Механистический и системный подходы в науке
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

 

Давно подмечено, что к пониманию сути явлений можно идти двумя путями: редукционистским и холистский. Редукционизм предполагает необходимость разложения явления на составляющие его детали, механизмы и прочие частности. Считается, что, зная механизмы данного явления, мы можем судить о явлении в целом, а значит, прогнозировать его, воспроизводить и использовать в практике. Холизм исходит из наличия факта существования самого явления как некой целостности, не вдаваясь в вопросы о механизмах его реализации. Зная особенности этой целостности, можно прогнозировать свойства элементов, из которой она состоит.

В частности в физике, можно выделить два класса законов природы: дифференциальные (например, второй закон Ньютона, уравнения Максвелла и т.п.) и интегральные (например, законы сохранения энергии, импульса и т.п.). В экологии также прослеживаются две тенденции к изучению явлений: популяционный, рассматривающий природу как совокупность взаимодействующих друг с другом популяций различных видов растений и животных, и экосистемный, исходящий из факта целостности и единства экосистемы, как некоего слаженного организма. И в этом плане, например, нет принципиальных отличий между многоклеточным организмом, как четко упорядоченной системой одноклеточных существ, и социальным организмом, то есть системой многоклеточных существ. Именно на понимании природы как единого организма построен данный курс экологии.

Впервые достаточно последовательно и продуманно редукционистский подход использовал в научной деятельности Исаак Ньютон, и тот достаточно хорошо себя оправдал. Всеми достижениями современной цивилизации мы обязаны именно редукционистскому подходу. Этому способствует ряд его достоинств, основанных на понятии моделирования.

Построению любой модели предшествует процесс изучения реального объекта - оригинала. В результате мы выявляем его наиболее существенные стороны. Этот процесс называется анализом. Затем мы воспроизводим выявленные стороны оригинала в модели, после чего модель оказывается подобной оригиналу с точностью до отсеенных несущественных деталей. Этот процесс называется синтез.

Изучая реальное явление, мы не можем учесть всех связей, поэтому выделяем только наиболее существенные его стороны, не учитывая второстепенных. Поэтому модель всегда отражает процессы, протекающие в оригинале, лишь с определенной степенью точности. Это разгружает модель от несущественных деталей, позволяя добиться четкого и ясного понимания некоторых конкретных механизмов реальных явлений.

В то же время в модели не находят отражение такие стороны явлений, которые человек либо посчитал несущественными, либо упустил из внимания. Поэтому моделирование никогда не дает абсолютно точного результата. Всегда есть вероятность существенной ошибки. И тем не менее достигнутая точность оказывалась, как правило, достаточной для технической реализации полученных знаний.

Успех редукционизма породил в науке так называемый механистический подход к пониманию явлений природы, в основе которого лежат четыре его наиболее основополагающих принципа:

1) редукционизм - первопричины всех явлений лежат в поведении элементов, из которых построено явление; знание законов микромира определяет уровень наших знаний макроявлений;

2) экспериментальность - все можно измерить (дать количественную оценку), неизмеряемым сущностям нет места в науке;

3) повторяемость - научным считается только такой результат, который может быть повторен в других лабораториях и прочих научных подразделениях;

4) антителеологичность - все, что кажется целенаправленным, можно объяснить действием естественных "слепых" законов природы.

Благодаря своим успехам в исследовании вещественно-энергетических качеств природы механистический подход прочно утвердился в психологии не только ученых, но и людей, далеких от науки. Однако сложившиеся стереотипы мышления до сих пор не позволяют сдвинуться существенно в понимании так называемых "сложных систем", к числу которых, в частности, относятся все биосистемы, поведение которых не удается объяснить в рамках механистического подхода.

Особенность сложных систем - существенная взаимосвязь их свойств. Поэтому однофакторные эксперименты над сложными системами не эффективны, а многофакторные не позволяют выявить простых законов, которым бы подчинялись сложные системы, и которые абсолютизирует механистический подход. Многие свойства сложных систем оказываются понятными только при рассмотрении систем как единого целого, которое, в принципе, невозможно разложить на составляющие (попробуйте, например, разложить на составляющие свое "Я").

И тем не менее надежды ученых всего мира понять феномен жизни исходя из принципов редукционизма живы и по сей день. Поэтому мы пытаемся досконально изучить строение тел живых организмов, строение клеток, из которых они построены, строение молекул и т.п. Мы уже добились впечатляющих успехов. Мы знаем, какие участки мозга управляют различными подсистемами организма. Умеем вызывать у подопытных животных чувство наслаждения или раздражения, возбуждая определенные центры мозга. Но до сих пор от понимания ускользает природа целесообразности, в соответствии с которой происходит организация взаимодействия всех подсистем организма, и не только организма, но и природы в целом. И уж совсем за рамками понимания остаются феномены идеальных образов, творимых человеком для понимания мира и управления своим организмом.

Оказывается, что попытки понять мир только исходя из принципов редукционизма изначально несостоятельны.

Еще в древности был сформулирован принцип единства Вселенной: все явления Вселенной находятся в тесной и неразрывной взаимосвязи. То есть любое явление, любое изменение "сигнализирует" о себе во все "уголки" Вселенной. Современная наука с этим полностью согласна. Например, одной из моделей электрона является "облако вероятностей", то есть нечто, "размазанное" по всей Вселенной, что позволяет в принципе обнаружить данную частицу в любой сколь угодно далекой точке, но с разной вероятностью. Вся Вселенная погружена в это облако и любое явление воздействует на него. Свойство заполнять собой всю Вселенную можно распространить на любое явление природы, которое оказывается связанным с другими явлениями бесконечным количеством связей. Если мы не учтем все связи, то не получим полного знания о данном явлении, а значит, заранее обречены на непонимание, ошибку в своих рассуждениях.

Но рассудок не в состоянии вместить в себя всю бесконечность многообразия связей данного явления, поэтому изначально предполагает наличие ошибки. В основе этой ошибки лежит склонность нашего рассудка к точности и непротиворечивости знаний. Именно эта идея заложена в самом фундаменте механистического подхода.

Но, как оказалось, попытки понять мир, опираясь на непротиворечивые системы знаний, противоречат самим законам логики. Впервые формально точно это было показано К. Геделем. В 1931 году он на примере арифметики как одной из точных систем знаний дал доказательство так называемых "теорем о неполноте":

1) если арифметическая формальная система непротиворечива, то она неполна;

2) если арифметическая формальная система непротиворечива, то не существует доказательства ее непротиворечивости, проведенного средствами, формализуемыми в этой системе.

То есть попытки построения любой полной и одновременно точной и непротиворечивой системы знаний неразрывно связаны с появлением предложений, и утверждение, и отрицание которых в равной степени формально выводимо в этой системе, а именно: некоторое предложение А формально доказуемо тогда и только тогда, когда доказуемо и его формальное отрицание не-А. Данное противоречие может быть разрешено только со стороны некоторой метаобласти (надсистемы) по отношению к данной системе. В качестве такой метаобласти, то есть в качестве беспристрастного судьи, обычно выбирается природа. Человек ставит эксперимент, и сама природа, как ему кажется, однозначно определяет, какое из предложений - А или не-А - является истинным. Такое предложение затем вносится в данную систему знаний в качестве аксиомы, закона природы, то есть без доказательства, как данность.

Как оказалось, подобные противоречивые формулы возникают всякий раз, когда мы пытаемся сформулировать в рамках данной теории какое-то глобальное обобщение, то есть придать данной системе знаний полноту, выраженную в глобальной формуле, из которой можно вывести любое частное знание. Наиболее простой и распространенный пример - парадокс лжеца: "все, сказанное мною, есть ложь" (если я действительно такой лжец, то по крайней мере в этой фразе я говорю правду, но, значит, не все, сказанное мною, есть ложь, попытка обобщения приводит к отрицанию исходной аксиомы "я лжец"). Поэтому, идя путем точных знаний, мы обречены на их бесконечную множественность, не дающую нам право сделать глобальное обобщение, чтобы одной стройной формулой или теорией объяснить мир или хотя бы одно из явлений этого мира. Но бесконечность это слишком много, рассудок не в состоянии познать мир без обобщений. Поэтому мы должны смириться с тем, что природа изначально противоречива. Но, может быть, довериться эксперименту, который расставит все по своим местам и снимет противоречие?

