Николис Г., Пригожин И. Познание сложного:
Введение. Пер. с англ. № 8. Изд. 5

Оглавление

От переводчика

Читателю хорошо известны авторы новой книги своими трудами по теории систем, находящихся вдали от равновесия. Это в значительной мере снимает необходимость составления подробного предисловия. Чем же отличается данная книга от предыдущих, написанных на тему о сложных явлениях? Авторы скромно отмечают, что их цель – всего лишь дать определение понятия сложного. Однако если это понятие считать интуитивно ясным, то по существу их цель – показать, каковы те принципы, которые позволяют свести сложное к простому, т.е. решить основную задачу науки. В качестве примеров сложных явлений в книге рассматриваются различные процессы самоорганизации в физико-химических и биологических системах. Анализ этих примеров позволяет установить то общее, что характерно для сложных явлений, и сформулировать какие-то принципы, достаточно абстрагированные от конкретной природы системы. Особое внимание уделено теории динамических систем, в которой прогресс в понимании природы сложного поведения наиболее заметен. В результате становится значительно более понятным принципиальное различие между консервативными и диссипативными системами, между обратимыми и необратимыми процессами.

Что же ожидает читателя, рискнувшего углубиться в изучение текста? Во всяком случае, среди его впечатлений вряд ли встретится разочарование. В самом деле, разве не приятно познакомиться с такой проблемой, как научное прогнозирование погодных и климатических изменений, из рук наиболее авторитетных ученых? И наступит ли на Земле новый ледниковый период? Каковы современные взгляды на происхождение Вселенной, вещества и пространства-времени? Можно ли методами естественных наук изучать процессы организации в биологических и гуманитарных сообществах?

В связи с обобщающим, натурфилософским характером содержания стиль изложения материала приобретает особый оттенок, напоминающий путешествие по горным хребтам, – крупный план, перспектива и даже непосредственно эмоциональное восприятие – вот особенности этого стиля. Написана она с большим темпераментом, что придает ей своеобразную эмоциональную окраску и страхует читателя от скуки даже в таких местах, которые представляют собой, казалось бы, традиционно-математические ареалы. Таковы, например, разделы, в которых рассматриваются преобразования типа подковы или пекаря.

На кого же все-таки рассчитана эта книга? На мой взгляд, минимум формально-математического материала, сохраненный в книге, делает ее чрезвычайно широко доступной, по крайней мере для представителей естественнонаучных специальностей, получивших необходимые знания по физике и математике. С другой стороны, некоторые новые ответвления современной математики изложены столь четко, что могут быть рекомендованы даже для первоначального ознакомления с основными идеями и представлениями, как, например, в случае теории фракталов. В целом же, учитывая как доступность, с которой подается материал, так и то обстоятельство, что этот материал представляет собой результат бурного развития ряда направлений в современной физике, химии и математике в последние годы и десятилетия, предлагаемую книгу можно рассматривать как практически необходимый (для естественнонаучных специальностей) и, во всяком случае, весьма желательный элемент культуры современной личности.

Предисловие

Символом нашего физического мира не может быть устойчивое и периодическое движение планет, что лежит в основе классической механики. Это мир неустойчивостей и флуктуации, в конечном счете ответственных за поразительное разнообразие и богатство форм и структур, которые мы видим в окружающей нас природе. Очевидно, для описания такой ситуации, когда эволюция и плюрализм становятся ключевыми словами, необходимы новые понятия и новые средства. Данная монография представляет собой краткое введение в методы, разработанные в течение последних десятилетий для исследования сложных систем независимо от того, идет ли речь о молекулах, биологических или социальных системах. Особо подчеркивается роль двух дисциплин, в корне изменивших наши взгляды на представления о, сложном. Первая из них – физика неравновесных состояний. Здесь одним из наиболее неожиданных выводов является открытие новых фундаментальных свойств вещества в условиях сильного отклонения от равновесия. Вторая дисциплина – это современная теория динамических систем, в которой центральное место занимает открытие превалирования неустойчивостей. Короче, это означает, что изначально малые изменения с течением времени могут существенно усиливаться.

Развиваемые в этой связи новые методы позволяют лучше понять нашу среду обитания, в которой мы обнаруживаем как неожиданные закономерности, так и неожиданные крупномасштабные флуктуации. Существование материи связано с подавляющим доминированием частиц над античастицами, существование жизни – с доминированием хиральных, асимметричных биомолекул над их антиподами. Каким мог быть селекционный механизм, приведший к столь крупномасштабным закономерностям? Опять же, можно было бы ожидать, что наши климатические условия будут однородными и стабильными. Однако, вопреки таким ожиданиям, климат на Земле сильно флуктуировал на протяжении периодов, малых по сравнению с характерным временем эволюции Солнца. Как такое возможно? Сейчас мы начинаем получать методы, позволяющие непосредственно приблизиться к решению этих вопросов.

В гл.1 данной монографии представлены избранные примеры сложных явлений, возникающих в физико-химических и биологических системах, равно как и в окружающей среде в целом. Такое описание приводит к ряду встречающихся и в других явлениях понятий, таких, как неравновесность, устойчивость, бифуркация, нарушение симметрии и дальний порядок. В гл.2 мы возвращаемся к этим понятиям и анализируем их более детально. Они становятся основными элементами того, что мы можем назвать новым научным словарем – словарем сложного.

