes attīstības gaitā. Tikai tagad mēs sākam sasniegt to izpratnes un zināšanu līmeni, kas ļauj mums vienā vai otrā pakāpē atbildēt uz šiem jautājumiem. Kārtība un haoss ir sarežģīti jēdzieni. Dinamikas sniegtajā statiskajā aprakstā izmantotās vienības atšķiras no vienībām, kas izmantotas, lai izveidotu evolūcijas paradigmu, ko izsaka entropijas pieaugums. Pāreja no vienas vienības uz otru noved pie jaunas matērijas koncepcijas. Matērija kļūst "aktīva": tā rada neatgriezeniskus procesus, un neatgriezeniski procesi organizē vielu.<...>

No kādiem klasiskās zinātnes priekšnosacījumiem mūsdienu zinātnei ir izdevies atbrīvoties? Parasti no tiem, kas bija vērsti ap fundamentālo tēzi, saskaņā ar kuru noteiktā līmenī pasaule ir vienkārša un pakļaujas laikā atgriezeniskiem pamatlikumiem. Šis viedoklis mums šodien šķiet pārmērīgs vienkāršojums. Sadalīt to nozīmē kļūt līdzīgiem tiem, kas ēkās redz tikai ķieģeļu kaudzi. Bet no tiem pašiem ķieģeļiem var uzbūvēt gan rūpnīcas ēku, gan pili, gan templi. Tikai aplūkojot ēku kopumā, mēs iegūstam spēju uztvert to kā laikmeta, kultūras, sabiedrības, stila produktu. Ir vēl viena diezgan acīmredzama problēma: tā kā apkārtējo pasauli neviens nav uzbūvējis, mēs saskaramies ar nepieciešamību sniegt tādu tās mazāko “ķieģeļu” (t.i., pasaules mikroskopiskās uzbūves) aprakstu, kas izskaidrotu. pašsavienošanās process.

Patiesības meklējumi, ko uzsākusi klasiskā zinātne, paši par sevi var kalpot kā lielisks piemērs dualitātei, kas skaidri izsekota visā Rietumeiropas domas vēsturē. Tradicionāli tika uzskatīta tikai par nemainīgu ideju pasauli, izmantojot Platona izteicienu, "izgaismojusi saprotamā saule". Tādā pašā nozīmē zinātnisko racionalitāti bija ierasts redzēt tikai mūžīgos un nemainīgos likumos. Viss īslaicīgais un pārejošais tika uzskatīts par ilūziju. Mūsdienās šādi viedokļi tiek uzskatīti par kļūdainiem. Mēs esam atklājuši, ka dabā būtisku lomu spēlē ne tuvu iluzora, bet diezgan reāla neatgriezeniskums, kas ir pamatā lielākajai daļai pašorganizēšanās procesu. Atgriezeniskums un stingrs determinisms apkārtējā pasaulē ir piemērojami tikai vienkāršos ierobežojošos gadījumos. Neatgriezeniskums un nejaušība vairs netiek uzskatīti par izņēmumu, bet gan par vispārēju noteikumu.<...>

Mūsdienās zinātniskās izpētes galvenais fokuss ir novirzījies no vielas uz attiecību, saikni, laiku.

Tik krasas perspektīvas izmaiņas nekādā gadījumā nav patvaļīga lēmuma rezultāts. Fizikā mūs uz to piespiež jauni neparedzēti atklājumi. Kurš būtu gaidījis, ka daudzas (ja ne visas) elementārdaļiņas būs nestabilas? Kurš gan būtu gaidījis, ka, eksperimentāli apstiprinot hipotēzi par Visuma paplašināšanos, mums būs iespēja izsekot apkārtējās pasaules vēsturei kopumā?

Līdz XX gadsimta beigām. esam iemācījušies labāk izprast divu lielo dabaszinātņu revolūciju nozīmi, kurām bija izšķiroša ietekme uz mūsdienu fizikas veidošanos: kvantu mehānikas un relativitātes teorijas radīšanu. Abas revolūcijas sākās ar mēģinājumiem koriģēt klasisko mehāniku, ieviešot tajā jaunatklātas universālas konstantes. Tagad situācija ir mainījusies. Kvantu mehānika mums ir devusi teorētisku pamatu, lai aprakstītu vienas daļiņas bezgalīgās pārvērtības citā. Tāpat vispārējā relativitāte ir kļuvusi par pamatu, uz kura mēs varam izsekot Visuma termiskajai vēsturei tā agrīnajos posmos.

Kā var pārvarēt šķietamo pretrunu starp deterministisko un nejaušo? Galu galā mēs dzīvojam vienā pasaulē. Kā tiks parādīts vēlāk, mēs tikai tagad sākam saprast visu ar nepieciešamību un nejaušību saistīto problēmu loka nozīmi. Turklāt dažādām mūsu novērotajām un aprakstītajām parādībām mēs piešķiram pilnīgi atšķirīgu un dažreiz tieši pretēju nozīmi nekā klasiskajai fizikai. Jau minējām, ka saskaņā ar agrāko tradīciju fundamentālie procesi tika uzskatīti par deterministiskiem un atgriezeniskiem, un procesi, vienā vai otrā veidā saistīti ar nejaušību vai neatgriezeniskumu, tika traktēti kā izņēmumi no vispārējā noteikuma. Šodien visur redzam, cik lielu lomu spēlē neatgriezeniski procesi, svārstības. Klasiskās fizikas aplūkotie modeļi, kā mēs tagad saprotam, atbilst tikai ierobežojošām situācijām. Tos var izveidot mākslīgi, ievietojot sistēmu kastē un gaidot, līdz tā nonāk līdzsvara stāvoklī.

Mākslīgais var būt deterministisks un atgriezenisks. Dabiskais noteikti satur nejaušības un neatgriezeniskuma elementus. Šī piezīme mūs ved pie jauna skatījuma uz matērijas lomu Visumā. Matērija vairs nav pasīva viela, kas aprakstīta mehānistiskā pasaules attēla ietvaros, to raksturo arī spontāna darbība. Atšķirība starp jauno pasaules uzskatu un tradicionālo ir tik dziļa, ka, kā jau minēts priekšvārdā, mēs pamatoti varam runāt par jaunu dialogu starp cilvēku un dabu.<...>

Divi siltuma teorijas pēcteči taisnā līnijā - zinātne par enerģijas pārveidošanu no vienas formas uz otru un siltumdzinēju teorija - kopīgi noveda pie pirmās "neklasiskās" zinātnes - termodinamikas - radīšanas. Nevienu no termodinamikas ieguldījumiem zinātnes kasē nevar salīdzināt ar slaveno otro termodinamikas likumu, ar kura parādīšanos fizikā pirmo reizi ienāca “laika bulta”. Vienpusējā laika ieviešana bija plašākas Rietumeiropas domāšanas kustības neatņemama sastāvdaļa. 19. gadsimtu pamatoti var saukt par evolūcijas gadsimtu: bioloģiju, ģeoloģiju un socioloģiju sāka dot 19. gadsimtā. pieaugoša uzmanība jaunu strukturālo elementu rašanās procesu izpētei, palielinot sarežģītību. Kas attiecas uz termodinamiku, tā balstās uz atšķirību starp divu veidu procesiem: atgriezeniskiem procesiem, kas nav atkarīgi no laika virziena, un neatgriezeniskiem procesiem, kas ir atkarīgi no laika virziena. Ar atgriezenisku un neatgriezenisku procesu piemēriem iepazīsimies turpmāk. Entropijas jēdziens tika ieviests, lai atšķirtu atgriezeniskos procesus no neatgriezeniskajiem: entropija palielinās tikai neatgriezenisku procesu rezultātā.

Visā 19. gs galvenā uzmanība tika pievērsta termodinamiskās evolūcijas beigu stāvokļa izpētei. 19. gadsimta termodinamika bija līdzsvara termodinamika. Nelīdzsvara procesi tika uzskatīti par sīkām detaļām, perturbācijām, mazām nenozīmīgām detaļām, kuras nav pelnījušas īpašu izpēti. Šobrīd situācija ir pilnībā mainījusies. Tagad mēs zinām, ka tālu no līdzsvara, spontāni var rasties jauna veida struktūras. Ļoti nelīdzsvarotos apstākļos var notikt pāreja no nekārtības, termiskā haosa uz kārtību. Var rasties jauni dinamiski matērijas stāvokļi, kas atspoguļo noteiktas sistēmas mijiedarbību ar vidi. Mēs nosaucām šīs jaunās struktūras izkliedējošas struktūras, cenšoties uzsvērt disipatīvo procesu konstruktīvo lomu to veidošanā.

Šajā grāmatā ir parādītas dažas no pēdējos gados izstrādātajām metodēm, lai aprakstītu, kā rodas un attīstās disipatīvās struktūras. Tos prezentējot, pirmo reizi tiksimies ar tādiem atslēgas vārdiem kā "nelinearitāte", "nestabilitāte", "svārstības", kā vadmotīvs izejot cauri visai grāmatai. Šī triāde ir sākusi caurstrāvot mūsu pasaules uzskatu ārpus fizikas un ķīmijas.

Apspriežot dabaszinātņu un humanitāro zinātņu pretnostatījumu, mēs esam citējuši Jesajas Berlina vārdus. Berlīne konkrēto un vienreizējo pretstatīja atkārtotajam un vispārīgajam. Ievērojama mūsu aplūkoto procesu iezīme ir tā, ka, pārejot no līdzsvara apstākļiem uz ļoti nelīdzsvarotiem apstākļiem, mēs pārejam no atkārtotiem un vispārīgiem uz unikāliem un specifiskiem. Patiešām, līdzsvara likumi ir ļoti vispārīgi: tie ir universāli. Kas attiecas uz matērijas uzvedību līdzsvara stāvokļa tuvumā, to raksturo "atkārtojamība". Tajā pašā laikā, tālu no līdzsvara, sāk darboties dažādi mehānismi, kas atbilst dažādu veidu izkliedējošu struktūru rašanās iespējai. Piemēram, tālu no līdzsvara, mēs varam novērot ķīmiskā pulksteņa rašanos - ķīmiskās reakcijas ar raksturīgu koherentu (konsekventu) periodisku reaģentu koncentrācijas maiņu. Tālu no līdzsvara, tiek novēroti arī pašorganizēšanās procesi, kas izraisa neviendabīgu struktūru - nelīdzsvara kristālu veidošanos.

Īpaši jāuzsver, ka šāda stipri nelīdzsvarotu sistēmu uzvedība ir diezgan negaidīta. Patiešām, katrs no mums intuitīvi iedomājas, ka ķīmiskā reakcija norit aptuveni šādi: molekulas “peld” telpā, saduras un, sadursmes rezultātā pārkārtojoties, pārvēršas jaunās molekulās. Haotisko molekulu uzvedību var pielīdzināt attēlam, ko krāso atomisti, aprakstot putekļu daļiņu kustību, kas dejo gaisā. Bet ķīmiskā pulksteņa gadījumā mēs saskaramies ar ķīmisku reakciju, kas nemaz nenotiek tā, kā mums saka mūsu intuīcija. Nedaudz vienkāršojot situāciju, varam konstatēt, ka ķīmiskā pulksteņa gadījumā visas molekulas maina savu ķīmisko identitāti vienlaikus, pareizajos laika intervālos. Ja iedomāties, ka sākotnējās vielas un reakcijas produkta molekulas ir iekrāsotas attiecīgi zilā un sarkanā krāsā, tad mēs redzētu, kā mainās to krāsa ķīmiskā pulksteņa ritmā.

Ir skaidrs, ka šādu periodisku reakciju nevar aprakstīt, pamatojoties uz intuitīviem priekšstatiem par molekulu haotisko uzvedību. Bija jauna, iepriekš nezināma veida pasūtījums. Šajā gadījumā ir vietā runāt par jaunu saskaņotību, par "komunikācijas" mehānismu starp molekulām. Tomēr šāda veida saite var rasties tikai stingri nelīdzsvarotos apstākļos. Interesanti atzīmēt, ka šāda saikne ir plaši izplatīta dzīvajā pasaulē. Tās esamību var uzskatīt par pašu bioloģiskās sistēmas definīcijas pamatu.

Jāpiebilst arī, ka izkliedējošās struktūras veids lielā mērā ir atkarīgs no tās veidošanās apstākļiem. Būtiska loma pašorganizācijas mehānisma izvēlē var būt ārējiem laukiem, piemēram, Zemes gravitācijas laukam vai magnētiskajam laukam.

Sākam saprast, kā, balstoties uz ķīmiju, iespējams uzbūvēt sarežģītas struktūras, sarežģītas formas, arī tādas, kas var kļūt par dzīvības priekštečiem. Spēcīgi nelīdzsvarotās parādībās ir ticami konstatēta ļoti svarīga un negaidīta matērijas īpašība: turpmāk fizika var pamatoti aprakstīt struktūras kā sistēmas pielāgošanas formas ārējiem apstākļiem. Vienkāršākajās ķīmiskajās sistēmās mēs sastopamies ar sava veida prebioloģisko adaptācijas mehānismu. Nedaudz antropomorfā valodā var teikt, ka līdzsvara stāvoklī matērija ir “akla”, savukārt ļoti nelīdzsvarotos apstākļos tā iegūst spēju uztvert ārējās pasaules atšķirības (piemēram, vājus gravitācijas un elektriskos laukus) un “ tos savā darbībā ņemt vērā.

Protams, dzīvības izcelsmes problēma joprojām ir ļoti grūta, un mēs negaidām tai tuvākajā nākotnē nekādu vienkāršu risinājumu. Tomēr ar mūsu pieeju dzīve pārstāj pretoties "parastajiem" fizikas likumiem, cīnīties pret tiem, lai izvairītos no tai sagatavotā likteņa - nāves. Gluži pretēji, dzīvība mums šķiet kā sava veida izpausme pašiem apstākļiem, kādos atrodas mūsu biosfēra, tostarp ķīmisko reakciju nelinearitāte un ļoti nelīdzsvaroti apstākļi, ko biosfērai uzliek saules starojums.

Mēs detalizēti apspriežam jēdzienus, kas ļauj aprakstīt izkliedējošu struktūru veidošanos, piemēram, bifurkāciju teorijas jēdzienus. Jāuzsver, ka bifurkācijas punktu tuvumā esošajās sistēmās ir novērojamas būtiskas svārstības. Šādas sistēmas it kā “vilcinās”, izvēloties vienu no vairākiem evolūcijas ceļiem, un slavenais lielo skaitļu likums, ja to saprot kā parasti, pārstāj darboties. Nelielas svārstības var kalpot kā sākums evolūcijai pilnīgi jaunā virzienā, kas krasi mainīs visu makroskopiskās sistēmas uzvedību. Līdzība ar sociālajām parādībām un pat ar vēsturi neizbēgami liecina par sevi. Tālu no domām par nejaušības un nepieciešamības pretnostatīšanu, mēs uzskatām, ka abiem aspektiem ir būtiska loma nelineāru, stipri nelīdzsvarotu sistēmu aprakstā.

Apkopojot, mēs varam teikt, ka mūsu grāmatas pirmajās divās daļās mēs aplūkojam divus pretējus uzskatus par fizisko pasauli: klasiskās dinamikas statisko pieeju un evolūcijas skatījumu, kas balstīts uz entropijas jēdziena izmantošanu. Konfrontācija starp šādām pretējām pieejām ir neizbēgama. To jau sen ir kavējis tradicionālais uzskats par neatgriezeniskumu kā ilūziju, tuvinājumu. Cilvēks ieviesa laiku mūžīgā Visumā. Mums nav pieņemams tāds neatgriezeniskuma problēmas risinājums, kurā neatgriezeniskums tiek reducēts uz ilūziju vai ir noteiktu tuvinājumu sekas, jo, kā mēs tagad zinām, neatgriezeniskums var būt kārtības, saskaņotības, organizētības avots.

