Рассмотрена физическая сущность явления самоорганизации на основе двух подходов, связывающих эту сущность с диссипацией (И. Пригожий и его последователи) или же с внутренней полезной работой против равновесия (концепция эволюционного катализа автора статьи). Показано, что самоорганизация (неравновесное упорядочение) является одним из двух фундаментальных элементарных процессов природы, различающихся по их физическим принципам. При неравновесном упорядочении степень неравновесия возрастает и затрачивается энергия, а при равновесном упорядочении (организации) степень неравновесия уменьшается и энергия выделяется. Оба процесса взаимосвязаны и имеют разную видимую долю проявлений в сложных явлениях. Показано, что существуют два типа самоорганизации: континуальный для индивидуальных (микро-) систем и когерентный для коллективных (макро-) открытых систем; прогрессивная эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем

А. П. Руденко — д. хим. н., профессор МГУ им. М.В. Ломоносова

Рассмотрена физическая сущность явления самоорганизации на основе двух подходов, связывающих эту сущность с диссипацией (И. Пригожий и его последователи) или же с внутренней полезной работой против равновесия (концепция эволюционного катализа автора статьи). Показано, что самоорганизация (неравновесное упорядочение) является одним из двух фундаментальных элементарных процессов природы, различающихся по их физическим принципам. При неравновесном упорядочении степень неравновесия возрастает и затрачивается энергия, а при равновесном упорядочении (организации) степень неравновесия уменьшается и энергия выделяется. Оба процесса взаимосвязаны и имеют разную видимую долю проявлений в сложных явлениях. Показано, что существуют два типа самоорганизации: континуальный для индивидуальных (микро-) систем и когерентный для коллективных (макро-) открытых систем; прогрессивная эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.

Рассмотрена современная ситуация с наукой о самоорганизации. Показаны ограниченность определения этой науки как синергетики по Хакену и возможные пути решения вопроса. Указаны нежелательные тенденции развития современной синергетики, приводящие либо к утрате предмета этой науки, либо к утрате научного статуса этой области.

I. Физическая сущность явления самоорганизации
1. Неуниверсальность второго закона термодинамики и новая парадигма естествознания

Вывод Р. Клаузиуса и В. Томпсона о неизбежности тепловой смерти вселенной при постулировании второго закона термодинамики как универсального закона природы никого не оставил равнодушным. С одной стороны, если признать энтропийный принцип осуществления всех самопроизвольных процессов природы за единственный, то с таким выводом нужно просто смириться, оставаясь на позициях классической науки. С другой стороны, такой вывод делает наше представление о мире каким–то однобоким, скучным, мертвым, оторванным от «радостей действительной жизни», которые он явно игнорирует. Такой вывод вызывает протест как любое формальное, бездушное отношение к «живому» делу. Неудовлетворенность энтропийным принципом в связи с его явными противоречиями с явлениями жизни среди ученых существовала всегда.

Сомнение высказывал Г. Гельмгольц. О существовании физического закона, противоположного второму закону термодинамики, говорили С.А. Подолинский (1880), Н.А. Умов (1901), К.А. Тимирязев (1903), К.Э. Циолковский [1], М. Планк [2], Дж. Льюис [3], Э. Шредингер [4], И.И. Гвай [5]. О неприменимости второго начала к биологии высказывались В.И. Вернадский [6], Дж. Бернал [7], А.А. Гухман [8], В. Байер [9], К.С. Тринчер [10]. Все чаще находились примеры явлений, находившихся в противоречии с энтропийным принципом осуществления процессов. Не говоря уже о жизни и явлениях, связанных с нею, а также более сложных, чем жизнь психосоциальных явлениях, в природе обнаруживались более простые, чем жизнь, процессы, которые с точки зрения всеобщности энтропийного принципа, выглядели «странными» и парадоксальными. Это явление различных флуктуаций и факты действительного осуществления многих обратимых процессов, процессы самоорганизации и саморазвития неравновесных открытых систем с «антиэнтропийным» характером протекания. Дискуссия о всеобщности или ограниченности действия второго закона и его приложимости к живым организмам, особенно активно проводившаяся в середине XX века [11–21] ничего определенного не дала и оставила главный вопрос открытым. Ибо в этой дискуссии под прессом наиболее распространенного мнения о всеобщности второго закона подбирались доказательства о его применимости и ко всему живому на основе рассмотрения сложного явления: живой организм – окружающая среда в целом с оценкой конечного результата взаимодействия. Конечно, при таком рассмотрении явления жизни будет заведомое подчинение и первому и второму закону термодинамики, так как рассматривается общий баланс обмена веществ и энергии с макроскопической средой, о чем уже не раз говорилось в дискуссиях [22]. Поэтому все полученные при таком рассмотрении «доказательства» о его применимости второго начала к жизни в лучшем случае могут рассматриваться сознательным или неосознанным до конца уходом от решения поставленного вопроса.

