Страница:
принципиально не выводимые из свойств элементов и структуры парных взаимодействий, как это имеет место в системах гравитирующих масс.
Заметим, что отказ от принципа Рассела вовсе не означает отказа от рационалистического мышления, ибо нельзя отказать Природе в возможности существования сложных структур взаимодействий лишь потому, что мы их просто не знаем.
В процессе самоорганизации материального мира происходит непрерывное разрушение старых и возникновение новых структур, т.е. форм организации материи, обладающих новыми свойствами. В Универсуме постоянно возникают новые уникальные образования, не имеющие или не имевшие никаких аналогов в прошлом. И возникает естественный вопрос: как они связаны со свойствами исходного материала. Это глубокий вопрос, имеющий не только философское значение; ответ на него - вопрос и практики, а может, и будущего общества.
Процессы объединения элементов в системы идут непрерывно и на всех уровнях - в неживой материи, и в живом веществе, и в обществе. И в микромире и макромире, и, вероятно, в супермире! Не будет большой ошибкой сказать, что основу мирового движения как раз и составляет непрерывная перестройка организации систем и их объединение в новые структуры. Такой процесс универсален - тенденции к кооперативности пронизывают все этажи мироздания. Поэтому непротиворечивой является гипотеза о том, что процесс возникновения новых форм организации материи определяется столь же фундаментальными законами, как законы сохранения вещества и энергии, и в общем случае не сводится к анализу простых взаимодействий. Механизмы, которые определяются этими законами, условимся называть механизмами сборки. Их систематическое изучение представляется одним из важнейших направлений не только естествознания, но и общественных наук. Причем для процессов общественной природы их анализ особенно актуален.
В результате действия механизмов сборки возникают новые образования, обладающие новыми свойствами, не имеющие аналогов. И уметь предугадывать эти свойства человеку необходимо. Иногда это относительно просто, когда, например, на основе разнообразных схем резонансных взаимодействий возникают новые структуры (когерентное излучение, например). Само по себе явление резонанса легко объясняется законами сохранения. Однако образование на этой основе кооперативного сообщества требует привлечения еще одного соображения. Я его называю принципом минимума диссипации и формулирую эту гипотезу следующим образом: среди возможных форм организации системы (кооперативного сообщества), т.е. согласных с системой взаимодействия, наблюдаются лишь те, которым соответствует минимум рассеивания энергии.
Этот принцип не есть следствие законов сохранения, как вариационные принципы механики и электродинамики (а следовательно, не может быть строго обоснован, как это принято в современной физике), и является чистым эмпирическим обобщением. Но в известном смысле он тривиален, ибо все квазистационарные формы, которым отвечает более высокий уровень рассеивания энергии, требуют более интенсивной закачки внешней энергии. И они имеют больше шансов исчезнуть (диссипировать). Время их жизни значительно меньше времени жизни резонансных структур: они существуют, но их очень трудно наблюдать!
Несмотря на тривиальность этого принципа, он имеет огромную эвристическую ценность, и, опираясь на него, ученым удавалось решать совсем не тривиальные задачи. Заметим, что принцип диссипации, который я сформулировал для неживой материи, имеет весьма важные аналоги в теории конфликтов, происходящих в обществе. Принцип устойчивости компромисса (например, принцип Нэша, за который автор недавно получил Нобелевскую премию) может рассматриваться в качестве далеко идущих обобщений принципа минимума диссипации.
Теперь заметим, что резонансное взаимодействие порождает такие организационные структуры, которые действительно удовлетворяют принципу минимума диссипации энергии, выделяя наиболее медленно диссипирующие (т.е. долгоживущие) структуры. Таким образом, способ анализа свойств подобных систем вполне отвечает идеологии классического рационализма: свойства резонансных систем полностью определяются известной нам системой взаимодействий и не обладают какими-либо особенностями, которые мы были бы не способны предсказать.