Как оказалось, природа также не может выступать в роли беспристрастного судьи. Так, одна группа экспериментов может однозначно свидетельствовать в пользу волновой природы света, другая же - в пользу корпускулярной. Но две эти теории взаимно исключают друг друга, как А и не-А. Похоже, что противоречивость лежит в самой основе мироздания.

Впервые к этому выводу пришла квантовая теория, когда один из ее основателей, Н. Бор, сформулировал так называемый "принцип дополнительности", который говорит о том, что понять явление можно только применив для этого взаимоисключающие классы понятий, которые могут использоваться обособленно в зависимости от конкретных условий, но только взятые вместе дают полное знание о данном явлении. Примером применения данного принципа является признание двойственной корпускулярно-волновой природы микрочастиц.

Таким образом, в понимании любого явления мы можем выявить по крайней мере две абсолютно отрицающие друг друга точки зрения, каждая из которых будет по-своему верна (будет иметь своих убежденных сторонников), но в отдельности они будут отражать только часть истины. И только в компромиссе между обеими точками зрения лежит полное понимание сути явления. Здесь наука вплотную столкнулась с давней философской концепцией дуальности и противоречивости мира (инь и ян).

Распространение принципа дополнительности и квантованности на категории пространства и времени позволили сформулировать вывод о том, что на субквантовом уровне весь мир существует как "неделимая единица" (Д. Бом). То есть стоит выйти за определенные достаточно малые пространственно-временные размеры, как мир теряет свойство множественности и разделенности на относительно обособленные элементы (тела, объекты и т.п.) и предстает как нечто физически неделимое, сплошное, как целое, единица, монада.

Фактически о мире нельзя утверждать ни то, что он есть нечто множественное, ни то, что он есть только единое (принцип дополнительности). Его множественная структура несомненна на уровне макромира, но по мере углубления в микромир все более обнаруживается относительность выделенности и самостоятельности элементов мира, пока наконец не исчезает всякое различие на субквантовом уровне (при приближении к планковской длине порядка 10-32 м, меньше этой длины в природе не существует, так как в этих масштабах само понятие пространства теряет смысл), где обнаруживается противоположная и дополнительная сторона мира, как "неделимого целого". Судя по всему эта же сторона мира выходит на первый план, когда мы пытаемся охватить единым пониманием и структуры мегамира, в частности Вселенную в целом.

Это значит, что наряду с очевидной для нас стороной мира, как нечто множественного, то есть некоторого пространственно-временного континуума, в который погружен материальный мир, состоящий из множества вещей, объектов, явлений и т.п., следует ожидать проявления в нем таких особенностей, для которых понятие множественности абсолютно неприменимо. То есть можно ожидать наличие таких систем отсчета, в которых весь мир представляется как единое и органичное целое. В этом и состоит основа холистического подхода к пониманию мира.

Древние знали об этом. Так в гимнах Ригведы говорится: "едино то, что стало всем". К счастью, в настоящее время наметился позитивный сдвиг в направлении преодоления высокомерного представления о безусловном превосходстве научного знания над древним эмпирическим, которому было свойственно осознание целостности природы.

Можно бесконечно спорить о том, является ли Вселенная единым живым организмом, обладающим всеми качествами, присущими всем живым существам (в частности и личностными качествами, вплоть до индивидуальности и разумности), или же Вселенная является удачно организованной совокупностью физических явлений. Обе эти стороны имеют массу подтверждений, о чем свидетельствует огромное количество сторонников той и другой точек зрения. Поэтому согласно принципу дополнительности обе эти стороны, вероятно, присутствуют в реальности, но ни одна из них в отдельности не отражает всей полноты мироздания.

В науке холистский путь к пониманию сути явлений нашел воплощение совсем недавно, когда были сформулированы принципы так называемого системного подхода, дополняющие собой принципы механистического подхода. Системный подход является новым этапом в развитии методов познания. Его основное положение - природу можно понять только как систему, противоречивую в самой себе. А это значит, что любое однозначное понимание явлений природы, любое утверждение, каким бы убедительным оно не казалось, отражает лишь одну точку зрения и совершенно неприемлемо в каких-то других специфических условиях. Любая монополия на истину всегда ущербна и ведет к неполноте данной системы знаний, а в перспективе - к заблуждению.

Именно в этом состоит характерная особенность современного человечества. Одним из наиболее уважаемых нами качеств человека является последовательность, приверженность определенным принципам. Это делает человека предсказуемым и более удобным в общении. Поэтому несмотря на разнообразие мнений мировоззрение каждого отдельного человека тяготеет, как правило, к однозначности и непротиворечивости. Но природа изначально противоречива, поэтому любое однозначное мировоззрение далеко от истины.

Если бы в структурах организмов живых существ была заложена противоречивость мира во всей ее полноте, то, возможно, они не смогли бы нормально функционировать, потому что в организме все должно быть тесно и однозначно взаимосвязано. Излишняя случайность и неоднозначность губительны для физиологии живого организма. Тем и отличается живой мир от неживого, что он асимметричен. В нем одна сторона мира преобладает над другой. Природа по-своему сгладила это несовершенство жизни, она "изобрела" видовое разнообразие. Каждый отдельный организм неспособен нести в себе всю полноту истины, но чем разнообразнее формы отдельных организмов, тем ближе живой мир к совершенству. Только природа в целом способна приблизиться к совершенству, каждый отдельный организм вынужден смириться со своим несовершенством.

На уровне конкретного вида ущербность живых организмов существенно компенсируется двуполостью. Только благодаря "изобретению" двуполости природа смогла создать устойчивые сложные организмы. Каждое из существ двуполой пары, например мужчина и женщина, по-своему однозначны и предсказуемы, но они абсолютно противоположны друг другу и взаимодополняют друг друга не только по строению тела, но и по своим функциям в природе и обществе и по своему отношению к миру. Образно это можно представить в виде двух векторов В1 и В2, ортогональных друг к другу (рис.4), а потому их проекции друг на друга (понимание, подобие) равны нулю. Поэтому так типичны семейные неурядицы, вызванные абсолютной противоположностью и взаимным непониманием супругов. Но именно в этом сила семьи, так как семья способна вместить противоречивость мира.

Рис.4

Любое внешнее природное явление Х (явление само по себе, как оно есть, вещь в себе, ноумен, полная истина) дает свои проекции на менталитет мужчины (X1) и женщины (X2). Каждый из них воспринимает свою составляющую полной истины. В зависимости от соотношения проекций, то есть в зависимости от того, как ориентирован вектор Х к ортогональному базису семьи, один из супругов более уверен в правоте своей оценки, другой менее уверен. В результате рождается компромисс, который позволяет сделать семье единственно правильный шаг, на который не способен однозначно мыслящий одиночка, который будет видеть всегда только свою составляющую полной истины и, всегда идя в одном направлении, он обязательно придет к ошибке, возможно, даже к собственной гибели. Потому что полная истина динамична, вектор Х находится в постоянном движении, и нужно всегда уметь оценить его положение. Иногда кто-нибудь, чей мировоззренческий вектор Вх на время совпал по направлению с вектором полной истины Х, имеет счастье обладать всей полнотой истины, но проходит время, истина поворачивается другой стороной, а мировоззрение остается тем же, и человек теряет право быть выразителем истины. Поэтому в живом мире существует двуполость, поэтому люди живут семьями. Любые попытки переубедить или даже сломать своего оппонента (в данном случае супруга) чреваты катастрофой (скандалом, разрушением семьи). Сила семьи в ее внутренней противоречивости, что позволяет приблизиться к полноте истины в жизни данной семьи, что защитит ее от разного рода фатальных ошибок. Если удается сломать своего оппонента (семья тирана), то семья теряет эту защиту и выходит на тернистый путь падений и неурядиц.

