Энергия, энтропия, энергетика, законы Пригожина

     Чтобы запустить обитаемый космический  корабль, необходимо выполнить условия  для последовательной смены одних  типов динамического равновесия другими: при запуске корабля  выполняется равновесие по траектории полета ракеты – любые отклонения всякий раз демпфируются регулятором, действующим на основе обратной отрицательной  связи; выход на орбиту есть не что  иное, как достижение динамического  равновесия, обусловливаемого гравитационным взаимодействием корабля с Землей – за счет поддержания скорости в заданных пределах устанавливается равенство центростремительной и центробежной сил, представляющее динамическое равновесие.

1.6.2 Детерминированность и индетерминированность, порядок и беспорядок

В развивающейся  теории синергетики одним из главных  аспектов является отношение к вопросу  о детерминированности (определяемости) и индетерминированности (необусловленности материальным миром, полнейшей неподчиненности господствующим в этом мире законам) как природных явлений, так и социально-общественных [9].

     Как считает И.Пригожин, соглашаясь с  детерминированностью развития природных процессов, мы тем самым утверждаем, что «в детерминистском мире природа поддается полному контролю со стороны человека...». Конечно же, положение о принципиальной возможности контроля всех природных явлений нельзя считать верным, но не является верным и то, что процессы в ней непредсказуемы, так как она нестабильна, индетерминирована. Утверждению Г.Николиса и И.Пригожина: «Мы существуем в мире неустойчивых процессов», пожалуй, правильнее противопоставить другое: мы живем в мире непрерывно происходящих взаимопереходов устойчивых и неустойчивых процессов. Нельзя категорически утверждать, что преобладает неустойчивость и только она определяет развитие материи. Случайно организующееся направление вращения конвективных токов в ячейках Бенара не является главным. Совсем не важно, в какую сторону в каждом из последующих опытов в одной и той же конвективной ячейке начнет вращаться жидкость. Важно то, что всегда при постоянстве потока вещества и энергии формируется один и тот же портрет процесса, и благодаря тому только, что он морфологически и по структуре является детерминированным. Не имеет особого значения, с какой стороны перелетные птицы облетят некий природный объект. Важно, что путь их веками не изменяется и всегда заканчивается в заданном месте.

     Выводы  Г.Николиса, И.Пригожина строятся на том, что ими рассматриваются устойчивые и неустойчивые состояния в отрыве от других состояний и от всего цикла развития систем. Маятник с подведенной к нему энергией превращается в систему измерения последовательности протекания процессов; маятник же при отсутствии энергии становится обыкновенной кучей разрушающихся частей. Подводимая к маятнику энергия должна быть упорядоченной, поступающей не случайным образом. А если бы поток энергии по расходу был случайным, то процесс из циклического перешел бы в хаотическое состояние и маятник перестал бы служить измерителем времени.

     Другой  пример: ячейки Бенара формируются не только потому, что задан некоторый постоянный объем жидкости и поток энергии, но прежде всего в силу того, что свойства жидкости и ее объем в течение времени постоянны, а задаваемый поток энергии является строго упорядоченным.

     Данное  положение справедливо для всех познанных человечеством целостных  образований. Ни каменные розетки или  различные виды сортированных грунтов, ни каменные многоугольники и гирлянды, формирующиеся самопроизвольно, и, подобно ячейкам Бенара, ни барханные цепи и пирамидальные дюны, любые другие удивительно правильно построенные формы рельефа и вся Земля, биогеоценозы и цивилизация, наконец, вся солнечная система – не могли бы сформироваться, не будь задан упорядоченный поток энергии и вещества. А это означает, что целостность какого-либо ранга формируется благодаря существованию целостностей более высокого ранга, вырабатывающих упорядоченные потоки вещества и энергии.

     Порядок и беспорядок в природе сосуществуют. Формирование целостности неминуемо предполагает образование порядка в одной системе и беспорядка (повышения энтропии) в другой. Пример, приводимый И.Пригожиным с двумя газами, водородом и азотом, смешанными (беспорядок, хаос) и помещенными в сообщающиеся сосуды, один из которых подогревается, а другой охлаждается, в результате чего формируется порядок (газы разделяются, размещаясь в разных сосудах), рассмотрен не до конца. Утверждение И.Пригожина о том, что все мироздание является существенно беспорядочной средой, в которой выкристаллизовывается порядок, необходимо дополнять симметричным положением: все мироздание является упорядоченной средой, в которой формируется хаос.