Итак, существует обширный класс систем, механизм сборки которых достаточно очевиден и которые приводят к вполне понятным свойствам. Отсюда их свойства мы можем прогнозировать. И в то же время можно привести множество наглядных примеров, показывающих, сколь непредсказуемыми могут оказаться свойства веществ, образованных объединением других веществ, о которых мы знаем практически все. Простейшее из них - вода. Она, как известно, обладает аномальной зависимостью плотности от температуры. Но это свойство мы не можем (а может быть, и не умеем) выводить из свойств молекул водорода и кислорода, нам более или менее известных. Это значит, что мы не можем построить конечной логической процедуры, связывающей свойства воды и свойства молекул водорода и кислорода.
Еще более удивительный пример нам демонстрирует открытие свойств сверхпроводимости таких классических диэлектриков, как некоторые керамические материалы. Умеем ли мы объяснить появление подобных свойств, опираясь только на знание свойств компонентов этих диэлектриков? Во всяком случае, современная квантовая химия делать подобную редукцию еще не научилась. Вот почему при синтезе веществ, обладающих заданными свойствами, наука больше опирается на аналогию, чем на строгий научный анализ.
И таким примерам нет числа. Особенно, когда мы переходим в сферу живого вещества и общественных отношений. Свести феномен жизни только к физико-химическому взаимодействию элементов, составляющих живой организм, по-видимому, невозможно! Так же, как и объяснить поведение толпы свойствами всех тех людей, которые в нее входят. Точно так же и свойства разума несводимы к свойствам нейронов, из которых состоит мозг. Хотя бы потому, что нейроны почти всех живых существ примерно одинаковы, а мыслить может один лишь человек.
Итак, существуют развивающиеся системы, свойства которых мы не можем предсказать заранее, мы ничего не знаем о том, в какой степени эти свойства определяются особенностями элементов, составляющих эти системы. И мы не можем “рафинировать” эту трудность, т.е. сказать, почему мы этого не можем. Мы действительно не понимаем, почему, зная свойства отдельных людей, мы не можем, например, прогнозировать действия толпы, из них составленной. И последнее, вероятно, самое существенное.
Мне кажется, что причина лежит не столько в слабости логического аппарата, т.е. в отсутствии хорошо разработанной теории. Может оказаться, что эти причины гораздо более глубокие: для логического анализа нам недостает исходных посылок, правдоподобных гипотез. Другими словами, я не могу исключить, что, опираясь только на свойства исходных элементов и известныенам взаимодействия, вывести свойства новых образований вообще нельзя!
Может быть, эти неизвестные нам свойства являются в принципе системными свойствами, столь же индивидуальными, как и свойства атома водорода. Другими словами, существуют ситуации, когда принцип редукционизма в его классической форме (т.е. сводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов с помощью конечно шаговой логической процедуры) не выполняется. И систему приходится изучать сразу как некую целостность.
Для объяснения этого феномена нужны новые соображения. А может быть, и новый взгляд на Универсум!
5. Второй закон термодинамики. Проблемы баланса энергии и эволюция
6. Ещё некоторые интерпретации. И аналогии в живом веществе
Заметим, что отказ от принципа Рассела вовсе не означает отказа от рационалистического мышления, ибо нельзя отказать Природе в возможности существования сложных структур взаимодействий лишь потому, что мы их просто не знаем.
В процессе самоорганизации материального мира происходит непрерывное разрушение старых и возникновение новых структур, т.е. форм организации материи, обладающих новыми свойствами. В Универсуме постоянно возникают новые уникальные образования, не имеющие или не имевшие никаких аналогов в прошлом. И возникает естественный вопрос: как они связаны со свойствами исходного материала. Это глубокий вопрос, имеющий не только философское значение; ответ на него - вопрос и практики, а может, и будущего общества.
