Самоорганизация в живой и неживой природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ, СПОРТА И ТУРИЗМА

Реферат на тему:

«Самоорганизация в живой и неживой природе»

Выполнила студентка 2 курса

II отделения I группы

Сидорова Светлана Ивановна

Смоленск 2013 год

Содержание

Введение

1. Сущность проблем самоорганизации в свете современной науки

1.1 Самоорганизация: понятие, сущность

1.2 Связь проблем самоорганизации материи с кибернетикой

1.3 Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований

2. Самоорганизация

2.1 Структурные компоненты и свойства процесса самоорганизации

2.2 Характеристики процесса самоорганизации

2.2.1 Гомеостаз

2.2.2 Обратная связь

2.2.3 Информация

3. Роль синергетики в становлении нового понимания

3.1 Синергетика и трактовка единства мира в восточной философии

3.2 Синергетика и глобальный эволюционизм

3.2.1 Важнейшие достижения современной науки в познании структуры и развития материи

3.2.2 Инфляционная теория

3.2.3 Модель Большого взрыва

3.2.4 Различные ветви эволюции

3.2.5 Самоорганизация материи на Земле

4. Развитие научного знания как синергетический процесс

4.1 Синергетика и социальное развитие

4.2 Синергетика и современное видение мира

Заключение

Список литературы

Введение

Наш мир, все, что доступно в нем наблюдению претерпевают непрерывные изменения - мы наблюдаем его непрекращающуюся эволюцию. Все подобные изменения происходят за счет сил внутреннего взаимодействия, во всяком случае, никаких внешних по отношению к нему сил мы не наблюдаем. Согласно принципу Бора, существующим мы имеем право считать лишь то, что наблюдаемо или может быть сделано таковым. Следовательно, подобных сил не существует. Таким образом, все, что происходит вокруг нас, мы можем считать процессом самоорганизации, то есть процессом, идущим за счёт внутренних стимулов, не требующих вмешательства внешних факторов, не принадлежащих системе. К числу таких процессов относится также и становление и действие Разума, ибо он родился в системе в результате её эволюции. Итак, весь процесс эволюции системы - процесс самоорганизации. Мир всё время меняется. Мы не можем утверждать, что процесс самоорганизации направлен на достижение состояния равновесия (под которым понимается абсолютный хаос), у нас нет для этого оснований, гораздо больше данных для утверждения обратного - мир непрерывно развивается, и в этом изменении просматривается определённая направленность, отличная от стремления к равновесию.

Для описания основ процесса самоорганизации удобно (хотя и заведомо недостаточно) использовать терминологию дарвиновской триады: наследственность, изменчивость, отбор, придав этим понятиям более широкий смысл. Изменчивость в этом более широком смысле - это вечно присутствующие факторы случайности и неопределённости. Без предположения о непрерывно действующих случайных факторах, постоянная эволюция системы, сопровождающаяся появлением новых качественных особенностей, по-видимому, невозможна. Что касается термина “наследственность”, то он означает лишь то, что настоящее и будущее любой системы в мире зависит от его прошлого. Степень зависимости той или иной системы от прошлого может быть любой. Эту степень зависимости условимся называть памятью системы. Во вполне детерминированных системах прошлое однозначно определяет будущее ( возможно и обратное - по настоящему определить прошлое).Такие системы - системы с бесконечной памятью (абсолютной наследственностью).Это абстракция, но она хорошо интерпретирует некоторые процессы в неживом мире - например, то движение планет, которое мы наблюдаем ( конечно, лишь на некотором , конечном, правда очень большом, интервале времени. “Память системы” в реальных системах в том смысле, как мы её определили, чаще всего оказывается ограниченной: и бесконечная память и её отсутствие - лишь абстракции, которые удобны для интерпретации. Примером системы, лишённой памяти, является развитое турбулентное движение.

Понятие “принципов отбора” является самым трудным среди понятий дарвиновской триады. Процессы самоорганизации следуют определённым правилам, законам. Это утверждение - некое эмпирическое обобщение, вопрос о происхождении этих правил лежит вне рационализма, как и вопрос о рождении Вселенной.

Вследствие этого необходимо более подробно коснуться понятия самоорганизации в живой и неживой природе, или точнее, нового научного направления, изучающего именно эти процессы на Земле и во Вселенной - синергетики.

самоорганизация кибернетика синергетика

1. Сущность проблем самоорганизации в свете современной науки

Со времени открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать вывод о возрастании во времени энтропии (неопределенности, хаоса) в замкнутых системах с процессами самоорганизации в живой и неживой природе, происходящими в открытых системах. Долгое время казалось, что существует противоречие между выводами второго закона термодинамики и эволюционной теории Ч. Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации.

1.1 Самоорганизация: понятие, сущность

Разработка представлений о самоорганизации материи как о содержании процесса развития и движения эволюционировало в ходе обобщения естественнонаучных данных. Идеи самоорганизации резко выдвинулись вперед в связи с появлением новых данных, представленных кибернетикой. В формировании современных представлений на процесс самоорганизации существенную роль сыграла кибернетика.

Кибернетика и ее принципы

Кибернетика (от греч. kybenietike" -- управление, искусство управления) -- возникла в 40-х гг. XX в. в результате насущной практической потребности в повышении качества управления в производственно-технической, хозяйственной, политической, военной и других областях человеческой деятельности.

