Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Синергетическое видение эволюции Вселенной. Историзм физических объектов. Физический вакуум как исходная абстракция в физике

Антропный принцип и синергетика

Введение

Термин «синергетика» служит для обозначения обширной области исследования эволюции более-менее стабильных материальных структур, относительная устойчивость которых поддерживается благодаря использованию внешних энергий и вещества. одним из источников этой проблематики оказывается обнаружение среди материальных систем открытых и закрытых, равновесных и неравновесных, устойчивых и неустойчивых, динамических и статических и т.д.

Для статической системы характерно как бы отсутствие координаты времени, потому что ее состояние с течением времени остается неизменным (разумеется, относительно). Динамическая же система изменяет свое состояние во времени непрерывно. Отсюда следует, что динамическое равновесие возможно только как механизм самоорганизации системы через эффективные обратные связи.

Создателем синергетики является бельгийский физик и химик И. Пригожин, лауреат Нобелевской премии (1977 г.), получивший ее за работы по термодинамике неравновесных систем. («Введение в термодинамику необратимых процессов» М., 1964; Николис Г., Пригожин И. «Самоорганизация в неравновесных системах» М., 1979; Пригожин И., Стенгерс И. «Порядок из хаоса» М., 1986; Пригожин И., Стенгерс И. «Время, Хаос и Квант» М., 1994). Исследуя термодинамические процессы, он вводит понятие «диссипативных структур» как структур, возникающих в результате взаимодеиствия данной материальной системы с окружающей средой. Классическая и даже квантовая физика описывают мир как обратимый, статичный. В их описании нет места эволюции ни к порядку, ни к хаосу. Илья Пригожин показал и доказал, что в сильнонеравновесных условиях может совершаться, переход от беспорядка, теплового хаоса к порядку, организованности. Могут возникать новые динамические состояния материи, отражающие взаимодействие данной системы с окружающей средой. Эти новые структуры он назвал диссипативными структурами. Цель термодинамики по Пригожину, состоит не в предсказании поведения системы в терминах взаимодействия часиц, а в предсказании реакции системы на изменения, вводимые нами извне.

Именно в термодинамике возникает асимметрия во времени: энтропия (направленность тепловых процессов) возрастает в направлении будущего а не прошлого. Следовательно, второе начало термодинамики знаменует радикальный отход от механистического мира (классической механики).

Таким образом, взаимодействие системы с внешним миром, ее погружение в неравновесные условия, может стать исходным пунктом в формировании новых динамических состояний -- диссипативных структур. Это принципиальное положение выходит за рамки термодинамики, за рамки физики и даже всeго естествознания в целом. Как теперь известно, и биосфера в целом, и ее различные компоненты, живые или неживые, существуют в сильно неравновесных условиях. В этом смысле сама жизнь, в рамках естественного порядка, предстает перед нами как высшее проявление i происходящих в природе процессов самоорганизации.

В сильно неравновесных условиях процессы самоорганизации соответствуют «тонкому взаимодействию» между случайностью и необходимостью, флуктуациями и детерминистическими законами. Пригожин считает, что вблизи бифуркаций (то есть резких взрывных изменений системы) основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между бифуркациями преобладает детерминизм. Ситуацию, возникающую после воздействия флуктуации на систему, он называет порядком через флуктуацию или «порядком из хаоса».

Затухнут такие флуктуации или, наоборот, усилятся, зависит от эффективности «канала связи» между системой и внешним миром.

То есть, неравновесность есть то, что порождает «порядок из хаоса». Причем справедливость этого принципиального положения подтверждается и в физической, и в биологической, и даже в социальной реальности.

Синергетическое видение эволюции Вселенной. Историзм физических объектов. Физический вакуум как исходная абстракция в физике

Космология, наука об эволюции Вселенной, очень молодая наука. Хотя космологические построения являлись сердцевиной многих учений, начиная с древности, все они являются предысторией научной космологии. Лишь создание o6щей теории относительности Эйнштейна в 1916 году открыло строго научную эру развития этой дисциплины. Современный же этап ее развития свидетельствует о полном слиянии двух, в прошлом различных, отраслей знания -- космологии и физики элементарных частиц, в одну науку. Так что рассматриваемые в космологии модели эволюции Вселенной -- не досужие домыслы фантазеров, а модели, которые еще должны прорабатываться, дополняться, но в рамках которых видится возможность для решения как известных космологических проблем, так и проблем физики элементарных частиц.