Процессы объединения элементов в системы идут непрерывно и на всех уровнях - в неживой материи, и в живом веществе, и в обществе. И в микромире и макромире, и, вероятно, в супермире! Не будет большой ошибкой сказать, что основу мирового движения как раз и составляет непрерывная перестройка организации систем и их объединение в новые структуры. Такой процесс универсален - тенденции к кооперативности пронизывают все этажи мироздания. Поэтому непротиворечивой является гипотеза о том, что процесс возникновения новых форм организации материи определяется столь же фундаментальными законами, как законы сохранения вещества и энергии, и в общем случае не сводится к анализу простых взаимодействий. Механизмы, которые определяются этими законами, условимся называть механизмами сборки. Их систематическое изучение представляется одним из важнейших направлений не только естествознания, но и общественных наук. Причем для процессов общественной природы их анализ особенно актуален.
В результате действия механизмов сборки возникают новые образования, обладающие новыми свойствами, не имеющие аналогов. И уметь предугадывать эти свойства человеку необходимо. Иногда это относительно просто, когда, например, на основе разнообразных схем резонансных взаимодействий возникают новые структуры (когерентное излучение, например). Само по себе явление резонанса легко объясняется законами сохранения. Однако образование на этой основе кооперативного сообщества требует привлечения еще одного соображения. Я его называю принципом минимума диссипации и формулирую эту гипотезу следующим образом: среди возможных форм организации системы (кооперативного сообщества), т.е. согласных с системой взаимодействия, наблюдаются лишь те, которым соответствует минимум рассеивания энергии.
Этот принцип не есть следствие законов сохранения, как вариационные принципы механики и электродинамики (а следовательно, не может быть строго обоснован, как это принято в современной физике), и является чистым эмпирическим обобщением. Но в известном смысле он тривиален, ибо все квазистационарные формы, которым отвечает более высокий уровень рассеивания энергии, требуют более интенсивной закачки внешней энергии. И они имеют больше шансов исчезнуть (диссипировать). Время их жизни значительно меньше времени жизни резонансных структур: они существуют, но их очень трудно наблюдать!
Несмотря на тривиальность этого принципа, он имеет огромную эвристическую ценность, и, опираясь на него, ученым удавалось решать совсем не тривиальные задачи. Заметим, что принцип диссипации, который я сформулировал для неживой материи, имеет весьма важные аналоги в теории конфликтов, происходящих в обществе. Принцип устойчивости компромисса (например, принцип Нэша, за который автор недавно получил Нобелевскую премию) может рассматриваться в качестве далеко идущих обобщений принципа минимума диссипации.
Теперь заметим, что резонансное взаимодействие порождает такие организационные структуры, которые действительно удовлетворяют принципу минимума диссипации энергии, выделяя наиболее медленно диссипирующие (т.е. долгоживущие) структуры. Таким образом, способ анализа свойств подобных систем вполне отвечает идеологии классического рационализма: свойства резонансных систем полностью определяются известной нам системой взаимодействий и не обладают какими-либо особенностями, которые мы были бы не способны предсказать.
Итак, существует обширный класс систем, механизм сборки которых достаточно очевиден и которые приводят к вполне понятным свойствам. Отсюда их свойства мы можем прогнозировать. И в то же время можно привести множество наглядных примеров, показывающих, сколь непредсказуемыми могут оказаться свойства веществ, образованных объединением других веществ, о которых мы знаем практически все. Простейшее из них - вода. Она, как известно, обладает аномальной зависимостью плотности от температуры. Но это свойство мы не можем (а может быть, и не умеем) выводить из свойств молекул водорода и кислорода, нам более или менее известных. Это значит, что мы не можем построить конечной логической процедуры, связывающей свойства воды и свойства молекул водорода и кислорода.
Еще более удивительный пример нам демонстрирует открытие свойств сверхпроводимости таких классических диэлектриков, как некоторые керамические материалы. Умеем ли мы объяснить появление подобных свойств, опираясь только на знание свойств компонентов этих диэлектриков? Во всяком случае, современная квантовая химия делать подобную редукцию еще не научилась. Вот почему при синтезе веществ, обладающих заданными свойствами, наука больше опирается на аналогию, чем на строгий научный анализ.