Konfrontācija starp klasiskās mehānikas mūžīgo pieeju un evolucionāro pieeju kļuva neizbēgama. Mūsu grāmatas trešā daļa ir veltīta šo divu pretējo pasaules aprakstīšanas pieeju asajai sadursmei. Tajā mēs detalizēti aplūkojam tradicionālos neatgriezeniskuma problēmu risināšanas mēģinājumus, kas vispirms tika veikti klasiskajā un pēc tam kvantu mehānikā. Īpaša loma tajā bija Bolcmaņa un Gibsa novatoriskajam darbam. Tomēr mēs varam pamatoti apgalvot, ka neatgriezeniskuma problēma lielākoties ir palikusi neatrisināta.<...>

Tagad mēs varam precīzāk spriest par laika jēdziena izcelsmi dabā, un šis apstāklis noved pie tālejošām sekām. Neatgriezeniskumu makroskopiskajā pasaulē ienes otrais termodinamikas likums – nesamazinošas entropijas likums. Tagad mēs saprotam otro termodinamikas likumu arī mikroskopiskā līmenī. Kā tiks parādīts vēlāk, otrais termodinamikas likums pilda atlases noteikuma funkcijas - sākotnējo nosacījumu ierobežojumus, kas izplatās turpmākajos laikos saskaņā ar dinamikas likumiem. Tādējādi otrais likums mūsu dabas aprakstā ievieš jaunu, nesamazināmu elementu. Otrais termodinamikas likums nav pretrunā ar dinamiku, bet nav no tā atvasināms.

Jau Bolcmans saprata, ka starp varbūtību un neatgriezeniskumu ir jābūt ciešai saistībai. Atšķirība starp pagātni un nākotni un līdz ar to neatgriezeniskums var iekļauties sistēmas aprakstā tikai tad, ja sistēma uzvedas pietiekami nejauši. Mūsu analīze apstiprina šo viedokli. Patiešām, kāda ir laika bulta deterministiskajā dabas aprakstā? Kāda ir tā nozīme? Ja nākotne kaut kādā veidā ir ietverta tagadnē, kas satur arī pagātni, tad ko īsti nozīmē laika bultiņa? Laika bulta ir fakta izpausme, ka nākotne nav noteikta; ka, pēc franču dzejnieka Pola Valērī vārdiem, "laiks ir konstrukcija".

Mūsu ikdienas dzīves pieredze liecina, ka pastāv būtiska atšķirība starp laiku un telpu. Mēs varam pārvietoties no viena telpas punkta uz otru, bet mēs nevaram pagriezt laiku atpakaļ. Mēs nevaram pārkārtot pagātni un nākotni. Kā redzēsim vēlāk, šī laika apgriešanas neiespējamības sajūta tagad iegūst precīzu zinātnisku nozīmi. Pieļaujamie (“atļautie”) stāvokļi ir atdalīti no stāvokļiem, ko aizliedz otrais termodinamikas likums, ar bezgalīgi augstu entropijas barjeru. Fizikā ir daudz citu šķēršļu. Viens no tiem ir gaismas ātrums. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām signāli nevar pārvietoties ātrāk par gaismas ātrumu. Šīs barjeras esamība ir ļoti svarīga: bez tās cēloņsakarība sabruktu putekļos. Tāpat entropijas barjera ir priekšnoteikums, lai saitei piešķirtu precīzu fizisko nozīmi. Iedomājieties, kas notiktu, ja mūsu nākotne būtu citu cilvēku pagātne!<...>

Bet, iespējams, vissvarīgākais sasniegums ir tas, ka struktūras, kārtības problēma tagad parādās mūsu priekšā no citas perspektīvas. Kā tiks parādīts nodaļā. 8, no klasiskās vai kvantu mehānikas viedokļa nevar būt evolūcijas ar vienvirziena laiku. "Informācija", kā to var definēt dinamikas izteiksmē, laika gaitā paliek nemainīga. Tas izklausās paradoksāli. Ja sajaucam divus šķidrumus, tad nekāda "evolūcija" nenotiks, lai gan tos nav iespējams atdalīt, neizmantojot kādu ārēju ierīci. Gluži pretēji, entropijas nesamazināšanās likums apraksta divu šķidrumu sajaukšanos kā evolūciju uz "haosu" vai "traucējumu", visticamāko stāvokli. Tagad mums jau ir viss nepieciešamais, lai pierādītu abu aprakstu savstarpējo konsekvenci: runājot par informāciju vai kārtību, katru reizi ir nepieciešams no jauna definēt aplūkojamās vienības. Svarīgs jaunais fakts ir tāds, ka tagad mēs varam izveidot precīzus noteikumus pārejai no viena veida vienībām uz cita veida vienībām. Citiem vārdiem sakot, mums izdevās iegūt mikroskopisku evolūcijas paradigmas formulējumu, kas izteikts ar otro termodinamikas likumu. Šis secinājums mums šķiet svarīgs, jo evolūcijas paradigma aptver visu ķīmiju, kā arī būtiskas bioloģijas un sociālo zinātņu daļas. Patiesība mums nesen atklājās. Pašlaik fizikā notiekošo pamatjēdzienu pārskatīšanas process vēl ne tuvu nav pabeigts. Mūsu mērķis nepavisam nav izcelt atzītos zinātnes sasniegumus, tās stabilos un droši noteiktos rezultātus. Vēlamies pievērst lasītāja uzmanību jauniem zinātniskās darbības gaitā dzimušiem jēdzieniem, tās perspektīvām un jaunām problēmām. Mēs skaidri saprotam, ka esam tikai jauna zinātniskās izpētes posma pašā sākumā.<...>

Mēs uzskatām, ka esam ceļā uz jaunu sintēzi, jaunu dabas priekšstatu. Varbūt kādreiz mums izdosies sapludināt kopā Rietumu tradīciju, kas akcentē eksperimentēšanu un kvantitatīvu formulēšanu, un tādu tradīciju kā ķīniešu, ar priekšstatiem par spontāni mainīgu, pašorganizējošu pasauli. Ievada sākumā mēs citējām Žaka Monoda vārdus par cilvēka vientulību Visumā. Viņa secinājums ir šāds:

“Senā [cilvēka un dabas] savienība ir iznīcināta. Cilvēks beidzot apzinās savu vientulību Visuma vienaldzīgajā bezgalībā, no kuras viņš nejauši izcēlies.

Mono, šķiet, ir pareizi. Senā savienība tiek iznīcināta līdz zemei. Taču savu likteni mēs redzam nevis sērojot par pagātni, bet gan mēģinot atrast vadmotīvu, kas ved uz kaut kādu vienotu pasaules ainu mūsdienu dabaszinātņu neparastajā daudzveidībā. Katrs lielais dabaszinātņu vēstures periods noved pie sava dabas modeļa. Klasiskajai zinātnei šāds modelis bija pulkstenis, 19. gadsimtā - industriālās revolūcijas periodā - tvaika dzinējs. Kas mums kļūs par simbolu? Šķiet, ka mūsu ideālu vispilnīgāk izsaka tēlniecība, sākot no senās Indijas vai Centrālamerikas mākslas pirmskolumba laikmetā līdz pat modernajai mākslai. Dažos no perfektākajiem tēlniecības paraugiem, piemēram, dejojošā Šivas figūrā vai Gerrero tempļu miniatūrajos modeļos skaidri jūtami meklējumi pēc netveramas pārejas no atpūtas uz kustību, no apstāšanās laika uz laiku plūstošu. Mēs esam pārliecināti, ka tieši šī konfrontācija nosaka mūsu laika unikālo identitāti.<...>

Savienojot entropiju ar dinamisku sistēmu, mēs atgriežamies pie Bolcmaņa koncepcijas: varbūtība sasniedz maksimumu līdzsvara stāvoklī. Strukturālās vienības, kuras mēs izmantojam, lai aprakstītu termodinamisko evolūciju, līdzsvara stāvoklī uzvedas haotiski. Turpretim vāji nelīdzsvarotos apstākļos rodas korelācijas un saskaņotība.

Šeit mēs nonākam pie viena no mūsu galvenajiem secinājumiem: visos līmeņos, neatkarīgi no tā, vai tas ir makroskopiskās fizikas līmenis, svārstību līmenis vai mikroskopiskais līmenis, kārtības avots ir nelīdzsvarotība. Līdzsvara trūkums ir tas, kas rada "kārtību no haosa". Bet, kā jau minējām, kārtības (vai nekārtības) jēdziens ir sarežģītāks, nekā varētu domāt. Tikai ārkārtējos gadījumos, piemēram, retinātās gāzēs, tas iegūst vienkāršu nozīmi saskaņā ar Boltzmann novatoriskajiem darbiem.<...>

Mūsu pārliecību par dabas "racionalitāti" tagad daļēji ir satricinājusi mūsdienu dabaszinātņu straujā izaugsme. Kā minēts priekšvārdā, mūsu redzējums par dabu ir būtiski mainījies. Tagad mēs ņemam vērā tādus pārmaiņu aspektus kā daudzveidība, atkarība no laika un sarežģītība. Dažas pārmaiņas, kas notikušas mūsu skatījumā uz pasauli, ir aprakstītas šajā grāmatā.

Mēs meklējām vispārīgas, visaptverošas shēmas, kas ļautu aprakstīt mūžīgo likumu valodā, bet atradām laiku, notikumus, daļiņas, kas piedzīvo dažādas pārvērtības. Meklējot simetriju, mēs bijām pārsteigti, ka visos līmeņos — no elementārdaļiņām līdz bioloģijai un ekoloģijai — atklājām procesus, ko pavada simetrijas pārrāvums. Mēs savā grāmatā esam aprakstījuši sadursmi starp dinamiku ar tai raksturīgo simetriju laikā un termodinamiku, ko raksturo vienvirziena laika virzība.

Mūsu acu priekšā parādās jauna vienotība: neatgriezeniskums ir kārtības avots visos līmeņos. Neatgriezeniskums ir mehānisms, kas rada kārtību no haosa.

Prigožins I., Štengers I. Kārtība no haosa. Jauns dialogs starp cilvēku un dabu. M., 1986. S. 34-37, 47-50, 53-61, 65-66, 357, 363.

Grāmatas Order Out of Chaos autori parāda, ka mašīnu laikmetā galvenā zinātne koncentrējas uz stabilitāti, kārtību, viendabīgumu un līdzsvaru. Tas galvenokārt pēta slēgtas sistēmas un lineāras attiecības, kurās neliels signāls ieejā izraisa nelielu reakciju izejā. Prigožina paradigma ir īpaši interesanta, jo tā koncentrējas uz realitātes aspektiem, kas ir raksturīgākie pašreizējam paātrināto sociālo pārmaiņu posmam: nekārtība, nestabilitāte, daudzveidība, nelīdzsvarotība, nelineāras attiecības, kurās neliels ievades signāls var izraisīt patvaļīgu spēcīga izvades reakcija.

Prigožina darbi veido jaunu, visaptverošu teoriju. Ļoti vienkāršotā veidā šīs teorijas būtība ir šāda. Dažas Visuma daļas patiešām var darboties kā mehānismi. Tās ir slēgtas sistēmas, taču labākajā gadījumā tās veido tikai nelielu daļu no fiziskā Visuma. Lielākā daļa mūs interesējošo sistēmu ir atvērtas – tās apmainās ar enerģiju vai matēriju (var piebilst: un informāciju) ar vidi. Bioloģiskās un sociālās sistēmas neapšaubāmi pieder pie atvērto sistēmu skaita, kas nozīmē, ka jebkurš mēģinājums tās izprast mehānistiskā modeļa ietvaros acīmredzot ir lemts neveiksmei.

Manuprāt, Prigožina grāmata varētu interesēt vadītājus, kā vēl vienu konstrukciju sistemātiskā skatījuma uz organizācijām veidošanā (sk. arī Džeimss Gleiks. Haoss. Jaunas zinātnes radīšana).

Prigožims I., Štengers I. Kārtība no haosa: jauns dialogs starp cilvēku un dabu. - M.: Progress, 1986. - 432 lpp.

Ja mēs izmantojam Prigožina terminoloģiju, tad varam teikt, ka visās sistēmās ir apakšsistēmas, kas pastāvīgi svārstās. Dažkārt atsevišķas svārstības vai svārstību kombinācija var kļūt (pozitīvas atsauksmes rezultātā) tik spēcīga, ka iepriekš pastāvošā organizācija neiztur un sabrūk. Šajā pagrieziena punktā (bifurkācijas punktā) būtībā nav iespējams paredzēt, kādā virzienā notiks tālāka attīstība: vai sistēmas stāvoklis kļūs haotisks, vai tā pāries uz jaunu, diferencētāku un augstāku sistēmas līmeni. pasūtījums.

Fakti, kas atklāti un saprasti ļoti nelīdzsvara stāvokļu un nelineāru procesu izpētes rezultātā, apvienojumā ar diezgan sarežģītām sistēmām, kas apveltītas ar atgriezenisko saiti, noveda pie pilnīgi jaunas pieejas radīšanas, kas ļauj izveidot saikni starp fundamentālās zinātnes un “perifērās” dzīvības zinātnes un, iespējams, pat izprot dažus sociālos procesus. (Attiecīgie fakti sociālajā, ekonomiskajā vai politiskajā realitātē ir tikpat, ja ne pat svarīgāki. Tādi vārdi kā "revolūcija", "ekonomiskā krīze", "tehnoloģiskā maiņa" un "paradigmas maiņa" iegūst jaunas nokrāsas, kad mēs sākam domāt par atbilstošajiem jēdzieniem attiecībā uz svārstībām, pozitīvām atsauksmēm, izkliedējošām struktūrām, bifurkācijām un citiem Prigožina skolas konceptuālās leksikas elementiem.)

Uzsverot, ka neatgriezeniskais laiks nav novirze, bet gan raksturīga iezīme lielai daļai Visuma, Prigožins un Stengers grauj pašus klasiskās dinamikas pamatus. Autori uzskata, ka izvēle starp atgriezeniskumu un neatgriezeniskumu nav viena no divām vienādām alternatīvām. Atgriezeniskums (vismaz, ja runājam par pietiekami lieliem laika periodiem) ir raksturīgs slēgtām sistēmām, neatgriezeniskums - pārējā Visuma daļā.

Zinātniskajā mantojumā, ko esam mantojuši, ir divi pamatjautājumi, uz kuriem mūsu priekšgājēji nespēja rast atbildi. Viens no tiem ir jautājums par haosa un kārtības attiecībām. Znamjas 1. Entropijas palielināšanas likums apraksta pasauli kā nepārtrauktu attīstību no kārtības uz haosu. Tajā pašā laikā, kā liecina bioloģiskā vai sociālā evolūcija, komplekss rodas no vienkāršā. Kā struktūra var izkļūt no haosa? Nelīdzsvarotība – matērijas vai enerģijas plūsma – var būt kārtības avots. Bet ir vēl viens, vēl fundamentālāks jautājums. Klasiskā jeb kvantu fizika pasauli raksturo kā atgriezenisku, statisku. Pastāv skaidra pretruna starp statisko dinamikas ainu un termodinamikas evolūcijas paradigmu. Kas ir neatgriezeniskums? Kas ir entropija?

IEVADS IZAICINĀJUMS ZINĀTNEI

No kādiem klasiskās zinātnes priekšnosacījumiem mūsdienu zinātnei ir izdevies atbrīvoties? Parasti no tiem, kas bija centrēti ap fundamentālo tēzi, saskaņā ar kuru noteiktā līmenī pasaule ir sakārtota vienkārši un pakļaujas fundamentālajiem likumiem, kas ir atgriezeniski laikā. Šis viedoklis mums šodien šķiet pārmērīgs vienkāršojums. Tā kā apkārtējo pasauli neviens nav būvējis, mēs saskaramies ar nepieciešamību sniegt tādu tās mazāko “ķieģeļu” (ti, pasaules mikroskopiskās uzbūves) aprakstu, kas izskaidrotu pašizkopšanas procesu.