В условиях многообразия мнений (многомерный базис) цивилизация в целом, в принципе, может обладать достаточной полнотой истины. Однако в современной цивилизации наметился явный крен в сторону однополярности мира, где на первый план выходит идеология материального обогащения. При этом вторая, духовная сторона человеческого бытия, которой изначальна чужда логика обогащения, все больше "материализуется" и приобретает прагматический оттенок. Поэтому наша цивилизация в целом все ближе к пропасти. Выход из этой порочной ситуации, на мой взгляд, состоит в выработке новых принципов, которые могли бы быть положены в основу новых мировоззренческих платформ каждого отдельного индивидуума, которые несли бы в себе внутреннюю противоречивость как особый стержень нового мировоззрения. Именно в этом я вижу основную цель развития системного подхода в науке.

Слово "система" в переводе с греческого означает "целое, составленное из частей". В общепринятом смысле под системой понимают совокупность явлений, находящихся в определенных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность.

Оказывается, что в свойствах и поведении сложных систем независимо от их природы прослеживаются четкие аналогии. В конце сороковых годов Берталанфи предложил программу построения "Общей теории систем" (ОТС). Эта цель пока не достигнута. Но уже сейчас разработаны принципы системного подхода к анализу всевозможных явлений. В частности эти принципы легли в основу системной динамики, разрабатывающей и исследующей модели сложных систем. Именно на основе системной динамики в настоящее время ведется поиск новой научной парадигмы (платформы), которая позволила бы сформулировать законы, общие как для неживой, так и для живой природы.

 

Свойства сложных систем

 

Наиболее общей системной закономерностью является закон подобия части и целого: часть является миниатюрной копией целого, а потому все части одного уровня иерархии систем похожи друг на друга.

Этот закон известен из глубины веков. Так еще основатель тайного (герметического) учения (магии) Гермес Трисмегист сформулировал основы любого знания в форме "Изумрудной скрижали", которая гласит: "Истинно. Несомненно. Действительно. То, что находится внизу, подобно находящемуся наверху, и обратно, то, что находится наверху, подобно находящемуся внизу, ради выполнения чуда единства. И как все вещи были и произошли от одного, точно также все вещи начались в этой единственной вещи, посредством применения".

В Библии написано: "И сказал Бог: сотворим человека по образу Нашему и подобию Нашему" [Быт. 1:26]. Античные мудрецы говорили, что "микрокосм есть отражение макрокосма". Говоря современным языком, человек как "маленькая Вселенная" голограммно несет в себе всю "маточную" универсальность и полноту "большой Вселенной".

"Познай себя" - написано на развалинах Дельфийского храма. Человек может познать мир, изучая окружающую его реальность (путь науки). По мнению древних философов, на этом пути он не сможет преодолеть следствие дуальности мира и неизбежно столкнется с ограниченностью, самообманом, иллюзией (лила, майя). Они считали, что только идя в противоположном направлении, вглубь своего "Я", можно познать истину в ее полноте и целостности. Человек создан по образу и подобию Божию, а значит, в нем сосредоточена информация о всей Вселенной и познать Вселенную можно только познавая самого себя. На этом, на мой взгляд, основан мистический опыт практически всех религий (нирвана, самадхи, благодать Святого Духа).

Для биосистем в формулировке Мюллера и Геккеля закон подобия части и целого известен как биогенетический закон: онтогенез (индивидуальное развитие особи) повторяет филогенез (историческое развитие вида). Ярким подтверждением данного закона является эмбриогенез: развитие эмбриона повторяет формы, через которые данный вид прошел в процессе своей эволюции. Для человека этот закон можно, вероятно, дополнить: ноогенез (формирование мышления) каждого человека повторяет антропогенез, то есть исторический процесс формирования мышления и мыслительного аппарата всего человечества (человека-разумного). Если учесть, что фазе эмбриогенеза, как этапу формирования многоклеточного существа, предшествует формирование одноклеточного существа (яйцеклетки), можно предположить, что формирование человека повторяет весь ход эволюции Вселенной (по крайней мере, начиная с синтеза биомолекул).

В более общей формулировке этот закон читается как системогенетический закон (Н.Ф. Реймерс): природные (а возможно, и все) системы в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной и нередко в закономерно измененной и обобщенной форме эволюционный путь развития данного вида систем. Этому закону подчиняются, например, минералогические процессы, которые в короткие интервалы времени как бы повторяют (в измененном виде, со своими "акцентами") общую историю геологического развития Земли (геогенетический закон Д.В. Рундквиста).

Именно системогенетический закон рождает, как следствие, закон последовательности прохождения фаз развития: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном порядке, обычно от относительно простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов, но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием. Насильно убрать какую-то из фаз развития практически невозможно. Поэтому когда-то на стадии эмбриона у меня были жабры, которые достаточно быстро атрофировались. Они мне не нужны, но выбросить этот этап из эмбриогенеза невозможно.

Вообще, если какая-то часть (подсистема) не подобна системе в целом, то она входит в дисгармонию с другими подсистемами и с системой в целом. Такое состояние является неустойчивым, и поэтому такая подсистема либо изменяется и входит в гармонию с целостностью (адаптируется), либо разрушается. Длительно и устойчиво существуют только системы, несущие в себе подобие с метасистемами, в состав которых они входят. Именно это состояние несет в себе гармонию.

Под гармонией понимается наиболее оптимальное сочетание противоречивых сторон в едином целом. По определению одного из пифагорейцев, Филолая, гармония есть "согласие разногласного". Это такое сосуществование нескольких подсистем в рамках единого целого, при котором достигается минимальное количество противоречий (конфликтов, противостояний, напряжений). В физике подобное состояние называется энергетически наиболее выгодным. Это состояние с наименьшей потенциальной энергией взаимодействия подсистем. В экологии это состояние с наименьшим количеством конкурентных отношений (как это ни парадоксально, конкуренция - это довольно редкое явление в природе; оно характерно лишь для некоторых довольно кратковременных промежутков времени, когда в экосистеме возникает какое-либо возмущение, например, появление нового вида животных, как это было с кроликами в Австралии; это всегда вызывает переходные процессы, направленные на уменьшение конкуренции; при этом какие-то виды должны уступить другим, то есть либо измениться и занять другую экологическую нишу, либо уйти из данной экосистемы, либо погибнуть; виды, занимающие разные экологические ниши практически не конкурируют).

В состоянии гармонии заложена изначальная противоречивость мира. Многочисленные исследования показывают, что состояние гармонии достигается, когда количество предсказуемого (подчинение системным законам) в поведении элементов системы и непредсказуемого (свободы выбора) соотносятся друг с другом в "золотой пропорции" ( = 0,618). Вообще "золотая пропорция" это есть такое деление единого целого на две части, при котором меньшая часть (ассоциированная со свободой выбора) относится к большей (ассоциированной с системными законами) так же, как большая часть относится к целому. Именно в меньшей части в полной мере сохраняется подобие с целым, то есть она в свою очередь может быть поделена на аналогичные составляющие свободы и закономерности.

Рис.5

Это можно проиллюстрировать на примере деления прямоугольника (рис.5), стороны которого соотносятся в золотой пропорции, то есть AD/AB = .

При делении большей стороны АВ в золотой пропорции получается симметричный квадрат BCFE и меньший по площади прямоугольник AEFD, стороны которого, как и в исходной целой фигуре, соотносятся друг с другом в золотой пропорции, то есть AD/AE = . Его также можно поделить в золотой пропорции на квадрат и прямоугольник, несущий в себе подобие с целым, и так до бесконечности. Причем при каждом делении отношение площади квадрата к площади прямоугольника дает золотую пропорцию = 0,618. Этот прямоугольник называется гармоничным. Из всех возможных прямоугольников он интуитивно воспринимается как самый "красивый", что было известно еще в античном мире, где практически все дворцы несли в себе золотую пропорцию, то есть их фасады имели форму гармоничного прямоугольника.

Только те элементы системы, которые несут в себе "золотое" соотношение между "свободой выбора" и закономерностью могут устойчиво существовать длительное время, то есть обладают живучестью. Любое отклонение от "золотой пропорции" ведет к саморазрушению данной подсистемы. Это относится к системам любой природы, в том числе и идеальной. Например статистические исследования произведений классиков литературы показывают, что количество неожиданного, нового, авангардного в их произведениях соотносятся с законами жанра (например, законы стихосложения, рифма, ритмичность и т.п.) в пропорции, тяготеющей к "золотому сечению".

