Л. фон Берталанфи. История и статус общей теории систем

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 13Следующая ⇒

Если мы хотим верно представить и оценить современный системный подход, саму идею системности имеет смысл рассматривать не как порождение преходящей моды, а как явление, развитие которого вплетено в историю человеческой мысли... Не лишено смысла утверждение, что системные представления с древнейших времен наличествуют в европейской философии. Уже при попытке выявить основную линию зарождения философско-научного мышления у досократиков ионийской школы одним из возможных путей рассуждения будет следующий.

В древних культурах и в примитивных культурах современности человек воспринимал себя «брошенным» во враждебный мир, где хаотически и безгранично правили демонические силы. Наилучшим способом умилостивить эти силы или воздействовать на них считалась магия. Философия и ее детище - наука -зародились, когда древние греки научились искать и обнаруживать в эмпирически воспринимаемом мире порядок, или космос, постижимый и тем самым поддающийся контролю со стороны мышления и рационального действия.

Одним из теоретических выражений этого космического порядка явилось мировоззрение Аристотеля, с присущими ему холистическими и телеологическими представлениями. Аристотелевское положение «целое — больше суммы его частей» до сих пор остается выражением основной системной проблемы. Телеология Аристотеля была преодолена и элиминирована, но последующее житие западноевропейской науки скорее отбрасывало и обходило, нежели решало содержащиеся в ней проблемы (такие, например, как порядок и целенаправленность в живых системах), поэтому основная системная проблема не устарела до наших дней.

При более подробном рассмотрении перед нами предстала бы длинная вереница мыслителей, каждый из которых внес свой вклад в развитие теоретических представлений, известных в наши дни под названием общей теории систем. Рассуждая об иерархическом строении, мы пользуемся термином, введенным христианским мистиком Дионисием Ареопагитом, хотя его спекуляции касались ангельских хоров в церковной организации. Николай Кузанский, один из самых глубоких мыслителей XV в., попытался объединить средневековую мистику с зачатками современной науки. Он ввел представление о coincidentia oppositorum, оппозиции или даже противоборстве частей внутри целого, предстающего, в свою очередь, как единство более высокого порядка... Иерархия монад у Лейбница выглядит точно так же, как современная иерархия систем, его mathesis universalis является предсказанием будущей экстенсивной математики, которая не будет ограничиваться количественными и числовыми выражениями, но окажется в состоянии формализовать виды концептуального мышления.

У Гегеля и Маркса особое значение придается диалектической структуре мышления и порождающего его мира; чрезвычайно глубоким является у них утверждение, что адекватно отразить деиствительность может не отдельное суждение, но только единство сторон противоречия, достигаемое в диалектическом процессе: тезис – антитезис - синтез. Густав Фехнер, известный как автор психофизического закона, разработал в духе натурфилософов XIX в. проблему надындивидуальной организации, т. е. организации ни высшего, относительно доступных наблюдению объектов, порядка. Примеры подобной организации он видел в живых сообществах и земной гармонии, - так романтично называл он то, что на языке современной науки можно определить как экосистемы. Показательно, что об этом писались докторские диссертации еще в 1929 г.

Подобный обзор, при всей краткости и поверхностности, показывает, что проблемы, с которыми ученые наших дней сталкиваются в связи с понятием «система», появились на свет «не вдруг», не есть исключительный результат современного развития математики, естествознания и техники, а являются лишь современным выражением проблем, столетиями стоявших перед учеными и обсуждавшихся каждый раз на соответствующем языке.

Один из способов охарактеризовать научную революцию XVI — XVII вв.— это заявить, что она привела к замене описательно-метафизической концепции мира, содержащейся в доктрине Аристотеля, математически-позитивистской концепцией Галилея. Иными словами, она заменила взгляд на мир как на телеологический космос описанием событий по законам причинности, выражаемым в математической форме.

