В механике со времен Мопертюи и Лагранжа принято говорить о виртуальных движениях или множествах возможных движений, которые могут порождаться любыми произвольными, в том числе “случайными” причинами. Значит, уже в XVIII веке было понято, что изменчивость предоставляет природе целое поле возможностей, из которых отбирается лишь некоторая совокупность, удовлетворяющая некоторым специальным условиям (принципам отбора). Было установлено, что реальные движения отбираются из множества виртуальных с помощью законов Ньютона, которые и являются простейшими принципами отбора (концепция фильтра).
Принципами отбора являются все законы сохранения, законы физики и химии, второй закон термодинамики, в экономике - условия баланса.
Особую роль в мировом эволюционном процессе играет принцип минимума диссипации энергии: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому отвечает минимальное рассеивание энергии, или, что то же самое, минимальный рост энтропии.
Этот принцип следует рассматривать как эмпирическое обобщение. По своей формулировке он похож на принцип минимума потенциала рассеяния Л.Онсагера и принцип минимума производства энтропии И.Пригожина.
Н.Моисеев полагает, что принцип минимума диссипации энергии есть частный случай значительно более общего принципа “экономии энтропии”. Представляется справедливой следующая гипотеза. Если в данных условиях возможны несколько типов организации материи, согласующихся с другими принципами отбора, то реализуется та структура, которой отвечает минимальный рост (или максимальное убывание) энтропии. Поскольку убывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии и вещества, реализуются те из мысленно возможных (виртуальных) форм организации, которые способны в максимальной степени поглощать внешнюю энергию и вещество.
Этот принцип отбора Н.Моисеев называет обобщенным принципом диссипации.
Существует, по крайней мере, два класса механизмов эволюции. К первому можно отнести адаптационные механизмы - дарвиновские механизмы естественного отбора, действующие не только в биологии, но и в физике, химии, технике и обществе. Адаптация или самонастройка обеспечивает развивающейся системе стабильность в конкретных условиях. Изучая эти условия можно предвидеть тенденции в изменении параметров системы (пример - селекция). Пути развития системы ограничиваются каналом эволюции, установленным природой, и в этом случае путь развития предсказуем с некоторой точностью.
Другой тип механизмов эволюции справедлив для систем, обладающих пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому, качественному изменению протекающих в них процессов - к изменению их организации (пример: переход ламинарного течения в турбулентное с ростом расхода жидкости).
Очень важно при этом следующее: переход системы в новое состояние в пороговой ситуации неоднозначен, так же как и характер ее новой организации, то есть после бифуркации существует целое множество возможных структур, в рамках которых будет в дальнейшем развиваться система. И предсказать заранее, какая из этих структур реализуется, нельзя в принципе, ибо это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий - флуктуаций внешней среды, - которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять обор.
Эта особенность пороговых (бифуркационных или катастрофических) механизмов играет особую роль в развитии нашего мира. Неопределенность будущего и есть главная особенность второго типа механизмов эволюции. Она есть следствие того, что будущее состояние системы при переходе ее через пороговое значение определяется флуктуациями, которые присутствуют всегда.
При переходе через бифуркационное состояние система как бы забывает (или почти забывает) свое прошлое. И в силу вероятностного характера перехода через это пороговое состояние обратного хода эволюции уже нет. Время, как и эволюция, приобретает направленность и необратимость.
Механизмы бифуркационного типа заставляют реабилитировать, в известной степени, теорию катастроф Ж.Кювье. Не только дарвиновское постепенное изменение видов характерно для эволюции жизни, но и быстрые перестройки. Дарвин или Кювье - такой вопрос неправомочен. И Дарвин, и Кювье - так правильно.
Катастрофические состояния биосферы, порождавшие бифуркации, были столь же естественными элементами эволюционного процесса, как и постепенное видообразование.
Законы физики, химии и другие принципы отбора устанавливают определенные границы изменения состояний системы, канал, внутри которого могут протекать эволюционные процессы. Случайные факторы как бы пытаются вывести систему за эти границы. До поры до времени этого не происходит - поток внутри канала следует механизму адаптационного типа.