Вслед за этими двумя чисто описательными главами в гл.3 мы обращаемся к проблеме сложного с точки зрения современной теории динамических систем. В ней обсуждаются некоторые механизмы, посредством которых нелинейная система, отклоненная от равновесия, может порождать неустойчивости, приводящие к бифуркациям и нарушению симметрии. Особое место в нашем анализе отводится внезапному появлению хаотической динамики – естественной тенденции широкого класса систем к переходу в состояния, в которых обнаруживаются как детерминистическое поведение, так и непредсказуемость.

В гл.4 мы пытаемся дать более подробное описание сложных явлений, выходящее за рамки чисто феноменологического уровня предыдущих глав. Здесь излагаются основы вероятностного анализа нелинейных неравновесных систем и строится микроскопическая модель бифуркации и эволюции. Кроме того, обсуждаются некоторые возможности использования понятия информации при описании динамических систем.

С классической точки зрения существовало резкое различие между возможностью и необходимостью, между стохастическим и детерминистическим поведением. Изучение гл.3 и 4 показывает, что в действительности наблюдается значительно более тонкая ситуация. Имеются различные формы случайности, причем некоторые из них связаны с хаотическим поведением решений простых детерминистических уравнений. В гл.5 мы обращаемся к вопросам возникновения случайности и необратимости. С ними тесно связана проблема понимания смысла энергии, а на самом деле – само понятие времени. Нам представляется, что мы начинаем приближаться к расшифровке содержания знаменитого второго закона термодинамики. Мы существуем в мире неустойчивых процессов, и это позволяет нам определить функцию энтропии. Более того, мы живем в мире, где симметрия между прошедшим и будущим нарушена, в мире, где необратимые процессы ведут к равновесию в нашем будущем. Это универсальное превалирование нарушения временной симметрии лежит в основе второго закона термодинамики.

Выше мы выразили уверенность в том, что наука призвана играть все более важную роль в попытках понять нашу глобальную окружающую среду. По этой причине одна из главных целей изложения методов анализа сложных систем, осуществленного в данной монографии, является возможность преодоления междисциплинарных барьеров и попытка взглянуть по-новому на проблемы, из которых некоторые уже "с бородой". В заключительной гл.6 мы показываем, как может выглядеть такой перенос знаний из одной области в другую. Значительная ее часть посвящена вопросам, находящимся за пределами круга традиционных проблем физических наук, таким, как динамика изменения климата, поведение общественных насекомых и человеческие популяции. Разумеется, каждая из этих проблем имеет свою собственную специфику, поэтому не следует ожидать возможности широкого обобщения соответствующих результатов. Но все-таки и в этих примерах роль нелинейностей и флуктуации проявляется очень четко. Это наводит на мысль: при моделировании таких систем нужно использовать преимущество новых перспектив, открытых перед наукой исследованиями сложных явлений в нелинейных динамических системах.

Наконец, приложения I–V посвящены количественному обзору некоторых методов, использованных в основных разделах этой монографии.

При подготовке книги мы широко пользовались обсуждениями с многочисленными коллегами и сотрудниками. Более всего мы признательны Э.Ребану за критические замечания по оригиналу рукописи и множество предложений по улучшению текста. Нам приятно также выразить признательность за помощь и предложения, которые высказали К.Базенс, Ф.Барас, Дж. Л.Денойбург, И.Элскенс, Р.Файстел, X. Фриш, Р.Мазо, М.Малек-Мансур, К.Николис, Дж. С.Николис, Г.Рао и С.Рао.

Исследования авторов в области термодинамики необратимых процессов и нелинейной динамики проводились при поддержке Международного сольвеевского института физики и химии, министерства образования и научных исследований Бельгии, комиссии ЕЭС, фонда Уэлча (Хьюстон, шт. Техас) и министерства энергетики США.

Об авторе

Пригожин Илья Романович

Выдающийся физик-теоретик и физикохимик, лауреат Нобелевской премии по химии. Родился 25 января 1917 г. в Москве. В 1921 г. семья Пригожиных эмигрировала из России. Изучал химию в Бельгии в Брюссельском свободном университете, где в 1943 г. стал бакалавром естественных наук. Через год защитил докторскую диссертацию, а в 1947 г. стал профессором физической химии Свободного университета. С 1962 г. — директор Международного института физики и химии Э. Сольвэ в Брюсселе. В 1967 г. И. Пригожин организовал и возглавил Научно-исследовательский центр статистической механики и термодинамики Техасского университета (США), который в 1977 г. был назван его именем. С 1969 г. — президент Бельгийской академии наук. И. Пригожин — почетный член академий многих стран мира, иностранный член Академии наук СССР (с 1982 г.). Удостоен почетных медалей — Аррениуса (1969) и Румфорда (1976).

Основные научные интересы И. Пригожина лежали в области термодинамики и статистической механики неравновесных процессов. Им сформулирована фундаментальная теорема учения о неравновесных процессах. Ему также принадлежит идея применимости этих результатов в биологии. В 1977 г. удостоен Нобелевской премии по химии за работы по термодинамике необратимых процессов, в первую очередь за теорию диссипативных структур.