Можно добавить: заменила, но не элиминировала. Аристотелевская трактовка целого, которое больше суммы своих частей, сохраняется до сих пор. Следует определенно сказать, что порядок или организация у целого, или системы, выше, чем у изолированных частей. В подобном суждении нет ничего метафизического, никакого антропоморфистского предрассудка или философской спекуляции — речь идет о факте, эмпирически фиксируемом при наблюдении самых различных объектов, будь то живой организм, социальная группа или даже атом.

Наука, однако, не была готова работать с такими проблемами. Вторая максима «Рассуждения о методе» Декарта гласит: расчленить проблему на возможно большее количество составных частей и рассматривать каждую из них в отдельности. Аналогичный подход, сформулированный Галилеем под названием «резолютивного» метода, служил концептуальной «парадигмой» опытной науки от ее основания до современной лабораторной практики расчленять и сводить сложные феномены к элементарным частям и процессам...

Этот метод работал достаточно хорошо до тех пор, пока наблюдаемые процессы позволяли расчленение на отдельные причинно связанные цепи событий, т. е. сведение этих процессов до уровня отношений между двумя или несколькими переменными. На этом фундаменте строились выдающиеся успехи физики и опирающейся на нее техники. Но он ничего не давал, когда речь шла о задачах со многими переменными. Они встречаются уже в механической задаче трех тел, а тем более, когда речь заходит об изучении живого организма или даже атома, по сложности превышающего простейшую систему атома водорода «протон-электрон».

В разработке проблем порядка или организации можно выделить две принципиальные идеи. Одна из них — сравнение организма с машиной, другая — интерпретация порядка как результата случайных процессов. Первая идея схематизирована Декартом в bê te machine (животное-машина) и расширена Ламетри до homme machine (человек-машина). Вторая идея нашла свое выражение в концепции естественного отбора Дарвина. Обе идеи оказались в высшей степени плодотворными. Интерпретация живого организма как машины в ее многочисленных вариантах, начиная от механических машин или часов в первых объяснениях физиков XVI в. и до тепловой, химико-динамической, клеточной и кибернетической машин, позволяла переводить объяснения с макроскопического уровня физиологии организмов на уровень субмикроскопических структур и энзиматических процессов в клетке… Точно так же интерпретация порядка (организации) организма как результата случайных событий сделала возможным концептуальное объединение огромного фактического материала, охватываемого «синтетической теорией эволюции», включающей молекулярную генетику и биологию. Но это были частные успехи. Коренные вопросы оставались без ответа. Принцип Декарта «животное-машина»давал объяснение процессов, происходящих в живом организме. Но, согласно Декарту, творцом «машины» является Бог.

Концепция эволюции «машин» как результата случайных событий содержит внутреннее противоречие. Ручные часы или нейлоновые чулки, как правило, не появляются в природе в результате случайных процессов, а митохондрические «машины» энзиматической организации в самых простых клетках или молекулах нуклеопротеидов несравнимы по сложности с часами или простыми полимерами синтетического волокна. Принцип «выживания наиболее приспособленных» (или, в современных терминах, дифференциальная репродукция) приводит, по-видимому, к кругу в доказательстве. Гомеостатические системы должны существовать до того, как они вступят в конкурентное соревнование, в процессе которого получат преобладание системы с более высоким коэффициентом отбора или дифференциальной репродукции. Но подобное утверждение само требует доказательства, ибо оно не выводится из известных физических законов. Второй закон термодинамики предписывает обратное: организованные системы, в которых происходят необратимые процессы, должны стремиться к наиболее вероятным состояниям и, следовательно, к деструкции имеющегося порядка и к распаду...

Неовиталистские взгляды, нашедшие выражение в работах Дриша, Бергсона и других на рубеже нашего столетия, опирались на более совершенную аргументацию. В ее основе лежали представления о пределе возможной регуляции в «машине», о случайной эволюции и целенаправленности действия; однако неовиталисты могли при этом апеллировать только к старинной аристотелевской «энтелехии» в ее новых терминологических ипостасях, т.е. к сверхъестественному «фактору» организации.

