Контрольная работа: Концепція необоротності й термодинаміка. Самоорганізація у відкритих системах

Важливо також підкреслити, що самі поняття часу й еволюції по-різному інтерпретувалися в колишній термодинаміці, з одного боку, і в біології, соціології й історії, з іншої. Справді, так звана стріла часу зв'язувалася в термодинаміку зі зростанням ентропії системи, з посиленням її безладдя й дезорганізації, тоді як у біології й соціології вона розглядалася, навпаки, з погляду становлення й удосконалювання системи, збільшення в ній порядку й організації. Якщо еволюція в неживій природі витлумачувалася як поступовий рух систем до їхнього руйнування й дезорганізації, то в живій природі, навпаки, як повільний поступальний рух до посилення організації систем, їхньому вдосконалюванню й ускладненню. Недарма ж незабаром після того як був сформульований другий початок термодинаміки, з'явилися похмурі прогнози про «теплову смерть» Всесвіту.

У чому ж полягають причини такого протиставлення точок зору на поняття часу й еволюції? Як можна було дозволити протиріччя, що виникло між поданнями класичної термодинаміки й біології, соціології й історії? Очевидно, що для цього необхідно було переглянути ті вихідні поняття й принципи, яких дотримувалася стара, класична термодинаміка, тому що вони не відповідали дійсності, нашим спостереженням, а також результатам досліджень у біологічних і соціальних науках. Досвід і практична діяльність свідчили, що поняття закритої, або ізольованої, системи являє собою далеко, що йде абстракцію, і тому вона занадто спрощує дійсність, оскільки в ній важко або навіть неможливо знайти системи, які б не взаємодіяли з навколишнім середовищем, що складається також із систем. Тому в новій термодинаміці місце закритої, ізольованої, системи зайняло принципово інше фундаментальне поняття відкритої системи, що здатна обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною, енергією й інформацією.

Одне з перших визначень цього поняття належить видатному австрійському фізикові Ервину Шредингеру (1887-1961), що сформулював його у своїй книзі «Що таке життя? З погляду фізика». У ній він ясно вказав, що закони фізики лежать в основі утворення біологічних структур, і підкреслив, що характерна риса біологічних систем складається в обміні енергією й речовиною з навколишнім середовищем. Він писав:

Засіб, за допомогою якого організм підтримує себе постійно на досить високому рівні впорядкованості (дорівнює на досить низькому рівні ентропії), у дійсності складається в безперервному витягу впорядкованості з навколишнього його середовища.

Взаємодіючи із середовищем, відкрите система не може залишатися замкнутої, тому що вона змушена запозичити ззовні або нову речовину або свіжу енергію й одночасно виводити в середовище використана речовина й відпрацьована енергія.

Але на відміну від закритих систем ця ентропія, що характеризує ступінь безладдя в системі, не накопичується в ній, а віддаляється в навколишнє середовище. Це означає, що використана, відпрацьована енергія розсіюється в навколишнім середовищі й замість її із середовища витягає нова, свіжа енергія, здатна робити корисну роботу.

Такого роду матеріальні структури, здатні розсіювати, енергію, називаються дисипативними. Звідси стає ясним, що відкрита система не може бути рівноважної, тому що її функціонування вимагає безперервного надходження із зовнішнього середовища енергії або речовини, багатого енергією. У результаті такої взаємодії система, як указує Шредингер, витягає порядок з навколишнього середовища й тим самим вносить безладдя в це середовище.

Очевидно, що з надходженням нової енергії або речовини неравноважність у системі зростає. В остаточному підсумку колишній взаємозв'язок між елементами системи, що визначає її структуру, руйнується. Між елементами системи виникають нові зв'язки, які приводять до кооперативних процесів, тобто до колективного поводження її елементів. Так схематично можуть бути описані процеси самоорганізації у відкритих системах.

Наочною ілюстрацією процесів самоорганізації може служити робота лазера, за допомогою якого можна одержувати потужні оптичні випромінювання. Не вдаючись у деталі його функціонування, відзначимо, що хаотичні коливальні рухи тридцятилітніх його часток завдяки надходженню енергії ззовні, при достатній його «накачуванні» приводяться в погоджений рух. Вони починають коливатися в однаковій фазі й внаслідок цього потужність лазерного випромінювання багаторазово збільшується. Цей приклад свідчить, що в результаті взаємодії із середовищем за рахунок надходження додаткової енергії колишні випадкові коливання елементів такої системи, як лазер, перетворюються в когерентний, погоджений колективний рух. На цій основі виникають кооперативні процеси й відбувається самоорганізація системи.

Вивчаючи процеси самоорганізації, що відбуваються в лазері, німецький фізик Герман Хакен (р. 1927) назвав новий напрямок досліджень сінергетикою, що в перекладі з давньогрецького означає спільну дію, або взаємодія, і добре передає зміст і ціль нового підходу до вивчення явищ.

Іншим прикладом може служити самоорганізація, що виникає в хімічних реакціях. У них вона пов'язана з надходженням ззовні нових реагентів, тобто речовин, що забезпечують продовження реакції, з одного боку, і виведення в навколишнє середовище продуктів реакції, з іншої сторони. Зовні самоорганізація проявляється тут у появі в рідкому середовищі концентричних хвиль або в періодичній зміні цвіту розчину, наприклад, із синього на червоний і назад («хімічні годинники»). Ці реакції вперше були експериментально вивчені вітчизняними вченими Б. Белоусовим і А. Жаботинським. На їхній експериментальній основі бельгійськими вченими на чолі І. Р. Пригожиним (росіянином по походженню, р. 1917 р.) була побудована теоретична модель, названа брюсселятором (по ім'ю столиці Бельгії - Брюсселя). Ця модель лягла в основу досліджень нової термодинаміки, що часто називають нерівновагою, або нелінійної. Як відзначає И. Р. Пригожин:

Перехід від термодинаміки (вірніше термостатики) рівноважних станів до термодинаміки нерівновагих процесів, безсумнівно, знаменує прогрес у розвитку ряду галузей науки.

