Развивающаяся Вселенная

Открытой называют систему, обменивающуюся энергией и веществом с окружающей средой. В случае отсутствия обмена систему называют закрытой или изолированной. Вот два примера открытых систем:

• Каждый из нас не проживет и пяти минут, если не будет вдыхать воздух с определенным содержанием кислорода и выдыхать углекислый газ. Без приема воды и вывода из организма жидких шлаков человек прекратит свое существование через несколько дней. Немногим дольше удается продержаться без приема пищи. Следовательно, человеческий организм – это открытая система.
• Другой пример. Земля обменивается энергией и веществом с космическим пространством. Особенно важен постоянный приток солнечной энергии и возможность отдачи вовне тепла с установлением относительно постоянного теплового баланса. Земля также является открытой системой.

• Типичная звезда имеет температуру своей атмосферы порядка многих тысяч градусов и очень высокую плотность вещества. А в межзвездном пространстве температура близка к абсолютному нулю и плотность вещества там исчисляется единицами частиц в кубическом метре. Говорят, что звезда неравновесна относительно межзвездного пространства.

Критическим состоянием будем называть состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе ее плавного эволюционного развития.

Понятия "простой" и "сложный" всегда относительны, их смысл выявляется при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, если объединение некоторых элементов в систему сопровождается появлением у системы свойств, не присущих ни одному из этих элементов, то систему считают сложной относительно входящих в нее элементов, а сами элементы простыми по отношению к данной системе. Например, элементарная частица протон, соединяясь с другой элементарной частицей, электроном, образует атом водорода. Атом обладает свойствами, отсутствующими и у протона, и у электрона – химическими и оптическими свойствами. Соединение двух элементов создало новое качество, следовательно, атом сложен относительно своих частей, а протон и электрон просты относительно атома.
Теперь представим, что соединились два атома водорода и атом кислорода, образовав молекулу воды. У молекулы выявляется такое разнообразие физико-химических свойств, которого нет ни у одного из вошедших в ее состав атомов. Молекула оказывается сложным объектом по отношению к атомам, более того, это следующая ступень сложности относительно уровня атомов.
Вернемся к протону. По современным представлениям этот "простой" объект состоит из трех частиц, называемых кварками. И опять свойства протона качественно иные, чем свойства составляющих его кварков. Мы приходим к цепочке нарастающих по сложности составных элементов. Цепочку можно продолжить в обоих направлениях, выстроив таким образом иерархию уровней сложности. А оба конца цепочки, один – уходящий в "простоту", а другой – в "сложность", теряются в непознанных далях.

Процессы объединения "простых" элементов с образованием "сложных" систем протекают лишь при выполнении определенных условий. Например, если температура (энергия) окружающей среды превышает энергию связи двух частиц, то они не смогут удерживаться вместе. При снижении температуры до значения, при котором энергия среды и энергия связи частиц сравняются, наступает критический момент, и дальнейшее снижение температуры делает возможным надежное их фиксирование. В нашем примере протон и электрон смогут образовать устойчивый атом водорода. Нам известна причина, толкающая электрон и протон к объединению, это электрическая сила притяжения частиц с разноименными зарядами. Но такое знание затрагивает лишь самый поверхностный слой явления, а в глубине скрываются причины, порождающие электрические заряды частиц и действующие между ними силы.

Сложнее выявить причины, заставляющие атомы объединяться в молекулы. Для этого, прежде всего, необходимо, чтобы между атомами-партнерами существовало то, что называют химическим сродством. Сродство обнаруживается только на относительно близких дистанциях, когда расстояние между атомами оказывается меньше характерного предельного значения. Иными словами, атомы должны обладать определенной кинетической энергией, превышающей критическое значение, что позволяет им, вопреки отталкиванию внешних электронов, сблизиться на дистанцию, где проявляется химическое сродство. При этом энергия частиц не должна быть слишком большой, иначе атомы превращаются в снаряды, пролетающие относительно друг друга, не успев прореагировать. Сила сродства, соединяющая и удерживающая атомы в молекуле, имеет электрическую природу, это короткодействующее отражение сил, соединяющих электроны с атомами. Не будем углубляться в детали, но обратим внимание на то, что образование молекул возможно лишь в ограниченной области изменения термодинамических параметров, например, температуры и давления. Образование простейших молекул открывает путь к появлению молекул с нарастающими уровнями сложности, что создает практически безграничные возможности дальнейшего роста упорядоченности вплоть до появления самого высокого известного человечеству уровня, каким является жизнь и порождаемый ею разум.