Таким образом, именно «борьба за концепцию организма в первые десятилетия двадцатого века» (так определил это движение Вуджер...) выявила все возрастающие сомнения в возможности объяснить сложные явления в понятиях составляющих их элементов. Появилась проблема «организации», которую можно обнаружить в любой живой системе, а по сути дела, попытка обсуждения вопроса, «могут ли концепции случайной мутации и естественного отбора ответить на все вопросы, связанные с явлениями эволюции»..., т. е. на вопросы об организации живого. Сюда же относится и вопрос о целенаправленности, который можно отрицать и «снимать», но который так или иначе каждый раз, подобно мифической гидре, поднимает свою безобразную голову.

Процесс отнюдь не ограничивался рамками биологии. В психологии гештальтисты одновременно с биологами поставили вопрос о том, что психологические целостности (т. е. воспринимаемые гештальты) не допускают разложения на элементы подобно точечным ощущениям и возбуждениям сетчатки. В тот же нерп был сделан вывод о неудовлетворительности физикалистских теорий в социологии...

В конце 20-х годов я писал: «Поскольку фундаментальный признак живого — организация, традиционные способы исследования отдельных частей и процессов не могут дать полного описания живых явлений. Такие исследования не содержат информации о координации частей и процессов. Поэтому главной задачей биологии должно стать открытие законов, действующих в биологических системах (на всех уровнях организации). Можно верить, что сами попытки обнаружить основания теоретической биологии указывают на фундаментальные изменения в картине мира. Подобный подход, когда он служит методологической базой исследования, может быть назван «органической биологией», когда он используется при концептуальном объяснении жизненных явлений — «системной теорией организма»...

Добившись признания подобной точки зрения в качестве новой в биологической литературе... организмическая программа явилась зародышем того, что впоследствии получило известность как общая теория систем. Если термин «организм» в приведенном утверждении заменить на «организованные сущности», понимая под последними социальные группы, личность, технические устройства и т. п., то эту мысль можно рассматривать как программу теории систем.

Постулат Аристотеля о том, что целое больше суммы своих частей, которым, с одной стороны, пренебрегали механицисты и который, с другой стороны, привел к демонологии витализма, получает простой и даже тривиальный ответ (тривиальный разумеется, в принципе, но требующий в то же время решения бесчисленных проблем при своей разработке и конкретизации):

«Свойства предметов и способы действия на высших уровнях не могут быть выражены при помощи суммации свойств и действий их компонентов, взятых изолированно. Если, однако, известен ансамбль компонентов и существующие между ними отношения, то высшие уровни могут быть выведены из компонентов»...

Многочисленные (в том числе и совсем недавние) дискуссии, посвященные парадоксу Аристотеля и редукционизму, ничего не добавили к этим положениям: для того чтобы понять организованную целостность, нужно знать как компоненты, так и отношения между ними. Но такая постановка проблемы приводила к существенным трудностям, поскольку «нормальная наука», в терминологии Т. Куна (т.е. «традиционная наука»), была мало приспособлена заниматься «отношениями» в системах.

В этой методологической неподготовленности одна из причин это «системные» проблемы — древние и известные на протяжении многих веков — оставались «философскими» и не становились наукой. Из-за недостаточности имеющихся математических методов проблема требовала новой эпистемологии. В то же время мощь «классической науки» и ее многочисленные успехи на протяжении нескольких веков отнюдь не способствовали пересмотру ее фундаментальной парадигмы — однолинейной причинности и расчленения предмета исследования на элементарные составляющие.

Уже давно предпринимаются попытки создать «гештальтматематику», в основе которой лежало бы не количество, а отношения, т.е. форма и порядок. Однако возможности реализации такого предприятия появились лишь в наше время в связи с развитием общенаучных представлений.