Mēs esam atklājuši, ka dabā būtisku lomu spēlē ne tuvu iluzora, bet diezgan reāla neatgriezeniskums, kas ir pamatā lielākajai daļai pašorganizēšanās procesu. Atgriezeniskums un stingrs determinisms apkārtējā pasaulē ir piemērojami tikai vienkāršos ierobežojošos gadījumos. Neatgriezeniskums un nejaušība vairs netiek uzskatīti par izņēmumu, bet gan par vispārēju noteikumu.

Pēc savas būtības mūsu Visums ir plurālistisks, sarežģīts. Struktūras var pazust, bet tās var arī parādīties. Dažus procesus ar esošo zināšanu līmeni var aprakstīt, izmantojot deterministiskus vienādojumus, citi prasa varbūtības apsvērumu iesaisti. Saskaņā ar agrāko tradīciju fundamentālie procesi tika uzskatīti par deterministiskiem un atgriezeniskiem, un procesi, vienā vai otrā veidā saistīti ar nejaušību vai neatgriezeniskumu, tika uzskatīti par izņēmumiem no vispārējā noteikuma. Šodien visur redzam, cik lielu lomu spēlē neatgriezeniski procesi, svārstības. Klasiskās fizikas aplūkotie modeļi, kā mēs tagad saprotam, atbilst tikai ierobežojošām situācijām. Tos var izveidot mākslīgi, ievietojot sistēmu kastē un gaidot, līdz tā nonāk līdzsvara stāvoklī. Mākslīgais var būt deterministisks un atgriezenisks. Dabiskais noteikti satur nejaušības un neatgriezeniskuma elementus. Šī piezīme mūs ved pie jauna skatījuma uz matērijas lomu Visumā. Matērija vairs nav pasīva viela, kas aprakstīta mehānistiskā pasaules attēla ietvaros, to raksturo arī spontāna darbība.

Nevienu no termodinamikas ieguldījumiem zinātnes kasē nevar salīdzināt ar slaveno otro termodinamikas likumu, ar kura parādīšanos fizikā pirmo reizi ienāca “laika bulta”. Entropijas jēdziens tika ieviests, lai atšķirtu atgriezeniskos procesus no neatgriezeniskajiem: entropija palielinās tikai neatgriezenisku procesu rezultātā. Ievērojama mūsu aplūkoto procesu iezīme ir tā, ka, pārejot no līdzsvara apstākļiem uz ļoti nelīdzsvarotiem apstākļiem, mēs pārejam no atkārtotiem un vispārīgiem uz unikāliem un specifiskiem.

Pirmajās divās mūsu grāmatas daļās mēs aplūkojam divus pretējus uzskatus par fizisko pasauli: klasiskās dinamikas statisko pieeju un evolūcijas skatījumu, kas balstīts uz entropijas jēdziena izmantošanu. Konfrontācija starp klasiskās mehānikas mūžīgo pieeju un evolucionāro pieeju kļuva neizbēgama. Mūsu grāmatas trešā daļa ir veltīta šo divu pretējo pasaules aprakstīšanas pieeju asajai sadursmei.

Vai dinamisko sistēmu struktūrā ir kaut kas specifisks, kas ļauj tām "atšķirt" pagātni no nākotnes? Kāda ir minimālā sarežģītība šim nolūkam? Jau Bolcmans saprata, ka starp varbūtību un neatgriezeniskumu ir jābūt ciešai saistībai. Atšķirība starp pagātni un nākotni un līdz ar to neatgriezeniskums var iekļauties sistēmas aprakstā tikai tad, ja sistēma uzvedas pietiekami nejauši. Laika bultiņa liecina par to, ka nākotne nav noteikta.

"Mūsu laikos gan fizika, gan metafizika faktiski kopīgi nonāk pie pasaules jēdziena (kā! Izrādās, metafizika valda... tavi Feerbahi un Marksi bija muļķi! Nav brīnums, ka I.P. tik cītīgi filtrē visu 19. gadsimta otro pusi - tur ir pamatīgs diamats, un kas ka radās briesmīgais dialektiskais materiālisms?! -JC)
...
Klasiskā zinātne radās no kultūras, kuru caurstrāvo ideja par savienību vīrietis, pusceļā starp dievišķo kārtību un dabisko kārtību, un dievs racionāls un saprotams likumdevējs, suverēns arhitekts, kuru mēs saprotam pēc sava tēla (tāda ir klasiskā zinātne! bez Dieva nekādi nevar iztikt - JC). Viņa piedzīvoja kultūras saskaņas brīdi, kas ļāva filozofiem un teologiem risināt dabaszinātņu problēmas, bet zinātniekiem – atšifrēt radītāja nodomus un izteikt viedokļus par dievišķo gudrību un spēku, kas izpaudās pasaules radīšanas laikā. (Izrādās, ka zinātnieki atšifrē plāniem radītājs! -JC). Ar reliģijas un filozofijas atbalstu zinātnieki ir nonākuši pie secinājuma, ka viņu darbība ir pašpietiekama. (jā, īpaši ar reliģijas atbalstu! - JC), ka tas izsmeļ visas iespējas racionālai pieejai dabas parādībām ...
Mūsdienu zinātnes duālistiskajām nozīmēm... apraksts ir objektīvs, ciktāl no tā tiek izslēgts novērotājs, un pats apraksts tiek veidots no vietas, kas de jure atrodas ārpus pasaules, tas ir, no dievišķā viedokļa, ir pieejams. no paša sākuma līdz cilvēka dvēselei, radītai pēc Dieva līdzības... (vēl jāmeklē klīniski neprātīgāks slēgto sistēmu apraksts! - JC)
Dievs Kungs, ja viņš vēlētos, varētu aprēķināt trajektorijas nestabilā dinamiskajā pasaulē. To darot, viņš būtu ieguvis to pašu rezultātu, ko mēs varam iegūt no varbūtības teorijas. (un mēs uzskatām varbūtības teoriju no dievišķā viedokļa! - vai jūs aizmirsāt, ko rakstījāt iepriekš? - JC). Protams, visuzinošam dievam ar savām absolūtajām zināšanām nebūtu grūti tikt vaļā no visām nejaušībām. Tātad mēs varam teikt, ka cieša saikne starp nestabilitāti un varbūtību neapšaubāmi pastāv. (izcila argumentācija! - JC)
...
Mēs dzīvojam bīstamā un nenoteiktā pasaulē, kas iedveš nevis aklas noteiktības sajūtu, bet tikai to pašu mērenas cerības sajūtu, ko daži Talmuda (sic! - JC) teksti piedēvē Genesis dievam.
- "Kārtība no haosa" - Iļja Prigožins, Izabella Štengersa - šedevrs beidzas ar citātu no Genesis grāmatas (un kāpēc gan ne no Mahābhāratas ?!).

Atvainojiet par atgādinājumu, bet šo fragmentu autors ir kā zinātnieks, pat Nobela prēmijas laureāts, nevis kāds pops vai žurnālists no kāda utro.ru sadaļas "par zinātni" ... Pēc burta tekstā ir rakstīts " dievs" - jūs varat uzminēt tulkojuma datumu - 1986. (bet mēs jau dzīvojām plkst plurālisms- un nav pagājuši pāris gadi kopš šedevra Londonas izdevuma izdošanas!)

Kāds cits šaubās kas piešķīra Nobela prēmiju šim pētniekam no zinātnes līdz Lielajam zinātniekam? Un cik brīnišķīgā un saprotamā valodā ir uzrakstīts šis progresīvais (jā!) radījums! Jūs visu saprotat kultūras saskaņa un duālistiskas sekas?
Starp citu, pēc precīza pieprasījuma" kultūras saskaņa" - Googlē nav rezultātu. Un, ja vēlaties atrast citāta avotu - jums vienkārši jāievada "kultūras saskaņas brīdis".
Nu, to, ka viņam tika piešķirta balva citu zinātnieku vietā, kuri patiešām veica pārsteidzošus atklājumus viņa sagrābtajā jomā, pats Prigožins savā autobiogrāfijā netieši atzīst - ak, jūs nevarat piesavināties Belousova-Žabotinska reakcijas autorību. kā arī tā interpretācija... bet Nobela prēmija ir par nelīdzsvarota termodinamika nodeva Prigožinam, nevis kādam draiskam padomju zinātniekam (Belousovs arī bija sarkanās brigādes komandieris!)
Zinātniski prokapitālistiskā sabiedrība, protams, bija šokēta, kad pasaulei kļuva zināma BJ reakcija 1968. gadā - kā padomju spīdzināšanas laboratoriju drūmajos pagrabos tika apšaubīta Dieva aizgādība - atklātas pašsvārstības - sevis pazīmes -organizācija - ķīmiskajās sistēmās! Tā tas ir, lai attaisnotu dzīvības bezdievīgo izcelsmi, pat ar tās reakcijas diamātu ķīmiķis! Šeit tas noderēja daudzsološs metodiķis, iedzimtais ķīmiķis, zēns no labas ģimenes, monogrāfiju sastādītājs par nelīdzsvarotās statistikas mehāniku un gudrs tulks uz pusslodzi - I. Prigožins ar ideālu profilu - bēgļu dēls (sarežģītas attiecības ar jauno režīmu) no asiņainajiem boļševikiem! Un viņš savu honorāru pilnībā nopelnīja.

Prigožims I., Štengers I. Kārtība no haosa: jauns dialogs starp cilvēku un dabu. - M.: Progress, 1986. - 432 lpp.

Lejupielādējiet īsu kopsavilkumu formātā vai

Zinātniskajā mantojumā, ko esam mantojuši, ir divi pamatjautājumi, uz kuriem mūsu priekšgājēji nespēja rast atbildi. Viens no tiem ir jautājums par haosa un kārtības attiecībām. Slavenais pieaugošās entropijas likums apraksta pasauli kā nepārtrauktu attīstību no kārtības uz haosu. Tajā pašā laikā, kā liecina bioloģiskā vai sociālā evolūcija, komplekss rodas no vienkāršā. Kā struktūra var izkļūt no haosa? Nelīdzsvarotība – matērijas vai enerģijas plūsma – var būt kārtības avots. Bet ir vēl viens, vēl fundamentālāks jautājums. Klasiskā jeb kvantu fizika pasauli raksturo kā atgriezenisku, statisku. Pastāv skaidra pretruna starp statisko dinamikas ainu un termodinamikas evolūcijas paradigmu. Kas ir neatgriezeniskums? Kas ir entropija?

IEVADS IZAICINĀJUMS ZINĀTNEI

PIRMĀ DAĻA. UNIVERSĀLA ILŪZIJA

1. nodaļa. SAPRĀTA Triumfs

Ņūtons necentās izskaidrot gravitāciju – universālās gravitācijas esamību Ņūtons pieņēma kā neapstrīdamu faktu. Tāpat jebkura cita disciplīna ir jākonstruē tā, lai par tās sākumpunktu tiktu ņemts kāds centrālais neizskaidrojams fakts. Ņūtona autoritātes mudināti, ārsti atklāja iespēju atjaunināt vitālisma koncepciju un runāt par "dzīvības spēku", kura izmantošana dzīvības parādību aprakstam sniegtu tik vēlamo konsekvenci un sistemātiskumu. Afinitāte ir paredzēta tam pašam mērķim - īpašam, tīri ķīmiskam spēkam, kas it kā izpaužas molekulu mijiedarbības laikā.

Viss pārējais ir nekas vairāk kā eleganta literatūra (un bieži vien Ņūtona literatūra): zvaigžņu pasaulē valdošā harmonija, selektīva radniecība un tikpat selektīvs naidīgums, kas izraisa ķīmisko savienojumu “sabiedriskās dzīves” izskatu, tika pasniegtas kā parādības. kas attiecas uz cilvēku sabiedrību. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka šis periods šķita klasiskās zinātnes zelta laikmets. Tomēr nav šaubu, ka klasiskās zinātnes zelta laikmets ir beidzies. Tagad mēs sākam skaidrāk saskatīt Ņūtona racionalitātes robežas. Rodas jauna, konsekventāka zinātnes un dabas koncepcija.

Jauns sākums. Mūsu grāmatas pirmajā daļā mēs aprakstījām, no vienas puses, dialogu ar dabu, ko padarīja iespējamu klasiskā zinātne, un, no otras puses, zinātnes nestabilo stāvokli kultūras sistēmā kopumā. Vai ir izeja no šīs diezgan sarežģītās situācijas? Šajā nodaļā mēs esam apsprieduši dažus mēģinājumus sasniegt alternatīvus zināšanu veidus. Mēs esam apsvēruši arī pozitīvisma skatījumu, kas atdala zinātni no realitātes.

Senajiem ļaudīm daba bija gudrības avots. Viduslaiku daba runāja par Dievu. Jaunajos laikos daba ir kļuvusi tik bezatbildīga, ka Kants uzskatīja par nepieciešamu pilnībā nodalīt zinātni un gudrību, zinātni un patiesību. Šī šķelšanās pastāv pēdējos divus gadsimtus. Ir pienācis laiks pielikt tam punktu. Kas attiecas uz zinātni, tā tam ir nobriedusi. Pirmais solis ceļā uz iespējamu zināšanu atkalapvienošanos, kā mēs to tagad redzam, bija 19. gs. siltuma teorijas, termodinamikas likumu jeb "sākumu" atklāšana. Tā ir termodinamika, kas pretendē uz hronoloģiski pirmo "sarežģītības zinātni".

OTRĀ DAĻA. ZINĀTNE PAR KOMPLEKSĀCIJU

4. nodaļa Enerģētika un industriālais laikmets

Siltums ir gravitācijas sāncensis. Kopš siltuma vadīšanas teorijas parādīšanās matemātika, fizika un Ņūtona zinātne vairs nav sinonīmi. Fizikā līdzās pastāv divi universāli: siltums un gravitācija. Turklāt, kā Comte vēlāk bija spiests atzīt, šie divi universāli ir antagonisti. Gravitācija iedarbojas uz inerciālu masu, kas ir pakļauta gravitācijai, to neietekmējot citādi, kā tikai ar kustību, ko tā iegūst vai pārraida. Siltums pārveido vielu, nosaka stāvokļa izmaiņas un izraisa izmaiņas iekšējās īpašībās. Furjē likums apraksta pakāpenisku līdzsvara izveidi. Siltumvadītspēja arvien vairāk izlīdzina temperatūras sadalījumu, līdz sadalījums visā ķermenī kļūst vienmērīgs. Ikviens zina, ka temperatūras izlīdzināšana ir neatgriezenisks process.

Enerģijas saglabāšanas princips. 1847. gadā Džouls saprata, ka sakarības, kas atrastas starp siltuma, elektrības un magnētisma izdalīšanos vai absorbciju, ķīmisko reakciju norisi un bioloģiskiem objektiem, ir "pārveidošanas" raksturs. Transformācijas ideja, kuras pamatā ir postulāts par "kaut kā" kvantitatīvo saglabāšanu ar tā kvalitatīvajām izmaiņām, vispārina to, kas notiek mehāniskās kustības laikā. Kā mēs jau zinām, kopējā enerģija tiek saglabāta, savukārt potenciālā enerģija tiek pārvērsta kinētiskajā enerģijā un otrādi. Džouls noteica kopīgu fizikāli ķīmisko pārvērtību ekvivalentu, kas ļāva izmērīt saglabāto daudzumu. Pēc tam šis daudzums kļuva pazīstams kā "enerģija". Enerģijas saglabāšana visdažādākajās transformācijās, ko veic fizikālās, ķīmiskās un bioloģiskās sistēmas, ir kļuvusi par vadošo principu jaunu procesu izpētē. Vissvarīgākais termodinamikas ieguldījums dabaszinātnēs ir neatgriezeniskuma jēdziens.

Siltumdzinēji un laika bulta. Tomsona kosmoloģija aprakstīja pasauli kā mašīnu, kurā siltums tiek pārvērsts kustībā tikai uz noteiktu neatgriezenisku zudumu un bezjēdzīgas izkliedes (izkliedes) rēķina. Attiecīgi tika samazinātas atšķirības dabā, kas spēj radīt mehānisku efektu. Pasaule izmanto šīs atšķirības pārejā no vienas transformācijas uz otru un tiecas uz termiskā līdzsvara galīgo stāvokli - "termisko nāvi".