Со временем эволюционный поток выходит на пересечение нескольких каналов эволюции, и теперь вступают в действие бифуркационные механизмы А.Пуанкаре. На пересечении каналов возникает бифуркация или катастрофа по терминологии Уитни и Тома. Возникает несколько вариантов дальнейшего развития, и выбор нового канала случаен или непредсказуем, ибо он зависит от случайных факторов.
Из этого вытекает один из общих законов самоорганизации материи: развитие характеризуется усложнением и ростом разнообразия форм организации материи. Это закон дивергенции, справедливый для всех уровней материального мира. Стохастический характер причинности и действие бифуркационных механизмов может развести сколь угодно далеко даже самые близкие формы организации.
С увеличением размерности системы, что всегда происходит при увеличении ее сложности, количество состояний, в которых могут происходить катастрофы (бифуркации), быстро возрастает. Следовательно, с ростом сложности системы растет и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, то есть дивергенции, а вероятность появления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна нулю. Это и означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному росту числа организационных форм.
Теория бифуркаций была создана Пуанкаре и затем развита Андроновым, Хопфом и другими исследователями.
При удалении от равновесия термодинамическое состояние становится неустойчивым, и неожиданно могут появиться новые решения. Единственное решение, которое имеет система уравнений в непосредственной близости к равновесной области, при некотором критическом значении параметров достигает точки бифуркации, начиная от которой для системы открываются новые возможности, приводящие к нескольким решениям.
Определение параметров, при котором начинается ветвление решений, представляет собой задачу первостепенной важности как для аналитических, так и для числовых решений нелинейных дифференциальных уравнений. Самая первая задача любого поиска бифуркации решений заключается в определении точек неустойчивости однородной системы.
Литература1. Сачков Ю.В. Вероятностная революция в естествознании/ Природа, 1991, 5
Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачахНачала нелинейного мышления. Пространства состояний системы и динамическая модель
Становление науки Нового времени неотделимо от выработки концепции механической причинности и ее абсолютизации в лапласовском детерминизме, который несовместим с идеей развития. Концепция однозначной причинности выражена в афоризме: “Одинаковые причины - одинаковые следствия”. Встречающиеся сплошь и рядом в обычных житейских ситуациях случаи, когда , казалось бы одинаковые причины приводят к разным следствиям, всегда легко и изящно объяснялись ссылкой на неполноту учета всех предшествующих обстоятельств.
Развитие квантовой физики привело к радикальному перевороту в этой области, суть которого заключается в утверждении объективного и фундаментального статуса вероятности и неопределенности.
Основное уравнение квантовой механики - уравнение Шредингера -столь же детерминистично и линейно, как и уравнения классической механики. Но уравнение Шредингера описывает не реальные наблюдаемые величины, а распределение потенциальных возможностей. Переход к реально наблюдаемым величинам связан с редукцией волновой функции, а следовательно, с нарушением однозначной причинности.
Идея однозначной причинности жестко связана с представлением о линейном характере причинных связей (цепей событий). Считалось, что эти линейные цепи причин и следствий простираются неограниченно далеко как в будущее, так и в прошлое. Причина всегда равна своему следствию, а изменение следствия пропорционально изменению причины.
Эти натурфилософские (Ахундов и Баженов, Природа, 1991, 4) представления о линейных цепочках причин и следствий находят в науке выражение в образе линейных систем, процессы в которых описываются линейными дифференциальными уравнениями, - свойства таких систем не меняются при изменении их состояния (принцип суперпозиции).
Мир классической механики был линеаризированным миром, законы которого формулировались на языке линейных дифференциальных уравнений. Эти уравнения служили не только мощным аппаратом исследования, но и теми “очками”, сквозь которые исследователь смотрел на мир.
Но реальная действительность не состоит из абсолютно твердых шаров, катящихся по абсолютно гладким поверхностям. Реальный “биллиард” характеризуется такими нелинейными особенностями, как трение, турбулентность и пр. Для описания реальных объектов вводились различные поправки. Но отступления от линейности рассматривались как незначительные и объяснялись не идеальностью объектов.
