Герман Хакен - Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Читатель, добравшийся вместе с нами до этой главы, уже оставил позади себя большую часть пути: наша книга подходит к концу. В самом начале мы сравнивали комплексные системы именно с книгой; книга имеет множество аспектов, и то, что один из них будет воспринят как характеристическое свойство всей комплексной системы, часто в очень значительной степени зависит от субъективной установки наблюдателя. Именно в таком положении и находится читатель, у которого в процессе чтения этой книги складывалось определенное о ней представление. Он ознакомился с рядом фактов из различных областей, и некоторые из них, возможно, в той или иной степени заинтересовали его; вероятно, отдельные выводы — особенно касающиеся экономической и социологической сфер — были приняты с воодушевлением, другие же оказались решительно отклонены. Однако все эти отдельные впечатления еще не являются ответом на вопрос, всегда встающий перед ученым: останутся ли отдельные факты всего лишь разрозненными элементами рассыпанной мозаики, или же они сложатся в единую, целостную картину? Иными словами, окажется ли данная книга в состоянии передать всем своим читателям новое видение, новый взгляд на мир? Для ответа на этот вопрос обратимся сначала к естественнонаучным областям — физике, химии, биологии и родственным им дисциплинам.

Мы уже упоминали о трудностях, с которыми еще совсем недавно сталкивались физики при ответе на вопрос, согласуется ли процесс развития биологических структур с основополагающими физическими принципами. На ряде конкретных примеров мы видели, что и в мире неживой природы могут возникать такие структуры, существование которых поддерживается постоянным притоком энергии извне: мы говорили о лазере, испускающем строго упорядоченные световые волны определенной длины, о ячеистых структурах, образующихся в жидкостях, и о химических спиральных волнах. Все эти примеры представляют собой системы, нуждающиеся в постоянном притоке энергии (а в отдельных случаях и материи), которая преобразуется внутри системы и в преобразованном виде выделяется наружу. Все описанные системы относятся к так называемым открытым системам. Здесь и выходят на сцену открытия, сделанные синергетикой. На открытые системы не распространяется принцип, согласно которому при предоставлении такой системы самой себе хаос в ней будет постоянно расти. Принцип Больцмана, касающийся энтропии как меры хаоса, стремящейся достичь своего максимума, оказывается верен только для закрытых систем. Как было показано в двенадцатой главе, где речь шла о сущности хаоса, в случае закрытой системы рост энтропии зависит только от количества возможностей, которые может реализовать система — например, от числа различных положений молекул газа в системе, которая представляет собой емкость, наполненную газом. Поскольку для каждой системы существует совершенно определенное число таких положений, принцип Больцмана является статическим. Существуют ли общие принципы возникновения структур в открытых системах? На решение именно этой проблемы и направлены прежде всего синергетические исследования. Множество отдельных элементов открытой системы задействованы в процессе постоянного тестирования различных возможностей, предоставляемых им системой, пробуя при этом все новые и новые типы движения или реакции. Под воздействием непрерывно поступающей энергии (или же энергии и вещества) один или несколько типов такого коллективного движения или коллективной реакции оказывается предпочтительнее других; именно эти формы движения или типы реакций становятся преобладающими в системе. Постепенно происходит подавление — или, говоря языком синергетики, подчинение — ими всех прочих форм движения или типов реакций. Подчиняющие себе всю систему типы движения или реакций называются также модами; они проявляются в явных и отчетливо наблюдаемых изменениях макроскопической структуры системы. Состояния, достигаемые системой в результате возникновения новых мод, представляются нам, как правило, состояниями более высокой степени упорядоченности. Таким образом, рассмотренный принцип возникновения структур в открытых системах является принципом динамическим, поскольку определяется скоростью роста мод. Успеха добиваются, как правило, те моды, чья скорость роста выше; они же определяют макроскопическую структуру. В том случае, если несколько мод (называемых также параметрами порядка) имеют равную скорость роста, они могут при известных условиях объединиться друг с другом «на кооперативных началах», что в итоге приводит к возникновению опять-таки совершенно новой структуры. Добиться того, чтобы скорость роста той или иной моды стала положительной (а в природе возможны случаи, когда эта скорость равна нулю или отрицательна), приток энергии в систему должен быть достаточно велик. При достижении определенных критических значений поступающей энергии общее макроскопическое состояние системы может измениться за счет возникновения иного типа упорядоченности. В этих случаях Природа использует поступающую в систему энергию, руководствуясь своего рода правилом рычага — тем самым правилом из механики, в соответствии с которым мы можем, верно рассчитав длину плеча рычага и располагая лишь ограниченной подъемной силой, поднять большой вес. Аналогичным образом поступает и Природа при создании структур в открытых системах. Влияние незначительных изменений внешних условий — например увеличение мощности накачки в лазере или повышение температуры нагревания слоя жидкости — увеличивается за счет того, что при этом становится сильнее некая определенная форма движения. Можно доказать математически, что подобное усиление моды играет в этом случае роль плеча рычага, а изменение внешних условий соответствует силе, приложенной к этому плечу; изменение же макроскопического состояния системы, переходящей на более высокий уровень упорядоченности, можно в данном контексте представить как поднимаемый груз.

Цели синергетики не ограничиваются только поиском общих закономерностей, действующих в мире неживой природы; синергетика стремится еще и «навести мосты» между неживой и живой природой. Этому особенно способствуют два обстоятельства: в живой природе мы имеем дело, во-первых, исключительно с открытыми системами, а во-вторых, с конкуренцией мод. Начнем с последнего. Допуская, что различная скорость роста отдельных коллективных форм движения (иными словами, мод) является фактором, определяющим то, какая именно структура возникнет в результате, мы тем самым подразумеваем, что между различными формами движения существует постоянная конкуренция. Эта идея весьма схожа с основной идеей дарвинизма, распространяющейся на мир живой природы, — идеей, согласно которой межвидовая конкурентная борьба является двигателем эволюционного развития. Совершенно ясно, что дарвинизм представляет собой лишь частный случай более общего принципа. Конкуренция существует и в мире неживой материи; согласно современным научным представлениям, процессы, демонстрирующие проявления подобного рода конкуренции, играют, помимо прочего, определенную роль в росте и развитии любого живого существа, и это в равной степени относится как к морфогенезу, так и к развитию мозга. Принцип конкуренции различных типов коллективного поведения распространяется не только на мир неживой материи и живой природы, но и на сферу духовной деятельности людей, в чем мы могли убедиться на примерах из социологии. Этот же принцип оказывается справедлив и для мира науки: его действие распространяется на новые научные идеи, пребывающие в состоянии постоянного противоборства друг с другом и имеющие возможность развиваться лишь благодаря коллективным усилиям множества ученых, коллективному сознанию научного сообщества. Теперь перейдем к более подробному рассмотрению первого из названных нами в этом разделе пунктов — открытых систем, в которых возможно возникновение самых разнообразных структур, принадлежащих как неживой, так и живой природе.