Начала современного естествознания: концепции и принципы

Класс систем, способных к самоорганизации, — это открытые, нелинейные системы. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, обмена веществом, информацией и энергией с окружающей средой.

Открытость системы — необходимое, но не достаточное условие для ее самоорганизации: то есть всякая самоорганизующуюся система открыта, но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Все зависит от взаимодействия двух противоположных начал: создающего структуры, наращивающего неоднородности в сплошной среде (работы объемного источника), и рассеивающего (диссипирующего), размывающего неоднородности, т. е. начал самой различной природы. Обсудим некоторые детали и механизмы возникновения сложноорганизованных систем и структур.

12.2. Динамика возникновения диссипативных структур

Как уже отмечалось в п. 3.4, 3.5, главах 4–7, для возникновения структур, составленных из тех или иных элементов, необходимо существование достаточно прочных связей между этими элементами. Для образования таких связей необходима возможность диссипации, рассеяния, передачи в окружающую среду энергии связи. Необходима внешняя «окружающая среда» и в ней должна быть какая-то исходная неоднородность, к которой переходит часть энергии извне. Для примера рассмотрим явления во Вселенной.

Первопричина структурирования нашей Вселенной — в ее исходной неоднородности во времени, проявленной в пространственных масштабах. Вселенная расширяется и остывает, энергия рассеивается, энтропия растет, но это расширение ведет к появления потока рассеяния, непрерывного движения и направленного изменения состояния вещества. Этот поток и привел к образованию макроскопических неоднородностей — структур всех масштабов.

Астрономы наблюдают крупномасштабные пространственные неоднородности во Вселенной, точнее, в Метагалактике: материя сконцентрирована в звездах, звезды — в галактиках, галактики в скоплениях и сверхскоплениях, и только в масштабах, значительно больших, чем размеры сверхскопления (это сотни мегапарсек или сотни миллионов световых лет), Метагалактика пространственно однородна.

Неоднородность, структурированность отдельных частей Метагалактики связана с их конечностью и открытостью: для каждой такой части можно говорить о внешней среде, с которой происходит обмен энергией и энтропией. Микронеоднородности, флуктуации возникают и исчезают непрерывно, случайным образом, из-за принципиально вероятностной природы микропроцессов и процессов в больших стохастических системах. Для превращения же флуктуаций в макронеоднородности и в сложные, развитые структуры необходим направленный поток энергии и вещества, который изначально и задается рассеянием при расширении.

При возникновении и усложнении структуры происходит локальное (местное) возрастание порядка и, соответственно, уменьшение энтропии данной структуры, тогда как в большем масштабе в системе, включающей также и часть внешней среды, энтропия возрастает. Из того, что нам известно к настоящему времени, следует, что все структуры во Вселенной возникли в результате протекания процессов диссипации первоначально концентрированной тепловой энергии. При этом энтропия Вселенной в целом непрерывно возрастала, каждое местное уменьшение энтропии при возникновении упорядоченных структур с избытком компенсировалось ее увеличением за счет рассеяния энергии (следует отметить, что не существует закона сохранения энтропии, а отмечается всего лишь ее непрерывное возрастание).

Практически все наиболее сложные структуры вокруг нас — это структуры диссипативные, они могут существовать только при наличии непрерывного «сквозного» потока энергии или вещества. Простейший, классический пример диссипативной структуры — это уже обсуждавшиеся ячейки Бенара — правильные шестигранные конвективные ячейки, возникающие в плоском слое жидкости, подогреваемой снизу. Внутренняя структура Земли — также диссипативная структура, порожденная конвективным переносом тепла и подвижных легких компонентов вещества из глубины к поверхности (обсуждалось ранее в связи с проблемой начала жизни и возникновения кислорода в атмосфере Земли). Структура земной поверхности — результат как внутриземных диссипативных процессов, так и потока солнечной энергии.

Как же возникают структуры на фоне диссипации? Ведь естественные процессы — это самопроизвольно протекающие процессы, связанные с возрастанием энтропии, а производство энтропии эквивалентно производству беспорядка и связано с разрушением структур?