     Порядок в мироздании, как и в составляющих его частях, формируется в силу действия законов развития материи, всегда направляющих к целесообразному  взаимодействие частей, независимо от их размеров и свойств. Законы материи есть не что иное, как проявление наивысшей формы порядка, постоянно действующих правил и «требований» с объективной необходимостью их выполнения. Не выполнять их невозможно – нельзя не учитывать действия гравитации, трения, законов сохранения, электродинамики и пр.

     Как ни странным может показаться на первый взгляд, но, тем не менее, и беспорядок, хаос тоже формируется в результате действия законов, направляющих процесс к упорядочению, гармонии.

     Беспорядок формируется в результате неаддитивного сложения потоков вещества и энергии, вырабатываемых целостными разнопорядковыми системами, так что в одних случаях происходит кумуляция энергии и вещества и формируются новые целостные образования, а в других - возникает диссонанс сил и попадающая в поле их действия система разрывается на части – формируется хаос, переходящий потом в новый порядок. Так, комета Шумейкеров, в первый раз проходившая вблизи Юпитера, была разорвана на части, а в июле 1994 г. она упала на него. Здесь порядок перевел упорядоченное движение частей (порядок низшего ранга) в беспорядок, перешедший затем в порядок более высокого ранга.

     Повышение «чувствительности» и появление «более совершенных форм организации» происходит не само по себе, самопроизвольно, а поскольку на хаос действует порядок более высокого ранга. Это действие и выступает в качестве условий, задающих процесс упорядочения. И если эти условия сохраняются, то, как показывают наблюдения за развитием природных процессов как косной, так и живой природы, целостная система после разрушения восстанавливает свою инвариантную часть структуры функциональных отношений элементов.

     Таким образом, в развивающейся теории синергетики не следует упускать из виду три важных обстоятельства.

     Во-первых, второе начало термодинамики характеризует  лишь заключительную часть цикла  развития систем – их деградацию; оно  не относится к начальной стадии их развития, к тому периоду, когда  системы формировались, а их размеры, сложность, разнообразие и другие характеристики по внутреннему содержанию и по форме  росли и качественно улучшались. Данный процесс, очевидно, мог продолжаться до некоторого равновесного, установившегося  состояния, пока не прекращался или  существенно не замедлялся расход вещества, энергии и информации в потоке из среды. Естественно полагать, что  в период самоорганизации систем этот процесс сопровождался уменьшением  энтропии.

     Во-вторых, совершенно не учитывается, что формирование и развитие целостных самоорганизующихся структур возможно лишь в одном случае – когда потоки вещества, энергии  и информации, поступающие из среды (представляющей собой сочетание  множества систем) или от каких-либо отдельно взятых систем, являются упорядоченными. Потоки вещества, энергии и информации, действующие случайным образом, формируют лишь хаос – неопределенность развития. Можно утверждать, что  все известные законы развития материи  потому таковыми и являются, что  они отображают устойчивые, при одних  и тех же условиях одинаково проявляющиеся, детерминированные соотношения. Они  характеризуют порядок, своего рода детерминированный аттрактор, к  которому закономерно направляется тот или иной процесс.

     В-третьих, выводы о диссипации энергии и  необратимости развития делаются на основе рассмотрения какой-либо одной  системы, нередко технической, искусственной, причем в отрыве от ее создателя-человека, что недопустимо, если строго подходить  к принципам выделения самоорганизующихся систем. Все технические системы, включая и кибернетические, являются частями самоорганизующихся социально-экономических  систем, которые организуют и порядок  функционирования технических систем, и упорядоченность потоков энергии. Следует подчеркнуть, что всякая упорядоченно организованная целостность диссипирует в пространство упорядоченный поток вещества, энергии и информации – MEI. Это же относится и к техногенным системам, если их рассматривать в неразрывной связи с человеком. А упорядоченные, организованные потоки объективно предполагают формирование на их основе других систем. С учетом данных обстоятельств, можно резюмировать, что в конечном итоге потоки вещества, энергии и информации, нанизывая системы различных рангов, образуют замкнутую цепь, представляющую собой не что иное, как систему более высокого иерархического уровня по организованности, генетическому разнообразию, выполняемой работе и пр.