Про рівновагу й нерівновагу систем уже говорилося. Пояснимо, що розуміється під нелінійністю в термодинаміку й теорії самоорганізації взагалі. Відмітна риса моделей, що описують відкриті системи й процеси самоорганізації, полягає в тому, що в них використовуються нелінійні математичні рівняння, у які входять змінні в ступені вище першої (лінійної). Хоча лінійні рівняння й дотепер часто застосовуються у фізику й точному природознавстві в цілому, вони виявляються неадекватними для опису відкритих систем або ж при досить інтенсивних впливах на системи. Саме з подібними системами й процесами має справа нова термодинаміка й тому її нерідко називають нелінійною.

Самоорганізація у відкритих системах

Відкриття самоорганізації в найпростіших системах неорганічної природи, насамперед у фізику й хімії, має величезне наукове й філолофсько-світоглядне значення. Воно показує, що такі процеси можуть відбуватися у фундаменті самого «будинку матерії», і тим самим проливає нове світло на взаємозв'язок живої природи з неживий. З такого погляду виникнення життя на Землі не здається тепер таким рідким і випадковим явищем, як про це говорили багато вчених раніше. З позиції самоорганізації стає також ясним, що весь навколишній нас мир і Всесвіт являють собою сукупність різноманітних процесів, що самоорганізуються, які є основою будь-якої еволюції.

Як же пояснює сучасна наука, і зокрема, сінергетика процес самоорганізації систем?

1. Для цього система повинна бути відкритої, тому що закрита, ізольована система у відповідності із другим законом термодинаміки в остаточному підсумку повинна прийти в стан, характеризуємо максимальним безладдям або дезорганізацією.

2. Відкрита система повинна перебувати досить далеко від крапки термодинамічної рівноваги. Якщо система перебуває в крапці рівноваги, то вона має максимальну ентропію й тому нездатне до якої-небудь організації: у цьому положенні досягається максимум її самодезорганізації. Якщо ж система розташована поблизу або недалеко від крапки рівноваги, то згодом вона наблизиться до неї й зрештою прийде в стан повної дезорганізації.

3. Якщо принципом, що впорядковує, для ізольованих систем є еволюція убік збільшення їхньої ентропії або посилення їхнього безладдя (принцип Больцмана), то фундаментальним принципом самоорганізації служить, навпроти, виникнення й посилення порядку через флуктуації. Такі флуктуації, або випадкові відхилення системи від деякого середнього положення, на самому початку придушуються й ліквідуються системою. Однак у відкритих системах завдяки посиленню неравноважності ці відхилення згодом зростають і зрештою приводять до «розхитування» колишнього порядку й виникненню нового порядку.

Цей процес звичайно характеризують як принцип утворення порядку через флуктуації. Оскільки флуктуації носять випадковий характер (а саме: з них починається виникнення нового порядку й структури), те стає ясним, що поява нового у світі завжди пов'язане з дією випадкових факторів. У цьому висновку знаходить своє конкретне підтвердження геніальний здогад античних філософів Епікура (341-270 до н.е.) і Лукреція Кара (99-45 до н.е.), що вимагала допущення випадковості для пояснення появи нового в розвитку миру.

4. На відміну від принципу негативного зворотного зв'язку, на якому ґрунтується керування й збереження динамічної рівноваги систем, виникнення самоорганізації опирається на діаметрально протилежний принцип - позитивний зворотний зв'язок. Функціонування різних технічних регуляторів і автоматів ґрунтується на принципі негативного зв'язку, тобто одержанні зворотних сигналів від виконавчих органів щодо положення системи й наступного коректування цього положення керуючими пристроями. Для розуміння самоорганізації варто звернутися до принципу позитивного зворотного зв'язку, відповідно до якого зміни, що з'являються в системі, не усуваються, а навпроти, накопичуються й підсилюються, що й приводить зрештою до виникнення нового порядку й структури.

5. Процеси самоорганізації, як і переходи від одних структур до інших, супроводжуються порушенням симетрії. Процеси самоорганізації, пов'язані з необоротними змінами, приводять до руйнування старих і виникненню нових структур.

6. Самоорганізація може початися лише в системах, що володіють достатньою кількістю взаємодіючих між собою елементів і, отже, що має деякі критичні розміри. У противному випадку ефекти від сінергетичної взаємодії будуть недостатні для появи кооперативного (колективного) поводження елементів системи й тим самим виникнення самоорганізації.

Ми перелічили необхідні, але далеко не всі умови для виникнення самоорганізації в різних системах природи. Навіть у хімічних системах, що самоорганізуються, які вивчали Белоусов і Жаботинський, в «гру» вступають такі нові фактори, як процеси каталізу, які прискорюють хімічні реакції. Тому можна зробити висновок, що чим вище ми піднімаємося по еволюційним сходам розвитку систем, тим більш складними і численними виявляються фактори, які відіграють роль у самоорганізації.

Література

1.Аскин Я.Ф. Проблема времени. Её физическое истолкование. – М., 1986.

2.Ахундов М.Д. Концепції простору й часу: джерела, еволюція, перспективи, - К., 1992.

3.КСЕ. Для студентов вузов. –Р.-на- Д., 1997

4.Осипов А.И. Простір і час як категорії світогляду й регулятори практичної діяльності. – К., 1989.