Russian
| English
"Куда идет мир? Каково будущее науки? Как "объять необъятное", получая образование - высшее, среднее, начальное? Как преодолеть "пропасть двух культур" - естественнонаучной и гуманитарной? Как создать и вырастить научную школу? Какова структура нашего познания? Как управлять риском? Можно ли с единой точки зрения взглянуть на проблемы математики и экономики, физики и психологии, компьютерных наук и географии, техники и философии?"

«ЖИЗНЬ НЕЖИВОГО С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СИНЕРГЕТИКИ» 
Князева Е.Н., Курдюмов С.П.

Опубликовано в: Философия и синергетика

Ускорение процессов. Катализ

«Мгновение бежит неудержимо… »
Н. Гумилев, 1921

И в мертвом есть механизмы ускорения синтеза сложного, Катализ является одним из наиболее интересных объектов изучения в современной химии. Разрабатываются, в частности, модели процессов, протекающих на поверхности катализатора. На поверхность кристалла, т.е. на какую-то определенную структуру решетки, случайным образом из среды, в которой происходит каталитическая реакция, попадают атомы и закрепляются на этой решетке в результате адсорбции или/и поверхностных реакций. Решетка играет роль матрицы, которая позволяет удерживать атомы на определенных расстояниях. Можно сказать, что на решетке со временем, с некоторым запаздыванием осуществляются аналоги многочастичных столкновений, которые изучаются в синергетике [8].

Причиной сверхбыстрого развития процесса, протекающего на решетке, является резкий рост вероятности сложной реакции, аналога столкновения многих частиц. При каталитическом процессе происходит размножение продукта. В рассматриваемой модели решетка, на которой происходит каталитическая реакция, является не просто ускорителем процесса, но и средством производства вещества заданного типа. Катализатор есть некая матрица, которая позволяет неслучайным образом суммировать случайно попавшие на нее частицы (например, атомы), т.е. осуществлять сложные коллективные взаимодействия. Ускорение процессов имеет место благодаря определенной пространственной организации каталитической поверхности, определенному расположению, диспозиции атомов решетки. Здесь просматривается глубокая связь с представлениями о резонансном возбуждении в синергетике.

Правильная топология воздействия на среду равносильна возбуждению в ней собственной структуры, правильному объединению атомов в сложную молекулу. Формой резонансного возбуждения в биологии является редупликация ДНК, строительство по образцу, что позволяет существенно ускорить биологические процессы. В социальной области многие процессы протекают в режиме с обострением: рост населения Земного шара [9] , рост научной информации, всплески в развитии науки и культуры (плеяды талантов), «экономическое чудо», продемонстрированное нами «азиатскими драконами». Например, рост научной информации осуществляется не по экспоненциальному закону, а гораздо быстрее – в режиме с обострением. Информационные потоки создают некую среду.

Обмен научной информацией становится способом коллективного взаимодействия ученых при решении научных проблем. Научная информация, слой общепринятого и общераспространенного в научном сообществе знания представляет собой некую социокультурную матрицу, своего рода «каталитическую поверхность», позволяющую соединить усилия многих ученых по исследованию каждой из научных проблем. Эта социокультурная матрица включает в себя общий язык, «способы думать вместе», общие образцы научного исследования и представления результатов, правила общения. Ведь, вообще говоря, каждый отдельный ученый никогда не понимает проблему полностью, «до конца».

Он всегда разбивает ее на части, видит лишь один или немногие ее аспекты. Он рассматривает проблему со своей точки зрения, будучи обременен своим собственным «неразумием», «незнанием». Поэтому неправомерно говорить, что проблема проходит или, тем более, уже прошла через одну голову. Она отражается по-разному разными учеными, и именно это продвигает ее решение. Информационные сети, матрицы исследования имеют надындивидуальный, трансперсональный, интерсубъективный характер. Они являются формой «многочастичного столкновения» в научной среде. А коллективность и неоднократность взаимодействий ученых обусловливает то, что рост научной информации является автокаталитическим процессом, что делает понятным наблюдаемый быстрый темп развития науки.

Как части «упаковываются» в целое?

«Как в целом части все, послушною толпою, 
Сливаясь здесь, творят, живут одна другою».
И.В.Гёте

Проблема части и целого является одной из наиболее интересных в синергетике и связывается с проблемой совместной эволюции (коэволюции) и ее ускорения при правильном объединении эволюционирующих частей. Способы объединения не произвольны, а обусловлены нелинейными свойствами среды. Как, по каким законам строится эволюционное целое? Как собирается целое из частей? Какова геометрия, вернее, стереометрия объединения? Эту часть синергетического мировидения можно назвать эволюционным холизмом. Известно, что в химических связях существенную роль играет перекрытие электронных оболочек атомов.