Особенно характерно подчинение закону гармонии для биосистем, которые буквально "напичканы" золотыми пропорциями. Не случайно магическим символом жизни считается пентаграмма (пятиконечная звезда), в которой можно насчитать более двухсот золотых сечений. Вообще пятеричная симметрия характерна для биосистем. Например, в неживой природе практически не используются кристаллические структуры с пятеричной симметрией, в то же время вирусы, как известно, могут кристаллизоваться, и эти кристаллы имеют пятеричную симметрию (типа футбольного мяча, скроенного из правильных пятиугольников). Человек (и не только человек) умеет интуитивно чувствовать гармонию. Его притягивает то, что несет в себе гармонию, и отталкивает дисгармония. Гармоничные структуры мы называем словом "красота". Красивое тело построено по закону золотого сечения. Красивое здание несет в своих формах золотую пропорцию. И наоборот, здания, в которых эти пропорции не соблюдены, вызывают ощущение уродства. В красивом (гармоничном) сочетании звуков заложена золотая пропорция (звукоряд Пифагора). По закону золотого сечения построена Солнечная система (закон Боде). Пятеричную симметрию имеет планета Земля, кора которой выложена из пятиугольных плит (уже это должно натолкнуть нас на мысль, что Земля есть живое существо).

Есть основания думать, что весь мир построен по принципу золотой пропорции. Совсем недавно российский ученый А. Злобин, анализируя расположение камней Стоунхенжа, вывел интересную формулу, связывающую между собой три наиболее фундаментальные константы:

/ = mH, где = 3,14159..., e = 2,718..., = 1,618... (одно из чисел золотого сечения, всего их два, второе число = 0,618..., оба они получаются как корни квадратного уравнения 2 + = 1). Самое поразительное, что mH = 1.007939... – есть атомный вес водорода (можно проверить по таблице Менделеева). Дробная часть этого числа характеризует относительное количество содержания во Вселенной тяжелых изотопов водорода, то есть атомов водорода, ядра которых содержат более одного нуклона. По-видимому, в этом соотношении заложено, в каких дозах нарушается симметрия во Вселенной, или по крайней мере в нашей области Вселенной. На мой взгляд, эта формула не уступает по важности формуле Эйнштейна или формуле Больцмана.

Механистический подход достаточно удачно вскрывает закономерную сторону мироздания, где царит порядок и симметрия. Но вторую, асимметричную сторону мира, для которой характерна "свобода выбора", непредсказуемость, которая ассоциируется у нас с понятием "жизнь", механистическая наука осмыслить не в состоянии. Это основная причина того, что, идя путем редукционизма, даже разобрав организм на отдельные клеточки, клетки - на молекулы, молекулы – на атомы, атомы – на элементарные частицы, мы до сих пор не можем понять сути феномена жизни, мы не в состоянии воспроизвести ни одного живого организма.

Подобие части и целого не означает их идентичности. Наоборот, еще в античные времена была сформулирована аксиома: целое больше суммы его частей. Сейчас она читается как аксиома эмерджентности (от английского слова эмердженс - возникновение, появление нового): целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у частей-подсистем и не равно сумме элементов, не объединенных системообразующими связями.

Зачастую исходя из свойств отдельных компонентов системы, невозможно предсказать свойства системы как целого. Например, водород и кислород, соединяясь, дают воду, то есть вещество, совершенно непохожее на исходные газы. Особенно сильна эмерджентность в высокоорганизованных биосистемах, таких как теплокровные животные. Здесь появляются такие непостижимые эмерджентные свойства, как образное отражение окружающего мира, психика, разум и т.п.

Особенно заметны эмерджентные свойства при исследовании социальных систем, например, муравейник, пчелиный улей, птичья стая, толпа и т.п. Такие системы обладают качествами, присущими только всей целостности и не сводимыми к сумме качеств существ, образующих эту целостность. Так если во время сезонных перелетов одна из птиц отбивается от стаи, то она не сможет уже долететь до места назначения, так как одна птица "не знает" куда лететь, даже если это "опытная" птица; этим знанием обладает только стая в целом, даже если она состоит из птиц, которые раньше никогда в тех местах не бывали. Птицы, объединенные в стаю, теряют частично свою маневренность (стая более массивна и неповоротлива, чем птицы в отдельности, известны случаи, когда, не сумев сманеврировать, стая птиц врезалась в землю). Аналогично человек в толпе теряет часть своей свободы и позволяет увлечь себя "голосу толпы", чему впоследствии может сам немало удивляться (для выхода из толпы нужно затратить определенную энергию по преодолению системообразующей силы, это удается далеко не каждому).

Эмерджентность невозможно разложить на составляющие, ее можно лишь принять как данность и необходимо изучать непосредственно. Это есть нечто изначально целостное, неделимое, присущее только всей системе в целом и никакому элементу системы в отдельности. То есть к эмерджентности неприменим принцип редукционизма. Именно поэтому в эмерджентности наиболее ясно проявляется ограниченность механистического подхода к пониманию сложных систем.

Не менее интересно и свойство иерархичности систем. Иерархия переводится как расположение ступенчатым рядом. Иерархичность есть одно из основных свойств систем, в соответствии с которым любая система сама может являться элементом более общей системы, в то же время каждый элемент системы сам в свою очередь может быть системой.

Математически точно доказано, что иерархические системы быстрее возникают из составляющих их частей, чем неиерархические системы, имеющие такое же число элементов (примером может служить история компьютерного программирования: современную сложную компьютерную систему практически невозможно создать без использования различных методов структурирования данных и программного кода). Они также более пластичны к нарушениям. То есть если разложить иерархическую систему на подсистемы, то последние могут продолжать взаимодействовать и снова организуются, достигая более высокого уровня сложности.

Современный уровень знаний позволяет представить иерархию природных систем в виде следующей цепочки: элементарные частицы - атомы - молекулы - клетки - многоклеточные - экосистемы - биосфера - космическое тело - звездная система - галактика - скопление галактик - Вселенная. Между уровнями приведенной иерархии биосистем не существует четких границ или разрывов. Между двумя любыми соседними уровнями имеется масса промежуточных переходных форм, например, молекула - макромолекула (полимер) - сложномолекулярный комплекс (вирус) - коацерватная капля - клетка. По большому счету, четкой границы нет даже между отдельным организмом и экосистемой: организм, изолированный от популяции и от экосистемы, не может жить долго, так же как изолированный орган не может жить долго без тела, в котором он изначально зародился. Особенно явно это можно наблюдать на примере социальных существ, например, пчел: пчела, изолированная от улья, не жизнеспособна. В принципе, то же самое можно сказать и про человека.

В настоящее время при исследовании феномена жизни сложилась определенная традиция: в учет принимается только ограниченная область системной иерархии, в лучшем случае от вируса, до биосферы. Выходя за рамки сложившихся традиций, мы в дальнейшем будем рассматривать также и системы более низкого уровня, относимые, в частности, к микромиру, а также системы более высокого иерархического уровня - мегамир: звездные системы, галактики, метагалактика. Только в этом случае удается понять наиболее полно феномен жизни, так как в мире нет ничего изолированного, все многообразие как живой, так и неживой природы неразрывно связано воедино.

На основе сказанного можно сформулировать три наиболее основополагающих принципа системного подхода:

1) дедуктивность - постулируются осуществимые модели, а уже из них в виде теорем выводятся законы, позволяющие существовать таким моделям (в традиционной науке, которая до сих пор тяготеет к механицизму, все наоборот: «Если явление противоречит теории, тем хуже для явления»);

2) рекуррентность - свойства системы данного уровня иерархии выводятся исходя из постулируемых свойств и связей элементов системы (тем самым узаконивается постулируемая эмерджентность);

3) телеологичность - признается существование целесообразности в организации природных систем, изучать которые можно на основе теорий, построенных из простейших моделей этих систем, отдавая в качестве "платы" за простоту моделей их приближенность, ограниченность и высокую вероятность ошибки.



Глава 3.

