Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Основные свойства самоорганизующихся систем

Если параметры системы  достигают определенных критических  значений, то система переходит в  состояние хаоса.

Состояние максимальной хаотичности  неравновесного процесса называют точкой бифуркации. Точки бифуркации –  это точки равновесия как устойчивого, так и неустойчивого точки  «выбора» дальнейшего пути развития системы.

Для синергетики важны  неустойчивые состояния. Появление  неустойчивых состояний создает  потенциальную возможность системе  перейти в новое качественное состояние. Оно будет характеризоваться  новыми параметрами системы и  новым режимом ее функционирования.

В состояниях выбора пути, то есть в точках бифуркаций большое  значение имеют случайные флуктуации (колебания). От них зависит, по какому пути из множества возможных система  будет выходить из состояния неустойчивости. Многие флуктуации рассеиваются, некоторые  не оказывают влияния на дальнейший путь развития системы как очень  слабые. Но при определенных, пороговых  условиях за счет случайных внешних  воздействий эти флуктуации могут  усиливаться и действовать в  резонанс, подталкивая систему к  выбору определенного пути развития (определенной траектории).

В точках бифуркации самоорганизующаяся система, стоя перед выбором путей  развития, образует множество диссипативных  динамических микроструктур, как бы «эмбрионов» будущих состояний  системы – фракталов. Набор таких  состояний в точках бифуркаций перед  выбором дальнейшего пути и образует детерминированный, или динамический, хаос. Однако большинство этих будущих  прообразов системы – фрактальных  образований гибнет в конкурентной борьбе. В результате выживает та микроструктура, которая является наиболее приспособленной  к внешним условиям. Весь этот процесс  носит случайный и неопределенный характер. Выжившая в конкурентной борьбе фрактальных образований  формирующаяся макроструктура получила название аттрактора (см. выше). В результате этого система переходит в  новое качественно более высокое  организационное состояние. Направление  движения этого аттрактора начинает подчиняться необходимости. Система  теперь ведет себя как жестко детерминированная.

Таким образом, аттрактор  представляет собой отрезок эволюционного  пути от точки бифуркации до определенного  финала (им может быть другая точка  бифуркации). Обычные аттракторы характеризуются  устойчивостью динамической системы. Аттрактор как бы притягивает  к себе подобно магниту множество  различных траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. Здесь очень важную роль играют кооперативные, совместные процессы, которые основываются на когерентном, то есть согласованном, взаимодействии всех элементов зарождающейся  устойчивой структуры.

Аттрактор можно сравнить с конусом или воронкой, которые  своей широкой частью обращены к  зоне ветвления, то есть к точке бифуркации, а узкой частью – к конечному  результату, то есть к упорядоченной  структуре. Если система попадает в  сферу действия определенного аттрактора, то она эволюционирует именно к нему. Разными путями эволюция выходит  на одни и те же аттракторы. В результате этого формируются параметры  порядка, то есть устойчивого динамического  состояния. В этом состоянии система  может находиться до тех пор, пока в силу каких-либо причин, а также  случайных флуктуаций она вновь  не придет в неустойчивое положение. Эти причины связаны с дисгармонией, несоответствием внутреннего состояния  открытой системы внешним условиям окружающей ее среды. Вследствие этого  система теряет свою устойчивость, возвращаясь к хаотическому состоянию, и у нее вновь появляется множество  новых путей развития. Для наглядности  бифуркационный процесс эволюции системы можно представить в виде бифуркационного дерева (рис. 8.1).

По подобному принципу в виде эволюционного дерева можно  представить развитие биологических  видов или антропогенеза.

В точках бифуркации даже маленькое  случайное изменение может привести к серьезному возмущению системы. Поэтому  самоорганизующимся системам нельзя грубо  навязывать определенные пути развития. Здесь необходимо исследовать и  найти пути совместной жизни природы  и человека, стараться глубоко  познать природу их совместной эволюции, коэволюции.