Речь же должна идти о том, что энтропийный принцип, т. е. второй закон, не противоречащий явлению жизни при оценке ее энергетического баланса с окружающей макросредой в целом, противоречит специфике явления жизни и других более простых динамических явлений, имеющих в ходе их существования в самостоятельном виде антиэнтропийную направленность. Именно это и являлось предметом неудовлетворенности многих выдающихся ученых мнимой универсальностью второго закона.

Наиболее убедительными проявлениями антиэнтропийных процессов на физическом и химическом уровне, исследованными не только экспериментально, но и получившими теоретическое обоснование, было открытие самоорганизации макросистем в виде диссипативных структур И. Пригожиным [23–25], открытие концентрационных автоволн в периодических реакциях Б.Л. Белоусовым [26] и А.М. Жаботинским [27–28] и открытие саморазвития самоорганизации элементарных открытых каталитических систем в эволюционном катализе А.П. Руденко [29–31], давшие возможность рассматривать и решать на количественном уровне не только проблемы самоорганизации, но и прогрессивной химической эволюции и возникновения жизни.

Этими работами и развитыми в связи с ними концепциями поставлена окончательная точка в дискуссии по поводу неуниверсальности второго закона и его противоречиях с явлением жизни в пользу существования двух физических принципов, управляющих процессами, имеющими разную направленность: к равновесию и против равновесия. Как показано в [31] на примере элементарных открытых каталитических систем, существуют взаимосвязанные и взаимообусловленные материальные объекты с равновесной и неравновесной структурной организацией вещества, одни из которых образуются в ходе процесса, стремящегося к равновесию (yr?), сопровождающегося выделением энергии (E­), другие — образуются в ходе процесса, стремящегося к неравновесию (yr­) и сопровождающегося поглощением энергии (E?). Здесь yr? падение, а yr­ рост степени неравновесия в процессах организации (энтропийных) и самоорганизации (антиэнтропийных). Так как такие принципы имеют силу для всех уровней развития материи, сейчас наука переживает становление новой парадигмы естествознания, признающей деление мира на объекты с равновесной и неравновесной организацией, образующиеся в результате двух фундаментальных процессов упорядочения хаоса: одного, стремящегося к равновесию (yr?), другого — к неравновесию (yr­). При этом классической науке придется отказаться от представлений о существовании неких универсальных законов природы, оторванных от конкретных объектов (благодаря способности нашего ума к абстрагированию) и в то же время обязательных для исполнения другими объектами. Законы — это свойства самих объектов, они связаны с объектами и не действуют в отрыве от них. Для однородных объектов законы одни. Для разнородных объектов их набор может быть другим.

2. Самоорганизация как антиэнтропийный процесс, идущий в открытой системе против равновесия

Осмысление противоречий между вторым законом термодинамики и явлениями жизни, а также некоторыми более простыми «странными» явлениями, свидетельствующими о действительном существовании обратимости процессов, привело к открытию явления самоорганизации, главной особенностью которого отмечалась его антиэнтропийная направленность.