Отцом кибернетики по праву называют выдающегося американского математика Н. Винера, который в 1948 г. впервые сформулировал основные идеи и принципы этой науки. Возникновение кибернетики было подготовлено всем предшествующим развитием науки -- в первую очередь теории автоматического регулирования следящих систем, техники переработки и передачи информации, теории игр и оптимальных решений, физиологии (теории рефлексов), медицины, математической логики, теории алгоритмов и машин, радиоэлектроники и других наук. Решающую роль в появление и развитии кибернетики имело появление электронной автоматики и быстродействующих ЭВМ.

В создании кибернетики принимали участие многие ученые: Д. Биглоу, К. Шеннон, И.М. Сеченов, И.П. Павлов, А.М. Ляпунов, А.А. Марков, А.Н. Колмогоров и др.

Кибернетика -- это наука об управлении и связи, оптимальном управлении, о восприятии, хранении и переработке информации, об алгоритмах переработки информации, о причинных сетях. Каждое из этих определений подчеркивает существенную сторону кибернетики.

Область применения кибернетики определил Н. Винер -- это машины, живые организмы и их объединения.

Исходя из вышесказанного, кибернетика -- это наука об управлении в машинах, живых организмах и их объединениях на основе получения, хранения, переработки и использования информации. Кибернетика -- это наука об управлении в кибернетических системах. Кибернетические системы -- это сложные динамические системы любой природы (технические, биологические, экономические, социальные, административные) с обратной связью. Сложными динамическими системами называются такие системы, которые содержат в себе множество более простых, взаимодействующих друг с другом систем и элементов, которые меняются, т.е. под воздействием определенных процессов переходят из одного устойчивого состояния в другое.

Сущность управления, базирующегося на использовании обратной связи, было разработано задолго до возникновения кибернетики -- в рефлекторной теории И.М. Сеченова и И.П. Павлова. Идея обратной связи была использована при создании автоматических регуляторов -- поплавковых регуляторов Уатта.

Кибернетика сформулировала принцип обратной связи: без обратной связи невозможно управление сложными и сложнодинамическими системами. В настоящее время этот принцип сознательно кладется в основу конструирования станков-автоматов, ЭВМ и других технических устройств. С учетом принципа обратной связи организуется управление (руководство) предприятия со стороны министерства, промышленными предприятиями -- со стороны дирекции («летучки»), по той же схеме ректор осуществляет руководство преподавателем и группой, студенческими коллективами, а преподаватель -- студентами и т.д. (дети -- родители).

Для кибернетики характерен макроподход: она ответвляется от внутреннего строения системы и рассматривает ее как единое целое, некий «черный ящик», способный функционировать с помощью потоков информации. Это и есть информативный принцип кибернетики. Теория информации -- раздел кибернетики, занимающийся методами описания, оценки, хранения, передачи и использования информации. Первые исследования в этой области были проведены Р. Фишером (работы по математической статистике), Р. Хартли (запоминающие устройства, передача информации по каналам связи). Вероятностная теория информации окончательно нашла свое применение и оформление к работах К. Шеннона (1948 г.). Рассматривая зависимость информации на выходе от информации на входе системы, он разработал принцип функциональной связи.

Кибернетика использует и микроподход: она предполагает определение внутреннего строения системы управления, выявление ее основных элементов, их взаимосвязи, алгоритмов их работы и возможность синтезировать из этих элементов системы управления.

Кибернетику подразделяют на:

теоретическую;

техническую ;

прикладную.

Теоретическая кибернетика связана с разработкой аппарата и методов исследования систем управления любой природы. Она связана с машинным моделированием на ЭВМ. Моделирование на ЭВМ ставит теоретическую кибернетику в особое положение по отношению к другим наукам: она дает принципиально новый подход и метод исследования практически всех наук: естественных, технических, гуманитарных. В этом она сходна с математикой. Но кибернетика -- это не математика, так как имеет свой предмет исследования -- системы управления. Создаются новые научные направления -- математическая логика, теория вероятностей, вычислительная математика, теория информации, теория кодирования, теория алгоритмов и т.д. В самой кибернетике возникли такие разделы, как теория автоматов, теория формальных языков и грамматик, теория распознавания образов, теория самообучающихся и самоорганизующихся систем, теория игр, теория статистических решений и т.п. Машинное моделирования позволяет исследовать объекты на основе математической модели.

Техническая кибернетика -- это конструирование и эксплуатация технических средств, применяемая в управляющих и вычислительных устройствах. Одна из главных проблем здесь -- это проблема «человек--машина», т.е. изучение автоматических систем управления (АСУ), где обязательно принимает участие человек-оператор. Здесь она пересекается с инженерной психологией. Основные проблемы, стоящие перед технической кибернетикой, -- это распознавание образов, создание читающих автоматов, анализ ситуаций, характеризующих технический процесс, разработка диагностических устройств.

Прикладная кибернетика содержит приложение двух предыдущих подразделов кибернетики к решению задач, относящихся к частным системам в биологии, медицине, экономике, промышленности, транспорте. Поэтому выделяют психологическую, биологическую и другие виды кибернетики.

Таким образом, в кибернетике скрестились почти все виды отраслей знаний -- это целое направление в науке, занимающейся исследованием общих принципов управления и способов использования их в технике.

1.2 Связь проблем самоорганизации материи с кибернетикой

По современным представлениям, в формировании которых существенную роль сыграла кибернетика, процесс самоорганизации представляет собой автоматический процесс, при котором, если говорить о биологических системах, выживают комбинации, выгодные с точки зрения адаптации всего вида и отдельных организмов.

