Главная страница

Илья Пригожин: "Мы только начинем понимать природу"

 

«Мне потребовалось более пятнадцати лет, чтобы поверить в то, что истоки необратимости большинства природных процессов поддаются пониманию. Что же касается второго начала термодинамики, то я лишь начинаю чувствовать, что осмысливаю его содержание». Признания, подобные этому, от маститого специалиста услышишь не часто. В самом деле, начала термодинамики легко найти в энциклопедии или учебнике, там они изложены вроде бы предельно ясно. Для любого студента, для старшеклассника. Даже для далекого от наук любознательного читателя. А тут известный теоретик, один из создателей термодинамики неравновесных процессов сознается, что только начинает постигать.. Все-таки разные это вещи — наука устоявшаяся, застывшая в безапелляционных формулировках учебников, и наука живая, развивающаяся, сомневающаяся...

Побеседовать с профессором Брюссельского университета Пригожиным — президентом Королевской академии Бельгии, лауреатом Нобелевской премии, иностранным членом Академии наук СССР — удалось после лекции, которую он читал в июле 1983 г. в Пущино, на Международной конференции по синергетике. Беседа происходила своеобразно: вопросы по-русски — ответы по-английски. Илья Романович, хоть и живет с детства за границей, родной язык не забыл...

Наука прошлого века завещала нам не только впечатляющие достижения. Мы унаследовали по меньшей мере два фундаментальных противоречия.

Вот одно из них. После того как Дарвин открыл к 1859 году законы биологической эволюции, стало очевидным, что материи бывает свойственно стремление к усложнению, самоорганизации. Ключевые элементы учения Дарвина: идея флуктуаций, случайного отбора, стохастических процессов — и идея эволюции, необратимого зарождения новых структур. Полную противоположность этим концепциям представляет собой закон возрастания энтропии, открытый шесть лет спустя Клаузиусом. Согласно закону Клаузиуса, в изолированной системе энтропия (а это греческое слово, обозначающее развитие, превращение, почти синоним слова «эволюция») стремится к максимуму, в результате чего торжествует хаос. Система приходит к равновесию, необратимые же процессы — к конечной остановке.

Людвиг Больцман — быть может, один из величайших физиков-теоретиков всех времен — в конце прошлого века применил идею «эволюции» к поведению газов. Главный его вывод: энтропия тесно связана с вероятностью, отбором — внешне похож на то, что открыл Дарвин. Однако результат Больцмана противоположный: вероятность становится максимальной при достижении полного единообразия; приближение к устойчивому состоянию означает забвение первоначальной структуры, ее уничтожение.

Так как же, скажите, могут быть правы и Дарвин, и Больцман?

Как совместить неизбежное разрушение любых структур и их созидание, самоорганизацию?

Другое противоречие, пожалуй, еще глубже.
Прототип классической физики — классическая механика, изучение движения, описание траекторий. Главнейшие черты этого учения — обратимый характер любых перемещений и абсолютный детерминизм (задайте начальные условия — и траектория будет предсказана строжайшим образом); направление времени не играет никакой роли. Ни отбору, ни необратимым изменениям в классической механике места нет.

Квантовая механика, несмотря на то что вероятность в ней учитывается и что речь идет не о траекториях, а о волновых функциях, стоит на том же фундаменте: обратимость и детерминизм.

Какова же тогда роль времени?
Время, может быть, самая противоречивая категория физики. Вот что писал Эйнштейн: «Для нас, убежденных физиков, различие между прошлым,настоящим и будущим — всего лишь иллюзия, хотя и довольно стойкая».

С другой стороны, для нас, обыкновенных живых людей, время в высшей степени реально. Это реальность нашего повседневного опыта, наших надежд и опасений, наконец, реальность нашей ответственности за судьбы мира сегодняшнего и завтрашнего, мира, меняющегося быстро и необратимо. Закон возрастания энтропии между тем объявляет некоторые явления — например, обратный ход свершившихся уже событий — лишь маловероятными, но не невозможными. Как же совместить это с направленностью времени?

Вывод, к которому я пришел и который теперь кажется мне совершенно естественным: необратимость — весьма глубинное, коренное свойство нашего мира. Более важное, чем даже отбор по случайным признакам. Это свойство не универсально, однако именно из него вытекает ограниченная возможность предсказаний будущего...

Иными словами, не все в этой Вселенной расписано заранее и кое-что может зависеть от нашей воли, наших оступков. Такой вывод, конечно, отраден для тех, кто склонен не только размышлять, но и действовать. Однако чего-то не хватает такой Вселенной — однозначности, что ли? Существует, выходит, классический, детерминированный мир обратимых явлений, а параллельно с ним другой, необратимый, непредсказуемый...

В нашей расширяющейся Вселенной равновесные системы существуют наравне с неравновесными, живущими по другим правилам. Это, конечно, делает картину мира менее «прозрачной», чем хотелось бы, но не думаю, что осознание такой реальности следует относить к числу поражений человеческого разума. Мир в целом сложен и, вероятно, внутренне не ориентирован. Что теперь доказано четко: системы, близкие к состоянию равновесия, действительно ведут себя в соответствии с больцмановской парадигмой; структуры разрушаются. Если такую систему возмутить не слишком сильно, она реагирует однозначно — возвращается к состоянию равновесия, и другого пути у нее нет, потому что она устойчива к возмущениям. А конкретный механизм, охраняющий ее иммунитет, рано или поздно найдется.