Современная космология рассматривает и качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, сценарий, включающей инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматриваются из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом.

Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства, в котором мы живем. Возможно, наша Вселенная -- это лишь мини-Вселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа. Инфляция (от латинского слова inflatio) означает «вздутие». Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной -- «ложный вакуум». Он отличается от истинного вакуума (считается, что истинный вакуум -- это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный» вакуум стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический саморегулирующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем -- физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Считается, что в процессе расшитрения из вакуумного симметричного состояния Вселенная разогрелась до «большого взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки--точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц, и полей, которые из вакуума же и рождались. При этом ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась жизнь нашего типа.

Противопоставление между двумя видами материи, изучаемых физикой, между веществом и полем, выливается в противопоставление между бозе-частицами и ферми-частицами. Предполагается в рамках моделей Суперобъединения, что это различие проявилось во вполне определенный момент в процессе эволюции Вселенной через 10-43 секунд с момента взрыва, когда температура упала ниже критического значения Т1=1019ГэВ. То есть при температуре ниже Т1 проявляется различие видов материи по спинам; при температурах выше Т1 это различие должно сниматься. При температурах, больших Т1, предполагается такое состояние материи, которое совпадало бы с понятием единого суперполя, рассматриваемого как целое, в котором моменты его дальнейшего развития еще не вычленены, вследствие чего все возможные в будущем взаимодействия представляют собой одно. По достижении Т1 и ниже, можно констатировать разделение согласно классической терминологии, материи на вещество и поле соответственно по спинам. Иными словами, происходит саморасчленение единой субстанции на две противоположности - вещество и поле, a также расчленение единого суперполя, единого взаимодействия на два гравитационное и единое взаимодействие Великого объединения.

Следующий этап в эволюции Вселенной -- это симметрия Великого объединения, симметрия между различными частицами с полуцелыми спинами. Речь здесь идет о тождестве между кварками и лептонами. При температурах, больших второго критического значения температуры (следующей точки бифуркации в эволюции) Т2 за счет существования квантов ноля Великого объединения Х-бозонов, способных превращать кварки в лептоны и наоборот, различие между цветными кварками и бесцветными лептонами нивелируется. Однако при достижении Т2=1015 ГэВ примерно через 10-35 секунд с момента взрыва происходит спонтанное нарушение симметрии вакуума, вследствие чего Х-бозоны приобретают массу, и симметрия Великого объединения нарушается до симметрии SU(3), отвечающей сильным взаимодействиям, и симметрии SU(2)-U(1), отвечающей электрослабым взаимодействиям . Это момент самодвижения Вселенной, в который проявляется такая качественная определенность у кварков как цветовой заряд, что приводит к различному поведению кварков и лептонов в последующие эпохи. Вселенная представляет собой в период после второй критической точки кварк-глюонный мешок; другим аспектом этого момента является симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Именно на этом витке в истории Вселенной происходят несимметричные распады массивных Х-бозонов, при этом частиц вещества рождается немного больше, чем частиц антивещества. Впоследствии вещество аннигилирует с антивеществом, превращаясь в g-кванты. Избыток вещества и составит в последующем строительный материал, из которого рождаются звезды, звездные скопления и галактики. Так что наша Вселенная оказывается построенной из вещества. Но при этом она заполнена реликтовым излучением, возникшим вследствие аннигиляции вещества и антивещества. Существование реликтового излучения было предсказано еще в 1948 году Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Херманом на основании фридмановской модели эволюции Вселенной. В 1964 году американскими радиоастрономами Л. Пензиасом и Р. Вилсоном был зарегистрирован радиошум, который оказался шумом, соответствующим реликтовому излучению. Излучение это должно было выжить в процессе расширения Вселенной, вследствие которого температура его должна была постепенно понижаться и на сегодняшний день составлять примерно 3 градуса Кельвина.

Следующая критическая точка в районе температур Т3=102 ГэВ приводит к спонтанному нарушению симметрии электрослабого взаимодействия, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействием. При этом W+, W-, Z0- бозоны приобретают массу.