И таким примерам нет числа. Особенно, когда мы переходим в сферу живого вещества и общественных отношений. Свести феномен жизни только к физико-химическому взаимодействию элементов, составляющих живой организм, по-видимому, невозможно! Так же, как и объяснить поведение толпы свойствами всех тех людей, которые в нее входят. Точно так же и свойства разума несводимы к свойствам нейронов, из которых состоит мозг. Хотя бы потому, что нейроны почти всех живых существ примерно одинаковы, а мыслить может один лишь человек.
Итак, существуют развивающиеся системы, свойства которых мы не можем предсказать заранее, мы ничего не знаем о том, в какой степени эти свойства определяются особенностями элементов, составляющих эти системы. И мы не можем “рафинировать” эту трудность, т.е. сказать, почему мы этого не можем. Мы действительно не понимаем, почему, зная свойства отдельных людей, мы не можем, например, прогнозировать действия толпы, из них составленной. И последнее, вероятно, самое существенное.
Мне кажется, что причина лежит не столько в слабости логического аппарата, т.е. в отсутствии хорошо разработанной теории. Может оказаться, что эти причины гораздо более глубокие: для логического анализа нам недостает исходных посылок, правдоподобных гипотез. Другими словами, я не могу исключить, что, опираясь только на свойства исходных элементов и известныенам взаимодействия, вывести свойства новых образований вообще нельзя!
Может быть, эти неизвестные нам свойства являются в принципе системными свойствами, столь же индивидуальными, как и свойства атома водорода. Другими словами, существуют ситуации, когда принцип редукционизма в его классической форме (т.е. сводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов с помощью конечно шаговой логической процедуры) не выполняется. И систему приходится изучать сразу как некую целостность.
Для объяснения этого феномена нужны новые соображения. А может быть, и новый взгляд на Универсум!
5. Второй закон термодинамики. Проблемы баланса энергии и эволюция
Одним из наиболее ярких (и доступных для наблюдения) примеров возникновения специфических системных свойств являются ситуации, связанные со вторым законом термодинамики. Этот закон (который часто называют вторым началом термодинамики) связан с принципиальной необратимостью потоков тепла - от более нагретого к более холодному. Нам неизвестны случаи, когда более теплое тело нагревалось за счет охлаждения более холодного. На основе этого принципа Лазарь Карно впервые объяснил, что любая тепловая машина не может быть использована для превращения тепла, например, в механическую работу, если не существует перепада температур, если нет холодильника. Это факт и стал называться вторым началом термодинамики.
Позднее была введена некоторая числовая характеристика термодинамического состояния системы - энтропии (Клаузиус, 1865). Ее принято обозначать буквой S. Если обозначить через dSвеличину энтропии в элементарном объеме, через dQ- количество тепла, которое приходит или уходит из этого элементарного объема, то
dQ
dS = - (1),
T
где T- абсолютная температура. Энтропия всей системы равна сумме энтропий всех ее элементарных объемов.
Оказалось, что имеет место следующий замечательный факт: в любой замкнутой системе (т.е. системе, в которой нет источников тепла и тепло никуда не отводится) энтропия Sможет либо оставаться постоянной (если в системе нет диссипации энергии), либо возрастать. Оказалось, что этот факт тождественен второму началу термодинамики. Он следует из него, и именно его и называют вторым законом термодинамики. Этот факт утверждает, что в любых реальных системах, где происходит рассеивание энергии, процесс идет в сторону установления теплового равновесия: все замкнутые системы обречены на тепловую смерть - на выравнивание температур!
