Н. Климонтович

Этой статьей журнал продолжает начатый в прошлом году, в номере 9, разговор о синергетике — науке о самоорганизации. В рамках синергетического подхода ученые обращают внимание прежде всего на то, — что при самоструктурировании в системах разной природы отдельные элементы ведут себя согласованно. Кооперативно. Сегодня автор статьи делится своими впечатлениями о недавнем международном симпозиуме, посвященном новой дисциплине, одновременно разворачивая панораму предшествовавших ему событий, взволновавших ученый мир.

Для стороннего наблюдателя в этой встрече не было ровным счетом ничего особенного: спокойная конструктивная атмосфера обычного научного симпозиума, на котором около ста ученых из разных стран встретились, чтобы в небольшом конференц-зале Таллинского олимпийского комплекса в течение пяти дней доложить друг другу некоторые свои результаты, обменяться мнениями, установить новые научные связи л познакомиться лично — в перерывах, за кофе. Деловая рабочая обстановка, никаких сенсаций. Правда, программа выступлений была довольно пестрой, но в наше время всяческих межотраслевых и многопрофильных мероприятий это не вызывает особого удивления. Необычно, пожалуй, само название конференции — «Синергетика и кооперативные явления», если учесть, что термин «синергетика» никогда не фигурировал в программе какого-либо отечественного научного симпозиума, школы или даже институтского семинара. Но и это в конечном итоге не бог весть как существенно, не в словах дело. Между тем итоги симпозиума оказались весьма знаменательными.

В нем принял участие создатель новой дисциплины профессор из ФРГ Герман Хакен. Вот как он сформулировал направление своей работы, сам предмет встречи «Информацию, перегруженную огромным количеством деталей, затемняющих существо дела, необходимо сжать, превратив в небольшое число законов, концепций или идей. Синергетику можно рассматривать, как одну из таких попыток». Сказано скромно, что делает честь ученому. Но пришел день закрытия, и один из самых авторитетных участников с советской стороны, член-корреспондент Академии наук СССР биофизик М. В. Волькенштейн высказался много определеннее «Синергетика — это новое мировоззрение, отличное от ньютонианского классицизма». Были сделаны и организационные выводы решено учредить в Москве целых два постоянных научных семинара по синергетике, а встречи, подобные этой, устраивать регулярно…

В номере 9 «Знание — сила» за прошлый год в статье «Синергетика лозунг или наука?» была сделана попытка рассказать о сути новой дисциплины, о самом процессе ее становления. Теперь вопрос можно поставить шире синергетика — лишь «одна из попыток» синтеза новых знаний или это действительно «новое мировоззрение», целое направление в современном естествознании? И если последнее — не на тяжка, то это означает признание выдающейся роли новой дисциплины, к которой еще вчера многие специалисты от носились кто — с неприкрытым скепсисом, кто — с осторожным любопытством, и без преувеличения можно сказать, что Таллинская конференция в октябре 1982 года — культурное событие большой важности.

Две эволюции? Две физики?

Конференция в Таллине лишний раз показала, что термином «синергетика», с одной стороны, многие специалисты предпочитают пользоваться до сих пор весьма осторожно, с другой — те, кто пользуется, зачастую легко примеряют его к конкретным собственным разработкам, которые, вообще говоря, могут и не иметь никакого отношения к методам Г. Хакена и его синергетическому подходу. Сейчас пойдет речь вещах, на первый взгляд к синергетике не относящихся, — о работах в области современной неклассической термодинамики. Однако и синергетический, и термодинамический подходы имеют целью исследовать явления самоорганизации, пусть с разных сторон, и, похоже, дело идет к тому, что современная термодинамика прекрасно разместится под крышей «синергетики».

Две великие эволюционные теории, созданные в прошлом веке, на первый взгляд могут показаться исключающими друг друга. Если теория эволюции Дарвина утверждает, что в мире происходит непрерывное рождение все более сложно организованных живых форм, структур и систем, то второе начало термодинамики — теория эволюции физических систем — утверждает прямо противоположное изолированная физическая система целеустремленно и необратимо смещается к состоянию равновесия, а это соответствует утверждению, что любая разница температур сравняется, разнородное — перемешается, а карточный домик, как тщательно его ни строй, рано или поздно рассыплется… Биологическая теория говорит о повсеместном и непрерывном созидании, устроении, структурировании. Физическая — о разрушении порядка, выравнивании различий: о непрерывном росте энтропии.

На рубеже веков эти пессимистические выводы классической термодинамики были распространены на Вселенную. Для многих физиков и натурфилософов ситуация казалась прямо таки трагической: грезилась грядущая тепловая смерть Вселенной, и, казалось, вывод этот вытекает из второго начала со всей неотвратимостью.