В районе температур Т4=1 ГэВ нарушается так называемая киральная симметрия, что приводит к фрагментации кварков и глюонов на отдельные области -- протоны и нейтроны.

Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возникновению водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, звездных скоплений, галактик и т.д.

Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение ими масс и зарядов, вследствие чего плотность энергии вакуума уменьшается примерно на 120 порядков и после всех этих качественных скачков становится равной 0.

Современное развитие физики выработало новый взгляд на природу физических объектов, который можно было бы охарактеризовать как целостно-синергетический. Можно сказать, что основным объектом изучения физики становится единая неделимая самоорганизующаяся Вселенная. Вакуум рассматривается как конкретно-всеобщая часть ее, обеспечивающая самоорганизующиеся процессы ее эволюции. Следует подчеркнуть определяющую роль физического вакуума в современной физической теории. Выделенность вакуума, его особая роль в космологических процессах возникновения и развития физического мира позволяет рассматривать его в качестве исходной абстракции в теоретической физике. Именно физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании и качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства как спин, масса, заряд проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки вакуума в результате спонтанного нарушения симметрии, что вносит коррективы в представление об историзме физических объектов. Ибо любой физический объект со своими характеристиками рассматривается в современной теории как момент, элемент космологической эволюции Вселенной.

синергетика вселенная материя кварк

Антропный принцип и синергетика

Разобщенность мира, которая имела место в классической физике между физической картиной мира и человеком, преодолевается. Ибо сама жизнь является следствием определенным образом нарушенных симметрий. Однако возникает вопрос, как получилось такое согласованное нарушение симметрий, что в результате всех перипетий возник человек? По мере проникновения в тайны строения физического мира от элементарных частиц до галактик не перестаешь удивляться точно «подобранным» значениям фундаментальных постоянных, удивительному совпадению ряда чисел, построенных из этих фундаментальных постоянных, так называемой «тонкой подстройкой Вселенной». А если бы в природе реализовалась другая последовательность чисел? Появился бы человек и каким бы он был? Попытка связать основные особенности того мира, в котором мы живем, с самим фактом существования человека, познающего этот мир, привела к формулированию принципа, который вряд ли можно назвать строго физическим принципом, но который тем не менее основывается на неоспоримом факте существования человека в нашей Вселенной. Этот принцип был назван антропным.

Антропный принцип в физике был сформулирован 1961 году Д. Дикке, а в дальнейшем развит Б. Картером, которому и принадлежит сам термин «антропный принцип». Антропный принцип утверждает, что мир таков, каков он есть, потому что в противном случае некому было бы спрашивать о том, почему мир таков. Можно сказать, что наука со времен Коперника развивалась таким образом, что наблюдателю-человеку в ней отводилась весьма скромная роль. Человек не занимал какого-либо привилегированного, центрального положения в науке о Вселенной. Как бы без внимания оставался итог факт, что необходимой предпосылкой нашего существования являются благоприятные условия (температура, химический состав окружающей среды и т.д.), возникновение которых оказалось возможным благодаря именно тонкой подстройке значений физических величин во Вселенной. Некоторые ученью обратили внимание на ограниченность такого подхода, считая, что строение физического мира неотделимо от обитателей, наблюдающих его в самом фундаментальном смысле. Наше положение в мире, если и не является центральным, то неизбежно -- привилегированным. И можно заранее, до наблюдений предсказать ряд астрофизических и других факторов по той причине, что то, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей. Основанием для таких предсказаний и служит антропный принцип -- как принцип, отражающий невероятно тонкую подстройку Вселенной.