Положения общей теории системы были впервые сформулированы нами устно в 30-х годах, а после войны были изложены в различных публикациях. «Существуют модели, принципы и законы, которые применимы к обобщенным системам или к подклассам систем безотносительно к их конкретному виду, природе составляющих элементов и отношениям или «силам» между ними. Мы предлагаем новую дисциплину, называемую общей теорией систем. Общая теория систем представляет собой логико-математическую область исследований, задачей которой является формулирование и выведение общих принципов, применимых к «системам» вообще. Осуществляемая в рамках этой теории точная формулировка таких понятий, как целостность и сумма, дифференциация, прогрессивная механизация, централизация, иерархическое строение, финальность и эквифинальность и т. п., позволит сделать эти понятия применимыми во всех дисциплинах, имеющих дело с системами, и установить их логическую гомологию»...

Так выглядела схема общей теории систем, у которой, наряду с предтечами, нашлись и независимые союзники, параллельно работающие в том же направлении. Очень близко подошел к генерализации гештальттеории в общую теорию систем В. Келер... А.Лотка, хотя он и не использовал термина «общая теория систем», рассмотрением системы одновременных дифференциальных уравнений заложил основы последующей разработки «динамической» теории систем... Уравнения Вольтерра, созданные первоначально дли описания межвидовой борьбы, приложимы к общей кинетике и динамике... Ранняя работа У. Росс Эшби... в которой были независимо использованы те же системные уравнения, что и у нас, также позволяет получить следствия общего характера.

Мы разработали каркас «динамической» теории систем и дали математическое описание системных параметров (целостность, сумма, рост, соревнование, аллометрия, механизация, централизация, финальность, эквифинальность и т.п.) на базе системного описания при помощи одновременных дифференциальных уравнений. Занимаясь биологической проблематикой, мы были заинтересованы прежде всего в разработке теории «открытых систем», т. е. систем, которые обмениваются со средой веществом как это имеет место в любой «живой» системе. Можно утверждать, что, наряду с теорией управления и моделями обратной связи, теория Flieβ gleichgewicht (динамического «текучего» равновесия) и открытых систем является частью общей теории систем, широко применяемой в физической химии, биофизическом моделировании биологических процессов, физиологии, фармакодинамике и др… Представляется обоснованным также прогноз о том, что базисные области физиологии, такие, как физиология метаболизма, возбуждения и морфогенеза, «вольются в общую теоретическую область, основанную на концепции открытой системы»... Интуитивный выбор открытой системы в качестве общей модели системы оказался верным. «Открытая система» представляется более общим случаем не только в физическом смысле (поскольку закрытую систему всегда можно вывести из открытой, приравняв к нулю транспортные переменные), она является более общим случаем и в математическом отношении, поскольку система одновременных дифференциальных уравнений (уравнения движения) используемая в динамической теории систем, есть более общий случай, из которого введением дополнительных ограничений получается описание закрытых систем (к примеру, описание сохранения массы в закрытой химической системе...).

При этом оказалось, что «системные законы» проявляются в виде аналогий, или «логических гомологий», законов, представляющихся формально идентичными, но относящихся к совершенно различным явлениям или даже дисциплинам. Например, замечательным фактом служит строгая аналогия между такими разными биологическими системами, как центральная нервная система и сеть биохимических клеточных регуляторов. Еще более примечательно то, что подобная частная аналогия между различными системами и уровнями организации - лишь один из членов обширного класса подобных аналогий... К сходным выводам независимо пришли многие исследователи в разныхобластях науки.

Развитие системных исследований пошло в это время несколькими путями. Все большее влияние приобретало кибернетическое движение, начавшееся с разработки систем самонаведения для снарядов, автоматизации, вычислительной техники и т. д. и обязанное своим теоретическим размахом деятельности Н.Винера. При различии исходных областей (техника, а не фундаментальные науки, в частности, биология) и базисных моделей (контур обратной связи вместо динамической системы взаимодействий) у кибернетики и общей теории систем общим оказался интерес к проблемам организации и телеологического поведения. Кибернетика также выступала против «механистической» доктрины, которая концептуально основывалась на представлении о «случайном поведении анонимных частиц» и также стремилась к «поиску новых подходов, новых, более универсальных концепций и методов, позволяющих изучать большие совокупности организмов и личностей»...