       «Мы рассматриваем себя как высокоразвитую разновидность диссипативных структур и «объективно» обосновываем различия между прошлым и будущим» [10], – пишет И.Пригожин, но не учитывает, что мы должны рассматривать и себя, и любую другую целостную организацию одновременно как ассоциативную структуру-ансамбль, на начальных стадиях формирования и развития которой над диссипацией преобладает интеграция и концентрация MEI. За счет этого и происходит образование целостных структур, перерабатывающих поступающие из среды MEI в упорядоченном потоке (следовательно, негэнтропийном) в две качественно различающиеся формы:

1. Новообразованный упорядоченный и, следовательно, тоже негэнтропийный поток q, выделяемый в среду, количественно равный q=Q-P, где Q – расход MEI во входящем в систему потоке, P – расход вещества, энергии и информации на организацию и развитие самой системы;
2. Вторая форма представляет собой саму материальную систему, занимающую определенный объем среды со своими индивидуальными свойствами, отражающимися на состоянии и динамике среды (системы более высокого ранга), т.е. она становится составной частью структуры среды.

     Упорядоченный поток MEI Солнца на Земле, по существу, не рассеивается, а концентрируется в бесконечном множестве разнообразных систем, начиная от экосистем суши и акваторий и кончая микроорганизмами и бактериями, и практически полностью поглощается многообразием систем, функционирующих за счет друг друга и друг для друга. И, таким образом, все целостные структурно-упорядоченные самоорганизующиеся образования надо называть диссипативно-интегративными системами.

1.6.3 Необратимо-обратимые процессы в самоорганизующихся системах

     Согласно  второму началу термодинамики, все  процессы природы самопроизвольно  развиваются в направлении диссипации энергии и роста беспорядка. Данная закономерность является объективной и всеобщей. Однако если не оговаривать условия, то можно прийти к неразрешимому, на первый взгляд, противоречию. Возникает вопрос, почему наряду с процессами диссипации энергии и вещества в системах наблюдаются прямо противоположные процессы, в результате которых мироздание оказывается представленным длительно существующими динамическими, структурными образованиями, представляющими открытые системы, обменивающимися между собой и создаваемой ими средой энергией и веществом.

     Изменение энтропии dS/dt в открытых системах, согласно Г.Николис и И.Пригожину, представляется в виде суммы двух потоков, один из которых обусловлен обменом энтропией со средой – d_eS, а другой обусловлен производством энтропии внутри системы – d_iS:

                                                                                              (13)

     Они делают оговорку о том, что возможно такое состояние в развитии открытых систем, при котором d_eS≠0, и энтропия может быть как положительной, так и отрицательной; тогда, при d_eS>d_iS, в системе будет происходить понижение энтропии – dS/dt<0. Тем не менее, полагая, что производство энтропии в системе может быть только положительной величиной, по определению d_iS/dt>0, делается заключение, что только «…определенные стадии эволюции  могут происходить при общем понижении энтропии». Однако вопрос не только в том,  что возможно неравенство d_eS>d_iS, но в том, прежде всего, возможно ли в принципе свободное (самопроизвольное, искусственно не ограничиваемое) развитие естественным образом формирующихся систем при d_iS→min, и являются ли такое состояние и обратимость исключительным явлением. Предполагается, что такое развитие возможно, и самопроизвольная обратимость – не исключительное явление. Оснований этому достаточно.

     Необратимые процессы, если основываться на следствиях второго начала термодинамики, спонтанно  направлены к состоянию эквипотенциальности градиентов энергии в системах, по достижении которого они теряют способность совершать работу. Это состояние для необратимо развивающихся систем считается конечным. Отсюда следует, что системы могут производить работу только на пути движения к данному состоянию. А чтобы данную систему обратить (возвратить в начальное состояние), необходимо затратить дополнительную энергию, т.е. какой-то другой системе произвести работу, уменьшив свою энергию (иначе, увеличив энтропию собственного состояния).