Кибернетика играет существенную роль в понимании общих принципов процессов самоорганизации и дает исследователям методы конструирования различных типов самоорганизующихся систем. Но при этом остается открытым вопрос о физических процессах, происходящих в ходе самоорганизации в самых различных физических, химических, метеорологических, биологических и других системах. Эти процессы, как правило, очень сложны. И все же установление общих закономерностей процессов самоорганизации оказывается возможным.

1.3 Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований

Понятие синергетики

Синергетика -- это теория, исследующая процессы самоорганизации, устойчивости, распада и возрождения самых разнообразных структур живой и неживой природы.

Синергетика стоит в одном ряду с такими дисциплинами, как теория систем и кибернетика, является естественным их продолжением. Как и эти науки, она претендует на статус обобщенной теории поведения систем различной природы.

Во всех рассматриваемых синергетикой системах процесс самоорганизации идет обязательно с участием большого числа объектов (атомов, молекул или более сложных преобразований) и, следовательно, определяется совокупным, кооперативным действием. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, профессор Штутгартского университета Г. Хакен ввел специальный термин «синергетика». С одной стороны, имеется в виду сотрудничество ученых разных специальностей, разных областей знания, подоплекой которого выступает общность феномена самоорганизации. С другой стороны, выражена суть явлений данного рода -- кооперативность действий разрозненных элементов, спонтанно организующихся в структуру некоторой системы.

Основатель синергетики Хакен пишет во введении к своей книге: «Я назвал эту дисциплину «синергетика» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин».

В фокусе внимания синергетики оказываются сложные системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии -- ко все возрастающей сложности.

Отличие синергетики от кибернетики

Первые серьезные успехи в изучении проблем развития и самоорганизации были заложены кибернетикой. Это направление имело дело прежде всего с техническими управляющими и саморегулирующимися системами. В этом отношении примечательны гомеостатические системы, т.е. системы, поддерживающие свое функционирование в заданном режиме. С этих позиций становятся ясными факты устойчивости и сохранения системы, но нельзя понять, как возникают новые системы.

Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований представляет собой интерес для науки в целом.

Во-первых, она представляет собой иной подход к изучению процессов самоорганизаций, развития различного рода систем, чем кибернетика. Кибернетика ограничивалась анализом самоорганизующихся технических систем. Синергетика пытается раскрыть единые принципы самоорганизации в любых природных системах, т.е. как в живых, так и в неживых.

Во-вторых, принципы самоорганизации могут стать основой для создания общей концепции глобального эволюционизма, т.е. развития в масштабе всей Вселенной.

В-третьих, синергетика является более общей теорией самоорганизации, чем теория, основанная на данных кибернетики. Обрисовывая единые механизмы структу-рогенеза, она становится целостной естественнонаучной концепцией становления и развития материальных структур.

В-четвертых, для синергетики характерен особый подход в постановке вопроса об изоморфных законах структурной статики и динамики. У нее есть собственные основания для решения этого вопроса, которых нет ни у кибернетики, ни у теории систем. Это положение о когерентном, самосогласованном, самоинструктированном поведении большого ансамбля инородных объектов, поставленных в определенные условия. Синергетика рассматривает мир объектов, основываясь на не известном ранее моменте активности материи -- «резонансном возбуждении» вступающих во взаимодействие объектов.

Связь синергетики с другими науками

Процессы самоорганизации, которые изучает синергетика, основываются на одном общем эффекте -- способности разнокачественных единиц материи в известных условиях проявлять активность, и даже не просто активность, а своего рода двойственность, каким-то образом согласованную, протекающую по единому плану и направленную в каждом конкретном случае на вполне конкретный факт структурирования или структурной трансформации.

Самоорганизующиеся системы приобретают присущие им свойства, структуры или функции и без какого бы то ни было вмешательства извне. Дифференциация клеток в биологии и рост снежинок могут в равной степени служить примерами самоорганизации. С другой стороны, такие устройства, как используемые в радиопередатчиках электронные генераторы, сделаны руками человека. Однако мы часто забываем о том, что во многих случаях технические устройства функционируют на основе процессов, тесно связанных с самоорганизацией. В электронном генераторе движение электронов становится когерентным без воздействия извне когерентной вынужденной силы. Самоустройство сконструировано так, что допускает специфические коллективные движения электронов.

В собственном смысле синергетика -- это теория и методология, исследующая процессы самоорганизации. По своему рангу синергетика близка к философским наукам, поскольку объектом являются вопросы о том, как вообще возникают организационные структуры материальных образований со всеми их функциями. Но в не меньшей мере это и мировоззренческие вопросы.

Однако проблемы, общие для философии и синергетики, раскрываются в них по-разному. Синергетика выражает то же содержание, но на языке конкретных терминов многих наук, использует значительный объем фактологического материала целого ряда дисциплин, таких, как физика, химия, биология, общая теория вычислительных систем, экономика, социология, и не пользуется абстрактно-всеобщей философской формой. Каждая из вышеперечисленных наук имеет достаточно веские основания считать синергетику своей составной частью. Но синергетика каждый раз привносит характерные особенности, понятия, методы, чуждые традиционно сложившимся научным направлениям.

Так, например, термодинамика действует в полную меру только в том случае, если рассматриваемые системы находятся в тепловом равновесии; термодинамика необратимых процессов применима только к системам вблизи теплового равновесия. Синергетические системы в физике, химии, биологии находятся вдали от теплового равновесия и могут обнаруживать такие необычайные особенности, как колебания.