Как следует из [30–31], в любой открытой системе, в которой в течение времени происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой с мощностью потока рассеиваемой свободной энергии E­, направленного к равновесию (yr?), осуществляется трансформация этой энергии на поток E?, затрачиваемый на внутреннюю полезную работу Q, направленную против равновесия (yr­) и поток бесполезно рассеиваемой энергии Q (некомпенсированной теплоты необратимого процесса по Клаузиусу). В соответствии с первым законом термодинамики потоки связаны соотношением

E=Q+Q. (1)

В результате, за счет свободной энергии обменного процесса, стремящегося к равновесию yr? (энтропийного процесса), совершается процесс, стремящийся к неравновесию yr­ (антиэнтропийный процесс), который и приводит к самоорганизации системы (к ее неравновесному упорядочению). Так как система с неравновесной организацией динамическая и существует лишь временно, в конце концов, происходит ее релаксация с диссипацией временно задержанной энергии Q

Q=QQ (2)

в поток тепла QQ другой природы, чем поток Q в (1). Схематически этот обмен и трансформация энергии в открытой системе показан на рис. 1, что наглядно демонстрирует особенности природы и динамическую связь между собой энтропийного процесса «организации» (yr?) и антиэнтропийного процесса «самоорганизации» (yr­). Из этого следует, что мерой самоорганизации является величина Q или коэффициент полезного использования энергии

r=Q/E (3)

или связанные с ними величины, а мерой необратимости

h=Q/E=1–r. (4)

Так как процесс организации и процесс самоорганизации происходят самопроизвольно и обусловлены имманентными свойствами системы, а долгое время считалось, что нарушения второго закона возможны лишь при сознательном вмешательстве человека, для обозначения естественных антиэнтропийных процессов упорядочения, имеющих другую природу, чем процесс равновесной организации (например, кристаллизации), стал применяться термин самоорганизация. Здесь приставка само– одновременно подчеркивает и имманентные причины явления и наличие различий природы неравновесного и равновесного упорядочения, связанных с активной или пассивной их ролью в становлении соответствующего порядка.

Рис. 1. Связь антиэнтропийного процесса самоорганизации (1) с энтропийным процессом организации (2) в ходе обменного процесса E = Q + Q = QQ + Q в открытой системе.

Работы в области проявлений процессов самоорганизации в физике, химии, биологии, в науках о Земле и космосе, в науках о человеке и его взаимодействии с природой, в социологии и разных феноменах культуры показали повсеместное распространение самоорганизации на всех уровнях развития материи [32–41]. Распространенность явления самоорганизации наряду с распространенностью альтернативного ему по природе явления организации доказывает дуалистичность материального мира, состоящего из объектов и процессов «организации» и «самоорганизации» и справедливость новой парадигмы естествознания, о которой говорилось выше. С другой стороны, этот факт показывает существование тесной связи фундаментальных процессов организации и самоорганизации, обусловленность одних процессов другими, а также объясняет существование сложных явлений, в которых имеет место сочетание процессов самоорганизации и организации в неразделенном виде и соответствующее их восприятие.

Разумеется, без понимания различий физической сущности альтернативных процессов и при наблюдении и описании суммарного их эффекта возможно искаженное восприятие процесса самоорганизации и смешение его определяющих характеристик с характеристиками процесса организации. Это уже нашло отражение в существующей в литературе путанице в области понимания самого явления самоорганизации, а также при выделении неадекватных действительности определяющих признаков современной синергетики на основе суммарных общих свойств сложных систем, что особенно характерно математическим школам в области синергетики. Конечно, исследование сложных систем, сочетающих оба процесса в неразделенном виде, таких, какие имеют в виду авторы работ [37–39], полезно и нужно как отдельная задача, но такие работы без специального анализа существующего в сложном явлении сочетания и вкладов процессов yr? и yr­ не приближают нас к истинному пониманию явления самоорганизации и правильному определению синергетики как науки о самоорганизации.