Этот факт допускает наглядную интерпретацию, когда мы изучаем движение молекул в некотором замкнутом объеме газа. Предположим, что в начальном состоянии движения молекул мы наблюдаем некоторую упорядоченность, например вихрь заданной интенсивности. Если наблюдаемый объем газа изолирован - находится в термостате, например, то с течением времени движение молекул приобретает все более и более неупорядоченный, хаотический характер: вихрь размывается и остается чисто тепловое движение молекул, соответствующее той температуре, которую обеспечивает термостат. Этот факт не только следует из теории - он наблюдается в эксперименте. И энтропия изучаемой системы, как это следует из теории, возрастает. Вот почему иногда говорят, что вместе с ростом энтропии растет и мера хаоса. Именно поэтому меру неупорядоченности системы (меру ее внутреннего хаоса) принято отождествлять со значением скалярной величины, именуемой энтропией S.
В конце прошлого века более фундаментальное изучение феномена энтропии было проведено Больцманом, одним из самых глубоких мыслителей прошлого века. Он построил статистическую теорию термодинамики и установил, что энтропию можно определить как логарифм числа возможных состояний системы. Использование энтропии по Больцману делает второй закон особенно наглядным.
В силу описанных причин второй закон термодинамики, т.е. закон о возрастании (точнее - неубывании) энтропии принято интерпретировать как закон о постепенной деградации, разрушении организации (организованности) и неизбежном утверждении хаоса в любой замкнутой системе. Это закон имеет абсолютный характер: не существует ни одного примера его нарушения.
Заметим, что при этом понятие хаоса отождествляется с представлением о чисто тепловом движении молекул.
Выше я уже обсуждал современные законы (принципы отбора), среди которых особенно выделяются законы сохранения как самостоятельные, не имеющие никаких исключений. Но понятие энтропии имеет смысл лишь для некой совокупности частиц, например газа, занимающей некоторый объем, - бессмысленно говорить об энтропии отдельной частицы. Энтропия является некоторой скалярной характеристикой этого объема, подобной температуре, давлению, скорости потока газа и т.д. Поэтому и второй закон термодинамики является типичным системным законом, результатом некоторой сборки. Отсюда и неизбежный вопрос о том, как связаны свойства отдельных молекул и их взаимодействия с результатом, т.е. со свойством возникающей в результате сборки системы и присущим ей свойством роста энтропии.
Со вторым законом термодинамики связан один феномен, содержание которого до сих пор не очень понято.
Еще в 40-х годах в своей знаменитой книге “Что такое жизнь с точки зрения физики” Эрвин Шредингер поставил вопрос о том, за счет чего происходит развитие живого мира. За счет чего живет и развивается такое же количество вещества и энергии, какое он получает извне? И сам же на него ответил: “Живые организмы питаются отрицательной энтропией”! Эта точка зрения великого физика сделалась отправной для целого ряда исследований. Позднее выяснилось, что подобная ситуация существует и для планет: количество энергии, получаемой планетой, в точности равно энергии, излучаемой в космос (в фундаментальном исследовании Б.Б. Кадомцева “Динамика и информация”) также широко используется соображение Шредингера. Наконец, в последней и интереснейшей работе М.Н. Изакова “Самоорганизация и информация на планетах и в экосистемах” делается следующий шаг. Опираясь на формальное определение информации по Шенону и построив уравнения для потоков энтропии, автор предлагает некоторый вариант теории самоорганизации открытых систем, к которым относится и биосфера.
Подходы и результаты всех этих авторов мне представляются интересными, однако они вряд ли способны раскрыть содержание процессов изменения организации вещества, т.е. процессов эволюционного развития, если будут опираться только на принцип сохранения, т.е. на баланс приходящей и излучаемой энергии. Дело в том, что энтропия - это единственная и удивительная функция состояния системы, способная различать равновесные и неравновесные процессы. Непротиворечивым является определение энтропии как функции, сохраняющей свое значение для равновесных процессов, или, наоборот, равновесными процессами мы можем условиться называть процессы, энтропия которых постоянна. Но энтропия - лишь одна из функций состояния, и вряд ли ее может быть достаточно для описания всего многообразия явлений, характеризующих эволюцию биосферы, а тем более для построения теории ее самоорганизации.