Entropijas dzimšana. 1865. gadā Clausius ieviesa jaunu jēdzienu - entropiju. Sākotnēji Clausius plānoja skaidri nošķirt saglabāšanas un atgriezeniskuma jēdzienus. Atšķirībā no mehāniskām pārvērtībām, kurām atgriezeniskums un saglabāšanās sakrīt, fizikāli ķīmiskajā transformācijā enerģiju var saglabāt pat tad, ja transformācija ir neatgriezeniska. Tas jo īpaši attiecas uz berzi, kad kustība tiek pārvērsta siltumā, mums ir jāiet tālāk par enerģijas nezūdamības likumu un jāatrod veids, kā izteikt atšķirību starp "noderīgo" enerģijas apmaiņu Karno ciklā un "izkliedēto" enerģiju, kas zaudēta neatgriezeniski. . Tieši šādu iespēju sniedz Klausiusa ieviestā jaunā funkcija, ko sauc par "entropiju" un parasti apzīmē ar burtu S.

Izolētām sistēmām nākotne vienmēr ir entropijas pieauguma virzienā. Kura sistēma varētu būt labāk izolēta nekā mūsu Visums? Šī ideja veidoja pamatu pirmā un otrā termodinamikas likuma kosmoloģiskajam formulējumam, ko 1865. gadā ierosināja Klausijs: pasaules enerģija ir nemainīga; pasaules entropijai ir tendence uz maksimumu. Entropijas palielināšana vairs nav sinonīms zaudējumam. Tagad tas attiecas uz dabiskajiem procesiem sistēmā. Šo procesu ietekmē sistēma pāriet termodinamiskā "līdzsvarā", kas atbilst stāvoklim ar maksimālo entropiju.

Atgriezeniskās transformācijas pieder klasiskajai zinātnei tādā nozīmē, ka tās nosaka iespēju ietekmēt sistēmu, kontrolēt sistēmu. Dinamisku objektu var vadīt, mainot sākotnējos nosacījumus. Līdzīgi termodinamisko iekārtu, kas definēta kā atgriezeniskas pārvērtības, var kontrolēt, mainot robežnosacījumus. Neatgriezeniskums izpaužas nekontrolējamu izmaiņu veidā, kas rodas, sistēmai izejot no kontroles.

Neatgriezeniskus procesus var uzskatīt par pēdējām spontānas iekšējās darbības paliekām, kas izpaužas dabā, kad cilvēks mēģina to ierobežot ar eksperimentālu ierīču palīdzību. Tādējādi "negatīvā" īpašība - izkliedēšana - parāda, ka atšķirībā no dinamiskiem objektiem termodinamiskie objekti nav pilnībā kontrolējami. Dažreiz viņi "iziet no rokām", piedzīvo spontānas pārmaiņas.

Apsveriet entropijas pieaugumu dS uz īsu laiku dt. Ideāla un reāla siltumdzinēja gadījumā situācija ir pavisam cita. Pirmajā gadījumā dS var pilnībā izteikt siltuma apmaiņā starp iekārtu un vidi. Varat iestatīt īpašus eksperimentus, kuros sistēma izdalīs siltumu, nevis to absorbēs. Attiecīgais entropijas pieaugums šajā gadījumā tikai mainīs zīmi. Mēs apzīmēsim šādu kopējā entropijas pieauguma komponentu d e S. Tas ir atgriezenisks tādā nozīmē, ka tas var būt gan pozitīvs, gan negatīvs. Reālajās mašīnās mēs saskaramies ar pavisam citu situāciju. Tajos papildus atgriezeniskajai siltuma pārnesei notiek neatgriezeniski procesi: siltuma zudumi, berze utt. Tie izraisa entropijas vai entropijas ražošanas pieaugumu sistēmā. Entropijas pieaugums, ko mēs apzīmēsim des S, nevar mainīt zīmi, kad siltuma apmaiņa ir pretēja ar ārpasauli. Tāpat kā visi neatgriezeniskie procesi (piemēram, siltuma vadīšana), entropijas veidošanās vienmēr notiek vienā virzienā. Citiem vārdiem sakot, vērtība d i S var būt tikai pozitīva vai pārvērsties par lodēm, ja nav neatgriezenisku procesu.

Termodinamiskai sistēmai visas izmaiņas nav līdzvērtīgas. Šī ir sadalīšanās fiziskā nozīme dS =d e S+d i S. Spontānas pārmaiņas d i S, virzienā uz līdzsvaru, atšķiras no izmaiņām d e S, ko nosaka un kontrolē, mainot robežnosacījumus (piemēram, apkārtējās vides temperatūru). Izolētas sistēmas gadījumā līdzsvars darbojas kā nelīdzsvara stāvokļu piesaistes kopa jeb "pievilcējs". Tāpēc mūsu sākotnējais apgalvojums ir vispārināms: evolūcija uz atraktora stāvokli atšķiras no visām pārējām izmaiņām, īpaši izmaiņām, ko izraisa dažādi robežnosacījumi.

Dabā nav iespējami tie procesi, kuros daba dod mazāku priekšroku gala stāvoklim nekā sākotnējam. Ierobežojošo gadījumu attēlo atgriezeniski procesi; tajos dabai ir vienāda priekšroka gan sākuma, gan beigu stāvoklim, un tāpēc pāreja no viena stāvokļa citā var notikt abos virzienos. Cik sveša izskatās šāda valoda salīdzinājumā ar dinamikas valodu! Dinamikā sistēma mainās pa trajektoriju, kas noteikta vienreiz un uz visiem laikiem, neaizmirstot sākuma punktu (jo sākotnējie apstākļi nosaka visu trajektoriju jebkurām laika vērtībām). Izolētas sistēmas gadījumā visas nelīdzsvara situācijas izraisa evolūciju uz tāda paša veida līdzsvara stāvokli. Līdz līdzsvara sasniegšanai sistēma aizmirst sākotnējos nosacījumus, t.i. veids, kā tas tika sagatavots.

Tādējādi mēs saskaramies ar diviem principiāli atšķirīgiem aprakstiem: dinamiku, kas piemērojama kustības pasaulei, un termodinamiku, zinātni par sarežģītām sistēmām, kas apveltītas ar iekšēju spēju attīstīties, lai palielinātu entropiju.

Bolcmaņa kārtības princips. Otrais termodinamikas likums satur divus fundamentāli svarīgus elementus: 1) "negatīvs", paužot noteiktu procesu aizliegumu, t.i. to neiespējamība (siltums var izplatīties no karsta avota uz aukstu, bet ne no ledusskapja uz sildītāju); 2) "pozitīvs", konstruktīvs. Otrais elements ir izriet no pirmā: dažu procesu aizliegums ļauj mums ieviest funkciju (entropiju), kas monotoni palielinās izolētām sistēmām. Entropija uzvedas kā izolētu sistēmu piesaistītājs.

Problēmas, kas saistītas ar pāreju no mikroskopiskā līmeņa uz makroskopisko līmeni, izrādījās ārkārtīgi auglīgas fizikai kopumā. Boltzmans bija pirmais, kas pieņēma izaicinājumu. Smalkā fiziskā intuīcija viņu pamudināja, ka ir jāizstrādā daži jauni jēdzieni, kas ļautu vispārināt trajektoriju fiziku, attiecinot to uz sistēmām, kuras apraksta termodinamika. Sekojot Maksvela pēdās, Bolcmans sāka meklēt konceptuālus jauninājumus varbūtību teorijā.

Bolcmans bija pirmais, kurš saprata, ka neatgriezenisku entropijas pieaugumu var uzskatīt par arvien pieaugoša molekulārā haosa izpausmi, pakāpenisku jebkuras sākotnējās asimetrijas aizmirstību, jo asimetrija izraisa kompleksu skaita samazināšanos salīdzinājumā ar stāvokli, kas atbilst varbūtības maksimālā vērtība R. Nonācis pie šāda secinājuma, Bolcmans nolēma identificēt entropiju S ar kompleksu skaitu: entropija raksturo katru makroskopisko stāvokli ar to panākšanas veidu skaitu. Slavenā Bolcmaņa attiecības S=k*lnP kvantitatīvi izsaka to pašu ideju. Proporcionalitātes faktors kšajā formā ir universālā konstante, kas pazīstama kā "Bolcmaņa konstante". Boltzmana rezultāti nozīmē, ka neatgriezeniskas termodinamiskās izmaiņas ir pārmaiņas uz ticamākiem stāvokļiem un ka atraktora stāvoklis ir makroskopisks stāvoklis, kas atbilst varbūtības maksimumam.

Sākotnējos apstākļus ir iespējams aizmirst, jo neatkarīgi no tā, kā sistēma attīstās, tā galu galā nonāks vienā no mikroskopiskajiem stāvokļiem, kas atbilst makroskopiskajam haosa stāvoklim un maksimālajai simetrijai, jo tieši šādi makroskopiskie stāvokļi veido lielāko daļu sistēmas. visi iespējamie mikroskopiskie stāvokļi. Kad ir sasniegts visticamākais stāvoklis, sistēma no tā novirzās tikai nelielos attālumos un uz īsu laiku. Citiem vārdiem sakot, sistēma svārstās tikai ap atraktora stāvokli.

Kārnots un Darvins. Līdzsvara struktūras var uzskatīt par mikroskopisko elementu (molekulu, atomu) aktivitātes statistiskās kompensācijas rezultātu. Globālā līmenī līdzsvara struktūras pēc definīcijas ir inertas. Tā paša iemesla dēļ tie ir “nemirstīgi”: kad ir izveidojusies līdzsvara struktūra, to var izolēt un uzturēt bezgalīgi bez turpmākas mijiedarbības ar vidi. Bet, pētot bioloģisko šūnu vai pilsētu, mēs saskaramies ar pavisam citu situāciju: šīs sistēmas ir ne tikai atvērtas, bet arī pastāv tikai tāpēc, ka tās ir atvērtas. Tos baro vielas un enerģijas plūsmas, kas nāk no ārpasaules. Mēs varam izolēt kristālu, bet, ja pilsētas un šūnas tiks nošķirtas no apkārtējās vides, tās mirs.

Kā, piemēram, apvienot darvinisko evolūciju (retu notikumu statistisko atlasi) ar visu individuālo pazīmju, visu reto notikumu statistisko izzušanu, par ko runā Bolcmans? Bolcmaņa interpretācija ietver sākotnējo nosacījumu aizmiršanu, sākotnējo struktūru "iznīcināšanu", savukārt darviniskā evolūcija ir saistīta ar pašorganizēšanos, ar nepārtraukti pieaugošu sarežģītību.

Līdzsvara termodinamika bija pirmā fizikas atbilde uz dabas sarežģītības problēmu. Šī atbilde ir izteikta kā enerģijas izkliede, aizmirstot sākotnējos apstākļus un evolūciju uz haosu. Kāda ir dzīvo būtņu evolūcijas nozīme termodinamikas aprakstītajā un arvien nesakārtotākā pasaulē? Kāda ir saistība starp termodinamisko laiku, kas atrodas līdzsvara stāvoklī, un laiku, kurā notiek evolūcija uz arvien pieaugošu sarežģītību?

5. nodaļa. Trīs termodinamikas attīstības posmi

Plūsma un jauda. Entropijas pieaugums ļauj paplašināties divu terminu summā: termins d e S, kas saistīts ar apmaiņu starp sistēmu un pārējo pasauli, un dalībnieks d i S, kas apraksta entropijas veidošanos sistēmā neatgriezenisku procesu rezultātā. Otrais termins vienmēr ir pozitīvs, izņemot termodinamiskajā līdzsvarā, kad tas pazūd. Izolētai sistēmai ( d e S = 0) līdzsvara stāvoklis atbilst stāvoklim ar maksimālo entropiju.

Vai ķīmiskie procesi var dot mums pavedienu par atšķirību starp kristāla un šūnas uzvedību? Nav iespējams neievērot fundamentālo konceptuālo atšķirību starp fiziku un ķīmiju. Klasiskajā fizikā mēs varam iedomāties vismaz atgriezeniskus procesus, piemēram, bezberzes svārsta kustību. Neatgriezenisku procesu ignorēšana dinamikā vienmēr atbilst idealizācijai, taču vismaz dažos gadījumos šī idealizācija ir saprātīga. Ķīmijā lietas ir pilnīgi atšķirīgas. Viņas pētītie procesi (ķīmiskās pārvērtības, ko raksturo reakcijas ātrums) ir neatgriezeniski. Šī iemesla dēļ ķīmiju nevar reducēt līdz klasiskās vai kvantu mehānikas idealizācijai, kurā pagātnei un nākotnei ir līdzvērtīga loma.

Lineārā termodinamika. Lineārā termodinamika apraksta stabilu, paredzamu sistēmu uzvedību, kurām ir tendence uz minimālu aktivitātes līmeni, kas ir saderīgs ar svītrām, kas tās baro. No tā, ka lineāro nelīdzsvara termodinamiku, kā arī līdzsvara termodinamiku var aprakstīt, izmantojot potenciālu, proti, entropijas veidošanu, izriet, ka gan evolūcijas laikā uz līdzsvaru, gan evolūcijas laikā uz stacionāru stāvokli sistēma “aizmirst” sākotnējo nosacījumiem. Lai kādi būtu sākotnējie nosacījumi, sistēma agri vai vēlu nonāks stāvoklī, ko nosaka robežnosacījumi.

Tālu no līdzsvara. Kamēr stāvokli-atraktoru nosaka minimālais potenciāls (piemēram, entropijas veidošanās), tā stabilitāte ir garantēta. Tiesa, svārstības var izvest sistēmu no šī minimuma. Bet tad otrais termodinamikas likums piespiedīs sistēmu atpakaļ uz sākotnējo minimumu. Tādējādi termodinamiskā potenciāla esamība padara sistēmu "imūnu" pret svārstībām. Izmantojot potenciālu, mēs raksturojam "stabilu pasauli", kurā sistēmas, attīstoties, pāriet statiskā stāvoklī, kas tām ir nodibināts uz visiem laikiem. Bet, kad termodinamiskie spēki, kas iedarbojas uz sistēmu, kļūst pietiekami "lieli" un piespiež to atstāt lineāro apgabalu, būtu neapdomīgi garantēt stacionārā stāvokļa stabilitāti vai tā neatkarību no svārstībām.

Šādos stāvokļos noteiktas svārstības tā vietā, lai izbalinātu, pastiprina un pārņem visu sistēmu, liekot tai pāriet uz jaunu režīmu, kas var kvalitatīvi atšķirties no stacionārajiem stāvokļiem, kas atbilst entropijas veidošanās minimumam. Šādas parādības ir labi zināmas hidrodinamikā – plūsmu teorijā. Piemēram, jau sen ir zināms, ka pie noteikta ātruma lamināro plūsmu var aizstāt ar turbulentu.

Ilgu laiku turbulence tika identificēta ar haosu vai troksni. Šodien mēs zinām, ka tas tā nav. Lai gan makroskopiskā mērogā turbulentā plūsma šķiet pilnīgi nesakārtota vai haotiska, mikroskopiskā mērogā tā ir ļoti organizēta. Telpisko un laika mērogu kopums, kurā notiek turbulence, atbilst miljoniem un miljoniem molekulu saskaņotai uzvedībai. No šī viedokļa pāreja no lamināras plūsmas uz turbulenci ir pašorganizācijas process. Bolcmaņa kārtības princips saista entropiju ar varbūtību (kompleksu skaitu R). Vai šī attiecība ir spēkā šajā gadījumā? Koherenta kustība nozīmē, ka daudzas molekulas pārvietojas ar gandrīz tādu pašu ātrumu (ātruma izplatība ir maza). Šāds sadalījums atbilst tik mazam kompleksu skaitam R ka pašorganizēšanās iespējamība ir gandrīz nulle. Spēcīgi nelīdzsvarotos apstākļos varbūtības jēdziens, kas ir Bolcmana kārtības principa pamatā, kļūst nepiemērots: novērotās struktūras neatbilst kompleksu maksimumam. Tendence izlīdzināt un "aizmirst" sākotnējos nosacījumus pārstāj būt vispārēja tendence.