Можно привести несколько примеров, свидетельствующих о том, что свойства окружающего нас мира явились результатом определенной согласованности соответствующих фундаментальных констант. Интервал возможных значений констант, обеспечивающий нам мир, пригодный для жизни, очень мал. Так, ослабление на несколько порядков константы сильных взаимодействий привело бы к тому, что на ранних стадиях расширения Вселенной образовывались бы, в основном, только тяжелые элементы, и в мире не было бы источников энергии. Если на несколько порядков было бы меньше гравитационное взаимодействие, то не возникло бы условий для протекания ядерных реакций в звездах. Усиление слабых взаимодействий превратило бы на ранних этапах эволюции Вселенной все вещество в гелий, а значит, отсутствовали бы реакции термодинамического синтеза в звездах. Наконец, усиление на несколько порядков электромагнитного взаимодействия привело бы к заключению электронов внутри атомных ядер и невозможности вследствие этого химических превращений и реакций. Не говоря уже о том, что если бы первоначальная скорость расширения Вселенной хотя бы на 0,1% была бы меньшей критической скорости расширения, то Вселенная достигла бы лишь 3*10-6 своего теперешнего радиуса, после чего она бы начала сжиматься. Разумеется, «таких если бы» существует еще достаточное количество, но и приведенных примеров достаточно, чтобы понять: в современную физику наряду с идеей самоорганизации входит также идея целесообразности, что приводит- к появлению в физической картине мира человека как уникального и одновременно естественного результата глобально-космической эволюции.

Безусловно, антропный принцип возник не сейчас, корни его имеют начало на самих ранних этапах истории человеческой культуры. Однако «переоткрытие» антропного принципа в со временной космологии имеет важное значение в становлении нового типа научной рациональности - постнеклассического. Существуют различные версии антропного принципа: слабый антроиный принцип, сильный антропный принцип, финалистский антропный принцип, антропный принцип, включающий соучастника-наблюдателя. Появляются и теологические нотки при обсуждении антропного принципа. Все это повлияло на то, что многие ученые-физики с настороженностью относятся к этому принципу, рассматривая его как ненаучный. Однако положение резко меняется, если антропный принцип рассматривать в контексте синергетческого самоорганизующегося процесса эволюции Вселенной. Здесь на первый план выдвигается идея о корреляции свойств наблюдателя и свойств мира подобно корреляции между состояниями двух разных частиц в эксперименте Эйнштейна--Подольского--Розена. То есть речь идет о вероятности того, что мир имеет наблюдаемые нам и свойства. А это значит, что можно сравнивать вероятности оказаться в разных мирах с разными свойствами. То есть антропный принцип получает нетеологическое объяснение при условии существования множества миров. Следует сказать, что инфляционные сценарии раздувания Вселенной содержат в себе результаты, предсказывающие разделение Вселенной на неограниченно большое число мини-вселенных -- огромных областей, внутри которых реализуются свои типы физических вакуумов, размерностей пространства-времени, цепочек спонтанного нарушения симметрий. Так что вероятность возникновения из этого огромного числа разных мини-вселенных таких, которые подобны нашей, в которых возможна жизнь, подобная нашей, существует. Как отмечает сам автор инфляционного сценария самовосстанавливающейся Вселенной А.Линде: «Мы живем в областях с определенными свойствами пространства-времени и материи не потому, что другие области невозможны, a потому что области обсуждаемого типа существуют, а в других областях жизнь нашего типа невозможна или маловероятна».

Современная физика с использованием антропного принципа как бы расширяет границы своего традиционного рассмотрения вопросов. Человек, рассматриваемый ранее лишь в качестве непосредственного потомка прогрессивной эволюции жизни в биосферных условиях, предстает уже в качестве непосредственного продукта космологической эволюции Вселенной.

Заключение

Таким образом, вся прежняя физика как бы отрицала координату времени, ибо теоретически все процессы могли идти как со знаком +, так и со знаком -.

Синергетика дает точку опоры не в отрицании времени, а в его открытии во всех областях физической реальности. Теперь только состояние равновесия можно рассматривать, отвлекаясь от времени (забывая о нем). Системы же далекие от равновесия (а это вся реальность) не могут быть безразличными ко времени. В подобных системах изменение, эволюция идет через ряд бифуркаций в направлении, противоположном безразличному беспорядку.

Необратимость физических процессов, в которой были убеждены крупные физики прошлого (Больцман и др.), получает свое обоснование и открывает для физики проблему становления.

Причем неравновесие не создает «стрелу времени», а только позволяет ей проявиться на макроскопическом уровне. Законы обратимости представляются отныне действенными только в ограниченном числе случаев.

В каждой области физики ученью теперь вновь и вновь находят связанное со становлением материи необратимое время там, где ранее вневременные законы сводили это становление к повторению одного и того же.