Однако в ходе научного познания объектами исследования стали такие явления и процессы, которые проявляют себя не просто как неидеальные, но именно как нелинейные. В XIX веке наука, сталкиваясь с такими объектами, вынуждена была отступать, ибо не было эффективных методов решения нелинейных уравнений. Да и господствовавшая картина мира не стимулировала интерес к изучению подобных объектов. Более того, само их существование могло показаться абсурдным. Например, кому могло прийти в голову исследовать процессы вдали от равновесия и стационарности: если вблизи этого положения исследование имеет смысл и может опираться на испытанные методы линеаризированной физики (плюс необходимы уточнения), то вдали от него такая работа представлялась бессмысленной, ибо задолго до ее завершения объект исследования будет просто разрушен.
Можно представить себе состояние ученых, когда выяснилось, что в этих “катастрофических” областях могут существовать устойчивые динамические структуры. Оказалось, что сугубо нелинейная область хаоса структурно богата и в ней возможны свои космосы (античные термины хаос и космос вновь активно заработали).
Структурная населенность нелинейного мира (хаоса): нелинейные периодические реакции В.П.Белоусова, получила объяснение в рамках неравновесной термодинамики И.Пригожина и синергетики Г.Хакена, а также теории катастроф Р.Тома, благодаря чему удалось совершить прорыв в той области математики, начало которой положено работами А.Пуанкаре прошлого века и была связан с теорией нелинейных уравнений.
Помимо синергетических объектов существуют многочисленные классы нелинейных систем (в оптике, акустике, радиоэлектронике и т.д.), чьи свойства зависят от их состояния.
В классической науке нелинейность характеризовала особый частный класс объектов, а в современной - нелинейность рассматривается как универсальная и фундаментальная черта окружающей реальности. Если коротко охарактеризовать новый класс объектов, то их следует назвать эволюционными объектами. С этими объектами связаны следующие понятия: 1) нелинейность, о которой шла речь выше; 2) самоорганизация, которая означает изменение своей организации под действием внутренних факторов; 3) необратимость времени, которая в классической науке рассматривалась как эмпирически имеющая место досадная черта реальности, причем задача теоретического знания заключалась в разработке приемов, как эту необратимость обойти.
В современных науках, как естественных, так и социогуманитарных, эволюционные процессы во все большей степени выходят на передний край исследований. И хотя в науках социогуманитарного цикла, как и в биологии, идея развития получила широкое выражение уже в прошлом веке, но и здесь радикально новым элементом оказывается идея нелинейности.
Диссипативные системы вдали от равновесия
Диссипативные структуры включают все типы самоорганизации: колебательные процессы, пространственную организацию, пространственно-временное структурирование, а также любую другую последовательность процессов, связанных с когерентными свойствами, наблюдаемыми в системе вне области устойчивости гомогенного состояния (А.Баблоянц, 1990).
Когерентность - согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении.
Для возникновения диссипативных структур необходимы следующие условия:
1. Система должна быть открытой и постоянно обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Это означает, что химические, биохимические и гидродинамические системы должны находиться вдали от равновесия.
2. В системе должны протекать различные каталитические, кросс-каталитические процессы, а также регуляция по типу обратной связи. Такого рода процессы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями.
3. После некоторого критического значения параметра системы или какого-либо внешнего воздействия однородное стационарное состояние становится неустойчивым, и тогда ничтожно малое возмущение в окружении системы может вызвать ее переход в новое стационарное состояние, режим которого также соответствует упорядоченному состоянию.
Наиболее важной характеристикой диссипативных структур является то, что они возникают и сохраняются только в неравновесных условиях. Под влиянием флуктуаций отдельные элементы системы кооперируются, обнаруживая при этом такое поведение, которое характеризует систему в целом и которое никак нельзя было бы ожидать или понять на основании свойств отдельных ее элементов.
Диссипативные структуры появляются всякий раз, когда система, способная к самоорганизации за счет своих кооперативных свойств, измеряет время и организует пространство для того, чтобы “выжить” при различных воздействиях, оказанных на нее, или для того, чтобы лучше использовать окружающую среду.