Вызывает сомнение и целесообразность столь широкого использования понятия “информация”, которое сегодня практикуется. Понятие информации введено Шеноном достаточно формально, как объем кодированного сигнала при его передаче с помощью той или иной системы распространения данных. Вряд ли его использование добавляет что-то новое. В самом деле, как показал Б.Б. Кадолуев, имеет место соотношение:
S + I= сonst, (2)
где S- энтропия по Больцману, а I- информация по Шенону. Формула (2) выведена совершенно строго и показывает, что введение понятия “информация” содержательно ничего не меняет, т.е. оно не вносит никакой дополнительной “информации” в описание физического процесса, переводя описание на другой язык - с языка энтропии (т.е. термодинамики) на язык теории информации.
Используя этот термин, надо всегда помнить, что информация - чрезвычайно сложное и емкое явление, и что оно обладает множеством характеристик, и что его нельзя использовать, не принимая во внимание потребности пользователя. Информация - это совокупность сведений, необходимых для принятия решений прежде всего человеком. Но при таком взгляде на это понятие формула (2) теряет всякий смысл!
Нечто подобное происходит и с понятием “энергия”. Это сложнейшее явление, которое мы привыкли описывать одним числом - килограммометрами, калориями, ваттами и т.д. С трудностями описания энергии мы столкнулись при построении вычислительной системы, имитирующей функционирование биосферы.
В основе нашей системы лежали хорошо известные уравнения гидротермодинамики атмосферы и океана и достаточно упрощенная система биотических моделей, описывающих прежде всего циркуляцию углерода. Я понимал условность наших моделей, их недостаточную детализацию, информационные дефекты и многие другие изъяны, неизбежные на начальном этапе работы. Но не это меня беспокоило: со временем все должно было уточниться. Меня в гораздо большей степени тревожила форма использования уравнения баланса энергии. Сколь точно она отражает реальность?
Наша система - комплекс обычных, адаптированных к данной конкретной задаче уравнений гидротермодинамики атмосферы и океана. Она учитывала образование облачности, выпадение осадков, образование льда, поглощение углекислоты океаном и т.д. Биотический блок системы был достаточно примитивен и ориентировался главным образом на описание круговорота углерода. А зависимость прироста биомассы B(t)мы представляли в форме:
dB / dt= А( Q,…), (3)
где Q- суммарный поток солнечной энергии, А- некоторый оператор.
В таком интегральном представлении баланса энергии меня смущало то, что каждый тип излучения запускает лишь определенного вида биофизико-химические процессы. Например, длинноволновое (красное) излучение вообще не порождает фотосинтеза! Поэтому уравнение (3) следовало бы представлять в другом виде:
dB / dt= A*( f note 7…), (4)
где f note 8описывает интенсивность излучения с длиной волны l.
В уравнении баланса энергии обычно считается, что Земля излучает как абсолютно черное тело, т.е. поток энергии от Земли в космос пропорционален четвертой степени средней температуры планеты. Это, наверное, достаточно грубое предположение. Однако отказ от него не вносит сколько-нибудь качественно новых следствий, чего совсем нельзя сказать о замене уравнения (3) на уравнение (4).
Благодаря подходу, основанному на том факте, что излучение разной длины волны порождает разные типы биофизико-химических процессов, можно по-новому ответить на вопрос Шредингера и по-новому интерпретировать особенности биотической эволюции планеты. Он позволяет, в частности, объяснить особенности, обнаруженные при наблюдении Земли из космоса, определить, что энергия, излучаемая Землей, количественно равна той энергии, которую Земля получает из космоса.
Дело в том, что при измерениях сравниваются энергии разного качества. Земля получает коротковолновое излучение Солнца, а сама излучает энергию в инфракрасной части спектра. Благодаря этому различию и возникают те физико-химические процессы, которые определяют биотическую эволюцию биосферы. Другими словами, именно за счет преобразования качества энергии, по-видимому, главным образом и происходит изменение организации биосферы (т.е. ее эволюция).