Сложные молекулы существую благодаря такому перекрытию. При этом для понимания способов объединения используется квантово-механическая модель. Согласно представлениям современной структурной химии, стереохимии, разные геометрии объединения атомов в молекулу или в кристаллическую структуру позволяют создавать среду с разными физическими и химическими свойствами. Всем известный пример – графит и алмаз. По химическому составу они тождественны, а по структурной организации различны. Именно структурные соединения частей в целое, «архитектура» все более сложного целого – это то, что продвигает нас от области неорганической химии к органической химии и далее химии живого, биохимии. В нелинейных моделях синергетики появляются любопытные аналогии названным химическим феноменам. Причем разработка нелинейных моделей вовсе не претендует на вытеснение существующих квантово-механических объяснений. Моделируется мир нелинейных процессов, в котором обнаруживаются похожие свойства. А через аналогию приходит понимание достаточно общих принципов объединения частей в целое.

В качестве аналога перекрытия электронных оболочек атомов выступает в нелинейных моделях пересечение областей локализации простых тепловых структур (структур с одним максимумом) при их объединении в сложную тепловую структуру (структуру с многими максимумами). Здесь стоит пояснить наше понимание локализованной структуры на сплошной открытой и нелинейной среде. Благодаря нелинейности интенсивность процессов (например, интенсивность горения среды) в области их эффективной локализации очень быстро возрастает (LS-режим). Процесс горения в LS-режиме, строго говоря, имеет слабо горящие хвосты, уходящие на бесконечность. Область, где интенсивность процесса не спадает ниже некоторого фиксированного уровня (имеет общий момент обострения), называется областью эффективной локализации, или эффективной длиной. Нелинейность среды приводит к преобладающему выделению энергии (ускорению процесса) в более интенсивных источниках тепла и к резкому ослаблению процессов горения в остальных участках среды.

Нелинейность обусловливает сильную неоднородность развития процессов в среде, которая соответствует картине источников теплового поля, эффективно локализованных в определенных участках среды, и самой горящей среды, вклад которой в общий процесс роста температуры относительно мал. Это – картина, в которой и поле температуры, и источники поля температуры представляют собой проявление единой субстанции – горения сплошной среды. Однако за счет автокаталитичности (нелинейности источников, зависимости их работы от температуры) в разных участках среды наблюдается чудовищно различная интенсивность процессов (на много порядков по величине).

Неоднородность процессов горения в среде рассматривается в этой модели как аналоги локализованных процессов, аналоги микрочастиц, атомов. Причем возможны достаточно сложные организации процессов внутри этих выделенных областей интенсивного (с различными моментами обострения) развития процессов. Из-за существования «хвостов» процессов, уходящих на бесконечность, вообще говоря, все структуры LS-режима пересекаются, соединяются в некое целое. Это проявление всеобщей слабой, или тонкой, связи структур в этом мире. Но в моделях обычно учитывается лишь сильная связь структур, возникающая при пересечении областей их эффективной локализации. Поэтому аналогом молекулярной структуры является суперпозиция простых тепловых структур в сложную благодаря пересечению областей их эффективной локализации. Главной особенностью правильного, резонансного объединения является установление общего темпа развития во всей области сложной структуры (одного момента обострения во всех частях).

На современном уровне исследований удается сформулировать ряд принципов интеграции структур, выражаемых через требование согласования, синхронизации темпов развития частей, объединяемых в более быстро эволюционирующее целое. Становится очевидным, что, создавая сложное эволюционное целое, нельзя действовать методом проб и ошибок, но следует руководствоваться правилами нелинейного синтеза [10]. Синергетика показывает, что в сложных открытых и нелинейных системах (средах) существует много путей эволюции, структур-аттракторов. Отсюда разнообразие форм нелинейного мира, в том числе и способов объединения простого в сложное. Но в то же время их количество не бесконечно. Возможные формы нелинейного синтеза ограничены. Возможна интеграция не каких угодно структур, находящихся не на каких угодно стадиях развития. Кроме того, интеграция осуществляется не произвольным образом. Известно, что для получения устойчивых химических соединений (атомов в молекулы) нужно определенным образом перекрыть электронные оболочки атомов. Это перекрытие должно быть не больше и не меньше.

Важно отметить, что и в модели тепловых структур также существует определенный оптимум перекрытия. Структуры заполняют определенные уровни, образуют сложные формы локализации. Подчеркнем, что важна не только величина перекрытия, а правильная топологическая организация частей, объединяющихся в целое. Объединение топологически правильно, если оно осуществляется в соответствии с собственными функциями среды, с собственными тенденциями развития процессов в ней. Объединяемые структуры должны быть подобраны «по возрасту», по стадии развития, темпу развития. Это правило понятно для живой природы, но не для мертвой, где представления о «возрасте» атомов кажутся странными и излишними. Для биологических же существ, не говоря уже о социальных организациях, разница в возрасте (в темпах развития) может быть колоссальной.