Основы теории бифуркаций были заложены в начале XX в. французским математиком А. Пуанкаре и русским математиком А. Ляпуновым. В дальнейшем эта теория получила развитие в школе русского физика А. Андронова. Теория бифуркаций в настоящее время находит широкое применение в междисциплинарных науках, а также в физике, химии, биологии.

Рис. 8.1. Бифуркационный характер эволюции системы (X, Z – параметры системы, t – время, А и В – точки бифуркации)

Эволюционное движение системы  обязательно связано с необходимостью перестройки адаптивных механизмов на качественно новый, более высокий  уровень. Если система благодаря  внутренней перестройке смогла (успела) адаптироваться к новым условиям, то она приобретает новое, организационно более высокое, устойчивое состояние; если нет, то она разрушается и  гибнет. В адаптированном устойчивом положении система может находиться до следующей случайной флуктуации, после которой ситуация повторяется. По этой схеме идет эволюционное развитие всех систем на всех структурных уровнях, хотя скорость этого процесса различна. Так, химическая эволюция Вселенной  продолжается от времени Большого взрыва до наших дней – это около 20 млрд лет, эволюция живой материи – 3,7 млрд лет, эволюция человека – около 2 млн лет, а человеческого общества – порядка нескольких десятков тысяч лет.

С точки зрения синергетической  самоорганизации жизнь зародилась в диапазоне сложных систем. В  этом случае следует считать жизнь  совокупностью («сборкой») физико-химических элементов.

С позиций синергетики  закономерным представляется и эволюция мира живого, которая по линии развития древесных млекопитающих привела  к появлению человека как биологического вида, а также человеческого общества как социальной системы.

Бифуркационное дерево как модель эволюции природы, человека, общества

Синергетическую модель эволюции неживой, живой природы и человеческого  общества с точки зрения бифуркационных изменений можно представить в виде глобального процесса самоорганизации материи во Вселенной. Этот процесс идет на трех уровнях.

1. Первый уровень представлен самоорганизацией и эволюцией неживой (косной) материи. Это химическая эволюция, идущая по направлению: элементарные частицы-атомы-молекулы, а также структурная эволюция, идущая по направлению: газопылевые туманности-звездные системы-галактики-метагалактики-Вселенная.

Косное вещество самоорганизовывалось посредством отражения косной материи и обмена физической информацией, носителем которой являются различные фундаментальные взаимодействия. Этот этап (этап предбиологической эволюции) длится от момента Большого взрыва по настоящее время.

2. Второй уровень представляет собой самоорганизацию и эволюцию живого вещества. Можно предположить, что в какой-то момент эволюции косной материи во Вселенной в какой-то определенной точке (в данном случае на Земле, а может, еще где-то) в результате диссипации случайно создались условия для группировки органических молекул в комплексы (системы), у которых со временем через ряд бифуркаций появилась способность к саморегуляции и самовоспроизведению. В результате обмена веществом и энергией с изменяющейся окружающей средой шло постепенное последовательное усложнение органических систем в течение многих миллиардов лет, что привело к возникновению высокоорганизованной формы материи – живому веществу, то есть растений и животных.

Постоянные сложные взаимодействия живого с косной материей в виде потоков вещества, энергии и информации поддерживали динамическую устойчивость живых систем на разных уровнях их организации и сложности. Живые  системы, чтобы выжить, обладали более  сложной формой отражения опережающего характера, нежели косные. У живых  систем выработались особые формы приема, накопления и передачи информации. Самой высокоорганизованной формой живого оказался человек, обладающий разумом, способный реально анализировать  и познавать окружающий мир, искать и находить свое место в нем. Весь этот процесс самоорганизации и  эволюции живого вещества на планете  Земля продолжается вот уже более 3,5 млрд лет.