Хотя термодинамические понятия о макроскопических переменных используются и в синергетике, такие переменные, называемые параметрами порядка, имеют совершенно иную природу, чем в термодинамике.

Таким образом, синергетика -- не сумма физических идей или математических методов. Это система взглядов, в которых физик, химик, биолог и математик видят свой материал. Эта наука уже сыграла роль своего рода катализатора между представителями разнообразных наук.

Выводы. Итак, мы видим, что окружающий нас мир состоит из огромного количества разнообразнейших сложных систем, да и сам он является таковой системой а значит, подчиняется выводам, сделанным сравнительно молодой наукой -- синергетикой. Все, кому небезынтересен окружающий его мир, могут взглянуть на него по-новому благодаря синергетике.

2. Самоорганизация

Н. Винер связывал суть науки об управлении с организацией и самоорганизацией, которая рассматривалась им как антипод энтропии, фактор, противостоящий тенденции роста мирового хаоса. Под самоорганизацией понимается способность к стабилизации некоторых параметров посредством направленной упорядоченности ее структуры с целью противостоять энтропийным факторам среды. Самоорганизация -- это структура в действии.

2.1 Структурные компоненты и свойства процесса самоорганизации

Для процесса самоорганизации характерны следующие структурные компоненты и свойства.

Структурные компоненты процесса самоорганизации

Структурными компонентами, посредством которых осваивается информация, являются:

1. Механизм управления, представленный в том или ином виде и отвечающий за получение, оценку, переработку информации и формулирование информационной программы ответного действия.

2. Канал обратной связи.

Свойства самоорганизующейся системы

К свойствам процесса самоорганизации относятся следующие:

1. Самоорганизующаяся система сохраняет состояние термодинамического равновесия.

2. Негаэнтропийный характер самоорганизующейся системы обеспечивается использованием информации.

3. Самоорганизующаяся система обладает функциональной активностью, выражающейся в противодействии внешним силам.

4. Самоорганизующаяся система обладает выбором линии поведения.

5. Целенаправленность действий.

6. Гомеостаз и связанная с ним адаптивность системы.

Механизм, обеспечивающий организационный процесс

Рассмотрим механизм, обеспечивающий организационный процесс. Пусть имеется некоторая система с направленным на нее внешним воздействием -- вход системы. Вместе с вещественно-энергетическим потоком в нее попадает информация, представляющая собой собственную упорядоченность этого потока.

Эта информация оценивается в особом блоке -- механизме управления. Здесь же вырабатывается программа ответного действия. В результате система реагирует на воздействие извне. В выходном вещественно-энергетическом потоке также имеется информационная составляющая. Часть ее по каналу обратной связи поступает на вход системы и снова попадает в механизм оценки и переработки информации. В результате система получает сведения об эффективности ее ответной реакции и изменяет направление и интенсивность действия, если это нужно для самостабилизации.

Таким путем многократного самоконтроля системы, получившие название «самоорганизующиеся», настраиваются на внешние факторы, достигают равновесия с условиями среды существования и тем самым сохраняют себя.



2.2 Характеристика процесса самоорганизации

Можно выделить три основные характеристики процесса самоорганизации:

гомеостаз;

обратная связь;

информация.

2.2.1 Гомеостаз

Слово «гомеостаз» произошло от двух греческих слов: homois -- подобный, одинаковый, сходный (например, всем известна гомеопатия -- лечение подобным) и stasis -- неподвижность, состояние. Это относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма. Понятие «гомеостаз» применяют к биоценозам (сохранение постоянства видового состава и числа особей), в генетике, кибернетике. Таким образом, гомеостаз -- это стремление живой системы сохранить стабильность своей организации, рода, популяции.

Гомеостаз присущ любому существу, любой живой системе. Стремление к гомеостазу -- мощнейший фактор эволюции, открывает прямое влияние на интенсивность естественного отбора.

Разрушение организации живой системы означает ее гибель. Живое всегда стремится сохранить свою стабильность -- это факт эмпирический. Для неживой материи стремление сохранить свой гомеостаз выражен в принципе Ле Шателье, который является следствием закона сохранения .

Однако диалектика развития неоднократно демонстрирует нам неоднозначность результатов и противоречивый характер любых утверждений типа «только так и не иначе». Устойчивость, доведенная до предела, прекращает свое развитие. Чересчур стабильные формы -- тоже тупиковые формы, развитие которых прекращается. Чрезмерная адаптация или специализация столь же опасна для совершенствования, как и его неспособность к адаптации. То есть стремление к гомеостазу должно компенсироваться другими тенденциями, определяющими рост разнообразия.

2.2.2 Обратная связь

Важнейшей характеристикой процесса самоорганизации является обратная связь. Механизм обратной связи -- это реакция системы на внешнее воздействие. Более точно можно сказать, что механизм обратной связи -- это механизм, определяющий изменение состояния, являющийся реакцией на внешнее воздействие и определяющийся этой реакцией.

Существуют отрицательные обратные связи, которые поддерживают гомеостаз, т.е. компенсируют внешнее воздействие, и положительные обратные связи, которые ухудшают стабильность системы.

Стремление к гомеостазу формирует механизмы не только отрицательных, но и положительных обратных связей, так как оно компенсируется тенденцией разнообразия. Одна из таких тенденций порождается принципом минимума диссипации энергии (рассеяния энергии), уже рассмотренном ранее. Это является таким же эмпирическим обобщением, как и принцип сохранения гомеостаза.