Итак, наука конца XIX века склонна была считать Вселенную изолированной системой, в целом близкой к термодинамическому равновесию. Путь развития таких систем определен безупречными выводами классической термодинамики. Изначальная задача этой дисциплины состояла в обобщении человеческого опыта, приобретенного при изучении процессов преобразования одних видов энергии в другие, прежде всего речь шла о превращениях механической энергии в тепловую и наоборот. В основу термодинамики положены четыре эмпирические закона, которые, следуя исторической традиции, называют четырьмя началами. Среди них особая роль в формировании научного мышления принадлежит второму началу, определяющему необратимую направленность процессов преобразования энергии в закрытой системе, что приводит ее к термодинамическому равновесию. На этом пути все виды энергии деградируют, превращаются в тепловую энергию, которая в среднем равномерно распределяется между элементами системы. Попутно разрушаются упорядоченные структуры. Вселенная, если она закрытая система, неизбежно следует такому сценарию и завершает свой путь состоянием, получившим название "тепловой смерти".

Не меньшее влияние на мировоззрение недавнего прошлого оказала статистическая физика, опирающаяся на атомно-молекулярную модель строения вещества. Любое макротело состоит из огромного множества микрочастиц. Предсказать поведение каждой частицы в сообществе невозможно, но при статистическом подходе удается выяснить точные законы, определяющие свойства и параметры макротела как целого. Например, статистическое рассмотрение хаотичного движения микрочастиц газа в изолированном объеме позволяет определить основные макропараметры газа, такие как температура, давление, теплопроводность, теплоемкость, вязкость и некоторые другие. Статистическая физика приучила считать Мир состоящим из квазиизолированных макросистем, взаимодействием которых с окружением можно пренебречь, и она же прочно внедрила в сознание ученых представление о статистическом характере основных физических законов.

Научная революция ХХ века, конечно же, не отменила ни законов классической термодинамики, ни статистической физики. Но она установила, что известный нам мир не укладывается в рамки сферы действия этих дисциплин. А сфера эта ограничена изолированными системами, состояние которых близко к термодинамическому равновесию. Согласно же современным научным данным, все известные нам системы, да и Вселенная в целом, безусловно открытые системы, состояния которых, как правило, далеки от равновесности.
Как уже говорилось, в развитии Вселенной, как целого, преобладает созидательная, а не разрушительная тенденция, господствуют процессы нарастания сложности и упорядоченности. В результате на определенном этапе при подходящих условиях возникает феномен жизни, как это случилось на Земле. И хотя загадка возникновения жизни пока наукой не разгадана, феномен жизни занимает одно из главных мест в новой концепции развития. Именно феномен жизни дал начальный толчок к внедрению понятия самоорганизации в современное научное мышление.

В 1944 году выдающийся физик-теоретик Эрвин Шредингер, находившийся в годы войны в Англии, издал там маленькую книжку под названием "Что такое жизнь с точки зрения физики?". В русском переводе книга появилась несколько позже [2]. Книга вызвала большой интерес в научных кругах. Считают, что она дала начало формированию новой научной дисциплине на стыке физики и биологии – биофизики. Автор анализирует причины, по которым феномен жизни противоречит господствующим физическим представлениям, сформировавшимся в прошлом веке.

Суть противоречия сформулирована в книге так:

"Невероятно маленькие группы атомов, слишком малые, чтобы они могли проявить точные статистические законы, играют главенствующую роль в весьма упорядоченных и закономерных явлениях внутри живого организма. Законы физики, как мы их знаем, это статистические законы. Они связаны с естественной тенденцией вещей переходить к неупорядоченности <. . .> Жизнь представляет собой упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время".

В этом ключевом высказывании обращают на себя внимание три момента:

1. Жизнь противоречит сложившемуся в XIX веке представлению о единственности "естественной" тенденции развития – возврату системы со случайно возникшей в ней упорядоченностью к исходному хаосу.
2. Жизнь разрушает рожденный классической статистической физикой постулат о господстве в макромире статистических законов. Так, важнейшие жизненные процессы, обеспечивающие высочайшую организованность живых систем любой степени сложности, управляются сравнительно небольшими группами молекул, не подпадающих под действие законов больших чисел, иначе говоря, статистических законов.
3. Шредингер даже не ставит вопрос, как могли возникнуть столь высокие уровни упорядоченности вещества в мире, где господствует однонаправленное деградационное развитие? Он только констатирует способность биоорганизмов поддерживать как-то достигнутый ими высокий уровень организованности вопреки тенденции к деградации.

Существование, а тем более господство созидательной тенденции в процессах развития систем, предполагает наличие некоего фактора, обеспечивающего созидание во Вселенной. Таким фактором предстает самоорганизация материи. В своем широком толковании это понятие отражает фундаментальный принцип Природы, подразумевающий изначально присущую материи способность создавать и поддерживать в открытых системах неравновесные состояния, из которых в определенных (критических) условиях совершаются скачкообразные переходы (типа известных в физике фазовых переходов) в качественно новые состояния. В том числе и в состояния с более высоким уровнем упорядоченности, чем в исходном положении. Но существует и узкое толкование этого понятия, тогда самоорганизацией называют сам процесс перехода систем от простого к сложному, осуществляемому в форме качественного скачка.