3. Третий уровень – организация человеческого общества, то есть социальный. На каком-то определенном отрезке длинного эволюционного пути от высших животных до человека возникают условия для появления сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. В этих сообществах в процессе самоорганизации в течение миллионов лет происходила как социальная, так и психологическая эволюция человека. В конце концов человек стал вершиной пирамиды всего живого на Земле. Уровень познания природы человеком резко возрос, усложнились коммуникативные отношения и связи. Человек окружил себя мощной техносферой. Высокая техническая и технологическая оснащенность позволяет человеку изменять облик планеты, создавать искусственную среду обитания в любой точке планеты, а также в околоземном пространстве. Человек стал серьезно изменять характер энергетических вещественных и информационных потоков в биосфере, влиять на направленность биогеохимических циклов.

В связи с таким ходом  развития человеческого общества встает глобальный вопрос, куда пойдет эволюционная ветвь его дальнейшего развития на Земле, если рассматривать этот процесс  через призму бифуркационных ветвлений.

В настоящее время в  результате исторического развития человеческого общества возникли проблемы, связанные с антропогенной деятельностью  человека: это взаимоотношения человека и природы, людей между собой, отдельной личности и человеческого  общества. Эти проблемы порождены  тем, что современная цивилизация  в центр своего бытия поставила  покорение природы, потребительское  отношение к ней. Она смотрит  на мир вообще и на конкретные его  объекты в частности только с  точки зрения их полезности и практического  использования, создав при этом массу  глобальных проблем. Они привели  человечество к так называемому  цивилизованному кризису, где доминирует парадигма личной выгоды, соперничества  и борьбы. На возможность такого кризиса указывал еще В. Вернадский. Ускорение процессов развития человечества сопровождается понижением уровня его  устойчивости, стабильности, возникновением новых аттракторов. Эволюция на Земле  приобрела планетарный характер, в нее вовлекаются природные  и социальные системы. Советский  академик, работающий в области прикладной математики и физики, Н. Моисеев, выдвигает  человечеству два требования (императива) – экологического и нравственного порядка. Экологический императив заключается в том, что нельзя ставить экономические интересы человечества выше экологических. Нравственный императив призывает к обновлению нравственности в соответствии с необходимостью коэволюции природных и общественных систем. Русский философ Н. Бердяев в первой половине XX в., анализируя будущее человечества, поставил ему диагноз:

Индивидуализм, атомизация общества, безудержная похоть жизни, неограниченный рост народонаселения и неограниченный рост потребностей, упадок веры, ослабление духовной жизни – все это привело к созданию индустриально-капиталистической системы, которая изменила весь характер человеческой жизни, весь стиль ее, оторвав жизнь человеческую от ритма природы.

Сегодня переживает кризис сама исходная парадигма социума, направляющая все свои силы и средства на хищническое  освоение природы, не учитывая ее возможностей. В кризисе и самосознание человека, и его культура. Этот кризис не позволяет  ему справиться со все углубляющимися глобальными проблемами. Природа может сбросить «непослушное ей» человечество с лица Земли.

Сейчас необходимо осознать, что XXI в. может стать концом человеческой цивилизации, социальное время может закончиться. Поэтому борьба за выживание есть борьба и за время, которого может не хватить, чтобы осознать реальные условия существующего мира и приспособиться к ним.

Радикальным действием человека по преодолению кризиса в системе  «общество-природа», по мнению группы ученых, разрабатывающих современное  учение о ноосфере (Д. Беккер, Н. Моисеев, А. Урсул и др.), должно быть формирование личности нового типа. Человек третьего тысячелетия должен обладать высокой  экологической культурой и планетарным  сознанием. Именно экологическая культура определяет характер и качественный уровень отношений между человеком  и социоприродной средой. Экологическая культура проявляется в системе духовных ценностей, а также во всех видах и результатах человеческой деятельности в отношении природы. Глубокое осознание общих закономерностей развития мира, всех взаимосвязей между природой, человеческим обществом и культурой способствует правильному определению человеком своего места в системе мироздания, а также корректному образу мышления и соответствующему поведению в социоприродной среде.

Свойства самоорганизующихся систем.