В настоящее время уже назрела острая необходимость в наведении минимального порядка в науке о самоорганизации, начиная с определения физической сущности и механизма самоорганизации и уточнения понятийного аппарата соответствующей науки. Для этого надо ориентироваться прежде всего на работы и концепции в области самоорганизации, рассматривающие явление в его индивидуальном виде, в чистом проявлении самого физического принципа самоорганизации, когда идет процесс yr­ и энергия затрачивается E? (yGo>0). Именно такие работы дают понимание физической сути рассматриваемого явления. Поэтому, несмотря па то, что в истоках науки о самоорганизации лежат многие важные исследования в области термодинамики необратимых процессов и рассмотрение проблем универсальности второго закона (например, работы Д. Онзагера [42], разработавшего линейную неравновесную термодинамику и установившего принцип микрообратимости, работы А.М. Тюринга [43], разработавшего теорию «химического поведения» тримолекулярных реакций и теорию антиэнтропийного морфогенеза для нестационарных нелинейных систем и др.), начало науки о самоорганизации надо связывать именно с обобщающими работами и концепциями, касающимися непосредственных оценок физической сущности явления самоорганизации как антиэнтропийного процесса. В полной мере это сделано лишь в работах школы И. Пригожина и в концепции эволюционного катализа.

3. Два подхода к пониманию физической сущности явления самоорганизации и оценке его меры

В настоящее время существуют два наиболее теоретически разработанные подхода в оценке физической сущности явления самоорганизации в открытых системах. Это подход И. Пригожина [23–25] и подход с позиций эволюционного катализа [29?]. Оба этих подхода одинаковы в оценке антиэнтропийной природы процесса самоорганизации, но сильно различаются в понимании условий, причин и движущих сил самоорганизации, в объяснении механизма и установлении меры самоорганизации, а также в установлении связи самоорганизации с прогрессивной эволюцией, с сущностью и возникновением жизни. В последнем отношении их можно считать альтернативными. Альтернативность этих подходов начинается с выбора разных характеристик открытой системы для описания ее самоорганизации и оценки ее меры. В первом подходе — это поток диссипации (Q) в уравнении (1), во втором — это поток внутренней полезной работы против равновесия (Q) в уравнении (1). Соответственно этому, мерой самоорганизации является в первом подходе диссипация и ее функции, а во втором — внутренняя полезная работа и ее функции. О различии этих подходов, достоинствах и недостатках, вскрываемых при их сопоставлении см. в [44–45].

3a. Физическая сущность явления самоорганизации, согласно подходу Пригожина

Как показано в [45], главным условием самоорганизации, согласно подходу Пригожина, принимается необратимость, причиной считается диссипация, а движущей силой — отрицательная энтропия, поглощаемая открытой системой из окружающей среды при обмене веществ. Происхождение самоорганизации связывается с потоком Q (1), который при переходе к энтропийному выражению понимается как производство энтропии (Р)

Q®Q/T=S; dS/dt=P (5)

при этом строится термодинамика необратимых процессов [46], согласно которой условием устойчивости неравновесной открытой системы является

dS=deS+diS, (6)

где dS — изменение энтропии системы за время dt; deS — поток энтропии, обусловленный обменом веществ и энергии с внешней средой; diS — производство энтропии внутри системы за счет необратимых процессов. В стационарном состоянии системы

dS=0; deS=–diS<0, (7)

а при самоорганизации (образовании диссипативных структур)

dS<0; deS>diS?0, (8)

т. е. необходим приток «отрицательной энтропии» (deS) из внешней среды, перекрывающий производство энтропии внутри системы. Так как, согласно Пригожину, самоорганизация открытой системы проявляется в образовании диссипативных структур, в дальнейшем, при разработке теории диссипативных структур он перешел [24] от функций производства энтропии к функциям диссипации

P®PT=Y, (9)

что означает переход от энтропийного выражения диссипации к исходному выражению диссипации, ибо

Y=PT=dQ/dt®Q, (10)

и к неравновесной термодинамике диссипативных процессов. При этом самоорганизация, связывавшаяся с производством энтропии (8), определяется прямо диссипацией (10), что в свое время предполагал Л. Онзагер [42] и считал возможным И. Дьярмати [47], а антиэнтропийность самоорганизации по–прежнему обусловливается необходимостью «питания» открытой системы отрицательной энтропией, поглощаемой из внешней среды.