Уже неоднократно говорилось о том, что живые системы -- это всегда открытые системы (закупоренное в консервную банку со временем протухает). Живым системам свойствен метаболизм, т.е. обмен энергией и веществом с внешним миром (обмен веществ), без которого они существовать не могут. Одной из ведущих тенденций развития живых систем является стремление в наибольшей степени использовать энергию внешней среды, уменьшая тем самым свою локальную энтропию -- меру хаоса.

Это тоже является эмпирическим фактом: так же, как и стремление сохранить гомеостаз, живому свойственно стремление так изменить систему, направить эволюционный процесс в такую сторону, чтобы увеличить способность системы усваивать внешнюю энергию и вещество.

Таким образом, одной из особенностей любого из важнейших эволюционных процессов, протекающих в живом мире, является противоречие между тенденциями к стабильности, т.е. сохранению гомеостаза, и укреплению отрицательных обратных связей, и тенденциями к поиску новых, более рациональных способов использования внешней энергии и вещества, т.е. укреплению положительных обратных связей. Способы решения этих противоречий могут быть различными, и это обстоятельство ответственно за самые разнообразные организационные формы материального мира.

Здесь хочется также отметить, что распространена теория двойственной обратной связи, согласно которой обратная связь в природных системах представлена в двух формах: информационной и неинформационной. Считается, что неинформационный тип распространен в неживой природе, а информационный появляется, начиная с органического уровня материи. Организация систем в живом мире порождает совершенно иной, новый тип механизмов развития, неизвестный в неживой природе, содержащий механизмы обратной связи. Это и есть та главная особенность, которая отличает живое от неживого. Однако некоторые прокариоты и вирусоподобные существа, традиционно относимые к живому миру, по-видимому, все-таки лишены способности формировать петли обратной связи. Поэтому уместнее здесь перейти к третьей характеристике -- информации.

2.2.3 Информация

Содержание понятия информации тесно связано с понятием отражения, которое уже было рассмотрено. В общем случай информация означает отражение взаимодействующих тел. В результате воздействия одного объекта на другой запечатлеваются форма тела, структура, черты поведения.

Таким образом, информация -- это отраженная структура, воспроизводящая структуру оригинала. Растительный мир, животный мир, мыслящий человек и человеческое общество -- это гигантская иерархия систем с информационной самоорганизацией.

Этимология понятия «информация»

Употребляя понятие «информация», важно помнить об этимологии этого понятия. В обычном, т.е. житейском, смысле оно означает сумму сведений, которые получает субъект -- человек или группа людей, животных, -- об окружающем мире, о самом себе, другом субъекте или изучаемом явлении, т.е. сведений, с помощью которых он может точнее прогнозировать результат своих действий и отбирать способы использования своих возможностей для обеспечения собственных интересов, достижения поставленной цели. В этой трактовке информации центральной фигурой оказывается человек (субъект), который использует полученные сведения по своему усмотрению. Понятие «субъект» можно и обобщить, распространяя его на все живые существа, а также на организмы, обладающие целенаправленным действием.

Информация нужна субъекту для обеспечения возможности успеха некоторых целенаправленных действий. Например, белка, прыгая с ветки на ветку, должна знать, как далеко от нее следующая ветка, приблизит ли она ее к преследуемой цели, способна ли она ее удержать? Качество информации зависит от того, насколько белка способна оценить положение ветки, ее соответствие программе своих действий. Другой пример -- дорожно-транспортные происшествия происходят как раз из-за неспособности пешеходов и водителей адекватно оценивать информацию (пешеходу кажется, что он успеет перебежать перед движущимся транспортом; водителю кажется, что он впишется в поворот, и т.д.).

Таким образом, качество информации зависит также и от субъекта, его способности воспринимать и обрабатывать информацию. Если белка окажется, например, близорукой, то информация о положении ветки может оказаться для нее не только бесполезной, но и вредной или даже смертельной. Значит, качество информации оценивается прежде всего тем, насколько знания, получаемые о предмете или окружающей обстановке, помогают в принятии решений. Ценность и смысл информации полностью раскрываются только тогда, когда существует цель.

На развитие утвердившегося в широких кругах понимания смысла информации и на развитие соответствующей теории информации оказали огромное влияние работы Н. Винера и К. Шеннона.

Теория информации -- это раздел кибернетики, занимающийся методами описания, оценки, хранения, передачи и использования информации. Основные понятия теории информации -- количество информации. В докибернетический период информацию связывали исключительно с человеческим сознанием. Две концепции информации существуют и в настоящее время:

1. Информация свойственна обществу, живым системам, кибернетическим устройствам и не присуща неживой природе.

2. Информация присутствует во всех материальных системах.

В живой природе к формам движения, лежащим в основе выработки сигналов, несущих информацию, прибавляется биологическая форма движения, а в человеческом обществе -- и общественная.

Изменения, происходящие в системе в результате отражения или спонтанно, реализуются в форме вещественных или энергетических сигналов. Информация -- это содержание сигнала, а значит, содержание отражения и изменения вообще.

Таким образом, можно говорить о двух видах информации:

информация как мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и времени, мера разнообразий (сложности, организации, порядка), мера изменений, которыми сопровождаются все протекающие в мире процессы;

информация как форма мышления, которое является высшим продуктом мозга.

Информация как степень упорядоченности системы внутренне присуща самой системе независимо от ее познания.