Дело отчасти прояснили новые результаты в области астрофизики. Но не в том смысле, что было однозначно доказано: Вселенную нельзя рассматривать как систему изолированную, не получающую ниоткуда ни энергии, ни вещества, то есть такую, к которой применима классическая термодинамика. Скорее, выяснилось, что о большой Вселенной мы знаем слишком мало, чтобы вообще брать на себя риск рассматривать ее как нечто, имеющее аналоги в нашей физике, — и уже это одно вселяло оптимизм. Сегодня о пресловутой тепловой смерти никто, кроме дилетантов, всерьез не спорит, но сам факт возможности такого спора помог поставить другой, крайне существенный для всего естествознания вопрос.

Да, две теории эволюции — теория биологическая и теория физическая — не спорят друг с другом. Но не спорят лишь потому, что одна сформулирована для открытых систем, а другая — для замкнутых? Тогда правильно будет предположить эволюция открытых физических систем и живых систем имеет одни законы? Вот тут-то и была «зарыта собака» физической теории эволюции открытых систем не существовало.

Впрочем, от этих вопросов можно было до времени уйти и другим путем, и весьма долго он казался истинным очень крупным ученым нашего века, прежде всего физикам Нильсу Бору и Эрвину Шредингеру. Один за другим они утверждали, что законы физики и законы биологии вообще не надо смешивать, не надо ждать от них единства. Бор утверждал, что они являются дополнительными друг для друга несовместимыми, хотя и не противоречащими друг другу. Шредингер же в середине сороковых годов в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики», вызвавшей ожесточеннейшие дебаты среди физиков, биологов и философов и ставшей чем-то вроде библии биофизики, писал деликатно, но твердо: «Мы должны ожидать, что в живом веществе преобладает новый тип физического закона».

Преобладает новый тип. Или, говоря чуть грубее, действует другая физика. Или, теперь точнее: можно ли ожидать, что физические законы, выявленные при изучении мертвой материи, будут работать и при изучении живой?…

Срок появления книги Шредингера не случаен.

Именно тогда была окончательно сформулирована так называемая «синтетическая теория» в биологии — современная биологическая концепция эволюции. Включив в себя достижения генетики, биогеографии, концепции видов, данные палеонтологии, она синтезировала эти достижения с теорией эволюции Дарвина.

Это с одной стороны. С другой — именно в это время явными стали очертания какой-то новой физики, о которой еще с уверенностью нельзя было сказать, какой буквально она будет, в чем «секрет» ее новизны, «инакости», но которая возьмется ответить на самые «больные» вопросы. Ясно было, что для этой грядущей науки едва ли не самым важным будет рождение новой, неклассической термодинамики открытых систем… Это было время неудовлетворенности ньютонианским классицизмом, который уже стал казаться тормозом на пути к новому синтезу знаний, к новым универсальным концепциям эволюции материи. Время предчувствий, когда невозможно было, однако, понять, где и когда разразится гроза, оценить в полной мере, какие именно из результатов физики, химии, биологии окажутся в будущем путеводной звездой…

Реакция-суперзвезда

Как раз к этому времени, к началу пятидесятых годов, когда некоторые физики в разных странах делали еще весьма робкие попытки изучения неравновесных систем и необратимых процессов — только нащупывали возможности расширить рамки классической термодинамики, в другой области — в химии, также на ощупь, почти вслепую, были сделаны первые шаги к невиданной синтетической науке будущего, которая вберет в себя и новую термодинамику, и новую химию, и многое другое… Сегодня мы зовем ее синергетикой…

Забегая вперед, поясню химические реакции, о которых пойдет речь, — одни из самых «выгодных» объектов для рассмотрения и методами Г. Хакена, и методами неклассической термодинамики.

В атмосфере ожиданий и предчувствий тех лет и следовало надеяться, что сходные идеи и догадки будут рождаться то тут, то там почти синхронно. В 1952 году английский математик А. Тьюринг поставил сугубо теоретическую задачу могут ли в реакторе в условиях химической реакции образовываться устойчивые конфигурации промежуточных продуктов? Ученый дал ответ положительный, создав определенную математическую модель процесса. Должного значения этой работе тогда не придали, тем более, что ни сам Тьюринг, ни его коллеги не могли знать, что годом раньше в далеко Москве в редакцию одного химического журнала пришел немолодой человек ни положил на стол редактору небольшую статью под спокойным названием «Периодически действующая реакция и ее механизм», которое ясно говорило, что ее автор — один из тех чудаков, что и сегодня подчас являются к редакторам с очередной идеей вечного двигателя или опровержением теории относительности.