Под самоорганизацией обычно понимают процессы самоконструирования, саморегулирования, самовоспроизведения систем различной природы. Это «изменение организации, происходящее в большей или меньшей мере относительно активно, самостоятельно и спонтанно». 
Непосредственным объектом теории самоорганизации являются самоорганизующиеся системы. Рассмотрим основные признаки самоорганизующихся систем. 
1. Самоорганизующаяся система — это система динамическая, ее движение носит нелинейный характер. 
Особенности феномена нелинейности состоят в следующем. 
Во-первых, благодаря нелинейности имеет силу важнейший принцип «развертывания малого» или «усиления флуктуаций». Под «флуктуацией» в широком смысле слова понимается внешнее воздействие, в строгом смысле слова — как физическая категория – случайные отклонения мгновенных значений величин от их средних значений (от состояния равновесия). При определенных условиях нелинейность может усилить флуктуации – делать малое отличие большим, макроскопическим по последствиям. 
Во-вторых, определенные классы нелинейных открытых систем демонстрируют другое важное свойство – пороговость чувствительности. Ниже порога все уменьшается, стирается, забывается, не оставляет никаких следов в природе, науке, культуре, а выше порога, наоборот, все многократно возрастает. 
В-третьих, нелинейность порождает своего рода квантовый эффект – дискретность путей эволюции нелинейных систем (сред). То есть на данной нелинейной среде возможен не любой путь эволюции, а лишь определенный набор этих путей, определяемый спектром устойчивых состояний, структур-аттракторов. 
В-четвертых, нелинейность означает возможность неожиданных, называемых в философии эмерджентными, изменений направления течения процессов. Нелинейность процессов делает принципиально ненадежными и недостаточными весьма распространенные до сих пор прогнозы – экстраполяции от наличного. Ибо развитие совершается через случайность выбора пути в момент качественных преобразований системы, а сама случайность обычно не повторяется вновь. 
2. Самоорганизующаяся система — это система открытая, что обеспечивает вещественно-энергетический и информационный обмен со средой. Открытая система обладает как “источниками” – зонами подпитки ее энергией окружающей среды, действие которых способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, так и “стоками” – зонами рассеяния энергии, в результате действия которых происходит сглаживание структурных неоднородностей в системе. Открытая система способна усваивать внешние воздействия и находится в постоянном изменении. 
3. Самоорганизующаяся система — это система неравновесная, т.к. процессы самоорганизации возможны только в открытых неравновесных системах, находящихся достаточно далеко от точки термодинамического равновесия.  
Равновесие, устойчивость – свойства, которые в классической парадигме мышления, как правило, отождествлялись и характеризовали стационарное состояние системы. В синергетической концепции эти понятия конкретизируются в зависимости от типа системы. В идеальных, закрытых системах устойчивость, действительно, обозначает высокую степень упорядоченности и организованности системы. Но в закрытой системе неизбежно наступает момент, когда внутренние резервы системы оказываются исчерпаны, далее — по законам термодинамической необратимости — происходит нарастание энтропии (беспорядка, дезорганизации) и – в конечном результате – абсолютное равновесие означает фактическую «смерть» системы (словами Г.Спенсера), ее распад, возвращение к состоянию термодинамического хаоса. 
Описанное в первой модели состояние характерно и для открытых систем с высоким уровнем энтропии, когда система как бы флуктуирует около конечного (наиболее вероятного) состояния, отклоняясь от него лишь на небольшие расстояния и на короткие промежутки времени. Эти отклонения связаны с теми незначительными изменениями условий, которые возникают благодаря ее открытому состоянию. В конечном счете, она неизбежно перейдет в одно из микроскопических состояний, соответствующих макроскопическому состоянию хаоса, поскольку именно такие макроскопические состояния составляют подавляющее большинство всех возможных микроскопических состояний. И.Пригожин называет такое состояние (за его «неизбежность») глобальным, асимптотически устойчивым состоянием или глобальным аттрактором – исключительно сильной формой устойчивости, связанной с неуклонным ростом энтропии. Таким образом, в модели данного типа устойчивости мы встречаемся с первым парадоксом (а точнее – взаимодополняющим описанием) хаоса и порядка: максимально устойчивое, равновесное и симметричное состояние системы, соответствующее интуитивному образу порядка, есть описание молекулярного, термодинамического хаоса. 