Вселенная как система

Цель: понимание взаимосвязанности всех процессов во Вселенной

 

Судя по всему, феномен жизни является не исключением, а одной из сторон мироздания, изначально ему присущей. Поэтому появление земной жизни невозможно правильно оценить, не зная эволюционного пути Вселенной в целом. Этого, в частности, требует системогенетический закон. Именно во взаимосвязанности всех явлений Вселенной лежат истоки целесообразности, царящей в живой природе. То есть истоки феномена жизни следует искать в структуре и особенностях развития Вселенной.

Познакомившись с современными взглядами на Вселенную, как на единую систему, мы выведем некоторые наиболее фундаментальные законы, лежащие в основе всего мироздания, из которых следует, в частности, что земная жизнь является неизбежным следствием глобального эволюционного процесса. Только зная эти законы, можно найти выход из современного экологического тупика.

 

Понятие Вселенной

 

В традиционном смысле под Вселенной понимают всю совокупность качественно различных форм материи. В более узком смысле под Вселенной понимают физическую реальность, доступную астрономическим наблюдениям (более правильно такую Вселенную называть метагалактикой). Однако уже со времен русских космистов (Федоров, Флоренский, Соловьев, Бердяев и др.) формировался более широкий подход к пониманию Вселенной, суть которого в признании того, что и человек, и все, что его окружает - это частицы единого организма, где все взаимосвязано. Особенно ценной была идея, что мысль, сознание есть такая же принадлежность природы, как и звезды, микробы, камни и пр. В среде естествоиспытателей к этим идеям были близки Циолковский, Менделеев, Сеченов и др. Поэтому под Вселенной мы будем понимать всю совокупность объективной и субъективной реальности как материального, так и идеального плана.

Формирование современных представлений о структуре и истории Вселенной (космология) во многом обязано успехам астрономии.

Масштабы физической Вселенной грандиозны. Об этом, в частности, свидетельствует ряд цифр. Так, например, наша галактика “Млечный путь” содержит приблизительно 100 миллиардов звезд, среди которых наше Солнце является вполне заурядной звездой. Галактика имеет диаметр порядка 90000 световых лет. Галактики отделены друг от друга гигантскими межгалактическими пространствами. Так ближайшая к нам галактика "Туманность Андромеды", которая примерно в два раза больше нашей, удалена от нас на 2 миллиона световых лет. Существуют и скопления галактик, содержащие от десятков до тысяч членов. В структуре физической Вселенной различают также и сверхскопления галактик, которые представляют собой уплощенные образования размером до 150 миллионов световых лет. Вся наблюдаемая часть физической Вселенной называется метагалактикой. Она имеет радиус порядка 10 млрд св.лет.

В 20-х годах было обнаружено, что световые спектры всех галактик по структуре практически не отличаются от спектров светил нашей галактики, но почему-то практически все они смещены в “красную” сторону, и чем дальше от нас галактика, тем сильнее “красное смещение” спектра. Было выдвинуто множество объяснений этого факта, однако все они не выдержали критики за исключением одного из них, основанного на эффекте Доплера: если источник волн удаляется от наблюдателя, то наблюдатель фиксирует увеличение длины волны (например, смещение светового спектра в красную сторону), если же источник волн приближается к наблюдателю, то фиксируется укорочение волн (например, смещение спектра в синюю сторону). То есть “красное смещение” спектров далеких галактик свидетельствует о том, что все далекие галактики удаляются от нас. Позже Э.Хаббл сформулировал закон, который теперь носит его имя.

Закон Хаббла: все далекие галактики удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстояниям до них. Скорость удаления оценивается постоянной Хаббла Н = 15 км/с на каждый млн св.лет расстояния между галактиками. Значит, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется. То есть, либо мы находимся в центре Вселенной, и все почему-то от нас “убегают”, либо следует искать какой-то другой ответ, который может в корне расходиться с привычными обыденными представлениями, как это случилось, например, во времена Коперника.

Существует множество моделей, пытающихся как-то избежать кризиса рассудка. Однако наиболее логичная модель несет в себе парадокс, не поддающийся рассудочному осмыслению. Согласно данной модели Вселенная представляет собой расширяющуюся четырехмерную сферу.

Рис.6

Понять это нашим трехмерным умом невозможно. Однако мы в состоянии провести аналогию, которая несколько сглаживает кризис непонимания. Представьте себе раздувающийся воздушный шар, на котором нанесены точки (галактики) (рис.6). По мере раздувания шара все точки на его поверхности будут удаляться друг от друга, и из каждой точки будет казаться, что остальные точки удаляются от нее. Причем чем дальше две точки друг от друга, тем быстрее их взаимное разбегание в полном соответствии с законом Хаббла. Например, отрезок АС на рис.6 по мере раздувания шара будет расти быстрее, чем отрезок АВ. Всех быстрее будут удаляться друг от друга диаметрально противоположные точки, например А и D. На рисунке у нашего шара есть особая точка D, из которой надувается шар. Во Вселенной, конечно же, такого нет, все точки абсолютно равноправны. Каждая точка на этой модели существует в двухмерном мире, то есть на поверхности трехмерной сферы, но каждая область нашего реального мира трехмерна. Если замкнуть наш трехмерный мир в четвертом измерении, мы получим четырехмерную сферу, трехмерная поверхность которой является нашей физической Вселенной в данный момент времени.

Зная расстояние и скорость удаления какой-либо галактики от нас, можно рассчитать, когда это расстояние было равно нулю. Это дает значение возраста Вселенной. Так если расстояние между двумя галактиками в настоящее время L = 106 световых лет, то согласно закону Хаббла она удаляется от нас со скоростью V = 15 км/с = 473.106 км/год = 5.10 -5 св.лет/год. Если принять, что на протяжении всего времени существования Вселенной это движение было равномерным, то началось оно порядка 20 миллиардов лет назад (T = L/V = 106/5.10 -5 = 2.1010 лет). Такое же число можно получить и для любой другой галактики. То есть около 20 миллиардов лет назад все галактики находились в одной точке (сингулярности).

Что представляла собой данная сингулярность мы можем только догадываться. По некоторым соображениям сингулярность - это абсолютное ничто, полная пустота. Так по словам известного астрофизика Дж.Силка, "очень ранняя Вселенная, возможно, была пуста".

Рис.7

Однако абсолютная пустота не имеет ничего общего с обыденным пониманием пустоты. Физической аналогией абсолютного ничто может служить вакуум, который на субквантовом уровне флуктуирует короткоживущими виртуальными (воображаемыми) частицами, которые рождаются из ничего в паре со своими античастицами, а затем бесследно гибнут во взаимной полной аннигиляции. Эта модель вакуума получила образное название «Море Дирака». Некоторые опыты полностью подтверждают справедливость данной модели. Так уже классическим является опыт с вакуумным конденсатором (рис.7), между обкладками которого при определенной величине напряженности электростатического поля начинают рождаться “из ничего” электрон-позитронные пары. Это те самые виртуальные частицы, которые “растаскиваются” мощным сторонним полем конденсатора, после чего каждая частица начинает самостоятельное реальное существование.

Вообще согласно современным представлениям мир построен из ничего, наделенного структурой, которую мы воспринимаем в форме пространственно-временных отношений (П.Девис). Таким образом, можно сказать, что современная наука в рождении Вселенной из пустоты не видит ничего антинаучного.

Рис.8

Переход Вселенной из "ничего" в физическую реальность произошел самопроизвольно в результате так называемого "Большого взрыва", причины которого неизвестны. Мы можем только догадываться о тех процессах, которые происходили в первые мгновения рождения Вселенной. Тем более не понятно нам, что было до Большого взрыва. Похоже на то, что само время родилось в момент Большого взрыва, поэтому времени “до взрыва” просто не было.

Аналогичная картина возникает и с понятием пространства: до Большого взрыва пространства не было, оно родилось вместе с самой Вселенной. Кроме того, вероятно, есть смысл говорить и о пределах Вселенной, за которыми физическая реальность не существует. Если мы проведем вокруг себя сферу, радиусом приблизительно 20 млрд св.лет (рис.8), то очертим тем самым горизонт Вселенной. Если за горизонтом Вселенной находится хотя бы одна галактика, то согласно закону Хаббла она должна удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света, а это запрещено теорией относительности. То есть за горизонтом Вселенной, по-видимому, физической реальности не существует. Это также один из парадоксов, не укладывающийся в рамки обыденного трехмерного мышления. Но если применить для понимания данного феномена описанную выше сферическую модель Вселенной, то можно выйти за рамки и этого парадокса. Если принять, что диаметр расширяющейся четырехмерной сферы Вселенной (отрезок AD) увеличивается со скоростью света, то горизонт Вселенной вырождается в одну точку D, диаметрально противоположную точке наблюдателя А. Эта точка (в нашем случае точка D) удаляется от наблюдателя со скоростью света и видна по всем направлениям поля зрения наблюдателя. То есть данная точка как бы “размазывается” по всему горизонту Вселенной. Поэтому попытки выйти за пределы горизонта Вселенной равносильны попыткам войти внутрь математической точки, не имеющей пространственных размеров.

