Виталий Тихоплав - Идущие по пустыне: время

Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая – открытая система рассеивается, превращаясь в хаос.

А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль могут играть флуктуационные процессы [7].

Дело в том, что все сложные системы состоят из подсистем, которые непрестанно флуктуируют. И если в классической науке флуктуация – случайное отклонение мгновенного значения от среднего – быстро рассасывается, то в синергетике флуктуации при определенных условиях вырастают до масштабов системы и могут послужить началом образований новой структуры. То есть флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается. В системе могут спонтанно возникать новые типы структур, самопроизвольно возникать новые динамические состояния.

Словом, термодинамика неравновесных процессов изучает незамкнутые системы, которые в результате внутренних коллективных сил и внешних воздействий оказываются в состояниях, далеких от равновесных.

Все необратимые процессы происходят до тех пор, пока не установится равновесие системы, а это свидетельствует о том, что работа совершается системой только в том случае, пока ею не достигнуто равновесное состояние. Неравновесные системы, не получая дополнительную энергию, не могут длительное время сохранять свое состояние.

Неравновесность связана с адаптацией к внешней среде, она вынуждена изменять свою структуру и может претерпевать много различных состояний неопределенности.

Нелинейностью называется свойство системы иметь в своей структуре различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам поведения этой системы. Система нелинейна, если в разное время, при разных внешних воздействиях ее поведение определяется различными законами.

Нелинейность также рассматривается как необычная реакция на внешние воздействия, когда не очень сильное, но «правильное» воздействие оказывает большее влияние на систему, чем воздействие более сильное, но неадекватное ее собственным тенденциям.

Хорошим примером нелинейности служит реакция организма человека на внешние раздражители. Организм, реагируя на внешние воздействия, не соблюдает принцип «чем больше, тем лучше (или хуже)». Человеческому организму оказалось удобнее, экономичнее и выгоднее использовать нелинейную зависимость его реакции от величины раздражителя.

Оказывается, в организме существуют несколько фаз, в пределах которых проявляется реакция организма на действие внешнего раздражителя. Например, в реакции организма на стресс выделяют три фазы. Первая фаза – начальная. Для нее характерно возникновение чувства тревоги, беспокойства. Вторая фаза – фаза сопротивления. Она характеризуется выработкой сил и средств, направленных на борьбу с факторами, вызывающими стресс. Третья фаза – фаза истощения. Ресурс защитных сил организма исчерпан, и организм заболевает. Именно на третьей стадии и возникают так называемые болезни на нервной почве.

Фазной реакцией на внешние раздражители обладает не только весь человеческий организм, но и каждая отдельная мембрана клетки, каждая клетка, отдельная клеточная популяция, отдельное нервное волокно, а также каждый участок кожи. Такой же по форме отклик на воздействие извне характерен даже для всей биосферы как единой сложной системы.

Важным достижением синергетики является открытие механизма резонансного возбуждения. Оказывается, система, находящаяся в неравновесном состоянии, чутка к воздействиям, согласованным с ее собственными свойствами. Поэтому флуктуации во внешней среде являются не «шумом», а фактором генерации новых структур. Малые, но согласованные с внутренним состоянием системы внешние воздействия на нее могут оказаться более эффективными, чем большие. Нелинейные системы демонстрируют неожиданно сильные ответные реакции на релевантные [8]их внутренней организации, резонансные возмущения.

Являясь неравновесными и открытыми, нелинейные системы сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, то есть система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Например, в ходе химической реакции вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.

На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции [9]: здесь возможны ситуации, когда эффект от совместного действия причин А и В не имеет ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.

Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью.

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, то есть своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Иными словами, неравновесное протекание множества микропроцессов суммируется на макроуровне и качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом.

Например, причиной таких процессов диссипации, как вязкостное трение, является тепловое движение молекул: при движении выбранного малого объема вещества молекулы на границе объема, хаотически перемещаясь, постоянно сталкиваются с молекулами других объемов, в результате чего происходит непрерывный обмен импульсом и веществом между малыми объемами среды.

В закрытых системах диссипация – это тенденция к размыванию организации, но в открытых, нелинейных, неравновесных системах она проявляет себя и через противоположную функцию – структурообразование.

Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно формироваться новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Если замкнутая система, выведенная из состояния равновесия, всегда стремится вновь прийти к максимуму энтропии, то в открытой системе отток энтропии может уравновесить ее рост в самой системе, и есть вероятность возникновения стационарного состояния. Если же отток энтропии превысит ее внутренний рост, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации, и при определенных условиях в системе начинают происходить самоорганизационные процессы, создание упорядоченных структур.