Другой тип устойчивости открытых динамических систем И. Пригожин и называет термином «стационарное состояние». Как образуется такое состояние? Чтобы понять это, необходимо учесть те изменения, которые разворачиваются в открытой системе за счет «переработки» ею внешнего вклада энергии и ресурсов. Изменения энтропии во времени в данном случае связаны с двумя противоположными процессами: «потоком энтропии», зависящим от обмена системы с окружающей средой (негэнтропии), и «производством энтропии», обусловленным необратимыми процессами внутри системы. В стационарном состоянии положительное производство энтропии компенсируется отрицательным потоком энтропии за счет обмена с окружающей средой. Так возникает особого рода устойчивое состояние в системе, находящейся вдали от равновесия (сильно неравновесной), т.е. устойчивое состояние сильно неравновесной системы. Вместе с тем такое «устойчивое стационарное состояние» является крайне неустойчивым в своем хрупком балансе энтропийно-негэнтропийных потоков. Эта неустойчивость проявляется в том, что такое состояние чрезвычайно чувствительно к флуктуациям. Если рассмотренная ранее равновесная система с высокой энтропией с легкостью гасила такие флуктуации, то сильно неравновесная система может реагировать на них самым решительным образом. Возможность потери устойчивости состояний в системах, далеких от равновесия, при определенных условиях открывает путь процессам самоорганизации. Именно самоорганизация в данной ситуации выступает механизмом упорядочения системы. Синергетика изучает два типа структур: диссипативные (возникающие в результате самоорганизации, для осуществления которой необходим рассеивающий (диссипативный) фактор) и нестационарные (возникающие за счет активности нелинейных источников энергии). Исследование диссипативных структур развивается, в частности, в работах И.Пригожина, нестационарных – в работах С.П.Курдюмова и Е.Н.Князевой. 
Структура изменяющейся системы характеризуется единством устойчивости и неустойчивости. Каждая такая система имеет (как минимум) два различных стационарных состояния, из которых в данный момент лишь одно устойчиво. Более того, одно и то же стационарное состояние такой системы при одних условиях может определяться как устойчивое, а при других – как неустойчивое, т.е. возможен переход в другое стационарное состояние. Свойство системы иметь в своей структуре различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам поведения этой системы обусловлено нелинейным характером ее развития (см. признак№1). Внешние воздействия могут вызвать отклонения такой системы от ее стационарного состояния в любом направлении, поэтому эволюция поведения данного типа систем сложна и неоднозначна, прогноз в области неустойчивости может опираться только на предшествующий опыт. 
Таким образом, мы в очередной раз убедились, насколько важно, применяя термины «устойчивость», «стационарность», «равновесие», учитывать методологический контекст их интерпретации. 
Важной отличительной чертой процесса возникновения структур является появление синергетического эффекта – коллективного движения микроэлементов системы. 
4. Самоорганизующаяся система — это система, в образовании которой решающую роль играют кооперативные процессы, основывающиеся на когерентном, или согласованном, взаимодействии элементов системы. Изменяется сам тип молекулярного поведения. И.Пригожин характеризует эти изменения, используя следующий образ: «В равновесном состоянии молекулы ведут себя независимо: каждая из них игнорирует остальные. Такие независимые частицы можно было бы назвать гипнонами («сомнамбулами»). Каждая из них может быть сколь угодно сложной, но при этом «не замечать» присутствия остальных молекул. Переход в неравновесное состояние пробуждает гипноны и устанавливает когерентность, совершенно чуждую их поведению в неравновесных условиях» (45. -С.240). Условием появления согласованности, когерентности, «коллективного поведения» молекулярных частиц является синхронизация пространственно разделенных процессов.