Роль и место информации

За последнюю четверть века появилось огромное количество статей, сочинений, посвященных обсуждению понятия информации и сфер ее применения.

При описании последовательности развития материального мира информация появляется в нем лишь тогда, когда начинают изучаться системы с целенаправленным действием. Именно такие системы порождают необходимость использования термина «информация», так как без него невозможно описать процедуры принятия решения, целенаправленного поведения, невозможно изучать зависимость характера принимаемых решений от изменения внешних условий.

По мере развития живой природы и общества, роста разнообразия и сложности организационных форм непрерывно изменяется и место и значение информации, ее влияние на скорость и другие характеристики единого процесса развития и самоорганизации материи. Поэтому проследить все такие изменения интересно не только с исторической точки зрения, но и с точки зрения практического значения -- для оценки их возможных тенденций в настоящем и будущем.

Избыток информации может быть гораздо более вреден, чем, например, избыток пищи. Чрезмерное ее количество может служить причиной потери целостного представления об окружающем мире и приводить к ошибочным решениям.

Демон Максвелла.

Демон Максвелла -- мысленный эксперимент 1867 года, а также его главный персонаж -- воображаемое разумное существо микроскопического размера, придуманное британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики.

Схематическое изображение демона Максвелла

Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд сгазом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке есть отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим)молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам -- только из правой части сосуда в левую. Тогда через большой промежуток времени «горячие» (быстрые) молекулы окажутся в правом сосуде, а «холодные» останутся в левом.

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах.

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией. Детальный разбор парадокса для механической реализации демона (храповик и собачка) приведён в Фейнмановских лекциях по физике, вып. 4, а также в популярных лекциях Фейнмана «Характер физических законов».

С развитием теории информации было установлено, что процесс измерения может и не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым. Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым). Поскольку память конечна, в определённый момент демон вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом.

В 2010 г. мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо и Токийского университета

3. Роль синергетики в становлении нового понимания

Процессы, которые протекают в различных явлениях природы, можно разделить на два класса:

процессы, протекающие в замкнутых системах и развивающиеся в направлении возрастания энтропии и установления равновесного состояния;

процессы, протекающие в открытых системах, в которых в моменты неустойчивости могут возникать малые возмущения, флуктуации, приводящие к развитию новых самоорганизаций.

Хаос и случайность выступают в качестве активного начала. Самоорганизующейся системе нельзя навязать путь развития, установить жесткий контроль за ней.

Для синергетики неравновесность -- это основание для установления упорядоченности. Если система пребывает в термодинамическом равновесии, то ее элементы игнорируют друг друга, т.е. ведут себя независимо друг от друга. Переход же в неравновесное состояние побуждает элементы устанавливать связь, корреляцию. Происходит «резонансное возбуждение» вступающих во взаимодействие объектов, которое, «разбудив» элементы и реализовав их возможности, не исчезает бесследно. Оно продолжает существовать в качестве центрального параметра диссипативной структуры, поразительное свойство которой -- необычайная чувствительность.

Диссипативная структура -- это структура, рассеивающая свою энергию. Рассеяние -- переход энергии упорядоченных процессов, например, кинетической, в энергию неупорядоченных, например, теплоту . Флуктуации, т.е. изменения во внешней среде оказываются уже не «шумом», а генератором новых структур. Существование системы становится зависимым от внешних факторов. Неравновесное состояние выступает как естественное для всех явлений действительности.

Исходя из этих позиций, человечество представляет собой чрезвычайно сложную систему. А сложные системы обладают высокой чувствительностью к флуктуациям (возмущениям). Это вселяет одновременно и надежду и тревогу. Надежду -- потому что даже малые флуктуации могут усиливаться и изменять всю структуру, а значит, индивидуальная активность не бессмысленна. Тревогу -- потому, что наш мир, наверное, навсегда лишился стабильных законов.

3.1 Синергетика и трактовка единства мира в восточной философии

Данные синергетики таковы, что логически приводят специалистов к высказываниям о необходимости нового, нетрадиционного миропонимания, имеющего много общего с трактовкой единства мира в восточной философии, и в этой связи -- новом понимании места человека в мире и новой стратегии науки в познании действительности.

Восточная философия, ее взгляды на мировое устройство и эволюцию носят целостный и логичный характер. Представители созданного в середине XIX в. в России умонастроения, названного впоследствии «русским космизмом» , отталкивались от восточных взглядов на мировую гармонию. Цельность восприятия мирового устройства на Востоке оказала влияние на развитие русской естественнонаучной мысли и послужила причиной глубокого взаимопроникновения научной и философской мысли в России.

Из диалога с природой, начатого наукой, рассматривающей природу как некий автомат, родился совершенно новый взгляд на исследование природы, в контексте которого содержится утверждение о том, что активное вопрошание природы есть неотъемлемая часть ее внутренней активности.

Древние китайцы мыслили синергетически. Оценка механизма резонансного возбуждения и его настройка на внешние факторы вызывает ассоциации с древнекитайским учением -- даосизмом -- и его мировоззренческой ориентацией на органическую целостность мира. Все связано со всем: каждый цветок, каждый камень -- это элементы мировой гармонии.

Представления о цветке и камне в восточной философии как необходимых элементах мировой гармонии говорят о том, что неосторожное вмешательство в процессы даже второстепенной важности могут привести к нарушению гармонии мира. Эти представления (как паутина в лесу: в одном месте тронь -- в другом отзовется) вполне уживаются с нашим осознанием причин кризисных и экологических явлений.