Вообще все эти парадоксы снимаются, если применить для понимания информационную модель Вселенной. Но это уже предмет отдельного курса.

 

Принцип единства Вселенной

 

Здравый смысл говорит нам, что из ничего невозможно создать ничего. Однако законы природы не всегда опираются на здравый смысл человека. Открывая законы природы, человек сначала очень удивляется, так как встречается с тем, чего не ожидал, что противоречит его убеждениям. Затем он привыкает к этому и принимает как само собой разумеющееся (очень ярко это наблюдалось в связи с квантовой теорией - по мере того, как в физику приходили молодые незакомплексованные умы, которые принимали квантовые парадоксы, как само собой разумеющееся, разрешался и кризис неприятия новых взглядов на мир). То есть границы здравого смысла человека достаточно динамичны. Так произошло, например, с законом сохранения энергии. Сейчас он ни у кого не вызывает сомнения. Но были и другие времена. Более того, до сих пор масса добровольных изобретателей вечного двигателя не может смириться с этим законом. Но природу не обманешь, существует ряд принципиальных ограничений, через которые перешагивать невозможно.

Согласно современным представлениям принципы сохранения лежат в самом фундаменте мироздания. Как же могла Вселенная нарушить эти принципы, возникнув из ничего? Оказывается, парадокс существует только по отношению к здравому смыслу человека, но не по отношению к принципам сохранения. Действительно, было исходное состояние, когда ничего не было. И до сих пор суммарный эффект всех явлений Вселенной равен нулю. В целом Вселенная до сих пор является абсолютным «ничто».

Имеется масса подтверждений этому. Так ни у кого не вызывает серьезных сомнений тот факт, что суммарный электрический заряд Вселенной равен нулю. То есть, не смотря на грандиозность размеров Вселенной, мы убеждены, что количество отрицательных зарядов в точности равно количеству положительных. Мы уже знаем, что электрические заряды всегда рождаются в паре, так что суммарный заряд рожденной пары равен нулю. Это потом новорожденные заряды разлетаются по пространству, участвуя в совершено разных явлениях. По отношению ко всей Вселенной с рождением пары зарядов вряд ли что-то меняется. И если уж возникают какие-то изменения, то они в точности компенсируются изменениями другого знака, так что в итоге состояние Вселенной остается прежним.

Суммарная энергия Вселенной похоже также равна нулю. Например, отрицательная энергия притяжения (сближения) может полностью уравновешиваться положительной энергией отталкивания (разбегания). Именно здесь, вероятно, следует искать природу некоторых сил. Например, силы гравитации, проявляющиеся в локальном притяжении массивных тел друг к другу, по-видимому, совершенно точно уравновешиваются фактом разбегания галактик в процессе расширения Вселенной. Другими словами, если расширение Вселенной когда-нибудь прекратится или сменится сжатием, как это следует из моделей Фридмана, в случае, если средняя плотность вещества во Вселенной больше или равна критической, то гравитационное притяжение исчезнет или же сменится гравитационным отталкиванием. Но вероятнее всего этого не произойдет. Расширение Вселенной будет происходить либо вечно, либо до тех пор, пока расстояния между отдельными объектами не станут настолько громадными, что они перестанут взаимодействовать друг с другом, после чего Вселенная, вероятно, просто исчезнет (это объясняется принципом Маха, см. ниже), растворится, превратится в то самое ничто, из которого она возникла. После этого, возможно, начнется новый цикл созидания Вселенной из этого ничто. Правда, все это пока еще только гипотезы.

Массивность (инерционность) физических тел также не является принадлежностью этих тел, а обусловлена фактом притяжения этих тел со стороны всей Вселенной. Это утверждение называется принципом Маха, который хотя и не доказан, но многие авторитетные ученые склоняются в пользу его справедливости. Попытка изменить положение тела по отношению к Вселенной вызывает с ее стороны ответную реакцию в форме силы инерции, препятствующей данному изменению. Принцип Маха можно распространить не только на массивность тел, но и на другие их параметры. То есть любое проявление, которое мы наблюдаем в данном физическом теле, обусловлено фактом принадлежности этого тела Вселенной и взаимодействием с ней. Значит, если физическое тело каким-то фантастическим образом вынести за пределы Вселенной, то оно просто перестанет существовать, так как исчезнут все его свойства (массивность, протяженность, внутренние взаимодействия и т.п.).

Можно бесконечно приводить примеры полной взаимоуравновешенности явлений и процессов во Вселенной. Все они приводят к утверждению, которое можно сформулировать в виде гипотезы: все явления и процессы во Вселенной взаимоуравновешены так, что по любому проявлению в целом Вселенная равна нулю так же, как и до ее возникновения (принцип абсолютного нуля).

Это объясняет принцип дополнительности, который в более широкой формулировке звучит следующим образом: любое явление может рождаться и существовать в физической реальности только в паре со своей противоположностью (отрицанием). Благодаря наличию во Вселенной феноменов пространства и времени, несмотря на взаимоуравновешенность всех явлений, противоположности могут быть разделены либо в пространстве, либо во времени, что препятствует их полной аннигиляции и приводит к существованию локальных неоднородностей и в конечном итоге всего актуального мира (реальности, мира яви).

Неоднородности могут быть реализованы либо в статике, либо в динамике. Пример статического равновесия: равенство положительного и отрицательного заряда Вселенной. Локальные статические неоднородности возможны благодаря наличию во Вселенной феномена пространства. Пример динамического равновесия: равенство напряжения и противо-ЭДС при замыкании рубильника в цепи с индуктивностью: U + E = U - Ld2q/dt2 = 0, где L - индуктивность, q - электрический заряд. Существование подобных явлений возможно благодаря наличию во Вселенной феномена времени.

Подтверждением сказанному может служит также один из наиболее фундаментальных законов, известный как принцип Ле Шателье - Брауна: на любое изменение Вселенная откликается возникновением процессов, тормозящих данное изменение. То есть любое изменение порождает динамическую составляющую (пропорциональную второй производной по времени от данного изменения), которая уравновешивает собой сам факт изменения, вызывая процессы, направленные сдерживание данного изменения. В случае с индуктивностью, при замыкании цепи возникает движение (изменение) электрического заряда q, что порождает силу инерции Е, которая тормозит движение заряда.

Частным случаем этого принципа является общеизвестный в физике принцип Ленца: любое изменение магнитного поля вызывает в проводящей среде вихревые токи (токи Фуко), которые своим магнитным полем препятствуют причине, их вызывающей. Вообще, любое проявление инерционности в природе (в том числе и массивности физических тел) есть следствие принципа Ле Шателье-Брауна. В электромагнитных явлениях мы достаточно хорошо представляем себе механику действия этого принципа, в других случаях механизмы нам неизвестны, но тем не менее этот принцип работает всегда.

Все сказанное дает возможность сформулировать еще один наиболее фундаментальный закон, который лежит, по-видимому, в основе действия принципа Ле Шателье-Брауна и носит название принципа единства Вселенной: во Вселенной все взаимосвязано, любое явление влияет на весь мир и само испытывает влияние от всех явлений Вселенной.

Все объекты Вселенной в определенном аспекте не имеют свойства конечности и одновременно заполняют собой всю Вселенную, то есть взаимопогружены друг в друга. Подтверждением этому является квантово-механическая модель элементарных частиц, заполняющих собой всю Вселенную в виде “облаков вероятностей”. Поэтому любое изменение, происшедшее в одном конце Вселенной, отражается на всех других явлениях, как бы далеко они не отстояли от данного события в пространственно-временном континууме Вселенной.

