4.7. Устойчивые уровни организации Мира и флюктуации.

В науке установилось мнение, что наш Мир иерархичен по структуре [296]. Уровни организованности материи устойчивы в течение достаточно долгого времени. И это позволяет их изучать и классифицировать. Но, тем не менее, есть и другой факт, что ничего вечного во Вселенной нет. Рано или поздно даже самый устойчивый объект неизбежно разрушается или переходит в другое состояние. Среди атомов есть устойчивые и неустойчивые (радиоактивные) с различным периодом полураспада.

Из сказанного можно сделать вывод, что каждая организованность имеет свой средний срок существования. Молекулы водяного пара (Т>1000C) сталкиваются, образуют ассоциаты, которые тут же распадаются, возникают вновь и опять распадаются. Время жизни таких ассоциатов составляют менее

10-9с. [230]. В жидкой воде ассоциаты устойчивее, существуют дольше и значительно крупнее, чем в газе. Лед это уже долгожитель. Если Т<00C, то он может существовать десятки тысяч лет (ледники Антарктики, Гренландии) и его не относят к флюктуациям структуры. Как же классифицируются флюктуации? Очевидно, опять через «призму антропности».

Если ассоциаты возникают и распадаются за время, не регистрируемое нашими органами чувств, то это называется флюктуациями.

Давайте представим себе, что есть существо, которое способно увидеть ассоциаты воды и существо живет в течение времени, соизмеримом со временем жизни ассоциата. Тогда будет ли для него ансамбль, случайно возникший ассоциат, просто флюктуацией, не имеющей для него значения? Или наоборот, звезды, возникающие и неизбежно распадающиеся (иногда со взрывом), не являются ли они просто флюктуациями в масштабе Вселенной? Если сравнить размеры звезды ~ 1010см. и размеры нашей Вселенной ~ 1028см., то звезда это также «пылинка», ничтожная флюктуация. Одна исчезла – другая, появилась.

Эти рассуждения не представляли бы особого интереса, если бы не одно обстоятельство. Законы термодинамики, выведенные для статистических ансамблей, не применимы для флюктуаций. Параметры состояния идеального газа (давление – Р, объем – V, температура – Т, энтропия – S) справедливы только в среднем. Давление газа в сосуде пульсирует, возникают флюктуации давления, т.е. p ¹ const, но этими деталями мы пренебрегаем.

Также обстоит дело с температурой. В своих расчётах мы обычно имеем в виду среднюю температуру. Второй закон термодинамики утверждает, что тепло не может передаваться от холодного тела к горячему, но это только в среднем. Если рассматривать передачу энергии на уровне одной молекулы, то второй закон термодинамики уже не применим. В «холодном» теле всегда есть определенная доля «горячих» молекул, которые могут передавать свою энергию и более нагретому телу (по средней Т), но это как исключение. При усреднении по большому количеству молекул второй закон термодинамики оказывается справедливым.

Можно привести еще один пример, как «холодная» молекула с низким значением кинетической энергии (mv2/2) может передать часть своей энергии молекуле с более высокой кинетической энергией. На рис.4.7.1 представлена схема такого события:

V₂

1 V₁

V₃

Рис. 4.7.1. Схема перераспределения энергии между молекулами

Пусть молекула 1 со скоростью V1 сталкивается с молекулой 2 движущейся со скоростью V2 в точке 3. В результате молекула 2 передает свой импульс молекуле 1, которая изменяет траекторию своего движения, и будет двигаться уже с большей скоростью V3. Таким образом, энергия от «холодной» молекулы 2 передалась «горячей» молекуле 1.

А может быть вечный двигатель все же в макромасштабах и малых Dt окажется возможным? Здесь также возникает вопрос, а что значит «вечный»? В течение, какого времени он должен работать? Нагреем пар в котле паровой машины и отключим нагреватель. Машина проработает в течение некоторого времени на накопленном тепле и остановится, исчерпав всю энергию. А если энергетическая емкость «котла» будет растянута на 100 лет, то человеку такой двигатель покажется вечным. Такие источники энергии («вечные») принято называть даровыми. Например, энергия Солнца. А ведь Солнце не вечно. Получается, что все источники энергии во Вселенной оказываются не вечными. Все законы термодинамики выведены для Земной лаборатории и априорно распространены на всю Вселенную. Можно предполагать, что и законы термодинамики имеют ограниченную чем-то область применения. В процессе флюктуаций из хаоса рождается порядок, возникают сложные, организованные структуры. Флюктуации – двигатель эволюции. Благодаря им в миллиардах столкновений, отклонениях от среднего иногда возникает что-то более устойчивое – более долгоживущая структура. Далее включается механизм цепных реакций, где методом проб и ошибок рождаются еще более сложные структуры. Некоторую механическую аналогию самоорганизации, восхождение по лестнице эволюции можно представить рис.4.7.2.