Автора звали Борис Павлович Белоусов. Комбриг в отставке, он был прекрасным химиком-экспериментатором, заведовал тогда лабораторией Института биофизики Министерства здравоохранения… Статья была отклонена редакцией с осторожно-вежливым объяснением, что реакция, которую описывает автор, невозможна по той простой причине, известной и школьникам, что химические реакции протекают единственно возможным путем, а именно — необратимо: в те годы это казалось абсолютно непреложным.

Между тем в лаборатории Белоусова происходило нечто, от чего впору было усомниться в собственном здравом уме: в обычной колбе некий бесцветный раствор после добавления щепотки некоего вещества начинал периодически менять цвет красный цвет менялся на синий, синий — снова на красный, и так сколь угодно долго…

Препятствием к публикации было и то, что автор не мог теоретически объяснить механизм реакции — на это ушло без малого двадцать лет у теоретиков-физхимиков разных стран. Белоусову удалось опубликовать только в 1959 году лишь краткое сообщение в реферативном сборнике, а в 1980 году за работы по исследованию реакций Белоусова группе ученых, и самому автору в частности, была присуждена Ленинская премия. Но автору посмертно, Б. П. Белоусов умер в 1970 году.

Диссипативные структуры

Все происходило точно в соответствии с печально-мудрым замечанием Макса Планка из его автобиографии: «Оппоненты постепенно вымирают, а растущее поколение с самого начала осваивается с новой идеей». «Звездные» реакции Белоусова сразу же завоевали сердца не одного молодого химика. Наибольший вклад в их экспериментальное исследование внес советский химик А. М. Жаботинский, так что реакции часто называют двумя именами: Белоусова — Жаботинского. На Западе же одним из первых, кто в полной мере оценил значение и перспективы открытия, был физикохимик русского происхождения, ныне лауреат Нобелевской премии Илья Пригожий.

Замечу, читателя не должно смущать чередование в дальнейшем терминов «синергетика» и «термодинамика»: это лишь два разных физических подхода к одному и тому же — явлениям самоорганизации, прекрасным примером которой является реакция Белоусова.

Именно в работах Пригожина и его сотрудников встретились экспериментальные достижения советской школы и теоретические разработки типа задачи Тьюринга. Однако более или менее завершенная концепция родилась у группы Пригожина, часто называемой «брюссельской школой», только к концу шестидесятых годов.

Этому помогло прежде всего то, что группа Пригожина — группа физиков. Ибо решающим шагом оказалась проведенная «брюссельцами» аналогия между химическими явлениями, о которых шла речь, и далекими от них, на первый взгляд, гидродинамическими неустойчивостями, теория которых уже была разработана.

Самым ярким примером такого класса явлений принято считать так называемую конвекционную неустойчивость Бенара, или ячейки Бенара, или просто «бенар», как говорят физики в обиходе. Что это такое, видно из элементарного опыта, если налить на сковородку слой растительного масла, то после подогрева через какое-то время жидкость разобьется на правильные ячейки, подобные пчелиным сотам. Или, говоря более строго, суть эффекта в том, что в открытой системе после подвода энергии образуется некая структура… В последней фразе — ключ к термодинамическому анализу самоорганизации в неравновесных системах. Или еще сильнее: к физическому описанию эволюции открытых систем…

Общий вывод после анализа и гидродинамических неустойчивостей, и химических реакций Белоусова можно сформулировать так: неравновесность состояния системы может стать причиной возникновения в ней порядка.

Вывод чрезвычайной важности. До этих пор классическая термодинамика имела дело только с одним процессом: ростом энтропии, возникновением беспорядка из первоначальной упорядоченности. И вот при переходе к термодинамическому анализу открытых систем оказалось, что этот процесс может «идти вспять» и из беспорядка — рождаться порядок, как это следует из теории биологической эволюции!

Для дилетанта это звучит обыденно, для специалиста, который услышал об этом впервые, — вздорно…

И. Пригожий назвал структуры, возникшие подобным образом, диссипативными — летучими, так можно перевести. Оказалось, при определенных условиях такие структуры возникают и при реакциях Белоусова: как раз Жаботинскому удалось «остановить» мерцание реакции, добившись того, что промежуточные продукты образовывали целые упорядоченные картины — застывшие или, медленно меняющиеся.