Если подобный подход найдет необходимое экспериментальное подтверждение, то он позволит на многие факты смотреть другими глазами, в том числе и на всю систему биотической регуляции. Тогда возникнет необходимость строить по-новому систему математических моделей, описывающих процессы самоорганизации биосферы.
Тогда вся теория самоорганизации биосферы будет выглядеть по-другому!
6. Ещё некоторые интерпретации. И аналогии в живом веществе
Законы сохранения (или симметрии, как их иногда называют), частным случаем которых являются законы классической механики Ньютона, сохранения энергии, массы и т.д., являются “принципами отбора”. Они отбирают среди виртуальных (возможных) движений те, которые реализуются, т.е. существуют в том понимании этого термина, о котором я уже говорил. К числу таких фундаментальных принципов отбора относится и второй закон термодинамики. Очень важно зафиксировать, что этот закон не является следствием законов сохранения. Это новое самостоятельное правило отбора, отличающее реальный ход событий от мыслимо возможных. Он не может быть доказан, т.е. сведен логической процедурой к другим изначальным принципам отбора.
Его самостоятельность, независимость вывода от законов сохранения, т.е. законов взаимодействия и свойств элементов системы, является одной из важнейших особенностей нашего мира, имеющей множество разнообразнейших следствий.
Связь второго начала термодинамики и законов классической механики - одна из волнующих (и самых актуальных) проблем физики. Уже более полутора веков она привлекает внимание исследователей и философов. Правда, в связи с развитием ядерной физики и открытием множества элементарных частиц она, кажется, отошла на периферию научной мысли. Но факт, что одна из основополагающих проблем классической физики до сих пор остается непонятой: все время снова и снова появляются попытки ее теоретического осмысления или экспериментального выяснения ее связей с классической механикой, и прежде всего с законами Ньютона.
Одна из совсем недавних попыток принадлежит С.И. Яковленко, который провел машинную имитацию динамики соударяющихся частиц с целью проследить характер эволюции такой системы (см. Яковленко С.И. Об организующем и разрушающем стохастизирующем воздействии в Природе // Вопросы философии. 1992. N 2).
Результат эксперимента можно было предсказать заранее: состояние максимального хаоса (т.е. максимума энтропии) не рождается само по себе как следствие эволюции системы частиц, следующих классической механике. Поэтому наиболее интересным мне представляются другие результаты эксперимента С.И. Яковленко. Он считает, что достаточно ввести тем или иным способом некоторое стохастизирующее начало, чтобы в численном эксперименте получить картину, качественно отвечающую тому, что наблюдается в Природе. Последнее обстоятельство уже дает основание предположить, что возможна связь между стохастическим началом, присущим микромиру, и тем свойством системы, которое мы отождествляем с ростом энтропии, а следовательно, принадлежащим макромиру.
Гипотеза С.И. Яковленко - одна из возможных, объясняющих появление у системы свойств, невыводимых из свойств элементов. Следует иметь в виду, что могут быть и другие подходы для интерпретации этого феномена.
Его самостоятельность, независимость вывода от законов сохранения, т.е. законов взаимодействия и свойств элементов системы, является одной из важнейших особенностей нашего мира, имеющей множество разнообразнейших следствий.
Связь второго начала термодинамики и законов классической механики - одна из волнующих (и самых актуальных) проблем физики. Уже более полутора веков она привлекает внимание исследователей и философов. Правда, в связи с развитием ядерной физики и открытием множества элементарных частиц она, кажется, отошла на периферию научной мысли. Но факт, что одна из основополагающих проблем классической физики до сих пор остается непонятой: все время снова и снова появляются попытки ее теоретического осмысления или экспериментального выяснения ее связей с классической механикой, и прежде всего с законами Ньютона.
Одна из совсем недавних попыток принадлежит С.И. Яковленко, который провел машинную имитацию динамики соударяющихся частиц с целью проследить характер эволюции такой системы (см. Яковленко С.И. Об организующем и разрушающем стохастизирующем воздействии в Природе // Вопросы философии. 1992. N 2).