Следует, однако, указать, что при всей этой общности совершенно лишено оснований утверждение, будто современная теория систем «родилась в результате усилий, предпринятых во время и мировой войны»... Общая теория систем не является результатом военных или технических разработок. Кибернетика и связанные с ней подходы развивались совершенно независимо, хотя во многом параллельно общей теории систем...

Системная философия. В этой сфере исследуется смена мировоззренческой ориентации, происходящая в результате превращения «системы» в новую парадигму науки (в отличие от аналитической, механистической, линейно-причинной парадигм классической науки). Как и любая общенаучная теория, общая теория имеет свои «метанаучные», или философские аспекты. Концепция «системы», представляющая новую парадигму науки, по терминологии Т.Куна, или, как я ее назвал..., «новую философию природы», заключается в организмическом взгляде на мир «как на большую организацию» и резко отличается от механистического взгляда на мир как на царство «слепых законов природы».

Прежде всего следует выяснить, «что за зверь система». Эта задача системной онтологии—поиск ответа на вопрос, что понимать под «системой» и как системы реализуются на различных уровнях наблюдаемого мира. Что следует определять и описывать как систему — вопрос не из тех, на которые можно дать очевидный или тривиальный ответ. Нетрудно согласиться, что галактика, собака, клетка и атом суть системы. Но в каком смысле и в какой связи можно говорить о сообществе людей или животных, о личности, языке, математике и т. п. как о «системах»? Первым шагом может быть выделение реальных систем, т. е. систем, воспринимаемых или выводимых из наблюдения и существующих независимо от наблюдателя. С другой стороны, имеются концептуальные системы — логика, математика, которые по существу являются символическими конструкциями (сюда же можно отнести и музыку); подклассом последних являются абстрактные системы (наука), т.е. концептуальные системы, имеющие эквиваленты в реальности. Однако подобное разграничение отнюдь не так четко, как может показаться на первый взгляд.

Мы можем считать «объектами» (которые частично являются «реальными системами») сущности, данные нам в восприятии, поскольку они дискретны в пространстве и времени. Не вызывает сомнения, скажем, что камень, стол, автомобиль, животное и звезда (а в более широком смысле и атом, молекула, планетная система) «реальны» и существуют независимо от наблюдателя. Восприятие, однако, ненадежный ориентир. Следуя ему, мы видим, что Солнце обращается вокруг Земли, и, разумеется, не видим, что такой солидный кусок материи, как камень, «на самом деле» есть в основном пустое пространство с крохотными энергетическими центрами, рассеянными на гигантских расстояниях друг от друга. Пространственные границы даже у того, что кажется очевидным объектом или «вещью», оказываются очень часто неуловимыми. Из кристалла, состоящего из молекул, валентности как бы высовываются в окружающее пространство; так же расплывчаты границы клетки или организма, которые сохраняют свою сущность только путем приобретения и выделения молекул, и трудно даже сказать, что относится и что не относится к «живой системе». В предельном случае все границы можно определить скорее как динамические, нежели как пространственные.