Наиболее существенный вклад в развитие пригожинского подхода внес Хакен [48], рассмотревший механизм образования диссипативных структур в лазерах как синхронизацию индивидуальных осцилляторов, обеспечивающих кооперативное взаимодействие и когерентное поведение в макросистеме. Самоорганизацию такого типа он назвал синергетической, а науку, занимающуюся самоорганизацией — синергетикой. Вместе с тем стало ясно, что без учета конкретных взаимодействий компонентов макросистемы нельзя объяснить, почему диссипативные структуры, описываемые теорией в виде нелинейных уравнений, образуются в действительности не всегда, а только в определенных условиях и зависят от природы компонентов и параметров макросистем, на что обращал внимание В. Эбелинг [49].

Попытка определить меру самоорганизации открытой системы, предпринятая Ю.Л. Климантовичем [50–51] по существу лишь уточняет принцип Пригожина о минимуме производства энтропии в процессе самоорганизации, не внося ничего нового. Ибо Пригожин связывает самоорганизацию с минимумом производства энтропии в общем виде, а Климантович в своей S–теореме оценивает степень самоорганизации по количеству произведенной энтропии при переходе системы от неупорядоченного хаоса к самоорганизации

So–S?0, (11)

где So – энтропия физического хаоса; S – энтропия самоорганизованной системы при минимуме ее производства.

Другие усовершенствования подхода Пригожина, производившиеся как им самим [24–25], так и его последователями [21] сводились к переходу от термодинамики необратимых процессов, основанной на функциях производства энтропии (5) – (8) к неравновесной термодинамике диссипативных процессов, основанной на функциях диссипации (9) – (10) и постепенному осознанию того, что «отрицательная энтропия» есть не что иное как часть свободной энергии Е обменного процесса (1) в открытой системе, идущая на самоорганизацию, т. е. поток Q в (1) [21–22]. Оказалось, что «энтропия организации» [22], которая косвенно характеризует самоорганизацию и в ходе эволюции действительно уменьшается, вовсе не является энтропией, так как представляет собой интенсивную величину, а не экстенсивную (как сама энтропия) и характеризует лишь меру несовершенства (неорганизованности) системы, пропорциональную потоку бесполезно рассеиваемого тепла Q (1). В конце концов, эти изменения теоретического подхода Пригожина показали бесполезность функций энтропии и производства энтропии, привлеченных вначале, для описания процесса самоорганизации и излишность понятия «отрицательная энтропия», возникшего как формальная аппаратная накрутка при попытках описания антиэнтропийных процессов при помощи функций энтропии [45].

Как отмечает Г.Г. Малинецкий [52], в настоящее время уже исчерпан потенциал развития этого подхода на основе не только парадигмы диссипативных структур, но и парадигмы динамического хаоса. Поэтому современная синергетика, основанная на этом подходе, заходит в научно–теоретический тупик и возникает вопрос о смене парадигм синергетики.

3б. Физическая сущность явления самоорганизации, согласно концепции эволюционного катализа, и ее адекватность природе

Как показано в [45], в подходе эволюционного катализа [30–31] главным условием самоорганизации принимается неравновесность, причиной — полезная работа против равновесия, а движущей силой — часть свободной энергии обменного процесса E, используемая на внутреннюю полезную работу (Q) при максимальном рассеянии свободной энергии E обменного процесса (1). При этом показано, что самоорганизация прямо зависит от потока Q, используемого на внутреннюю полезную работу против равновесия и являющегося ее мерой. Другими словами, степень самоорганизации системы зависит от коэффициента полезного использования энергии E, освобождаемой в обменном процессе (1)

r = Q/E (12)