Однако все стройно и логично только в целом, при таком, как этот, литературном пересказе: в открытых системах, обменивающихся энергией или веществом со средой, возникают структуры, некий новый порядок — ячейки Бенара в первом случае, пространственно-временные картины — во втором. На деле все гораздо сложнее…

Драма подходов

В литературе о науке часто используется пресловутое словосочетание — «драма идей». Читатель популярных журналов волен представлять себе идеи в виде упругих шариков, сталкивающихся на лету, а носителей идей — как высоколобых фанатиков, стоящих до края на своем, иногда если не пускающих в ход кулаки, то позволяющих себе отругать оппонента в журнале.

Но вот ставится эксперимент, одни ретивцы посрамлены, идеи же победителей срочно входят в школьные учебники и внедряются в производство… Быть может, во времена классической науки все и было так просто, хотя это и сомнительно. В истории неклассической термодинамики все весьма сложнее. Уже не идеи сталкиваются одна с другой, а целые системы естественнонаучного мышления, концепции поиска истины, подходы в конечном итоге.

И. Пригожин выдержал много нападок. Говорят, о его работах крайне нелестно отзывался академик Л. Д. Ландау, весьма эмоционально — академик М. А. Леонтович. Что, дело в дурном характере? Я задал этот вопрос на конференции по синергетике М. В. Волькенштейну «Пригожин… — сказал он, — к нему сложное отношение в среде классических физиков». Этого мне было довольно…

Классический подход: результат, экспериментальный и теоретический, сумма результатов, гипотеза, проверка… Подход Пригожина: разрозненные результаты из разных областей — концепция, обсуждение. Это — упрощенно, но в целом так…

Такое предисловие к этой главке нужно, чтобы закончить разговор о диссипативных структурах. Ведь о них можно было рассказать и иначе, как бы устами «классика», давным-давно был открыт эффект Бенара, открыт и хорошо объяснен в рамках теории гидродинамических неустойчивостей. Были открыты реакции Белоусова — Жаботинского, долго не имевшие объяснения, но в последние годы эти и гораздо более сложные иные эффекты находят теоретическое объяснение, хотя работы далеки от завершения. Что сделал Пригожин? Назвал то и другое диссипативными структурами? Пожалуйста, если ему так нравится, но даже этот термин далеко не всеми признан удачным, скажем, тот же Г. Хакен его вовсе не употребляет, не говоря уже о «автоволновиках». А все остальное — лишь разговоры, выводы, строящиеся на непроверенных допущениях, причем некоторые, самые далеко идущие, вовсе опровергнуты на сегодня. Все будет почти верно. Почти.

Действительно, приступая к построению своей теории неравновесных процессов, И. Пригожин — кстати, далеко не только он, работ в этой области в разных странах за последние двадцать лет было достаточно, — в конечном итоге стремился построить новую термодинамику, включающую классическую как частный случай. Подобно тому, как в формулы Эйнштейна входят как частный случай законы ньютоновской механики. Цель дерзкая, сказать нечего. Но дело тут вовсе не в претензиях.

Со времени формулировки второго начала прошло почти полторы сотни лет но представляет оно собой скорее программу, чем математически точный постулат. Энтропия возрастает — это свидетельствует лишь о знаке величины но, как говорят математики, область справедливости неравенства не определена. И здесь сложность: новая термодинамика должна была так или иначе включить в себя закон роста энтропии, но столь общий закон не поддавался большему расширению. Скажем, надо было решить: от каких параметров зависит энтропия при удалении от термодинамического равновесия? От тех же, что и «классическая» энтропия? Узнать это экспериментально нельзя, это утверждение надо брать за постулат. Так возникло одно из основных положений Пригожина — «о минимуме производства энтропии». Здесь нет места останавливаться на нем, я лишь хочу отметить: уже на этом шаге теория открыта для критики. Конечно, тот факт, что в рамках ее созданы эффективные математические модели, отлично согласующиеся с экспериментом (модель реакций типа реакции Белоусова описывается, скажем, с помощью так называемого «брюсселятора»), защищает теорию от критики. Но не может оградить вовсе, ибо сама теория не завершена, открыта, а в основу ее положены пусть прозорливые, но предположения.

Критерий эволюции

Кажется, больше всего в пользу справедливости критики подхода Пригожина, — в частности, всей «новой волны» в современной термодинамике вообще, которую, хоть и с натяжкой, но можно назвать «концептуальная», — говорит история о выдвинутом И. Пригожиным и П. Гленсдорфом «критерии эволюции». Произошло это в начале семидесятых годов. В конце своей книги, подводившей итоги многолетнему напряженному поиску возможностей построения «новой термодинамики» (замечу, первой в мире столь общей и полной монографии этого рода), авторы вводили понятие «критерий эволюции».