Mēs esam ieviesuši jaunu koncepciju - izkliedējoša struktūra uzsvērt ciešās un no pirmā acu uzmetiena paradoksālās attiecības, kas pastāv šādās situācijās, no vienas puses, starp struktūru un kārtību un, no otras puses, starp izkliedi jeb zaudējumiem.

Pārsniedzot ķīmiskās nestabilitātes slieksni. Mēs vēlreiz uzsveram, cik stipri spontāna telpisko struktūru veidošanās ir pretrunā ar līdzsvara fizikas likumiem un Bolcmaņa kārtības principu. Šādām struktūrām atbilstošo kompleksu skaits ir ārkārtīgi mazs, salīdzinot ar kompleksu skaitu, kas atbilst vienmērīgam sadalījumam. Taču nelīdzsvaroti procesi var novest pie situācijām, kas no klasiskā viedokļa šķiet neiedomājamas.

Pirmais ievads molekulārajā bioloģijā. Kolektīvu amēbu koloniju veidošanās ir tipisks piemērs tam, ko varētu saukt par "kārtību caur svārstībām": "pievilkšanās centra" parādīšanās, kas izstaro cikliskus AMP, norāda uz parastās barības vides stabilitātes zudumu, t.i. par barības vielu izsīkšanu. Fakts, ka, pietrūkstot barības resursiem, jebkura amēba var sākt izstarot ķīmiskos signālus – ciklisko AMP – un tādējādi kļūt par "pievilkšanās centru" citām amēbām, atbilst svārstību nejaušībai. Šajā gadījumā svārstības tiek pastiprinātas un sakārto vidi.

Bifurkācijas un simetrijas pārrāvums.Ļaujiet mums sīkāk apsvērt, kā rodas pašorganizācija un kādi procesi sāk notikt, kad tiek pārsniegts tās slieksnis. Līdzsvara vai vāji nelīdzsvarotā stāvoklī ir tikai viens stacionārs stāvoklis, kas ir atkarīgs no kontroles parametru vērtībām. Apzīmēsim vadības parametru ar λ (tā var būt, piemēram, vielas koncentrācija AT briselatorā. Sekosim līdzi, kā mainās sistēmas stāvoklis, pieaugot vērtībai AT. Palielinot B koncentrāciju, mēs virzām sistēmu arvien tālāk no līdzsvara. Par kādu vērtību AT sasniedzam termodinamiskā zara stabilitātes slieksni. Šo kritisko vērtību parasti sauc bifurkācijas punkts.

Apsveriet dažas tipiskas bifurkācijas diagrammas. Bifurkācijas punktā AT termodinamiskais atzars kļūst nestabils attiecībā pret svārstībām (1. att.). Pie kritiskās vērtības λ C kontroles parametrs λ Sistēma var būt trīs dažādos stacionāros stāvokļos: NO, E un D. Divi no tiem ir stabili, trešais ir nestabils. Ir ļoti svarīgi uzsvērt, ka šādu sistēmu uzvedība ir atkarīga no to aizvēstures. Sākot ar mazām kontroles parametra vērtībām λ un lēnām tos palielinot, visticamāk, aprakstīsim trajektoriju ABC. Gluži pretēji, sākot ar augstu koncentrāciju X un saglabājot konstantu kontroles parametra vērtību λ , mēs, visticamāk, nonāksim pie punkta D. Tādējādi galīgais stāvoklis ir atkarīgs no sistēmas vēstures. Līdz šim vēsture tika izmantota bioloģisko un sociālo parādību interpretācijā. Pavisam negaidīti izrādījās, ka aizvēsturei var būt nozīme vienkāršos ķīmiskos procesos.

Rīsi. 1. Bifurkācijas diagramma. Stacionāras mainīgās vērtības X ir parādīti diagrammā kā bifurkācijas parametra funkcijas λ . Nepārtrauktas līnijas atbilst stabiliem, pārtrauktas līnijas atbilst nestabiliem stacionāriem stāvokļiem. Lai sasniegtu filiāli D, ir nepieciešams izvēlēties sākotnējo koncentrāciju X 0 virs vērtībām X atbilst filiālei E.

Apsveriet bifurkācijas diagrammu, kas parādīta attēlā. 2. Tā atšķiras no iepriekšējās diagrammas ar to, ka bifurkācijas punktā parādās divi stabili risinājumi. Šajā sakarā dabiski rodas jautājums: kādu ceļu ies tālākā sistēmas attīstība pēc tam, kad būsim sasnieguši bifurkācijas punktu? Sistēmai ir "izvēle": tā var dot priekšroku vienai no divām iespējām, kas atbilst diviem nevienmērīgiem koncentrācijas sadalījumiem X kosmosā.

Rīsi. 2. Simetriskā bifurkācijas diagramma. X kā funkcija no bifurkācijas parametra λ . Plkst λ < λ C, ir tikai viens stacionārs stāvoklis, kas ir stabils. Plkst λ > λ C jebkurai vērtībai ir divi stacionāri stāvokļi X(bijušais stabilais stacionārais stāvoklis zaudē stabilitāti).

Bifurkāciju un pāreju uz haosu kaskādes. Dažos gadījumos bifurkāciju secība noved pie neatgriezeniskas evolūcijas, un raksturīgo frekvenču determinisms rada visas b par Lielāka nejaušība, jo procesā ir iesaistīts liels skaits frekvenču. Salīdzinoši nesen zinātnieku uzmanību piesaistīja neparasti vienkāršs ceļš uz haosu, ko sauc par Feigenbauma secību. Feigenbauma atklātais modelis attiecas uz jebkuru sistēmu, kuras uzvedību raksturo ļoti vispārīga īpašība, proti: noteiktā parametru vērtību diapazonā sistēma darbojas periodiskā režīmā ar periodu. T; pārkāpjot slieksni, periods dubultojas un kļūst vienāds ar 2T, izejot pāri nākamajam slieksnim, periods atkal dubultojas un kļūst vienāds ar 4T utt. Tādējādi sistēmu raksturo periodu dubultošanās bifurkāciju secība. Feigenbauma secība ir viens no tipiskiem ceļiem, kas ved no vienkārša periodiska režīma uz sarežģītu aperiodisku režīmu, kas notiek robežās ar bezgalīgu perioda dubultošanos. Feigenbaums atklāja, ka šo maršrutu raksturo universālas konstantes, kuru vērtības nav atkarīgas no mehānisma specifiskajām iezīmēm, ja vien sistēmai ir kvalitatīva īpašība dubultot periodu. (Vairāk par Feigenbauma darbu sk..)

Ar pasūtījuma kontroles parametra vērtību λ Ja sistēma var būt daudzos stabilos un nestabilos režīmos, "vēsturisko" trajektoriju, pa kuru sistēma attīstās, palielinoties kontroles parametram, raksturo stabilu reģionu, kuros dominē deterministiskie likumi, un nestabilu reģionu, kas atrodas tuvu bifurkācijai, maiņa. punkti, kur sistēmai ir iespēja izvēlēties vienu no vairākiem nākotnes līgumiem. Gan kinētisko vienādojumu deterministiskais raksturs, kas ļauj iepriekš aprēķināt iespējamo stāvokļu kopu un noteikt to relatīvo stabilitāti, gan nejaušas svārstības, “izvēloties” vienu no vairākiem iespējamiem stāvokļiem bifurkācijas punkta tuvumā, ir cieši saistīti. Šis nepieciešamības un nejaušības sajaukums veido sistēmas "vēsturi".

No Eiklida līdz Aristotelim. Viena no interesantākajām disipatīvo struktūru iezīmēm ir to saskaņotība. Sistēma darbojas kā veselums un tā, it kā tā būtu liela attāluma spēku konteiners. Neskatoties uz to, ka molekulārās mijiedarbības spēki ir maza diapazona (tie darbojas 10–8 cm attālumā), sistēma ir strukturēta tā, it kā katra molekula būtu “informēta” par sistēmas stāvokli kopumā. Dzīve ir spontānas pašorganizācijas rezultāts, kas notiek labvēlīgos apstākļos.

Spēcīgi nelīdzsvarotu sistēmu var saukt par organizētu nevis tāpēc, ka tā īsteno plānu, kas ir svešs darbībai elementārā līmenī vai pārsniedz darbības primāro izpausmju loku, bet gan pretēja iemesla dēļ: mikroskopisko svārstību pastiprināšanās, kas radās “Īstais brīdis” liek izvēlēties vienu reakcijas ceļu no virknes a priori vienlīdz iespējamas. Līdz ar to noteiktos apstākļos viena vai otra individuālā režīma loma kļūst noteicošā. Apkopojot, var apgalvot, ka uzvedība "vidēji" nevar dominēt pār elementārajiem procesiem, kas to veido. Ļoti nelīdzsvarotos apstākļos pašorganizācijas procesi atbilst smalkai nejaušības un nepieciešamības, svārstību un deterministisku likumu mijiedarbībai. Mēs uzskatām, ka bifurkāciju tuvumā galvenā loma ir svārstībām vai nejaušiem elementiem, savukārt intervālos starp bifurkācijām dominē deterministiskie aspekti.

6. nodaļa. KĀRTĪBA AR FLUKTUĀCIJĀM

Svārstības un ķīmija. No deterministiskiem, atgriezeniskiem procesiem fizika virzās uz stohastiskiem un neatgriezeniskiem procesiem. Šī perspektīvas maiņa būtiski ietekmē ķīmiju. Ķīmiskie procesi, atšķirībā no klasiskās dinamikas trajektorijām, atbilst neatgriezeniskiem procesiem. Ķīmiskās reakcijas izraisa entropijas veidošanos. Tikmēr klasiskā ķīmija turpina paļauties uz deterministisku ķīmiskās evolūcijas aprakstu. Ķīmiskās kinētikas teorētiķu galvenais "ierocis" ir diferenciālvienādojumi, kurus apmierina reakcijā iesaistīto vielu koncentrācija. Zinot šīs koncentrācijas kādā sākuma brīdī (un arī atbilstošos robežnosacījumus, ja runājam par parādībām, kas ir atkarīgas no telpiskajiem mainīgajiem, piemēram, difūziju), varam tās aprēķināt turpmākajos laikos. Interesanti atzīmēt, ka šāds deterministisks skatījums uz ķīmiju pārstāj atbilst realitātei, atliek tikai pāriet uz stipri nelīdzsvarotiem procesiem.

Kad sistēma, attīstoties, sasniedz bifurkācijas punktu, deterministiskais apraksts kļūst nelietojams. Svārstības liek sistēmai izvēlēties atzaru, pa kuru notiks tālākā sistēmas evolūcija. Iziet cauri bifurkācijai ir tikpat nejaušs process kā monētas mešana. Ir iespējams tikai statistisks apraksts. Šī situācija būtiski maina tradicionālo izpratni par saistību starp mikroskopisko līmeni, kas aprakstīts atomu un molekulu izteiksmē, un makroskopisko līmeni, kas aprakstīts ar tādiem globāliem mainīgajiem kā koncentrācija. Daudzos gadījumos svārstības veic tikai nelielas korekcijas.

Piemēram, apsveriet gāzi N kuru molekulas ir ievietotas traukā ar tilpumu V. Sadalīsim šo apjomu divās vienādās daļās. Kāds ir molekulu skaits X kādā no tiem? Šeit X ir "nejaušs" mainīgais, un varētu sagaidīt, ka tā vērtība ir pietiekami tuvu N/2. Varbūtību teorijas galvenā teorēma (tā sauktais lielo skaitļu likums) ļauj novērtēt svārstību radīto kļūdu. Būtībā lielo skaitļu likums to saka, kad jūs mēra X mēs varam sagaidīt pasūtījuma vērtību . Ar lielu N arī svārstību radītā kļūda var būt liela, bet svārstību radītā relatīvā kļūda kopumā mēdz būt nulle N. Tiklīdz sistēma kļūst pietiekami liela, lielo skaitļu likums ļauj atšķirt vidējās vērtības no svārstībām (pēdējās kļūst nenozīmīgas).

Nelīdzsvarotu procesu gadījumā notiek pretēja situācija. Svārstības nosaka sistēmas evolūcijas globālo iznākumu. Tā vietā, lai saglabātu nelielas vidējo rādītāju korekcijas, svārstības būtiski maina vidējos rādītājus.

Dažiem lasītājiem ir jāapzinās Heizenberga nenoteiktības attiecības, kas nedaudz negaidītā veidā izsaka kvantu teorijas varbūtības aspektu. Kvantu teorijā pazūd iespēja vienlaicīgi izmērīt koordinātas un impulsu, tādējādi pārkāpjot klasisko determinismu. Tomēr tika uzskatīts, ka tas neietekmēja tādu makroskopisku objektu kā dzīvu sistēmu aprakstu. Bet svārstību loma stipri nelīdzsvarotās sistēmās parāda, ka tas tā nav. Nejaušība joprojām ir ļoti nozīmīga arī makroskopiskā līmenī.

Svārstības un korelācijas. Lielo skaitļu likums ļauj mums aprēķināt korelācijas starp molekulu skaitu X divos telpas punktos, kas atrodas noteiktā attālumā viens no otra. Aprēķini liecina, ka līdzsvara apstākļos šāda korelācija nepastāv. Molekulas atrašanas varbūtība vienlaikus X punktā r un molekula X' punktā r'(izņemot punktu r) ir vienāds ar molekulas atrašanas varbūtības reizinājumu X punktā r un varbūtība atrast molekulu X' punktā r'(mēs apsveram gadījumu, kad attālums starp punktiem r un r' liels salīdzinājumā ar starpmolekulārās mijiedarbības rādiusu). Viens no negaidītākajiem jaunāko pētījumu rezultātiem bija tāds, ka nelīdzsvara reģionā situācija krasi mainās. Parādās liela attāluma korelācijas. Daļiņas, kas atrodas makroskopiskā attālumā viena no otras, pārstāj būt neatkarīgas. Vietējo notikumu "atskaņas" tiek pārnestas visā sistēmā.

Liela attāluma korelācijas organizē sistēmu pat pirms makroskopiskās bifurkācijas. Mēs atkal atgriežamies pie vienas no mūsu grāmatas galvenajām idejām: nelīdzsvarotības kā kārtības avota. Šajā gadījumā situācija ir īpaši skaidra. Līdzsvara stāvoklī molekulas uzvedas neatkarīgi: katra no tām ignorē pārējās.

Vielas aktivitāte ir saistīta ar nelīdzsvara apstākļiem, ko rada pati matērija.

Svārstību pastiprināšana. Kā liecina teorētiskie pētījumi un skaitliskās simulācijas, kodola kritiskie izmēri palielinās līdz ar difūzijas mehānismu efektivitāti, kas savieno visas sistēmas jomas. Citiem vārdiem sakot, jo ātrāk signāls tiek pārraidīts pa "sakaru kanāliem" sistēmas ietvaros, jo lielāks ir neefektīvu svārstību procents un līdz ar to sistēma stabilāka. Šis kritiskā izmēra problēmas aspekts nozīmē, ka šādās situācijās "ārpasaule", t.i. viss, kas ieskauj svārstīgo reģionu, vienmēr mēdz nodzēst svārstības. Tas, vai svārstības izzūd vai pastiprināsies, ir atkarīgs no “komunikācijas kanāla” efektivitātes starp svārstīgo reģionu un ārpasauli. Tādējādi kritiskās dimensijas nosaka konkurence starp sistēmas "integrējošo spēku" un ķīmiskajiem mehānismiem, kas izraisa palielinātas svārstības. Mūsu aprakstītais modelis ir īpaši piemērojams rezultātiem, kas nesen iegūti in vitro eksperimentālos pētījumos par vēža audzēju rašanos. Šajos pētījumos viena vēža šūna tiek uzskatīta par svārstību, kas spēj spontāni un nepārtraukti parādīties un vairoties replikācijas ceļā. Pēc rašanās vēža šūna sastopas ar citotoksisko šūnu populāciju un vai nu nomirst, vai izdzīvo. Atkarībā no dažādu parametru vērtībām, kas raksturo vēža šūnu replikācijas un nāves procesus, mēs varam prognozēt vai nu regresiju, vai audzēja augšanu.