В этом и состоит основа холизма Вселенной, то есть ее целостность. Это приводит к тому, что некоторые проявления Вселенной невозможно разложить на составляющие. Их можно объяснить только как результат воздействия на конкретные явления всей Вселенной как единого целого. Если этому воздействию подвергается человек, то есть мыслящее существо, то у него может возникнуть ощущение общения с высшей сущностью - Богом. Это ощущение усиливается, когда человек убеждается, что целостный фактор Вселенной обладает качеством, аналогичным человеческому разуму. Это происходит благодаря господству во Вселенной принципа оптимальности, который является прямым следствием принципа единства Вселенной и принципа дополнительности. Именно эволюция форм проявления принципа оптимальности породила в конечном итоге человеческий разум. Вселенной же в целом он присущ изначально.

 

Принцип оптимальности

 

В самом фундаменте мироздания лежит принцип оптимальности: во Вселенной реализуются лишь оптимальные состояния и процессы (в обыденной формулировке: что ни делается - все к лучшему).

Под оптимальным мы будем понимать такое состояние системы в целом, которое практически не изменяется или изменяется минимально возможным образом при различных вариациях внутренней структуры (такое состояние еще называется равновесным).

Наиболее показателен в этом смысле принцип наименьшего действия, который среди вариационных принципов исторически был открыт первым: из всех возможных сценариев какого-либо процесса реализуется лишь тот, которому соответствует наименьшее действие. Под действием понимается интеграл от полной энергии системы по времени W = (К - П)dt, где К - кинетическая, а П - потенциальная энергия системы в текущий момент времени t.

Рис.9

Например, траекторию, по которой движется тело в поле притяжения Земли, можно изобразить кривой в четырехмерном пространственно-временном континууме (рис.9). На рисунке траектория изображена в трех координатах: х - направление движения тела вдоль поверхности земли, h - высота тела над поверхностью земли, t - время. Точки А и В соответствуют положениям и моментам времени, соответствующим началу и окончанию движения тела. Среди возможных путей, соединяющих точки А и В, один из путей f0(x,h,t) соответствует наименьшему значению действия W. Проекция этой траектории на пространственные координаты xh даст всем известную траекторию fxh(t), имеющую форму параболы. Любое незначительное изменение (вариация) данной траектории f1(x,h,t) практически не повлияет на величину действия, что говорит об экстремальности (о наименьшем значении) этой величины (вспомните поиск экстремума в математическом анализе!). Любая другая траектория fi(x,h,t) при попытке ее вариации даст значительные изменения величины действия, что говорит об энергетической неоптимальности этих траекторий. Оказывается, что траектория, соединяющая в четырехмерном континууме две наперед заданные точки А и В, найденная из условия обеспечения наименьшего действия (оптимальности), всегда соответствует природной действительности. Поэтому задача поиска траектории может быть решена, как задача оптимизации. На подобных положениях основан ряд методов решения некоторых практических задач, в частности расчет поля.

Это напоминает решение задачи математического анализа по нахождению экстремума (оптимума) функции f(x). Здесь экстремум ищется из условия, что в точке экстремума малым приращениям аргумента dx соответствует нулевое приращение значения функции df = 0. В вариационном исчислении искомым является не значение аргумента х, а форма функции f(х), которая минимизирует некоторую интегральную функцию Ф = F(f(x)), которая в данном случае называется функционалом (в предыдущем примере Ф = W).

Согласно теореме Нетер, при условии симметрии пространства-времени каждому закону сохранения можно дать вариационную формулировку, то есть поставить в соответствие некоторый функционал Ф. Например, Ф = f(x)dt - для задач механики, Ф = f(x,y,z)dV - для полевых задач и т.п. Так, например, принцип наименьшего действия тесно связан с законом сохранения энергии при условии симметрии времени (два эксперимента, проведенных в разное время, но при одинаковых условиях, дадут одинаковые результаты).

Исходя из принципа единства Вселенной и принципа дополнительности, все процессы во Вселенной взаимоуравновешены, то есть в целом Вселенная сохраняет свое исходное состояние “абсолютного ничто”. Следовательно, можно предположить, что в соответствии с теоремой Нетер, Вселенная в целом подчиняется какому-то глобальному вариационному принципу, частные проявления которого выливаются в различные локальные вариационные принципы, типа принципа наименьшего действия, принципа минимума диссипации энергии и т.п. Именно этот глобальный принцип можно назвать принципом оптимальности.

В предыдущем примере мы из опыта знаем форму траектории движения тела. В более сложных случаях (например, движение в неоднородной среде) простого решения для траектории получить не удается. Ее могут исказить любые локальные неоднородности среды. Однако после того, как траектория будет пройдена данным телом, то есть после того, как сама природа решит данную задачу, поверочный расчет функционала по данной траектории обязательно покажет, что функционал имеет минимальное значение из всех возможных. Функционал можно рассчитать только после того, как будет известна сама функция, то есть после того, как траектория будет пройдена. Но уже перед началом движения мы знаем, что этот функционал будет минимальным. Но ведь движущееся тело не знает о том, какие неоднородности встретит оно на своем пути!

Получается, что тело чуть ли не сознательно выбирает траекторию своего движения, чтобы минимизировать функционал. Когда были открыты вариационные принципы, дискуссия о “разумности природы” длилась в ученом мире очень долгое время. На самом деле это есть лишь следствие определенных природных механизмов, известных нам как законы природы. Но из всех принципиально возможных механизмов процессов реализуются почему-то именно те, которые дают наиболее оптимальные сценарии развития процессов. Это, с одной стороны, позволяет получать оптимальные сценарии развития, следуя в каждом своем шаге законам природы. С другой стороны, даже не зная конкретных механизмов и законов системной динамики, но зная интегральные характеристики системы, мы можем на основе принципа оптимальности прогнозировать (рассчитывать) ее будущее.

Создается впечатление, что природа сначала рассчитывает будущее, планирует его, а уже затем реализует наиболее оптимальный сценарий. Или же когда-то давно была уже проведена подобная работа, позволившая сформулировать такие законы системной динамики, которые в случае их выполнения всегда дают оптимальные результаты.

Таким образом, феномен целесообразности (телеологичности) изначально присущ природе. В его основе лежит принцип оптимальности, причина которого в единстве Вселенной и взаимодополнительности всех протекающих в ней процессов. Раздражимость, инстинкт, психика, разум - все это лишь некоторые наиболее привычные нам проявления феномена целесообразности. Можно показать, что все они являются конкретными механизмами, найденными природой для реализации принципа оптимальности. Так человек, использует свой разум для оценки последствий своих шагов в целях нахождения наиболее оптимального варианта поведения. Психика животных также служит этой цели, но “степень проникновения в будущее” у психики гораздо меньше, чем у разума. То, что мы понимаем под конкретными законами природы, выполняет аналогичные функции, но еще с более незначительной “степенью проникновения в будущее”. Так из квантовой теории известно, что даже в процессе взаимодействия двух элементарных частиц присутствует парадоксальная фаза, когда частицы каким-то образом получают информацию (прогноз) о ближайшем будущем.

В основу принципа оптимальности могут быть положены два взаимодополнительных постулата:

1) любая система стремится занять состояние, в котором любое изменение внутри системы практически не влияет (влияет минимально возможным образом) на состояние системы в целом;

2) из всех возможных состояний в каждый момент времени реализуется то состояние, с которым связано наименьшее количество изменений.

Первый постулат лежит в основе динамики Вселенной, заставляя ее эволюционировать от неравновесных состояний ко все более равновесным. Второй постулат запрещает скачкообразные переходы в равновесные состояния, заставляя всегда выстраивать четкие причинно-следственные цепи событий. Можно видеть, что второй постулат возникает вследствие действия принципа Ле Шателье - Брауна (природа пытается затормозить любые изменения) при попытках системы перейти в равновесное состояние, то есть он взаимодополнителен к первому постулату.