и повышается в ходе эволюции, причем в самых высокоорганизованных системах

r ® 1; Q ® E; Q ® 0. (13)

В открытых же системах с низкой самоорганизованностью

r ® 0; Q ® 0; Q ® E. (14)

Теория эволюционного катализа показывает, что на эволюционные превращения систем затрачивается энергия, т. е. каждое эволюционное изменение также является процессом самоорганизации, использующим часть энергии E. При этом, если вероятность эволюционного изменения открытой каталитической системы равна р, имеем следующее распределение потока Q на самоорганизацию при существовании и эволюции систем

Q = (1–p)Q + pQ. (15)

Кроме того теория показывает, что в ходе прогрессивной эволюции происходит саморазвитие самоорганизации систем с постоянным ростом коэффициента r (13) и понижением степени необратимости обменного процесса до нуля

h = Q/E ® 0. (16)

Неравновесная термодинамика рабочих процессов, описывает [45] все эти процессы в виде последовательных трансформаций энергии, освобождаемой в обменном процессе (1)

E = Q + Q = Q(1–p) + pQ + Q = QQ + pQ + Q = QQT + QQx + pQ + Q. (17)

Антиэнтропийность самоорганизации в этом подходе подчеркивается отсутствием функций энтропии в неравновесной термодинамике рабочих процессов и бессмысленностью их применения особенно для процессов эволюции, осуществляющихся, согласно [30–31] при T = const. Для описания достаточны функции E, Q, Q в уравнении (1) и связанные с Q функции: r = Q/E, (1–p)Q, pQ, определяющие меры самоорганизации.

Эволюционный катализ различает два типа самоорганизации для индивидуальных элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС) и их множеств (М–ЭОКС), имеющих одну и ту же физическую сущность, но различающихся по имманентным свойствам и морфологическим особенностям самоорганизованных объектов [45]. Континуальная (видовая) самоорганизация микроскопических ЭОКС (название происходит от понятия «кинетический континуум веществ и процессов», отражающего целостность и функциональную неделимость ЭОКС). Когерентная (коллективная) самоорганизация макроскопических множеств ЭОКС (название происходит от когерентности поведение множества индивидуальных ЭОКС при их кооперативном взаимодействии и тождественно сущности самоорганизации макросистем, определенной Хакеном [48]. При этом подчеркивается зависимость проявлений когерентной самоорганизации от наличия определенной континуальной самоорганизации индивидуальных объектов, составляющих множество, т. е. находится конкретный ответ на вопрос Эбелинга [49], почему для образования диссипативных структур нужно наличие дополнительных условий, связанных с природой компонентов макросистемы.

Континуальная самоорганизация ЭОКС изменяется при каждом эволюционном изменении системы, причем каждый такой акт является также процессом самоорганизации. Прогрессивную же химическую эволюцию теория описывает как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных ЭОКС в ходе естественного отбора наиболее прогрессивных качеств.

При этом, как известно [53], подход с позиции эволюционного катализа был широко использован не только для описания и обсуждения разных типов самоорганизации, но и для разработки полной количественной теории прогрессивной химической эволюции и возникновения жизни.

3в. Сопоставление двух подходов по их эвристическим возможностям в определении физической сущности явления самоорганизации и его многообразия в мире

Как показано в [45], существует различие в понимании конструктивных условий возникновения самоорганизации, ее причин и движущих сил с позиций подходов Пригожина и эволюционного катализа. Конструктивную роль в возникновении самоорганизации, согласно Пригожину, играет условие необратимости, а, согласно концепции эволюционного катализа, — условие неравновесности; причиной самоорганизации в первом случае является диссипация (Q по (1)), а во втором случае — внутренняя полезная работа против равновесия (Q по (1)); движущей силой самоорганизации в первом случае является отрицательная энтропия, поступающая в открытую систему из внешней среды, а во втором случае — часть Q потока свободной энергии E обменного процесса в открытой системе.