В связи с этим объект, в частности система, может быть охарактеризован только через свои связи в широком смысле слова, т. е. через взаимодействие составляющих элементов. В этом смысле экосистема или социальная система в той же мере реальны, как отдельное растение, животное или человек. В самом деле, загрязнение биосферы как проблема нарушения экосистемы или как социальная проблема весьма четко демонстрирует «реальность» обеих (экологической и социальной) систем. Однако взаимодействия (или шире — взаимоотношения) никогда нельзя увидеть или воспринять непосредственно; нашему сознанию они представляются как концептуальные конструкции. То же самое истинно и для объектов повседневного мира человека; они также отнюдь не просто «даны» нам в ощущениях, чувствах или в непосредственном восприятии, но являются конструкциями, основанными на врожденных или приобретенных в обучении категориях, совокупностью самых различных чувств, предшествующего опыта, обучения, иначе говоря, мыслительных процессов, которые все вместе определяют наше «видение» или восприятие. Таким образом, различие между «реальными» объектами и системами, данными нам в наблюдении, концептуальными конструкциями и системамине может быть проведено на уровне здравого смысла.

Эта ситуация вызывает потребность в системной эпистемологии. Как ясно уже из сказанного, она глубоко отличается от эпистемологии логического позитивизма и эмпиризма, хотя во многом и разделяет их научную позицию. Эпистемология (и метафизика) логического позитивизма была детерминирована идеями физикализма, атомизма и «камерной теорией» знания. С современной точки зрения, они устарели. Ни физикализм, ни редукционизм, которые требуют сведения исследовательского предмета путем простой «редукции» к элементарным составляющим, подчиняющимся законам традиционной физики, не могут считаться адекватными способами анализа проблем и способами мышления современной биологии, бихевиоральных и социальных наук. В отличие от аналитической процедуры классической науки, исходящей из необходимости разложения объекта на составляющие элементы и представления об однолинейных причинных цепях, исследование организованных целостностей со многими переменными требует новых категорий — взаимодействия, регулирования, организации, телеологии и т. д., что ставит много новых проблем, относящихся к эпистемологии, математическому моделированию и аппарату.

Мы обязаны считаться с тем, что существует взаимодействие между познающим и познаваемым, зависящее от массы факторов биологического, психологического, культурного, лингвистического и т. п. характера. Сама физика сообщает, что нет последних сущностей, таких, как частица или волна, независимых от наблюдателя. Все это ведет к «перспективистской» концепции, с точки зрения которой физика, при полном признании ее достижений в собственной и смежной областях, не дает, однако, универсального способа познания.

В отличие от редукционизма и теорий, объявляющих, что реальность является «не чем иным, как...» (массой физических частиц, генов, рефлексов, движения и чего угодно еще), мы рассматриваем науку как одну из «перспектив» человека с его биологическими, культурными и лингвистическими дарованиями и ограничениями, созданную для взаимодействия с миром, в который он «включен», вернее, к которому он приспособился в ходе эволюции и истории.

Следующий раздел системной философии связан с отношениями человека к миру того, что в философской терминологии называется ценностями. Если реальность представляет собой иерархию организованных целостностей, то и образ человека должен отличаться от его образа в мире физических частиц, в котором случайные события выступают в качестве последней и единственной «истины». Мир символов, ценностей, социальных и культурных сущностей в этом случае представляется гораздо более «реальным», а его встроенность в космический порядок является подходящим мостом между «двумя культурами» Ч. Сноу — наукой и гуманитарным мироощущением, технологией и историей, естественными и социальными науками или сторонами любой иной сформулированной по аналогичному принципу антитезы.

Этот гуманистический аспект общей теории систем, как представляется, существенно отличен от взглядов механистически ориентированных системных теоретиков, которые говорят о системах исключительно в понятиях математики, кибернетики и техники, давая тем самым повод думать, что теория систем является последним шагом на пути механизации человека, утраты им ценностей, а следовательно, на пути к технократии. Понимая и высоко оценивая математический и прикладной аспекты, автор не представляет себе общей теории систем без указанных гуманистических ее аспектов, поскольку такое ее ограничение неминуемо привело бы к узости и фрагментарности ее представлений.

Таким образом, в общей теории систем можно обнаружить большое и, быть может, запутанное множество «тенденций». Понятны и неудобства, которые причиняет подобная множественность любителям аккуратных формализмов, составителям хрестоматий и догматикам. Однако такое состояние вполне естественно для истории мысли и науки, в особенности для начальных периодов какого-либо крупного их движения. Различные модели и теории стремятся отразить различные аспекты, дополняя тем самым друг друга. Дальнейшее же развитие, несомненно, приведет к их унификации.