Уже ясно, о чем может идти речь, — о создании универсального термодинамического закона эволюции и самоорганизации любой открытой системы физической, химической, биологической. Иначе говоря, здесь замах грандиозного значения, претензия на полное решение вопроса о «двух физиках«… Сразу скажу, что ученые поторопились. Но — все по порядку.

Исходя из концепции образования устойчивых диссипативных структур в системах вдали от равновесия, И. Пригожин и П. Гленсдорф попытались математически сформулировать некое правило, которое бы прямо предсказывало, говоря их словами, изобретение, создание форм, непрерывное производство чего-то нового. Они писали: «Существует только один тип физических законов, но различны термодинамические ситуации: вблизи и вдали от равновесия. Разрушение структур, вообще говоря, наблюдается в непосредственной близости к термодинамическому равновесию. Напротив, рождение структур может наблюдаться за пределами устойчивости». Говоря грубо, утверждалось, что живые организмы, к примеру, можно некоторым образом рассматривать как описанные авторами диссипативные структуры, как некие открытые физические и химические системы. Но о реакциях Белоусова — Жаботинского, скажем, можно нечто утверждать с уверенностью, о самых же простых процессах, протекающих в отдельной клетке, определенного известно крайне мало. Это первое напрашивающееся возражение. Но этого мало…

Очень скоро оказалось, что даже многие чисто физические процессы, изучаемые сравнительно недавно — автоволновые, например, — не удовлетворяют критерию Пригожина — Гленсдорфа. Точнее, критерий не удовлетворяет им. Это увидели все или почти все профессионалы, читая книгу. Прежде всего этой ошибкой и возмущался академик М. А. Леонтович… Произошло нечто подобное тому, как на турнире высочайшего ранга на глазах зала и телезрителей прославленный шахматный гроссмейстер, не выдерживая напряжения, делает роковой ход, ошибочность которого видна и перворазряднику (а Нобелевская премия по химии, понятно, — гроссмейстерский балл).

Ошибаются все. Страшно другое: ошибка эта настолько облегчала критику всей работы, включая ее бесспорно конструктивную часть, что впору было с водой выплеснуть ребенка. Многие, даже весьма крупные авторитеты, поддались этому соблазну. И только сейчас, в последние два-три года, стало ясно они оказались жертвой собственной строгости и явно проиграли «темп».

На симпозиуме в Таллине мне удалось поговорить с профессором Г. Хакеном. Среди других вопросов я задал ему и такой. «Как вы оцениваете соотношение синергетического подхода и подхода школы Пригожина в построении общей теории самоорганизации?» «Наш подход шире», — ответил создатель синергетики, на этот раз без лишней скромности.

Впрочем, в своей книге «Синергетика» он по этому же поводу писал следующее: «Пригожий с его школой развил совершенно отличный от нашего подход к описанию образования структур… Подход Гленсдорфа — Пригожина не дает ответа на вопрос о том, как определять и классифицировать новые структуры». Здесь надо заметить, однако, что такой классификации не дает и сам автор новой дисциплины и что вообще эта проблема — одна из насущнейших. Но надо еще отметить следующее.

Какой подход более продуктивный — сегодня вообще решить трудно. Это со всей определенностью может показать только время. Важно другое. И синергетический, и «брюссельский» подходы схожи в одном — они не классические. В них рассматриваются явления самоорганизации в системах разной природы с привлечением различных физико-математических методов, причем каждый акцентирует свой определенный аспект процессов возникновения структур, но в общем, методологическом смысле — это один подход.

Однако пора объяснить, отчего в рассказе о результатах симпозиума, посвященного синергетике, речь пошла о школе Пригожина прежде всего. Во-первых, многие из докладов можно было бы с тем же успехом поместить под рубрикой «Возникновение диссипативных структур и их анализ». Но главное, что когда речь идет о том, что синергетика новое мировоззрение, то, конечно же, имеется в виду вовсе не только конкретный синергетический подход школы Хакена. Иными словами, можно сказать, что термин обогнал своего создателя. Слову «синергетика» сейчас придают столь широкий смысл, что под эту шапку можно поместить и работы Пригожина, и советской школы, основанной академиком А. А. Андроновым, и самого Хакена, конечно. Видно, пришло время разделить понятия «синергетический метод» и «синергетика», хочет или не хочет того автор термина. Слово это, с тех пор как было пущено в мир, зажило своей жизнью, и жизнь его, похоже, оказалась более яркой, чем мог предположить человек, у которого оно впервые сорвалось с языка.

Н. Климонтович