3.2 Синергетика и глобальный эволюционизм

Проблемы самоорганизации имеют существенное значение для понимания эволюции материи, развития живых систем и преобразования социальных. Синергетика представляет собой процесс усложнения, в результате которого образуются высокоупорядоченные структуры, качественно отличающиеся от исходных.

Учение об эволюции, созданное Ч. Дарвином, показывает, как постепенно под влиянием естественного отбора происходило совершенствование видов и возникновение новых. Разумеется, что новые организации представляют собой весьма совершенные самоорганизующиеся системы, которые значительно отличаются от самоорганизующейся системы неорганической природы. Поэтому возникает вопрос: нельзя ли разработать и обосновать такую концепцию эволюции, которая раскрывала бы механизм эволюции глобального, даже космического масштаба? Иными словами: можно ли представить все формы движения материи, весь материальный мир Вселенной?

3.2.1 Важнейшие достижения современной науки в познании структуры и развития материи

Космология -- это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем. Существует понимание космологии как физического учения о всей Вселенной в целом и в частности -- о Метагалактике. Но такое понимание спорно, так как не включает вклада астрономии в учение о Вселенной, свойствах звезд, галактик, квазаров и других космических объектов.

Космология как наука об эволюции Вселенной -- очень молодая наука. Несмотря на то, что космологические настроения явились ядром многих учений, начиная с древности, они все были лишь предысторией научной космологии.

В последние годы были предприняты попытки осуществления программы космологического эволюционизма с учетом новых данных космологии и физики. Эта концепция основана на так называемой модели Большого взрыва.

Современная наука дает возможность построить более или менее убедительно в своих основных чертах картину глобальной эволюции. Наиболее характерными особенностями этой эволюции являются:

1. Признание того, что она должна начинаться с простого состояния.

2. Последующее усложнение материальных систем.

3. Глобальная эволюция может осуществляться только в результате взаимодействия микро- и макроэволюции.

Выделяют несколько этапов развития космологических теорий.

1. Классическая космология (Ньютон, Кант, Ламберт, Шарлье и т.д.) давала модель иерархической структуры Вселенной в виде бесконечной последовательности систем все возрастающих масштабов.

Недостатки:

1) была плохо обоснована;

2) не учитывала уменьшения гравитационных сил с увеличением расстояния;

3) гравитационных сил недостаточно для удержания галактик и их скоплений;

4) галактики со временем должны распасться на отдельные элементы.

Было принято, что Метагалактика -- самая большая космическая система, в которой концентрируются галактики. Сами же метагалактики распределены в пространстве равномерно и однородно на сколь угодно больших расстояниях.

2. Созданная А. Эйнштейном общая теория относительности связала тяготение с кривизной пространства-времени. Тяготеющие массы через гравитационное поле вызывают искривление пространства-времени, а уравнения Эйнштейна связывают кривизну пространства-времени с плотностью массы, импульсом, потоками масс и импульсов. На основе этих уравнений была разработана «статическая модель Вселенной».

3. Нестационарность Вселенной. Советский математик А.А. Фридман в 1922 г. нашел иное решение уравнений общей теории относительности. Вселенная не стационарна, и ее пространство обладает переменной во времени кривизной, одинаковой во всех малых

масштабах. Он вывел три следствия из предложенных решений:

Вселенная и ее пространство расширяются со временем;

Вселенная сжимается;

во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

4. В 1926 г. американский астроном Хаббл исследовал спектры далеких галактик и подтвердил вывод Фридмана о нестационарности Вселенной, в результате чего в космологии утвердилось мнение -- модель расширяющейся Вселенной.

Согласно этой модели, считается, что расширению Вселенной предшествовал этап, когда материя в определенной ее части находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. Ученые предполагают, что в таком состоянии она оставалась крайне простой структурой. Между частицами и связывающими их силами существовала симметрия. Таким образом, более двадцати миллиардов лет назад все вещество Вселенной находилось в точечном объеме с бесконечной плотностью. Как оно там оказалось? Модель не объясняет, но предполагается, что в результате гравитационного коллапса произошло разрушение всех атомных ядер, элементарных частиц и материя сжалась в точку с бесконечной массой и плотностью.

С этой точкой зрения не все физики согласны, например, академик В.Л. Гинсбург считает, что уравнения специальной теории относительности применимы лишь до масштабов 10-33см.

Таким образом, необходима разработка квантовой теории гравитации, которая будет более точно описывать тяготение.

3.2.2 Инфляционная теория

В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, современная космология рассматривает сценарий, включающий инфляционную стадию. Инфляция в переводе с латинского -- вздутие. Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что и расширение Вселенной и весь последующий ход эволюционного развития рассматриваются из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом.

Однако в физическом смысле вакуум не есть пустота, в нем постоянно происходят процессы рождения и уничтожения всевозможных частиц, квантов, полей.

В контексте инфляционной теории эволюция Вселенной представляется как синергетический самоорганизующийся процесс.

3.2.3 Модель Большого взрыва

Считается, что после того как 15 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, началось постепенное охлаждение и расширение Вселенной. Причины Большого взрыва и перехода к расширению во всех моделях Вселенной считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой физической современной теории. Но если взрыв был, то дальше картина выглядит следующим образом (Силк Дж. Большой взрыв. М., 1982. С. 75-76, 79-217):

1. Через 10-43 с от начала расширения началось рождение частиц и античастиц.