Синтез простых «разновозрастных» структур в одну сложную структуру происходит в определенных классах нелинейных сред посредством установления общего темпа их эволюции (одного момента обострения во всех простых структурах). Например, «разновозрастные» социальные структуры, страны, находящиеся на разных стадиях развития, могут объединяться, приобретая при этом единый темп развития. Синхронизация их темпов развития осуществляется за счет механизмов хаотического типа, рыночных механизмов обмена информацией, материальными ресурсами и продуктами производства. Кроме того, сложные социальные структуры объединяются не мгновенно, а с некоторым запаздыванием, т.е. в этом процессе, как и в катализе, играет роль память. Процесс ускоряется благодаря индивидуальным и коллективным носителям социокультурных матриц знания и общепринятых трафаретов поведения, традиций культуры и норм общественной жизни.

Почему природа так экономна?

«Природа подобна рачительному хозяину, который бережлив там, где нужно, для того чтобы иметь возможность быть щедрым в свое время и в своем месте. Она щедра в своих действиях и бережлива в применяемых ею причинах».
Г.Лейбниц

Во многих случаях в химии просто необъяснимо, почему молекула имеет именно такую стереометрию объединения, а не какую-то другую. Часто это рассматривается просто как экспериментальный факт. Возможный, едва ли не единственный, способ объяснения химических связей и химических структур – это объяснение исходя из вариационных принципов. Показывается, что определенные конфигурации объединения атомов означают наиболее устойчивые состояния, ибо соответствуют минимизации энергии или свободной энергии. Нелинейный анализ и синергетика позволяют принципиально по-другому подойти к поиску наиболее устойчивых состояний и структур природы. Такой поиск можно вести, исходя вовсе не из вариационных принципов минимизации функционалов (энергии, действия и т.п.). Более того, неплохо было бы понять, откуда берутся сами вариационные, или экстремальные, принципы. В синергетике исследуются механизмы самоорганизации природы, т.е. то, как происходит выход на наиболее устойчивые состояния.

  • Во-первых, показывается, что таких состояний для всякой более или менее сложной системы может быть много. Решение нелинейной задачи приводит к своего рода квантовому эффекту, к выделенности некоторых состояний, к дискретности путей эволюции. Известны, например, два типа «застройки» среды при конвективной неустойчивости. Это – классические, хорошо известные шестигранные ячейки Бенара, образующие структуру типа «пчелиных сот» или же возможные, но менее устойчивые четырехгранные ячейки.
  • Во-вторых, раскрывается сам механизм выпадения на устойчивые состояния, структуры-аттракторы эволюции. Это механизм «преодоления» хаоса, конкуренции двух начал – хаотического, рассеивающего начала, действующего через диссипативные процессы, и начала, наращивающего неоднородности в среде (благодаря нелинейным объемным источникам). Их взаимное действие приводит к выеданию, обусловливает как бы силу притяжения к аттрактору, отбор из будущего, в соответствии с идеальным образцом, одной из структур-аттракторов.

Синергетика обнаруживает и иной выработанный природой способ экономии, сжатия процессов эволюции по времени. Это – резонансное возбуждение. Малое, но топологически правильно организованное воздействие, воздействие, как говорил Лейбниц, «в свое время и в своем месте», оказывается чрезвычайно эффективным. Ибо оно эквивалентно устойчивым состояниям самой природной среды, собственным формам ее организации. Можно сразу возбудить в среде одну из структур-аттракторов, и притом ту, которая желательна. Можно выйти на аттрактор, минуя длительный путь эволюции к нему с неизбежным уничтожением всего того, что не соответствует его правильной организации. И.Ефремов сказал бы, что можно минимизировать зло, инферны, лишнее выжигание среды и радикально сократить время выхода на аттрактор, сжать время эволюции. Но существует и опасность больших скачков.

Надо знать законы правильного устройства аттракторов, адекватных данной среде, а не навязывать среде несвойственные ей формы организации. Принципы экономии играю свою роль и при объединении структур. При правильном объединении приближается момент обострения, т.е. во всей объединенной области устанавливается более высокий темп. Целое развивается быстрее составляющих его частей.

Жизнь природы и жизнь общества

«Скажите мне, что значит человек? 
Откуда он, куда идет,
И кто живет под звездным сводом?»
Ф.И.Тютчев, 1827-1830

Синергетическое знание постепенно складывается в некую систему взглядов на мир. Универсальные закономерности эволюции и самоорганизации, открываемые синергетикой, приобретают большее значение, чем та естественнонаучная основа, из которой они рождаются (неравновесная термодинамика, нелинейная динамика, фрактальная геометрия, теория катастроф и самоорганизованная критичность). Философия синергетики выходит далеко за рамки приложений синергетики в физике и химии. Куда течет история? Как приспособится к колоссальному темпу происходящих в мире изменений? Как жить сегодня и что ожидает нас завтра? Как экономически и политически правильно объединять различные регионы? Какая доля хаоса и какая доля внешнего управления необходимы для устойчивого развития социальных организаций? Каковы сценарии прохождения демографического кризиса? Можно поставить с десяток вопросов, волнующих каждого из нас.