Результат эксперимента можно было предсказать заранее: состояние максимального хаоса (т.е. максимума энтропии) не рождается само по себе как следствие эволюции системы частиц, следующих классической механике. Поэтому наиболее интересным мне представляются другие результаты эксперимента С.И. Яковленко. Он считает, что достаточно ввести тем или иным способом некоторое стохастизирующее начало, чтобы в численном эксперименте получить картину, качественно отвечающую тому, что наблюдается в Природе. Последнее обстоятельство уже дает основание предположить, что возможна связь между стохастическим началом, присущим микромиру, и тем свойством системы, которое мы отождествляем с ростом энтропии, а следовательно, принадлежащим макромиру.
Гипотеза С.И. Яковленко - одна из возможных, объясняющих появление у системы свойств, невыводимых из свойств элементов. Следует иметь в виду, что могут быть и другие подходы для интерпретации этого феномена.
Мы далеко не всегда отдаем себе отчет в том, что второй закон термодинамики является типичным системным законом. Он имеет смысл лишь для больших совокупностей частиц. И уже поэтому он невыводим из законов механики - законов парных взаимодействий. Может быть, самого факта увеличения взаимодействующих частиц достаточно для появления нового качества их совокупности, подобно тому как, например, понятие плотности жидкости или поля скоростей потока газа имеет смысл лишь в том случае, когда число частиц газа весьма велико и длина свободного пробега молекул, составляющих этот поток, стремится к нулю.
Все системные особенности начинают проявляться лишь на определенном уровне сложности систем. Может быть, сам процесс формирования системы можно рассматривать как своеобразный динамический процесс, а рост ее сложности интерпретировать как увеличение нагрузки? Если такая интерпретация имеет смысл, то можно ожидать и появления критического порога сложности и соответствующей точки бифуркации. В этом случае движение теряет устойчивость и движение частиц начинает все больше хаотизироваться и напоминать стохастический процесс, лишенный памяти. Однако и здесь не обойтись без вмешательства случайности, которая и служит причиной разрушения порядка. Это еще одна гипотеза, которая не противоречит нашему эмпирическому знанию.
Я думаю, что нам предстоит отказаться от примитивной интерпретации редукционизма, и ныне царствующего в мире, и действительно предположить существование еще каких-то серьезных причин, побуждающих системы по мере их усложнения обретать качественно новые свойства. Такое предположение находит особо благоприятную почву, когда мы переходим к анализу эволюционных процессов, протекающих в живом веществе. Мы обнаруживаем не только прямое усложнение организации, но и возникновение в рамках системы качественно новых структур и новых законов взаимодействия.
Так, например, способность мыслить - разумностьв современном понимании этого слова - возникает лишь на определенном уровне сложности организации системы нейронов, которую мы называем мозгом, как результат своеобразной бифуркации. Этот факт почти очевиден, и его можно принять без особой натяжки.
Обдумывая и сопоставляя все те многочисленные факты, которые показывают ограниченность метода редукции от сложного к простому, невольно оказываешься в сфере гипотез и предположений, имеющих под собой весьма шаткую основу. И тем не менее, как мне кажется, не следует избегать их обсуждения. Оно может оказаться весьма продуктивным. И не только для физикалиста, стремящегося не выходить за рамки принципа Оккама - “не употребляй сущностей без надобности”. Любой исследователь, даже если он не отдает себе в этом отчета, стремится создать некоторую системную конструкцию с логически связанными звеньями - теориями и гипотезами, совокупность которых я и называю картиной мира. Она помогает работать, выбирать и оправдывать направления исследований, с ней легче жить в науке и искать ответы на вопросы, непрерывно возникающие в практике. Но построить ее невозможно без предположений, основанных скорее на интуиции, чем на фактах. И такие замыкающие гипотезыиграют в сознании исследователя в любой области знания, если он действительно исследователь, - важнейшую роль.