2. Через 10-6 с -- возникновение протонов и антипротонов и их аннигиляция. Количество протонов на одну стомиллионную часть (10-8) превышало количество антипротонов, в результате чего после аннигиляции возникло и сохранилось то вещество, из которого возникли все галактики, звезды и планеты. Если бы число протонов было бы равно числу антипротонов, то вещество полностью перешло бы в излучение и невозможно было бы наблюдение Космоса и Земли.

3. Через 1 с после начала расширения стали рождаться и аннигилировать электронно-позитронные пары.

4. Через 1 мин начались ядерный синтез и образование ядер дейтерия и гелия. На долю последних пришлось примерно 30% от массы оставшихся протонов. Образование более тяжелых элементов в рамках этой

теории объяснить не удалось, так как не хватило времени для их синтеза в процессе расширения. Эти элементы образуются в последующей эволюции звезд в результате термоядерных реакций в их недрах, а тяжелые элементы синтезируются при взрыве сверхновых и затем выбрасываются в космическое пространство, где они со временем концентрируются в газово-пылевые облака, из которых образуются звезды второго поколения типа Солнца и планеты вокруг них.

Через 300 тыс. лет после Большого взрыва произошло отделение излучения от вещества, Вселенная стала прозрачной, в последующие миллиарды лет стали формироваться галактики, первичные звезды в шаровых скоплениях и звезды второго поколения в спиральных рукавах галактик.

В современной космологии происходит борьба идей. В модели Большого взрыва всей материи неясны причины взрыва, а выделившаяся при этом энергия не может быть объяснена никакими законами физики. Все, что не запрещено законами природы может быть где-нибудь, когда-нибудь реализовано, если это законы объективного мира. Но следует различать объективные законы природы и теоретическое выражение этих законов в науке. Последние всегда являются приближением к первым, поэтому далеко не всякая теоретическая модель может иметь объективный аналог в природе.

3.2.4 Различные ветви эволюции

Переход к вещественным структурам начинается при температуре порядка 4000 К. При охлаждении до 3000 К протоны захватывают свободные электроны, в результате чего образуются ядра легких элементов. Дальнейшее охлаждение вело к образованию молекул.

Таким образом, эта ветвь эволюции связана с микропроцессами и привела к образованию элементарных частиц, атомов, молекул и т.п.

Другая ветвь эволюции охватывает микропроцессы, начиная от возникновения кристаллов, минералов и заканчивая появлением звезд, звездных скоплений, галактик и супергалактик. Этот процесс начался через 700 тыс. лет после Большого взрыва. Усложнение материи на всех этапах эволюции сопровождалось разрушением прежних симметрии между основными физическими взаимодействиями. Сначала сильное взаимодействие в пределах атомных ядер и появления атомов. Затем значительную роль получают электромагнитные силы, которые способствуют появлению большинства физических макромолекул. И, наконец, с появлением больших космических тел на первый план выходят гравитационные силы.

Рассмотренная выше модель не является абсолютной. Уже сейчас выдвигаются альтернативные подходы, например, модель пульсирующей Вселенной, в которой периодически появляются этапы «сбегания» и «разбегания» материи.

Дальнейшая эволюция Вселенной в различных моделях рисуется неоднозначно. Все эти модели представляют собой идеализации, основанные на определенных постулатах. Так как мы ничего не знаем о поведении Вселенной за пределами нашего ближайшего окружения с радиусом 108 световых лет, то, очевидно, что никакая модель не может определить точно момент времени, когда началось расширение Вселенной. Мы можем только грубо оценить, что длительность расширения ближайшей к нам области может быть порядка 109--1010лет.

3.2.5 Самоорганизация материи на Земле

Земля возникла 4,6 млрд лет назад, а жизнь на ней -- около 3--3,5 млрд лет назад. Можно предположить, что на Земле самоорганизация материи происходила в специфических условиях: восстановительная атмосфера, перепады температур, солнечная радиация, атмосферное электричество, вулканическая деятельность, которые послужили основанием для дальнейшего органического синтеза. Эти условия явились базой для такого сочетания молекул, при котором возникли первичные сахара, аминокислоты, азотистые образования. В процессе дальнейшего развития вероятностный процесс приобрел не только черты селекции, учитывающей преимущества направленных физико-химических процессов, но и выгодность информационных механизмов.

Следующая фаза связана с селекцией информационных молекул, контролирующих управление химическими реакциями и самовоспроизведением. Становление подлинно живых систем окончательно завершилось в рамках популяций, видов. В пределах этих форм организации живого окончательно и в полной мере реализовались основные факторы эволюции. Изменчивость генотипов, т.е. информационных систем оказалась опосредованной и зависящей от сложных взаимоотношений в биотических сообществах.

Идея о самодвижении материи, возникновении материального мира или космоса из первоначального хаоса встречается в древнейших учениях Востока. На Западе эта идея ясно прослеживается в архаических мифах и ранней греческой философии.

«Мир, единый из всего, не создан никем из богов, и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим», -- высказывание, принадлежащее Гераклиту Эфесскому, жившему много веков назад.

Именно на идее саморазвития не только живой, но и неживой материи основывается принцип глобального эволюционизма, т.е. развития в глобальных масштабах, в размерах всей Вселенной. В рамках этой идеи и строятся модели развития Метагалактики, в том числе постоянно развивается и дополняется описанная выше теория Большого взрыва.

...