Рис. 4.7.2. Механическая модель флюктуационного двигателя эволюции

В ямке 1 находится множество шариков. Имитация флюктуаций осуществляется вибрацией всей системы вверх-вниз. Амплитуда вибрации не достаточна, чтобы обеспечить шарики энергией для прямого переброса в ямку 2. Перескок влево требует большей энергии, чем перескок вправо. Однако в ходе хаотического столкновения шаров и флюктуаций энергии иногда некоторый шар может достигнуть впадины А, где задержится на какое-то время. Сама впадина А может быть следствием некоторой флюктуации пространства, она может появляться и исчезать. Если она появилась в нужный момент, когда шарик до нее долетел, то впадина сыграет роль трамплина. После этого она может так же исчезнуть, успев выполнить свою роль. От вибрации шарик может вернуться обратно в ямку 1, что более вероятно, но иногда может перескочить в ямку В (менее вероятно). Точно также он может достигнуть устойчивого положения С. При достаточно большом времени эксперимента какой-то из шаров сумеет по флюктуационной “лестнице эволюции” достигнуть более высокого уровня. Итак, что невозможно было сделать в одно движение, удалось осуществить в результате хаотических множественных столкновений шаров и случайных ступенек. Этот пример – модель флюктуационного двигателя эволюции и в тоже время цепных процессов. Попав в ямку 2, шар приобретает устойчивое состояние и обратно вернуться не сможет, если не усилить амплитуду вибрации. Для реализации эволюционного скачка потребовалась ассиметрия системы и наличие нескольких переходных, неустойчивых промежуточных состояний. Итак, для направленной эволюции необходима асимметрия, неравновесность, источники энергии, достаточное время и множество попыток. Положение в ямках 1 и 2 считается равновесным. Положение в ямках А и В – неравновесное. Следовательно, переход из одного равновесного состояния в другое возможен как цепь неравновесных состояний, которые после завершения перехода могут исчезнуть (проявляются как флюктуации).

В неживых системах устойчивость (достаточно длительное существование) достижима при условии минимизации энергии системы, т.е. нахождения объекта в некоторой “яме” потенциальной нергии. В живых системах природой был изобретен другой, динамический способ поддержания устойчивости, принцип которого можно пояснить рисунком 4.7.3.

Допустим, человек находится на ступеньке 1, где негде поставить две ноги и невозможно удерживать равновесие. На другой стороне ямы есть такая же ступенька 2. Избежать падения можно только в том случае, если человек будет непрерывно перепрыгивать со ступени 1 на ступень 2 и обратно. Такой способ удерживания от падения требует источника энергии и средств обработки информации (ритм прыжков). Именно таким способом живые системы, не дожидаясь смерти, воспроизводят потомство, сохраняют свой гомеостаз. Этим живое отличается от неживого.

Рис.4.7.3. Принцип динамической устойчивости.

Таких примеров саморегуляции живых и кибернетических систем очень много. Велосипедист удерживает равновесие благодаря непрерывному падению. Ракета находит цель благодаря непрерывному «рысканию» (отклонению от курса) и т.д. Такой способ стабилизации хорошо изучен в кибернетике и основан на обратных связях [52, 53].

На рис.4.7.3 А пример иллюстрирует стабилизацию системы, механизм поддержания динамического равновесия. Рис.4.7.3 В моделирует пример эволюционных прыжков по лестнице усложнения. Наблюдается чередование четных и нечетных «ступенек», что является объяснением множеству фактов химической и биологической эволюции. Различие свойств четных и нечетных структур описано в [232].

Для эволюции должно существовать некоторое однонаправленное «поле сил». Эволюция жизни на Земле происходила на фоне однонаправленного уменьшения температуры, уменьшения радиоактивности, повышения активности солнца и т.п. Любое движение обуславливается неравновесием сил. Колебательные процессы (маятник) это периодическая смена неравновесных состояний.

Возвращаясь к рисунку 4.7.2, целесообразно вспомнить известный в квантовой физике туннельный эффект, заключающийся в том, что элементарная частица, например электрон, может быть, обнаружена в зоне 2, хотя энергии для перехода из положения 1 в положение 2 теоретически ей не хватает. Квантовая физика [33, 145] не дает объяснения причин «туннельного» эффекта. Пример рисунка 4.7.2 дает возможность объяснить туннельный эффект не только в микромире, но и в макромире, при этом не прибегая к представлениям квантовой физики. Объект попадает в зону 2 на «волне» случайностей.

Есть еще одно свойство флюктуаций, которое появилась в свете нашей трактовки понятия информации. Флюктуации - это разновидность неоднородностей, т.е. разновидность информации. Получается, что флюктуации (информация) являются генератором вариантов образования новых информационных пакетов (организованностей). Одни неоднородности генерируют появление новых неоднородностей. Информация порождает информацию.

Выводы

1. Флюктуации - это организованности, существующие очень короткое время относительно представлений наблюдателя.

2. Флюктуации не подчиняются законам термодинамики.

3. Флюктуации – «провокаторы» эволюции, генераторы новой информации.

4. Для направленной эволюции необходима асимметрия сил, неравновесность, источник энергии, достаточное время и множество попыток.

5. Маловероятные переходы из одного равновесного состояния в другое возможны как цепи неравновесных состояний. Такие переходы аналогичны туннельным эффектам в квантовой механике.

6. Эволюционные процессы являются следствием сочетания необходимого и случайного.

Следующий раздел