Общая теория систем, как уже подчеркивалось, является моделью определенных общих аспектов реальности. Однако она в то же время дает нам угол зрения, позволяющий увидеть предметы, которые раньше не замечались или обходились, и в этом ее методологическое значение. Наконец, как любая научная теория широкого диапазона, она связана с вечными философскими проблемами и пытается найти на них свои ответы.

Берталанфи Л. фон. История и статус общей теории систем // Системные исследования. Ежегодник. 1973.- М., 1973.- С. 20—36.

Г.Хакен

Порядок и беспорядок. Несколько типичных примеров

Когда мы приводим холодное тело в контакт с нагретым телом, обмен теплом происходит так, что в конце концов температуры обоих тел выравниваются. Система становится совершенно однородной, по крайней мере в макроскопическом смысле. Обратный процесс, однако, в природе никогда не наблюдается. Таким образом, процесс идет в одном направлении.

Если в сосуде, часть которого заполнена газом, убрать перегородку, газ заполнит все пространство. Противоположный процесс не происходит: газ сам по себе не сконцентрируется в половине объема сосуда. Если капнуть чернила в воду, то капля будет расходиться до тех пор, пока чернила полностью не перемешаются с водой. Обратный процесс не наблюдался никогда. И еще один пример. Когда самолет в небе выписывает дымом слова, буквы постепенно размываются и исчезают. Во всех этих случаях системы эволюционируют к единственному конечному состоянию, называемому состоянием теплового равновесия. Первоначальные структуры исчезают, заменяясь однородными системами. При анализе этих явлений на микроскопическом уровне, т. е. при рассмотрении движения атомов или молекул, обнаруживается, что беспорядок увеличился.

Завершим эти примеры рассмотрением деградации энергии. Представим себе, что у движущегося автомобиля остановился двигатель. Сначала автомобиль продолжает движение. С точки зрения физика, он имеет одну степень свободы (движение происходит в одном направлении), обладающую определенной кинетической энергией. Эта кинетическая энергия вследствие трения превращается в тепло (нагревая колеса и т. п.). Так как тепло означает наличие хаотического движения многих частиц, энергия одной степени свободы (энергия движения автомобиля) распределилась по многим степеням свободы. С другой стороны, совершенно очевидно, что путем простого нагревания колес мы не сможем сдвинуть автомобиль с места.

Эти явления соответствующим образом описываются термодинамикой. В ней вводится величина, именуемая энтропией, которая является мерой степени беспорядка. Выведенные феноменологически законы термодинамики утверждают, что в замкнутой (т. е. изолированной от внешнего мира) системе энтропия всегда возрастает до своего максимального значения.

С другой стороны, когда мы воздействуем на систему извне, мы можем изменить степень ее упорядоченности. Рассмотрим, например, водяной пар. При высоких температурах молекулы пара движутся свободно, без взаимной корреляции. При понижении температуры образуется капля жидкости, в которой расстояние между молекулами уже в среднем сохраняется. Их движение, таким образом, сильно скоррелировано. Наконец, при еще более низких температурах, в точке замерзания, вода превращается в кристаллы льда. Теперь молекулы расположены в определенном порядке. Такие переходы между различными агрегатными состояниями, называемыми также фазами, происходят весьма резко. Хотя молекулы каждый раз одни и те же, макроскопические свойства трех фаз существенно различны. И совершенно очевидно, что резко различаются их механические, оптические, электрические и тепловые свойства.