Diezgan bieži tika izvirzīts jautājums par sistēmas sarežģītības robežām. Patiešām, jo sarežģītāka ir sistēma, jo vairāk ir tādu svārstību veidu, kas apdraud tās stabilitāti. Tomēr ir pieļaujams jautāt, kā tad pastāv tik sarežģītas sistēmas kā cilvēku sabiedrības ekoloģiskā vai sociālā struktūra? Kā viņiem izdodas izvairīties no pastāvīga haosa? Daļēja atbilde uz šādiem jautājumiem var būt atsauce uz komunikācijas starp sistēmu daļām, difūzijas procesiem stabilizējošu efektu. Sarežģītās sistēmās, kur atsevišķas augu, dzīvnieku un indivīdu sugas nonāk daudzās un dažādās mijiedarbībās, saikne starp dažādām sistēmas daļām var nebūt pietiekami efektīva. Pastāv konkurence starp komunikācijas sniegto stabilitāti un nestabilitāti svārstību dēļ. Stabilitātes slieksnis ir atkarīgs no šo sacensību iznākuma.

strukturālā stabilitāte. Liela uzmanība šajā grāmatā ir pievērsta attiecībām starp mikroskopisko un makroskopisko. Viena no svarīgākajām problēmām evolūcijas teorijā ir iegūtā atgriezeniskā saite starp makroskopiskām struktūrām un mikroskopiskiem notikumiem: makroskopiskām struktūrām, kas rodas no mikroskopiskiem notikumiem, savukārt vajadzētu izraisīt izmaiņas mikroskopiskajos mehānismos. Savādi, bet šobrīd visvairāk saprotamie gadījumi attiecas uz situācijām, kas rodas cilvēku sabiedrībā. Ieklājot ceļu vai būvējot tiltu, varam paredzēt, kā tas ietekmēs apkārtējo iedzīvotāju uzvedību, kas savukārt nosaka izmaiņas saziņas raksturā un metodēs reģiona iekšienē. Šādi savstarpēji saistīti procesi rada ļoti sarežģītas situācijas, un šis apstāklis ir jāatzīst, sākot to modelēšanu.

Loģistikas evolūcija. Strukturālās stabilitātes jēdziens tiek plaši izmantots sociālajās problēmās. Tomēr jāuzsver, ka katru reizi runa ir par spēcīgu reālās situācijas vienkāršošanu, kas raksturota kā konkurence starp pašreplicēšanas procesiem vidē ar ierobežotiem pārtikas resursiem. Ekoloģijā tiek saukts klasiskais vienādojums, kas apraksta šādu problēmu loģistikas vienādojums. Tas apraksta, kā populācija attīstās no N indivīdiem, ņemot vērā auglību, mirstību un iedzīvotājiem pieejamo resursu apjomu. Loģistikas vienādojumu var attēlot kā dN/dt =rN(K–N) -mN, kur r un m ir raksturīgas dzimšanas un nāves konstantes, Uz- vides "nestspēja". Par jebkuru sākotnējo vērtību N sistēma galu galā sasniedz stacionāru vērtību N=K-m/r, atkarībā no atšķirības starp vides nestspēju un pastāvīgās mirstības un dzimstības koeficientu. Kad tiek sasniegta šī stacionārā vērtība, notiek piesātinājums: katrā laika brīdī piedzimst tik daudz indivīdu, cik viņi mirst.

Rīsi. 3. Iedzīvotāju evolūcija N kā laika funkcija t raksturo loģistikas līkne. Stacionārs stāvoklis N=0 nestabils un vienmērīgs stāvoklis N=K-m/r stabils attiecībā uz daudzuma svārstībām N

Meja vērsa uzmanību uz vienu ievērojamu šādu vienādojumu iezīmi: neskatoties uz to vienkāršību, tie pieļauj neparasti daudz risinājumu. Ar parametru vērtībām 0 < r< 2 tiek novērota monotoniska pieeja līdzsvaram. Ar parametru vērtībām 2 < r< 2,444 notiek limita cikls: tiek ievērots periodisks režīms ar divu gadu periodu. Vēl lielākām parametra vērtībām r ir četrgadīgie, astoņgadīgie utt. cikli, līdz tiek pārsūtīti periodiskie režīmi (vērtībām r lielāks par 2,57) režīmā, ko var saukt tikai par haotisku. Šeit mēs runājam par pāreju uz haosu, izmantojot virkni periodu dubultošanās bifurkāciju. Vai dabā rodas šāds haoss? Kā liecina jaunākie pētījumi, parametri, kas raksturo reālas populācijas dabā, neļauj tām sasniegt haotisko reģionu.

Sarežģītības simulācija. Neskatoties uz vienkāršību, mūsu modelis diezgan precīzi atspoguļo dažas sarežģītu sistēmu evolūcijas iezīmes. Jo īpaši tas izgaismo attīstības "pārvaldīšanas" grūtību būtību, kas ir atkarīga no daudziem savstarpēji mijiedarbīgiem elementiem. Katra atsevišķa darbība vai lokāla iejaukšanās sistēmā iegūst kolektīvu aspektu, kas var novest pie pilnīgi negaidītām globālām izmaiņām. Pašlaik mēs joprojām maz zinām par visticamāko sistēmas reakciju uz konkrētām izmaiņām. Ļoti bieži sistēmas reakcija uz traucējumiem izrādās pretēja tam, ko stāsta mūsu intuīcija. Mūsu neapmierinātās cerības šajā situācijā ir labi atspoguļotas Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā. pretintuitīvs.

Piemēram, graustu izskaušanas programma tā vietā, lai uzlabotu, situāciju pasliktina. Nojaukto vietā celtās jaunbūves piesaista teritorijai vairāk cilvēku, taču, ja viņiem netiek nodrošināts darbs, tās turpina dzīvot nabadzībā, un viņu mājas kļūst vēl vairāk pārpildītas. Mēs esam apmācīti domāt lineārās cēloņsakarības izteiksmē, bet tagad mums ir vajadzīgi jauni "domāšanas līdzekļi".

Ņemiet, piemēram, ekologu atšķirību starp Uz-stratēģijas un r- stratēģijas ( Uz un r ir loģistikas vienādojumā iekļautie parametri). Tipiska upuru populācijas attīstība ir dzimstības pieaugums r, savukārt plēsēju populācijai - medījuma ķeršanas metožu pilnveidošana, t.i. koeficienta palielinājums Uz. Bet kāpums Uz loģistikas modeļa ietvaros rada sekas, kas pārsniedz loģistikas vienādojumos aprakstīto parādību diapazonu. K-stratēģija nozīmē, ka indivīds arvien vairāk palielina savu spēju mācīties no pieredzes un uzglabāt uzkrāto informāciju atmiņā. Citiem vārdiem sakot, indivīdi kļūst arvien sarežģītāki un ar arvien ilgākiem nobriešanas un mācīšanās periodiem. Tas savukārt nozīmē, ka indivīdi kļūst arvien "vērtīgāki", pārstāvot lielākas "bioloģiskā kapitāla" investīcijas, un neaizsargāti ilgākā laika posmā. Tādējādi "sociālo" un "ģimenes" saišu attīstība ir loģiskas sekas Uz- stratēģijas.

Pret sarežģītu parādību modelēšanu jāizturas piesardzīgi: sarežģītās sistēmās var mainīties pašu entītiju definīcija un to savstarpējā mijiedarbība evolūcijas procesā. Ne tikai katrs sistēmas stāvoklis, bet arī pati sistēmas definīcija, kā aprakstīts modelī, parasti ir nestabila.

Atvērtā pasaule. Tradicionālajā bioloģiskās un sociālās evolūcijas interpretācijā ļoti nožēlojami tiek izmantoti no fizikas aizgūti jēdzieni un metodes - žēl, jo tie ir piemērojami ļoti šaurā fizikas jomā, un līdzībai starp tiem un sociālajām vai ekonomiskajām parādībām nav nekāda pamata. Pirmais piemērs tam ir optimizācijas paradigma. Gan cilvēku sabiedrības vadība, gan selektīvo "ietekmju" darbība uz sistēmu ir vērsta uz noteiktu uzvedības aspektu vai komunikācijas veidu optimizāciju, taču būtu neapdomīgi optimizācijā saskatīt atslēgu, lai izprastu, kā izdzīvo populācijas un indivīdi. Tie, kas domā šādi, riskē kļūdīties, sajaucot cēloņus ar sekām, un otrādi. Optimizācijas modeļi ignorē gan radikālu transformāciju iespēju (t.i., transformācijas, kas maina pašu problēmas formulējumu un līdz ar to arī meklējamā risinājuma būtību), gan inerciālos savienojumus, kas galu galā var piespiest sistēmu pāriet režīmā. operācija, kas noveda pie tā nāves.

Līdzīgi kā doktrīnas, piemēram, Ādama Smita "neredzamā vadošā roka" vai citas progresa definīcijas kritēriju maksimizēšanas vai samazināšanas izteiksmē, optimizācijas modeļi rada pārliecinošu priekšstatu par dabu kā visvarenu un racionālu kalkulatoru un ļoti sakārtotu vēsturi, kas liecina par universālu, stingru progresu. . Lai atjaunotu gan inerci, gan negaidītu notikumu iespējamību, t.i. lai atjaunotu vēstures atvērto raksturu, ir jāatzīst tās fundamentālā nenoteiktība.

TREŠĀ DAĻA. NO BŪŠANAS LĪDZ KĻŪT

7. nodaļa

Kvantu mehānikas rašanās. Pirmā fiziskā teorija, kas patiešām pārtrauca pagātni, bija kvantu mehānika. Viņa mūs ne tikai ievietoja dabā, bet arī piešķīra atribūtu “smags”, t.i. kas sastāv no makroskopiski liela atomu skaita. Lai sniegtu b par Lai labāk ilustrētu tādas universālas konstantes kā gaismas ātrums pastāvēšanas fiziskās sekas, Einšteins iztēlojās sevi braucam ar fotonu. Bet, kā ir parādījusi kvantu mehānika, mēs esam pārāk smagi, lai brauktu pa fotoniem vai elektroniem.

Enerģijas diskrētuma jeb kvantēšanas atklāšana palika ārpus saskares ar citām fizikālām parādībām, līdz Einšteins ierosināja pirmo vispārējo Planka konstantes interpretāciju. Einšteins saprata Planka atklājuma tālejošās sekas uz gaismas dabu un izvirzīja radikāli jaunu koncepciju: viļņu un daļiņu dualitāte (gaismai).

Gaismas vilni raksturo frekvence ν un viļņa garums λ . Planka konstante ļauj pāriet no frekvences un viļņa garuma uz mehāniskiem lielumiem, piemēram, enerģiju ε un impulsu R. Attiecības starp ν un λ , kā arī starp ε un Rļoti vienkārši ( ε = hν, p=h/λ ), un abi satur Planka konstanti h. Divdesmit gadus pēc Einšteina Luiss de Broglie vispārināja viļņu daļiņu dualitāti no gaismas uz vielu. Šis atklājums kalpoja par sākumpunktu mūsdienu kvantu mehānikas formulēšanai. Atoms (un tas ir ļoti svarīgi!) var pastāvēt tikai diskrētos enerģijas līmeņos, kas atbilst dažādām elektronu orbītām.

Kvantu mehānikas pamatideja ir tāda, ka Hamiltona, tāpat kā citi klasiskās mehānikas daudzumi, piemēram, koordinātas q vai impulsi R, jāuzskata par operatoriem.

Heizenberga nenoteiktības attiecības. Kvantu mehānikā katrs fiziskais lielums atbilst operatoram, kas iedarbojas uz funkcijām. Īpaši svarīga loma ir mūs interesējošā operatora īpašfunkcijām un īpatnējām vērtībām. Īpatnējās vērtības atbilst daudzuma pieļaujamajām skaitliskajām vērtībām. Klasiskajā mehānikā koordinātas un moments ir neatkarīgi tādā nozīmē, ka mēs varam piešķirt koordinātei jebkuru skaitlisku vērtību, pilnīgi neatkarīgi no tā, kādu vērtību mēs piešķiram impulsam. Bet Planka konstantes esamība h noved pie neatkarīgo mainīgo skaita samazināšanās. Līdz ar to kvantu mehāniskās daļiņas koordinātas un impulss vairs nav neatkarīgi mainīgie, kā tas ir klasiskajā mehānikā. Kvantu mehānikā nav stāvokļu, kuros šie divi fizikālie lielumi (t.i., koordinātas) q un impulsu R) būtu noteikta nozīme. Šo klasiskajā mehānikā nezināmo situāciju izsaka slavenās Heizenbergas nenoteiktības attiecības. Mēs varam izmērīt pozīciju un impulsu, bet to vērtību nenoteiktību Δ q un Δp ir savstarpēji saistīti ar Heiseibergas nevienlīdzību Δ qΔ lpp≥ h. Ja nenoteiktība Δ q daļiņas pozīcijā ir patvaļīgi maza, tad nenoteiktība Δp savā impulsā iegriezīsies bezgalībā un otrādi.

Heizenberga nenoteiktības attiecība noteikti noved pie cēloņsakarības jēdziena pārskatīšanas. Mēs varam noteikt koordinātu ar absolūtu precizitāti, bet brīdī, kad tas notiek, impulss iegūst pilnīgi patvaļīgu vērtību, pozitīvu vai negatīvu. Tas nozīmē, ka objekts, kura pozīciju esam spējuši izmērīt absolūti precīzi, nekavējoties pārvietojas tik tālu, cik vēlamies. Lokalizācija zaudē nozīmi: jēdzieni, kas veido pašu klasiskās mehānikas pamatu, piedzīvo pamatīgas izmaiņas pārejā uz kvantu mehāniku.

No tā, ka kvantu mehānika liek mazāk noteikti runāt par objekta lokalizāciju, izriet, kā bieži uzsvēra Nīls Bors, ka no klasiskās fizikas ir jāatsakās. Boram Planka konstante nosaka mijiedarbību starp kvantu sistēmu un mērierīci kopumā, ieskaitot mijiedarbību mērīšanas procesā, kā rezultātā mēs iegūstam iespēju izmērītajiem lielumiem piešķirt skaitliskas vērtības. Visi mērījumi, pēc Bora domām, nozīmē mērīšanas ierīces izvēli, jautājuma izvēli, uz kuru jāatbild. Šajā ziņā atbilde, t.i. mērījumu rezultāts nedod mums pieeju šai realitātei. Mums ir jāizlemj, kādus mērījumus mēs veiksim sistēmā un kādu jautājumu to uzdos mūsu eksperimenti. Līdz ar to pastāv nereducējams sistēmas attēlojumu daudzveidība, no kuriem katrs ir saistīts ar noteiktu operatoru kopu. Tas savukārt nozīmē kvantu mehānikas atkāpšanos no klasiskā objektivitātes jēdziena, jo no klasiskā viedokļa ir viens objektīvs apraksts. Tas ir pilnīgs sistēmas apraksts "kā tā ir", neatkarīgi no novērošanas metodes izvēles.

Bors formulēja komplementaritātes principu, ko var uzskatīt par Heizenberga nenoteiktības attiecību vispārinājumu. Mēs varam izmērīt koordinātas vai momentu, bet ne koordinātas un impulsu. Sistēmas fiziskais saturs neaprobežojas ar vienu teorētisku valodu, ar kuras palīdzību būtu iespējams izteikt mainīgos lielumus, kas spēj iegūt labi definētas vērtības. Dažādas sistēmas valodas un viedokļi var būt neobligāti. Tās visas ir saistītas ar vienu un to pašu realitāti, taču tās nav reducētas uz vienu aprakstu.