Синергетика дает общее понимание характера эволюции социальных организаций, взгляд на историю и вероятные сценарии будущего развития. Используя синергетические модели, можно понять, чего в принципе не может быть, какие запреты, обусловленные самой природой сложных социальных организаций, накладываются на способы управляющего социального воздействия. Синергетика становится методологической основой современных исследований будущего [11]. Для выхода социальных систем на собственные пути развития необходимо включение рыночных механизмов. Ведь мы знаем, что природа требует многообразия для естественного отбора. А естественные спонтанные движения на микросоциальном уровне – это в некотором смысле равные возможности, свобода действий, отсутствие привилегированных позиций в среде. Рыночная социальная среда является полигоном для развертывания процессов самоорганизации.

Вместе с тем нельзя надеяться на механизмы чисто рыночного типа как на панацею от всех наших бед. Во-первых, рыночный хаос может вывести и на хаос. В качестве одного из возможных путей эволюции в открытых и нелинейных средах остается термодинамическая ветвь, т.е. именно то состояние теплового хаоса, к которому, согласно второму началу термодинамики, идут процессы в замкнутых системах. А это означает возможность краха сложных социальных организаций. Во-вторых, запустив рыночные механизмы, можно долго ждать спонтанного выхода на желаемые структуры-аттракторы. Но нам не отпущено столько времени на выбор пути развития. Раз вся природа устроена по-другому, раз она колоссально стягивает время эволюции, то и в социальной области было бы желательно воспользоваться методами резонансного возбуждения, осуществлять выход на предпочитаемое и осуществимое будущее.

Стоит высказать и такое опасение. Пытаясь использовать западноевропейский и американский опыт построения рыночного хозяйства, следует принимать в расчет, что всякая социальная среда таит в себе собственные, отвечающие ее природе, формы организации. Внутренним тенденциям сегодняшней российской среды могут не соответствовать американские образцы, предполагающие достаточно высокий уровень экономического и демократического развития, развитые качества взаимной ответственности и доверия внутри социальных групп и в обществе в целом. Неправомерно просто переносить образцы без учета специфики среды.

И последнее. Одна из важнейших надежд сегодня состоит в том, чтобы достаточно быстро реализовать ряд последовательных приближений к желаемым социальным структурам, как говорят математики, провести ряд итераций. Испытывая, что будет адекватно нашей среде и будет устойчивой на ней развиваться, необходимо участить шаг изменений. Необходимо иметь возможность вносить поправки, вовремя исправлять ошибки, корректировать стратегию развития, достаточно быстро перестраиваться, преждевременно не закрепляя формы. Это – необходимое условие работы с неустановившимися нелинейными режимами, со структурами-аттракторами, которые не угаданы точно.

Литература

[1] Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М.: Наука, 1994. 236 с.

[2] Курдюмов С.П. Собственные функции горения нелинейной среды и конструктивные законы построения ее организации // Современные проблемы математической физики и вычислительной математики. М.: Наука, 1982. С.235-236. См. также статьи и литературу в книге «Наука, технология, вычислительный эксперимент». М.: Наука, 1993.

[3] Петухов С.В. Геометрии живой природы и алгоритмы самоорганизации. М.: Знание, 1988.

[4] Бульенков Н.А. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на различных уровнях их иерархии // Биофизика. 1991. Т.36. Вып.2. С.181-243.

[5] Григорьева Т.П. Дао и Логос (встреча культур). М., 1992.

[6] Даосские притчи. М., 1992. С.60.

[7] Режимы с обострением. Эволюция идеи: Законы коэволюции сложных структур. М.: Наука, 1999. 255 с.

[8] Еленин Г.Г., Слинько М.Г. Математическое моделирование элементарных процессов на поверхности катализатора // Наука, технология, вычислительный эксперимент. М.: Наука, 1993. С.99-139.

[9] Капица С.П. Общая теория роста человечества. М.: Наука, 1999.190 с.

[10] См. об этом: Курдюмов С.П., Князева Е.Н. Квантовые правила нелинейного синтеза коэволюционирующих структур // Философия, наука, цивилизация. Москва: Эдиториал Урсс, 1999. С.222-230.

[11] Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М.: Наука, 1997. Knyazeva H. Synergetics and the Images of Future. // Futures. 1999. Vol.31., N 3/4. P.281-290.