Что касается вопроса о том, как или почему началось время, то он ускользает от физики так же, как он, без сомнения, ускользает от возможностей нашего языка и нашего воображения. Можно только предполагать, что в далеком будущем расширение Вселенной вновь создаст условия неустойчивой первоначальной пустоты.

Возникнув в физике (термодинамике), синергетика оказалась чрезвычайно значимой и для биологии. Сама жизнь (как предмет биологии) в таком случае определяется в качестве формы существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

Макроскопичность означает, что любой живой организм, начиная с бактерии, должен содержать большое количество атомов. Если бы этого не было, упорядоченность, необходимая для жизни, разрушалась бы флуктуациями. Гетерогенность означает построение клетки и организма из множества различных веществ. Отдельно взятые молекулы не живут, жизнь возникает лишь в гетерогенной надмолекулярной системе. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом и энергией. Состояние и развитие такой системы поддерживаются оттоком энтропии в окружающую среду. Кстати говоря, основы термодинамики живых систем были впервые сформулированы советским биологом Э.С. Бауэром, погибшим в годы массовых репрессий.

Синергетические подходы к биологическим процессам оказываются очень эффективными. Происхождение жизни и молекулярной асимметрии, добиологическая эволюция, периодические биологические процессы, морфогенез и возникновение иммунитета освещаются возникшей в физике теорией. Организм, вид, популяция, биосфера представляют собой диссипативные структуры -- открытые системы, далекие от равновесия. Модели таких систем описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Их анализ показывает, что при определенных значениях параметров системы в ней возникают неустойчивости и, следовательно, бифуркации, резко меняющие ее состояние. Эти бифуркации подобны фазовым переходам.

В этом смысле эволюционное учение Ч.Дарвина, не утратившее своего значения, вопреки распространенному мнению, полностью вписывается в синергетическое представление. В современной эволюционной теории идет спор между градуализмом и пунктуализмом. происходит ли видообразование постепенно, шаг за шагом, или оно реализуется за сравнительно короткое время? Математические модели показывают, что видообразование все-таки подобно фазовому переходу (т.е. пунктуализм более вероятен).

Современная синтетическая теория эволюции (созданная в 30-е годы) явилась результатом объединения дарвинизма с популяционной генетикой. Сейчас стоят задачи дальнейшего объединения эволюционной теории с молекулярной биологией, синергетикой и теорией информации. При этом не ставится цель подменить биологию физикой, речь идет о раскрытии глубинных физических основ биологическихх явлений.

Синергетика как область теоретической физики неотдеделима и от специального математического аппарата, развивавшегося параллельно с физикой. В основе синергетики находятся математическая теория устойчивости, разработанная Ляпуновым и Пуанкаре, теория нелинейных колебании, созданная школами Л.И. Мандельштама и А.А. Андронова. В то же время существенное значение здесь имеют методы, исходящие из теории вероятностей (стохастические методы). В последнее время именно математика пришла к описанию хаотических систем. (Таков «странный аттрактор» Лоренца, в котором система движется от одной точки к другой детерминированным образом, но траектория движения в конце концов настолько запутывается, что предсказать движение системы в целом невозможно -- это смесь стабильности и нестабильности; таковы фракталы). Современная математика, встречаясь с нелинейными системами, широко применяет ЭВМ и получает результаты, недоступные ранее (т.е. в докомпьютерную эпоху). Синергетика строит математические модели. Причем здесь задача математической модели состоит в упрощенном рассмотрении сложного явления. Если в основу модели положены реальные факты, установленные экспериментально, то модель позволяет прийти к важным выводам, понять существо явления.

На основе синергетических представлений о развитии ученые выделяют в истории нашей планеты по меньшей мере две фундаментальные бифуркации, изменившие направление общепланетарной эволюции - возникновение живого вещества и образование мозга (но механизмы этих изменений нам неведомы).

В последние годы синергетические представления проникают и в общественные науки, позволяя по новому взглянуть на экономические, исторические, политические процессы. Формируется социосинергетика.

Литература

1. Аршинов В.И., Свирский Я.И. Философия самоорганизации: новые горизонты // Эпистемология и постнеклассическая наука. - М., 1992

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 1998.

3. Концепции современного естествознания - Ростов/н/Д., 1999

4. Концепции современного естествознания / под ред. Лавриненко В.Н. -М. 1997.

Размещено на Allbest.ru