Īstā mācība, ko mēs varam mācīties no komplementaritātes principa (mācība, kas ir svarīga arī citām zināšanu jomām), ir izteikt realitātes bagātību un daudzveidību, kas pārspēj jebkuras atsevišķas valodas, jebkuras vienotas loģiskās struktūras attēlu iespējas. . Katra valoda spēj izteikt tikai kādu daļu no realitātes. Fizikas pētītā realitāte nav nekas cits kā mūsu prāta konstrukcija, nevis tikai dota. Ir nepieciešams nošķirt abstrakto pozīcijas vai impulsa jēdzienu, ko matemātiski attēlo operatori, un to skaitlisko realizāciju, kas panākta eksperimenta ceļā. Viens no "divu kultūru" opozīcijas iemesliem, šķiet, slēpjas pārliecībā, ka literatūra atbilst kādai realitātes konceptualizācijai, kaut kam izdomātam, bet zinātne pauž objektīvu realitāti. Kvantu mehānika mums māca, ka situācija nav tik vienkārša. Būtisks konceptualizācijas elements ir ietverts visos realitātes līmeņos.

Pagaidu a Es esmu kvantu sistēmu evolūcija. Kvantu mehānikā tiek izmantota tikai puse no klasiskās mehānikas mainīgajiem, tāpēc klasiskais determinisms kļūst nepiemērojams, un statistikas apsvērumi ieņem galveno vietu kvantu fizikā. Mēs atkal saskaramies ar ļoti būtisku atkāpšanos no klasiskās teorijas: paredzamas ir tikai varbūtības, nevis atsevišķi notikumi. Otro reizi fizikas vēsturē varbūtības ir izmantotas, lai izskaidrotu dažas dabas pamatīpašības. Bolcmans bija pirmais, kurš savā entropijas interpretācijā izmantoja varbūtības. Tomēr Bolcmaņa interpretācija nekādā ziņā neizslēdza subjektīvo viedokli, ka "tikai" mūsu zināšanu ierobežojumi sistēmas sarežģītības apstākļos ir šķērslis pilnīgam aprakstam.

Tāpat kā Bolcmaņa laikā, varbūtību izmantošana kvantu mehānikā izrādījās nepieņemama daudziem fiziķiem (tostarp Einšteinam), kuri tiecās pēc "pilnīga" deterministiska apraksta. Atgriezeniskuma un neatgriezeniskuma līdzāspastāvēšana kvantu mehānikā norāda, ka klasiskā idealizācija, kas apraksta pasauli kā slēgtu sistēmu, nav iespējama mikroskopiskā līmenī. Neatgriezeniskums klasiskajā fizikā ienāk, kad trajektorijas koncepcijā balstītā idealizācija kļūst neadekvāta.

8. nodaļa

Bolcmana izrāviens. Boltzmans plānoja sniegt "mehānisku" entropijas interpretāciju. Taču Bolcmaņa sasniegums no konceptuālā viedokļa ir īpaši liels ar to, ka viņš samazināja atšķirību starp atgriezeniskiem un neatgriezeniskiem procesiem, kas ir otrā termodinamikas likuma pamatā, no makroskopiskā līdz mikroskopiskajam līmenim. Ātrumu sadalījuma izmaiņas molekulu brīvas kustības dēļ atbilst atgriezeniskajai daļai, un ieguldījums sadalījuma izmaiņās sadursmju rezultātā atbilst neatgriezeniskajai daļai. Tas, pēc Boltzmana domām, bija entropijas mikroskopiskās interpretācijas atslēga. Bolcmaņa izrāviens kļuva par izšķirošu posmu jauna zinātniskā virziena - procesu fizikas - veidošanā. Pagaidu plkst Boltzmana vienādojuma evolūciju vairs nenosaka Hamiltona, kas ir atkarīga no spēku veida. Boltzmana pieejā kustību ģenerē ar procesu saistītās funkcijas, piemēram, izkliedes šķērsgriezums.

9. nodaļa

Entropija un laika bulta. Cilvēki svārstījās starp divām galējībām: neatgriezeniskuma izslēgšanu no fizikas (Einšteins bija šī virziena piekritējs) un neatgriezeniskuma atzīšanu par svarīgu dabas parādību iezīmi (Vaitheds ar savu procesa koncepciju kļuva par šī virziena pārstāvi). Šobrīd neviens nešaubās, ka neatgriezeniskums pastāv makroskopiskā līmenī un spēlē nozīmīgu konstruktīvu lomu. Tāpēc mikroskopiskajā pasaulē ir jābūt kaut kam, kas izpaužas makroskopiskā līmenī, piemēram, neatgriezeniskums. Mikroskopiskā teorijā jāņem vērā divi cieši saistīti elementi. Pirmkārt, mūsu mēģinājumos izveidot mikroskopisku entropijas modeli, kas laika gaitā mainās monotoni, mums ir jāseko Bolcmanam. Šīm izmaiņām vajadzētu iestatīt laika bultiņu. Izolētas sistēmas entropijas pieaugumam vajadzētu izteikt sistēmas novecošanos.

Neatgriezeniskums kā simetrijas laušanas process. Mēs varam formulēt otrā principa iekšējo nozīmi. Tas iegūst atlases principa statusu, norādot, ka dabā tiek realizēts un novērots tikai viens no diviem risinājumu veidiem. Ja iespējams, otrais termodinamikas likums izsaka dabas iekšējo polarizāciju. Tās nevar būt pašas dinamikas sekas. Otrs princips ir papildu atlases princips, kas, kad tas ir realizēts, tiek izplatīts ar dinamiku.

Mēs varam teikt, ka pastāv cieša saikne starp nestabilitāti un varbūtību.

entropijas barjera. Laiks plūst vienā virzienā: no pagātnes uz nākotni. Tagad mēs labāk saprotam, kāpēc laiku nevar "pagriezt atpakaļ". Bezgalīgi augsta entropijas barjera atdala atļautos sākotnējos stāvokļus no aizliegtajiem. Šo barjeru nekad nepārvarēs tehniskais progress: tā ir bezgala augsta. Mums neatliek nekas cits, kā šķirties no sapņa par laika mašīnu, kas mūs aizvedīs pagātnē.

Siltums un mehāniskā enerģija ir līdzvērtīgi enerģijas saglabāšanas ziņā, bet nekādā ziņā nav otrā likuma. Īsāk sakot, mehāniskā enerģija ir "augstāka līmeņa" (sakarīgāka) nekā siltums, un to vienmēr var pārvērst siltumā. Pretējais nav taisnība. Līdzīga atšķirība pastāv mikroskopiskā līmenī starp sadursmēm un korelācijām. Dinamikas ziņā sadursmes un korelācijas ir līdzvērtīgas. Sadursmes rada korelācijas, un korelācijas var iznīcināt sadursmju sekas. Bet ir būtiska atšķirība starp sadursmēm un korelācijām. Mēs varam kontrolēt sadursmes un radīt korelācijas, bet mēs nevaram kontrolēt korelācijas tā, lai novērstu sadursmju radītās sekas sistēmā. Šīs būtiskās atšķirības dinamikā trūkst, taču to var ņemt vērā termodinamikā. Jāpiebilst, ka termodinamika nekur nenonāk pretrunā ar dinamiku. Termodinamika sniedz svarīgu papildu elementu mūsu izpratnei par fizisko pasauli.

Entropija kā atlases princips. Nevar vien pārsteigt, cik ļoti neatgriezenisku procesu mikroskopiskā teorija atgādina tradicionālo makroskopisko teoriju. Abās teorijās entropijai ir negatīvs aspekts. Makroskopiskajā teorijā entropija aizliedz noteiktus procesus, piemēram, siltuma plūsmu no auksta objekta uz siltu. Mikroskopiskajā teorijā entropija aizliedz noteiktas sākotnējo nosacījumu klases. Atšķirību starp aizliegto un atļauto laikā uztur dinamikas likumi. No negatīvā aspekta izriet pozitīvais: entropijas esamība kopā ar tās varbūtības interpretāciju. Neatgriezeniskums kaut kādā makroskopiskā līmenī brīnumainā kārtā vairs nenotiek. Makroskopiskā neatgriezeniskums tikai padara redzamu pasaules, kurā mēs dzīvojam, uz laiku orientēto polarizēto dabu. Kā jau vairākkārt esam uzsvēruši, dabā pastāv sistēmas ar atgriezenisku uzvedību, kuras var pilnībā aprakstīt klasiskās jeb kvantu mehānikas likumu ietvaros. Bet lielākā daļa mūs interesējošo sistēmu, ieskaitot visas ķīmiskās un līdz ar to visas bioloģiskās sistēmas, ir orientētas laikā makroskopiskā līmenī. To nekādā ziņā iluzora vienvirziena laika atspoguļojums mikroskopiskā līmenī atspoguļo laika simetrijas pārkāpumu. Otrais likums noved pie jauna matērijas jēdziena, pie kuras apraksta mēs tagad pievēršamies.

aktīvā viela. Savienojot entropiju ar dinamisku sistēmu, mēs atgriežamies pie Bolcmaņa koncepcijas: varbūtība sasniedz maksimumu līdzsvara stāvoklī. Strukturālās vienības, kuras mēs izmantojam, lai aprakstītu termodinamisko evolūciju, līdzsvara stāvoklī uzvedas haotiski. Turpretim vāji nelīdzsvarotos apstākļos rodas korelācijas un saskaņotība. Šeit mēs nonākam pie viena no mūsu galvenajiem secinājumiem: visos līmeņos, neatkarīgi no tā, vai tas ir makroskopiskās fizikas līmenis, svārstību līmenis vai mikroskopiskais līmenis, kārtības avots ir nelīdzsvarotība.

Apkoposim sasniegto. Mūsu grāmatas pirmajā un otrajā daļā vairākkārt tika uzsvērts, ka makroskopisko sistēmu līmenī otrais likums (un ar to saistītais neatgriezeniskuma jēdziens) ir ārkārtīgi svarīgs. Trešajā daļā mēs centāmies parādīt, ka tagad ir atvērta iespēja iziet ārpus makroskopiskā līmeņa, un parādīt, ko nozīmē neatgriezeniskums mikroskopiskā līmenī. Lai pārietu no makroskopiskā uz mikroskopisko līmeni, ir būtiski jāpārskata mūsu uzskati par fizikas pamatlikumiem. Tikai pilnībā atbrīvojoties no klasiskajiem jēdzieniem (kā pietiekami nestabilu sistēmu gadījumā), var runāt par "iekšējo nejaušību" un "iekšējo neatgriezeniskumu".

Situācija, ar kuru mēs saskaramies, ir ļoti līdzīga situācijai kvantu mehānikā. Ir divi iespējamie apraksti: vai nu mēs izvēlamies punktu fāzu telpā un tad nezinām, kuram nodalījumam tas pieder un līdz ar to kāds ir tā iekšējais vecums, vai arī zinām iekšējo vecumu, bet tad zinām tikai nodalījumu. , nevis precīza punkta lokalizācija. Pēc tam, kad iegājām iekšējā laikā T, entropiju var izmantot kā atlases principu, lai pārietu no sākotnējā apraksta, izmantojot sadalījuma funkciju R uz jaunu aprakstu, izmantojot sadales funkciju R', kam ir iekšējā laika bultiņa, kas atbilst otrajam termodinamikas likumam. Galvenā atšķirība starp R un R' izpaužas šo funkciju izvērsumos attiecībā uz operatora īpašfunkcijām T. Funkcijā R visi iekšējie laikmeti, neatkarīgi no tā, vai tie pieder pagātnei vai nākotnei, ienāk simetriski. Funkcijā R' Atšķirībā no R pagātne un nākotne spēlē dažādas lomas: pagātne ienāk R un nākotne joprojām ir neskaidra. Pagātnes un nākotnes asimetrija nozīmē, ka pastāv laika bulta. Jaunajam aprakstā ir svarīga iezīme, kas ir pelnījusi uzmanību: sākotnējie nosacījumi un pārmaiņu likumi vairs nav neatkarīgi. Valsts ar laika bultu rodas likuma iedarbībā, arī apveltīta ar laika bultu un pārveidojot valsti, bet saglabājot laika bultu.

Divas lielas revolūcijas fizikā XX gadsimtā. ir saistīti ar divu klasiskajai mehānikai svešu aizliegumu iekļaušanu fizikas pamatstruktūrā: signāla izplatīšanās ar ātrumu, kas lielāks par gaismas ātrumu, un neiespējamību vienlaicīgi izmērīt koordinātas un impulsu. Nav pārsteidzoši, ka otrais likums, kas arī ierobežo mūsu spēju aktīvi ietekmēt matēriju, noved pie pamatīgām izmaiņām fizikas pamatlikumu struktūrā. Mēs vēlamies beigt mūsu grāmatas trešo daļu ar brīdinājumu. Neatgriezenisku procesu fenomenoloģisko teoriju tagad var uzskatīt par pilnībā izstrādātu. Turpretim neatgriezenisku procesu mikroskopiskā teorija sper tikai pirmos soļus.

SECINĀJUMS. No zemes uz debesīm: jaunas dabas burvestības

Atvērtā zinātne. Zinātne, protams, ietver aktīvu ietekmi uz dabu, bet tajā pašā laikā tas ir mēģinājums izprast dabu, dziļāk iedziļināties jautājumos, kurus uzdevusi ne viena vien cilvēku paaudze. Viens no šiem jautājumiem izklausās kā vadmotīvs (gandrīz kā apsēstība) šīs grāmatas lappusēs, tāpat kā dabaszinātņu un filozofijas vēsturē. Runa ir par esamības un tapšanas attiecībām, nemainīgumu un pārmaiņām. Grāmatas sākumā mēs minējām jautājumus, par kuriem domāja filozofi pirms Sokrāta. Vai pārmaiņas, kas rada visas lietas un nolemj tās iznīcībai, nav no ārpuses uzliktas kādai inertai matērijai? Vai izmaiņas nav matērijas iekšējās neatkarīgās darbības rezultāts? Vai ir nepieciešams ārējs virzošais spēks, vai tas kļūst matērijai raksturīgs? 17. gadsimta dabaszinātne. nostājās pretstatā dzīvo būtņu spontānas un autonomas organizācijas bioloģiskajam modelim. Taču tajā pašā laikā dabaszinātnei bija jāsaskaras ar citu fundamentālu alternatīvu. Vai daba pēc būtības ir nejauša? Vai sakārtota uzvedība nav tikai pārejošs atomu un to nestabilo savienojumu nejaušu sadursmju rezultāts?

Viens no galvenajiem mūsdienu zinātnes neatvairāmā pievilcības avotiem bija sajūta, ka tā atklāj mūžīgos likumus, kas slēpjas nebeidzamo dabas pārvērtību dzīlēs, un tādējādi uz visiem laikiem izraidīja laiku un tapšanu. Kārtības atklāšana dabā radīja intelektuālās noteiktības sajūtu. Mēs meklējām vispārīgas, visaptverošas shēmas, kas ļautu aprakstīt mūžīgo likumu valodā, bet atradām laiku, notikumus, daļiņas, kas piedzīvo dažādas pārvērtības. Meklējot simetriju, mēs bijām pārsteigti, ka visos līmeņos — no elementārdaļiņām līdz bioloģijai un ekoloģijai — atklājām procesus, ko pavada simetrijas pārrāvums. Mēs savā grāmatā esam aprakstījuši sadursmi starp dinamiku ar tai raksturīgo simetriju laikā un termodinamiku, ko raksturo vienvirziena laika virzība. Mūsu acu priekšā parādās jauna vienotība: neatgriezeniskums ir kārtības avots visos līmeņos. Neatgriezeniskums ir mehānisms, kas rada kārtību no haosa.