Упорядочение другого типа происходит в ферромагнетиках (например, в магнитной стрелке компаса). При нагревании у ферромагнетика внезапно исчезает намагниченность. При понижении температуры намагниченность внезапно появляется снова. На микроскопическом, атомном уровне это можно себе представить так: магнит состоит из большого числа элементарных (атомных) магнитов (называемых спинами). При высоких температурах «магнитики» распределены по направлениям хаотически (рис.1.7), их магнитные моменты, складываясь, взаимно уничтожаются. В результате макроскопическая намагниченность оказывается равной нулю. При температурах ниже критической T_сэлементарные магниты выстраиваются в определенном порядке, что приводит к появлению макроскопической намагниченности. Таким образом, упорядочение на микроскопическом уровне является причиной появления на макроскопическом уровне нового свойства материала. Переход из одной фазы в другую называется фазовым переходом. Столь же резкий переход наблюдается в сверхпроводниках. В некоторых

Рис. 1.7. Элементарные магниты, хаотично распределенные по направлениям при Т > Т_с (слева); справа — упорядоченное расположение элементарных магнитов при Т < Т_с

металлах и сплавах ниже определенной температуры электрическое сопротивление внезапно и полностью исчезает. Это явление обусловлено определенным упорядочением электронов в металле. Есть еще много других примеров подобных фазовых переходов, между которыми часто обнаруживается поразительное сходство.

Эта область исследования весьма интересная, но она не дает ключа к объяснению каких-либо биологических процессов, где порядок и должное функционирование достигается не понижением температуры, а постоянным подводом энергии и вещества к системе. При этом, помимо многого другого, происходит следующее. Переработка энергии, подводимой к системе в виде химической энергии, на микроскопическом уровне проходит много этапов, что в конце концов приводит к явлениям упорядочения на макроскопическом уровне: образованию макроскопических структур (морфогенез), движению с небольшим числом степеней свободы и т. д.

Возможность объяснения биологических явлений, особенно образования на макроскопическом уровне порядка из беспорядка, на основе термодинамических законов и физических явлений, уже упомянутых выше, кажется довольно нереальной.

Это привело ряд известных ученых к выводу о том, что такое объяснение невозможно. Не будем, однако, приходить в уныние от мнения некоторых авторитетов. Рассмотрим лучше проблему с другой точки зрения. Пример с автомобилем учит нас, что энергию многих степеней свободы можно сконцентрировать на одной степени свободы. Действительно, в двигателе автомобиля химическая энергия бензина сначала превращается в тепло, затем в рабочем цилиндре поршень выталкивается в одном предписанном ему направлении, посредством чего энергия многих степеней свободы превращается в энергию одной степени свободы. В связи с этим важно напомнить два обстоятельства.

1.Весь процесс происходит в машине, созданной руками человека. В ней мы установили четкие ограничения.

2.Процесс начинается из сильно неравновесного состояния.
Расширение газа, толкающего цилиндр, соответствует приближению к тепловому равновесию при заданных ограничениях.

Против использования этой машины в качестве модели для биологических систем сразу же можно возразить, что биологические системы самоорганизуются, а не созданы искусственно. Это приводит нас к вопросу о том, можно ли в природе найти системы, которые функционируют в состоянии, далеком от состояния теплового равновесия при ограничениях, определяемых самой природой. Некоторые системы такого типа были открыты совсем недавно, другие известны уже давно. Мы приведем несколько типичных примеров.

Системой, находящейся на границе между естественными системами и искусственными устройствами, является лазер. Здесь мы рассмотрим лазер как прибор, созданный руками человека, хотя лазерная генерация (в микроволновом диапазоне) была обнаружена и в межзвездном пространстве. В качестве примера рассмотрим твердотельный лазер. Это — твердый стержень, в который внедрены атомы определенного типа.

Обычно на торцах стержня устанавливаются зеркала. Каждый атом может возбуждаться действием извне, например, с помощью освещения. После этого атом действует как микроскопическая антенна, испуская цуг световых волн. Процесс излучения длится обычно 10 ^-8 с, и испущенный цуг имеет длину около

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8 9 101112 13 Следующая ⇒