Идея диссипативных структур получила широкое распространение в тех областях знания, из которых она родилась. Особенно возродился интерес к теории нелинейных дифференциальных уравнений. Очень популярными стали математические модели для различных биологических процессов, протекающих в единичных клетках или в многоклеточных ансамблях. В различных химических реакторах было обнаружено много неожиданных типов осциллирующего поведения. В жидкостях были открыты разнообразные неожиданные упорядоченные, квазиколебательные и хаотические состояния.
На основе всех этих наблюдений возникла новая ветвь исследований, названная областью нелинейных явлений, которая стала наиболее многообещающей областью макроскопической физики.
Самоорганизация диссипативных структур может произойти только вдали от состояния термодинамического равновесия.
Когда характеризующие динамическую систему переменные изменяются во времени, они могут быть описаны в виде дифференциальных уравнений. Дифференциальные уравнения приобретают нелинейную форму, как только мы переходим к описанию процессов возможной конкуренции самоорганизации и самодеструкции каких-либо величин.
Можно ожидать, что такие системы буду самопроизвольно проявлять черты кооперативного поведения и различного рода пространственно-временную организацию. Вот почему в последние годы рамки диссипативных структур расширились и захватили даже такие области, как социобиология, социология, социальная экономика и экономическая наука.
Литература1. Ахундов М.Д., Баженов Л.Б. Эволюция, нелинейность и марксизм/ Природа, 1991, 4
Тема 3.4. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности
И.Пригожин: В течение всей моей научной карьеры меня чрезвычайно интересовала проблема времени, точнее, то, что я предпочитаю называть парадоксом времени.
С одной стороны, различие между прошлым и будущим весьма важно для нашего существования. Это различие играет важную роль в космологии, химии и биологии. С другой стороны, фундаментальные законы классической и квантовой механики инвариантны относительно обращения времени. Прошлое и будущее играют одну и ту же роль.
Я пришел к убеждению, что следует обобщить динамику так, чтобы она включала в себя явления, отвечающие нарушению временной симметрии. В реализации этой программы фундаментальная роль принадлежит работам по неустойчивым динамическим системам, начатым Пуанкаре и продолженным блестящей русской школой. Вопрос сводится к тому, чтобы показать, какие законы управляют хаотическими системами.
Введение хаоса приводит к тому, что можно назвать третьей формой законов природы.
Первая форма этих законов оперирует с траекториями в классической механике и с волновыми функциями в квантовой механике.
Вторая форма - это статистическая формулировка законов природы (работы Гиббса и Эйнштейна). Но предложенная этими авторами статистическая формулировка оставалась приводимой или сводимой: в качестве частного случая она применима к траекториям и волновым функциям.
Новая формулировка не позволяет отойти от статистического уровня описания. Законы хаоса носят вероятностный, но не достоверный характер.
Законы, управляющие поведением устойчивых систем, детерминистичны и обратимы во времени. Наоборот, законы, описывающие хаотические системы, соответствуют вероятностям и включают в себя необратимость.
Необратимость возникает в результате неустойчивости “хаоса”.
(И.Пригожин. Природа, 1993, 12) Ю.Данилов (там же): Основной тезис Пригожина состоит в том, что необратимость во времени порождается хаосом на фундаментальном уровне. Под этим понимается следующее. В ньютоновой механике эволюция физической системы во времени описывается в терминах отдельных траекторий, в квантовой - в терминах отдельных волновых функций. Уравнения движения (Ньютона - в классической механике и Шредингера - в квантовой) оказываются обратимыми во времени: прошлое при таком описании равноправно с будущим. Несоответствие между между наблюдаемой необратимостью физических процессов (однонаправленностью времени) и обратимым характером уравнений движения Пригожин называет парадоксом времени.
Дж.Гиббс и А.Эйнштейн предложили перейти от описания в терминах траекторий к вероятностному описанию совокупностей, или ансамблей, траекторий. Однако парадокс времени оставался нерешенным, так как описание в терминах ансамблей допускало сведение к описанию в терминах отдельных траекторий.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24