Laiks un laiki. Vairāk nekā trīs gadsimtus fizikā dominē uzskats, ka laiks būtībā ir ģeometrisks parametrs, kas ļauj aprakstīt dinamisko stāvokļu secību.

entropijas barjera. Otro likumu esam aprakstījuši kā atlases principu: katrs sākotnējais nosacījums atbilst kādai "informācijai". Visi sākotnējie nosacījumi, kuriem šī informācija ir ierobežota, tiek uzskatīti par pieņemamiem. Bet, lai apgrieztu laiku, ir nepieciešama bezgalīga informācija; mēs nevaram radīt situācijas, kas aizvestu mūs pagātnē! Lai novērstu ceļošanu uz pagātni, mēs esam uzcēluši entropijas barjeru. Nav iespējams neievērot interesantu analoģiju starp entropijas barjeru un gaismas ātruma jēdzienu kā maksimālo signāla pārraides ātrumu. Šāda barjera ir nepieciešama, lai piešķirtu nozīmi cēloņsakarībai. Entropijas barjera ir nepieciešama arī, lai piešķirtu nozīmi signalizācijai. Neatgriezeniskums un signalizācija ir cieši saistīti. Norberts Vīners pārliecinoši parādīja, pie kādām šausmīgām sekām novestu divu laika virzienu pastāvēšana. Tā ir entropijas barjera, kas garantē laika virziena unikalitāti, neiespējamību mainīt laika ritējumu no viena virziena uz pretējo.

Tikai dinamikas un termodinamikas apvienošana, ieviešot jaunu atlases principu, piešķir otrajam likumam dabaszinātņu evolūcijas paradigmas fundamentālo nozīmi. Piemērojot dabaszinātņu jēdzienus socioloģijā vai ekonomikā, ir jābūt uzmanīgiem.

aktieri un skatītāji. Merlo-Pontijs apgalvoja, ka dabaszinātnes "filozofiskie" atklājumi, tās pamatu konceptuālās pārvērtības bieži notiek negatīvu atklājumu rezultātā, kas kalpo kā stimuls iedibināto uzskatu pārskatīšanai un sākumpunkts pārejai uz pretēju skatījumu. Neiespējamības vai neesamības pierādījumi (relativitātes teorijā, kvantu mehānikā vai termodinamikā) ir parādījuši, ka dabu nevar aprakstīt "no ārpuses", no skatītāja viedokļa. Dabas apraksts ir dzīvs dialogs, komunikācija, un uz to attiecas ierobežojumi, kas norāda, ka esam makroskopiskas būtnes, kas iegrimušas reālajā fiziskajā pasaulē.

Situāciju, kāda mums šodien šķiet, var nosacīti attēlot diagrammas veidā (4. att.). Mēs sākam ar novērotāju, kas mēra pozīcijas un momentus un redz, kā tie laika gaitā mainās. Mērījumu laikā viņš atklāj: viņš uzzina par nestabilu sistēmu esamību un citām parādībām, kas saistītas ar iekšējo nejaušību un iekšējo neatgriezeniskumu. Bet no iekšējās neatgriezeniskuma un entropijas mēs pārejam uz izkliedējošām struktūrām ļoti nelīdzsvarotās sistēmās, kas ļauj izprast uz laiku orientēto novērotāja darbību. Nav tādas zinātniskas darbības, kas nebūtu orientēta uz laiku. Lai sagatavotu eksperimentu, ir jānošķir "pirms" un "pēc". Mēs varam atpazīt atgriezenisku kustību tikai tāpēc, ka zinām par neatgriezeniskumu. No mūsu diagrammas var redzēt, ka, aprakstot pilnu apli, mēs esam atgriezušies sākuma punktā un tagad redzam sevi kā neatņemamu pasaules daļu, kuru mēs aprakstām. Lai makroskopiskā pasaule būtu apdzīvota pasaule, kurā dzīvo "novērotāji", t.i., dzīva pasaule, Visumam jābūt ļoti nelīdzsvarotā stāvoklī.

Rīsi. 4. Vērotājs un daba

Virpulis kūstošajā dabā.Čārlzs S. Pīrss: “Jūs visi esat dzirdējuši par enerģijas izkliedi. Tika konstatēts, ka jebkuras enerģijas pārveidošanas laikā daļa no tās pārvēršas siltumā, un siltums vienmēr tiecas izlīdzināt temperatūru. Savu nepieciešamo likumu ietekmē pasaules enerģija izžūst, pasaule virzās pretī savai nāvei, kad spēki pārstāj darboties visur, un siltums un temperatūra ir vienmērīgi sadalīti... Bet, lai gan neviens spēks nespēj pretoties šai tendencei, iespēja to var novērst un novērsīs. Spēks galu galā ir izkliedējošs, nejaušība galu galā ir koncentrējoša. Enerģijas izkliedi saskaņā ar nemainīgiem dabas likumiem, pamatojoties uz tiem pašiem likumiem, pavada apstākļi, kas ir arvien labvēlīgāki nejaušai enerģijas koncentrācijai. Neizbēgami pienāks brīdis, kad abas tendences līdzsvaros viena otru. Tas ir stāvoklis, kurā tagad neapšaubāmi atrodas visa pasaule.

Ārpus tautoloģijas. Klasiskās zinātnes pasaule bija pasaule, kurā varēja notikt tikai notikumi, kas izriet no sistēmas momentānā stāvokļa. Klasiskā zinātne noliedza dabas veidošanos un daudzveidību. Klasiskās dinamikas objekti ir slēgti paši par sevi. Viņi no malas neko nezina. Katrs sistēmas punkts jebkurā laika brīdī zina visu, kas tam jāzina, proti, masu sadalījumu telpā un to ātrumu. Katrs stāvoklis satur visu patiesību par visiem pārējiem stāvokļiem, kas atbilst sistēmai uzliktajiem ierobežojumiem; katru no tiem var izmantot citu stāvokļu prognozēšanai neatkarīgi no to relatīvās pozīcijas uz laika ass.

Mūsdienu zinātnes uzskatu fundamentālas izmaiņas ir pāreja uz laicīgumu un plurālismu. Gan makroskopiskā, gan mikroskopiskā līmenī dabaszinātnēs vairs netiek izmantots objektīvās realitātes jēdziens, no kura mūžīgo un nemainīgo universālo likumu vārdā sekoja nepieciešamība atteikties no novitātes un daudzveidības. Dabaszinātnes atbrīvojās no aklas ticības racionālajam kā kaut kam slēgtam un atteicās no galīgo zināšanu sasniedzamības ideāla, kas šķita gandrīz sasniegts. Dabaszinātnes tagad ir atvērtas visam negaidītajam, kas vairs netiek uzskatīts par nepilnīgu zināšanu vai nepietiekamas kontroles rezultātu.

Iekšējās pasaules stāvoklis. Klasiskās zinātnes ideāls bija "caurspīdīgs" fiziskā Visuma attēls. Katrā gadījumā bija jābūt iespējai norādīt cēloni un tā sekas. Bet, kad rodas vajadzība pēc stohastiska apraksta, cēloņsakarības daļa kļūst sarežģītāka. Mēs nevaram runāt vairāk par cēloņsakarību katrā eksperimentā. Ir jēga runāt tikai par statistisko cēloņsakarību.

Dabas atjaunošana. Idejas, kurām grāmatā esam pievērsuši diezgan lielu uzmanību – idejas par svārstību nestabilitāti – sāk iespiesties sociālajās zinātnēs. Tagad mēs zinām, ka cilvēku sabiedrība ir ārkārtīgi sarežģīta sistēma, kas spēj iziet milzīgu skaitu bifurkāciju, par ko liecina daudzās kultūras, kas attīstījušās salīdzinoši īsā laika posmā cilvēces vēsturē. Mēs zinām, ka šādas sarežģītas sistēmas ir ļoti jutīgas pret svārstībām. Tas vienlaikus rada gan cerību, gan trauksmi: cerību, ka pat nelielas svārstības var pastiprināties un mainīt visu to struktūru (tas jo īpaši nozīmē, ka individuālā darbība nebūt nav lemta bezjēdzībai); nemiers - jo mūsu pasaule, acīmredzot, uz visiem laikiem zaudēja stabilu, noturīgu likumu garantijas.

Mēs dzīvojam bīstamā un nenoteiktā pasaulē, kas iedveš nevis aklas noteiktības sajūtu, bet tikai to pašu mērenas cerības sajūtu, ko daži Talmuda teksti piedēvē Genesis dievam: Divdesmit seši mēģinājumi notika pirms pasaules radīšanas, un tie visi beidzās ar neveiksmi. Cilvēka pasaule radās no iepriekšējo mēģinājumu atstāto gružu haosa. Viņš ir pārāk trausls un riskē atkal kļūt par neko. "Cerēsim, ka šoreiz tas izdevās," Dievs iesaucās, radījis pasauli, un šī cerība pavadīja visu turpmāko pasaules un cilvēces vēsturi, uzsverot jau no paša šīs vēstures sākuma, ka to iezīmēja nenoņemamības zīmogs. nenoteiktība.

Pēcvārds. DABASZINĀTNE UN ATTĪSTĪBA: DIALOGS AR PAGĀTNI, TAGADIENU UN NĀKOTNI
V. I. Aršinovs, Ju. L. Klimontovičs, Ju. V. Sačkovs

Procesus fizikālajās, ķīmiskajās un bioloģiskajās sistēmās iedala divās klasēs. Pirmajā klasē ietilpst procesi slēgtās sistēmās. Tie noved pie līdzsvara stāvokļa izveidošanas, kas noteiktos apstākļos atbilst maksimāli iespējamai nekārtības pakāpei. Mēs šo stāvokli saucam par fizisko haosu. Mūsdienu idejas par līdzsvara stāvokli atgriežas pie ievērojamajiem Bolcmana un Gibsa darbiem, kuri parādīja, ka entropija, ko termodinamikā ieviesa Klausijs, ir viena no svarīgākajām statistikas teorijas pazīmēm – stāvokļa nekārtības jeb haotiskuma mērs. sistēma.

Otrajā klasē ietilpst procesi atvērtās sistēmās, kuru laikā no fiziska haosa dzimst struktūras, izkliedējošas struktūras. Pašorganizācijas procesiem raksturīga izkliedējošu struktūru rašanās laika evolūcijas gaitā atvērtās sistēmās, izmantojot arvien sakārtotāku izkliedējošu struktūru secību. Pašorganizācijas problēma dažādās sistēmās, protams, nav jauna. Daudzi izcili darbi ir veltīti dažādiem šīs problēmas aspektiem. Īpašu vietu starp tiem ieņem Čārlza Darvina darbi par dabisko atlasi evolūcijas procesā.

Savulaik pastāvēja uzskats, ka starp Darvina teoriju un otro termodinamikas likumu pastāv skaidra pretruna. Patiešām, pēc Darvina domām, bioloģiskās attīstības procesā struktūras kļūst sarežģītākas un palielinās sakārtotības pakāpe. Saskaņā ar otro termodinamikas likumu jebkurā slēgtā sistēmā evolūcijas gaitā palielinās haosa (entropijas) pakāpe. Šī šķietamā pretruna izzuda, apzinoties faktu, ka pastāv divi principiāli atšķirīgi (iepriekš minētie) evolūcijas procesi: procesi slēgtās sistēmās noved pie termiskā līdzsvara (mūsu terminoloģijā fizisks haoss), un procesi atvērtajās sistēmās var būt pašorganizācija.

Saskaņā ar Platona un viņa studentu idejām haoss (mūsdienu izpratnē) ir tāds sistēmas stāvoklis, kas saglabājas, jo tiek novērstas tās īpašību izpausmes iespējas. Arī jēdziens "struktūra" ir ārkārtīgi vispārīgs. Struktūra ir sava veida organizācija un sistēmas elementu savienojums.

Uz jautājumu "Kas ir turbulence?" nav viegli atbildēt. Daudziem šķiet gandrīz acīmredzams, ka pāreja no lamināras plūsmas uz turbulentu plūsmu ir pāreja no sakārtotas uz haotisku kustību. "Ilgu laiku turbulence tika identificēta ar haosu vai troksni. Šodien mēs zinām, ka tas tā nav. Lai gan makroskopiskā mērogā turbulentā plūsma šķiet pilnīgi nesakārtota vai haotiska, mikroskopiskā mērogā tā ir ļoti organizēta. Telpisko un laika mērogu kopums, kurā notiek turbulence, atbilst miljoniem un miljoniem molekulu saskaņotai uzvedībai. No šī viedokļa pāreja no lamināras plūsmas uz turbulenci ir pašorganizācijas process. Daļa no sistēmas enerģijas, kas laminārajā plūsmā atradās molekulu termiskajā kustībā, pāriet makroskopiskā organizētā kustībā.

Ir vajadzīga teorija, lai kvantitatīvi noteiktu dažādu stāvokļu sakārtotības pakāpi atvērtās sistēmās, t.i. no haosa izrietošo struktūru sakārtotības pakāpe. Tam, protams, jābalstās uz mūsdienu statistisko teoriju par nelīdzsvarotiem procesiem.

Jautājums par kontroles parametru izvēli (noteikšanu) pašorganizācijas teorijā ir viens no būtiskākajiem un vienlaikus arī sarežģītākajiem. Vairāku kārtības parametru klātbūtnē ir iespējami dažādi pašorganizēšanās veidi - dažādi “scenāriji” kārtības rašanās no haosa. Tas rada optimālas kontroles iespēju. Kā vienu no sakārtotības pakāpes pazīmēm var izmantot (pie noteiktiem papildu nosacījumiem) Bolcmaņa-Gibsa entropiju.

Iespēja izmantot Boltzmana-Gibsa entropiju, lai kvantitatīvi noteiktu sakārtotības pakāpi pašorganizācijas procesos atklātās sistēmās, nešķiet acīmredzama. Vienā gadījumā evolūcija līdz līdzsvara stāvoklim notiek izolētā sistēmā. Šajā gadījumā sistēmas entropija monotoni palielinās un paliek nemainīga, kad tiek sasniegts līdzsvara stāvoklis. Citā gadījumā tiek ņemts vērā stacionāro stāvokļu kopums, kas atbilst dažādām vadības parametra vērtībām. Kontroles parametra izcelsmi jo īpaši var izvēlēties tā, lai tā nulles vērtība atbilstu "līdzsvara stāvoklim".

Aberācija - novirze no normas; kļūda, kļūda, kļūda.

Vitālisms (no latīņu vitalis - "vitāls") - mācība par nemateriāla pārdabiska spēka klātbūtni dzīvajos organismos, kas kontrolē dzīvības parādības - "dzīvības spēks". Vitalisma teorija postulē, ka procesi bioloģiskajos organismos ir atkarīgi no šī spēka un nav izskaidrojami ar fizikas, ķīmijas vai bioķīmijas terminiem.

Ignoramus et ignorabimus (lat. “mēs nezinām un nezināsim”) – īsfrāze no Emīla Dibuā-Reimonda referāta “Par dabas zināšanu robežām”. Izteiciena nozīme slēpjas apstāklī, ka, pēc Dubuā-Reimonda domām, mēs nekad nepārkāpsim cilvēka garam noteiktās dabas zināšanu robežas.

Logaritms šajā izteiksmē norāda, ka entropija ir aditīvs lielums S1+2 = S1+S2, savukārt kompleksu skaits P ir reizināts P 1+2 =P 1 *P2.

Cikliskais AMP (cAMP) ir viela, kas atrodama daudzos bioķīmiskos procesos, piemēram, hormonālajā regulācijā.

Brusselator ir nelineārs modelis, ko izgudroja Prigožins; nosaukts Briseles pilsētas vārdā, kurā viņš strādāja.

In vitro (lat. “stiklā”) ir eksperimentu veikšanas tehnoloģija, kad eksperimentus veic “mēģenē” – ārpus dzīva organisma. Šis termins ir pretstats terminam in vivo - eksperiments ar dzīvu organismu (uz cilvēku).

Džamšids Garaedaghi grāmatā runā par pretintuitivitāti kā vienu no galvenajiem sistēmiskajiem principiem (līdzās atklātībai, mērķtiecībai, daudzdimensionalitātei un rašanās).