Однако этот иммунитет теряет силу в условиях, достаточно далеких от равновесия. Ключевые слова здесь: нелинейность, неустойчивость, бифуркации. Сильно удалившись от равновесия, система может стать неустойчивой к возмущениям.

В чем это выражается?
В некоторый момент, в так называемой точке бифуркации (разветвления), отклик системы на возмущение становится неоднозначным, возврат к начальным условиям — не обязательным. Появляется выбор!

Такой поворот событий можно сопоставить с нарушениями симметрии.

Как известно, уравнения химии или, скажем, диффузии в высшей степени симметричны: замените в них геометрические координаты х, у, z на —х, —у, — z — и ничего в этих уравнениях не изменится. Однако за точкой бифуркации у них возникают два разных решения, и каждое — с нарушенной симметрией. С точки зрения математики решения равноправны, но природа, как мы знаем, обычно предпочитает одно из них.

Известно, например, что большая часть веществ живой клетки обладает определенным, предпочтительным пространственным строением. Пастер даже считал нарушения симметрии главным признаком, отличающим живое от неживого, но теперь мы знаем примеры неживых систем, также обладающих этим свойством.

Есть еще один, и притом очень наглядный, пример того, что жизнь имеет в основных законах природы куда более глубокие истоки, чем думали до недавнего времени. Я имею в виду «химические часы» — колебательные реакции, о которых сейчас говорят и пишут чрезвычайно много.

Их демонстрация успела стать рутинным опытом, вошедшим в курсы химии многих университетов и колледжей; эксперимент действительно очень прост, и тем не менее это, вероятно, один из важнейших экспериментов нашего века!

Ведь что, в самом деле, происходит? Основа колебательной реакции — наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой — В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного или синего. Но когда условия далеки от равновесных, происходит совершенна иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом.

Это действительно неожиданность. Ведь мы привыкли считать, что молекулы взаимодействуют только на близких расстояниях и ничего «не знают» о своих дальних соседях. А здесь система реагирует как единое целое. Такое поведение традиционно приписывалось только живому — теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых...

Жизнь перестала числиться случайностью. Ведь из-за того, что для классической термодинамики невозможных событий в принципе нет, получала право на существование точка зрения, согласно которой жизнь — это лишь нечаянный инцидент в истории Вселенной, своего рода флуктуация, которая почему-то способна сама себя поддерживать.

Теперь от этого заблуждения можно уверенно отказаться. Я бы сказал так: жизнь возникает всякий раз, когда появляются некий текст и соответствующий ему «читатель». Сейчас мы занимаемся экспериментами с так называемой системой Лоуренса — сложной колебательной реакцией, в которой периодически меняется концентрация сразу трех компонентов. В условиях, далеких от равновесия, наблюдаются колебания, в которых налицо определенная последовательность, текст!

Конечно, этот текст крайне примитивен, но, во-первых, он налицо, а во-вторых, система обнаруживает высочайшую чувствительность к изменению внешних условий. А что такое жизнь? Ведь это не просто сочетание определенных химических реакций. Нельзя забывать, что живые системы формировались под действием гравитации, обеспечивающей определенную ориентацию в пространстве, в окружении электромагнитных полей, под влиянием ритмов — суточных, годовых и прочих, существующих на нашей вполне реальной планете. То есть решающую роль должны были играть те химические процессы, которые чутко откликаются на изменения этих условий.

Еще раз повторяю: модель, которую мы изучаем, очень груба, но некоторые принципиальные моменты она демонстрирует довольно наглядно.*.

Сейчас много говорят о гуманитаризации знания — да, она происходит. Вероятно, мы находимся лишь в начале долгого пути и только начинаем понимать природу. На глазах меняется наука, меняются ее служители. Они становятся более чем когда-либо естествоиспытателями. Видимо, это — финал великой научной революции, начатой в свое время Галилеем и Ньютоном. Установившееся в результате ее успехов, ставшее для европейцев традиционным видение мира — взгляд со стороны. Человек ставит опыты, ищет объяснение их результатам, но сам себя частью изучаемой природы не считает. Он — вне ее, выше. Теперь же начинают изучать природу изнутри, учитывать и наше личное присутствие во Вселенной, принимать во внимание наши чувства и эмоции...

Классическое видение мира допускало неограниченную власть индивидуального разума. Целью познания считалось открытие абсолютно ясных, однозначных законов, позволяющих до мельчайших подробностей описать и предсказать любое событие. Интеллекту учено-но, в сущности, передавались функции только что вытесненного бога. Теперь наука избавляется от рудиментов метафизики. Я бы сказал, что это способствует большей терпимости, менее догматическому подходу, «ересь» становится все менее наказуемой. Едва ли чей-то разум может объять современное знание полностью.

И вот какая напрашивается аналогия.

Я давно интересуюсь наукой о поведении насекомых, особенно муравьев. В последнее время она достигла немалых успехов. Поражает следующее: каждый муравей, существо, в миллион раз меньше человека, знает очень мало и весьма уязвим. Однако сообщество множества особей оказывается экологически весьма устойчивым. Причина успеха — в замечательной коллективной стратегии поведения, развитой системе сотрудничества. Наука наших дней, как мне кажется, тоже коллективная стратегия, помогающая человечеству сохранять устойчивость. Стратегия сотрудничества, которое не может быть успешным, если в нем не будут участвовать люди разных стран, представители разных отраслей знания.

Источник: Библиотека журнала "Химия и жизнь" Краткий миг торжества, Москва, 1989


 

генезис
шахматы и культура

Рейтинг@Mail.ru

HotLog