Резонно возникает вопрос: если в любой момент времени природа реализует только оптимальные состояния и процессы, почему же в мире так много абсурда, ошибок, далеких от понятия оптимальности? Или может быть человек, приведший планету к экологической катастрофе, является исключением, для которого закон оптимальности не писан? Но ведь не только человек совершает абсурдные поступки. Разве есть какая-то оптимальность в поведении ночной бабочки, летящей на огонь, или стаи саранчи, уничтожающей всю растительность в округе и затем гибнущей от голода, или мухи, бьющейся о стекло? Оказывается есть. Так, например, муха, бьющаяся о стекло, задействует один из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения: метод случайного поиска. Муха не имеет того аналитического аппарата, который есть у человека. Это мы понимаем, что нужно чуть отклониться в сторону и вылететь в открытую форточку. Мухе же не известно, есть ли вообще выход из той ситуации, в которую она попала. Но случайный поиск гарантирует, что решение рано или поздно будет найдено, если оно, в принципе, возможно. Более того, случайный поиск позволяет иногда находить выход даже из, казалось бы, тупиковых ситуаций (так муха может найти свое решение задачи, а не то, которое для нее приготовили мы, например, она может отыскать и вылететь в щель, о которой мы даже не подозревали). Причем если функция (ситуация) сама имеет случайный характер (или ее характер неизвестен), то данный метод дает наименьшее среднестатистическое время поиска ее экстремума.

Природа очень часто задействует подобные алгоритмы оптимизации. Так, например, очень показательна в этом смысле тактика поиска мест взятка (нектара и пыльцы), осуществляемая пчелиной семьей. Если одна из пчел найдет богатую цветочную поляну, то при возвращении в улей она совершает свой знаменитый “танец на сотах”, который “рассказывает” другим пчелам, куда нужно лететь, сколько энергии для этого потребуется, какие именно цветы растут на поляне и т.п. После этого множество пчел вылетает по месту назначения. При этом они демонстрируют хорошее понимание переданной им информации. Но почему-то не все пчелы, наблюдавшие танец, достаточно пунктуальны. Некоторые из них сбиваются с пути или даже изначально летят в неправильном направлении, иногда в совершенно противоположном. Это уменьшает количество принесенного в улей взятка. Но, оказывается, подобные ошибки изначально запрограммированы и несут в себе большую пользу. В принципе, природа могла бы наградить пчел абсолютной роботоподобной безошибочностью в понимании друг друга. Но она дала пчелам “право на ошибку”. Даже процент пчел, сбившихся с пути, определен достаточно строго (около 5%). Именно “ошибочные” вылеты приносят как правило в улей информацию о других богатых источниках взятка, на которые эти пчелы иногда случайно натыкаются.

Без определенной доли ошибки, абсурда, случайности природа не смогла бы развивать и усложнять свои формы. Поэтому, наверное, А.С.Пушкин назвал случай “богом-изобретателем”. Именно здесь реализуется та самая свобода выбора, без которой немыслима гармония в системе (см. выше). Системы, структура которых лишена неопределенности, случайности, ошибки, нежизнеспособны, так как они далеки от гармонии - наиболее объективного оптимального состояния. Они неспособны развиваться, а потому для Вселенной они бесполезны. Поэтому они довольно быстро разрушаются (накапливают ошибку). Механизмы этого разнообразны. Например, такая система может регулярно вступать в конфликты с другими системами (войны), в результате рано или поздно погибнет. Правда, чаще всего такая система, утратившая подобие с метасистемой, частью которой она является (предполагается, что метасистема гармонична), самопроизвольно теряет устойчивость (устойчивы только гармоничные системы). Мы такое состояние называем болезнью, иногда с летальным исходом. Как мы уже говорили, гармоничное соотношение между строгой предопределенностью и свободой выбора в структуре системы определяется “золотой пропорцией”.

Таким образом, в абсурде всегда есть доля здравого смысла. Без абсурда невозможно достичь оптимального состояния. Здесь, вероятно, каждому человеку придется многое пересмотреть в своем мировоззрении, в своем отношении к своим и особенно к чужим ошибкам. “Не судите, да не судимы будете” - учил нас Христос [Мф. 7:1]. Может быть, мы наконец-то осознаем мудрость этих слов?

Глава 3.

Вселенная как система

Цель: понимание взаимосвязанности всех процессов во Вселенной

 

Судя по всему, феномен жизни является не исключением, а одной из сторон мироздания, изначально ему присущей. Поэтому появление земной жизни невозможно правильно оценить, не зная эволюционного пути Вселенной в целом. Этого, в частности, требует системогенетический закон. Именно во взаимосвязанности всех явлений Вселенной лежат истоки целесообразности, царящей в живой природе. То есть истоки феномена жизни следует искать в структуре и особенностях развития Вселенной.

Познакомившись с современными взглядами на Вселенную, как на единую систему, мы выведем некоторые наиболее фундаментальные законы, лежащие в основе всего мироздания, из которых следует, в частности, что земная жизнь является неизбежным следствием глобального эволюционного процесса. Только зная эти законы, можно найти выход из современного экологического тупика.

 

Понятие Вселенной

 

В традиционном смысле под Вселенной понимают всю совокупность качественно различных форм материи. В более узком смысле под Вселенной понимают физическую реальность, доступную астрономическим наблюдениям (более правильно такую Вселенную называть метагалактикой). Однако уже со времен русских космистов (Федоров, Флоренский, Соловьев, Бердяев и др.) формировался более широкий подход к пониманию Вселенной, суть которого в признании того, что и человек, и все, что его окружает - это частицы единого организма, где все взаимосвязано. Особенно ценной была идея, что мысль, сознание есть такая же принадлежность природы, как и звезды, микробы, камни и пр. В среде естествоиспытателей к этим идеям были близки Циолковский, Менделеев, Сеченов и др. Поэтому под Вселенной мы будем понимать всю совокупность объективной и субъективной реальности как материального, так и идеального плана.

Формирование современных представлений о структуре и истории Вселенной (космология) во многом обязано успехам астрономии.

Масштабы физической Вселенной грандиозны. Об этом, в частности, свидетельствует ряд цифр. Так, например, наша галактика “Млечный путь” содержит приблизительно 100 миллиардов звезд, среди которых наше Солнце является вполне заурядной звездой. Галактика имеет диаметр порядка 90000 световых лет. Галактики отделены друг от друга гигантскими межгалактическими пространствами. Так ближайшая к нам галактика "Туманность Андромеды", которая примерно в два раза больше нашей, удалена от нас на 2 миллиона световых лет. Существуют и скопления галактик, содержащие от десятков до тысяч членов. В структуре физической Вселенной различают также и сверхскопления галактик, которые представляют собой уплощенные образования размером до 150 миллионов световых лет. Вся наблюдаемая часть физической Вселенной называется метагалактикой. Она имеет радиус порядка 10 млрд св.лет.

В 20-х годах было обнаружено, что световые спектры всех галактик по структуре практически не отличаются от спектров светил нашей галактики, но почему-то практически все они смещены в “красную” сторону, и чем дальше от нас галактика, тем сильнее “красное смещение” спектра. Было выдвинуто множество объяснений этого факта, однако все они не выдержали критики за исключением одного из них, основанного на эффекте Доплера: если источник волн удаляется от наблюдателя, то наблюдатель фиксирует увеличение длины волны (например, смещение светового спектра в красную сторону), если же источник волн приближается к наблюдателю, то фиксируется укорочение волн (например, смещение спектра в синюю сторону). То есть “красное смещение” спектров далеких галактик свидетельствует о том, что все далекие галактики удаляются от нас. Позже Э.Хаббл сформулировал закон, который теперь носит его имя.

Закон Хаббла: все далекие галактики удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстояниям до них. Скорость удаления оценивается постоянной Хаббла Н = 15 км/с на каждый млн св.лет расстояния между галактиками. Значит, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется. То есть, либо мы находимся в центре Вселенной, и все почему-то от нас “убегают”, либо следует искать какой-то другой ответ, который может в корне расходиться с привычными обыденными представлениями, как это случилось, например, во времена Коперника.

Существует множество моделей, пытающихся как-то избежать кризиса рассудка. Однако наиболее логичная модель несет в себе парадокс, не поддающийся рассудочному осмыслению. Согласно данной модели Вселенная представляет собой расширяющуюся четырехмерную сферу.

Рис.6

Понять это нашим трехмерным умом невозможно. Однако мы в состоянии провести аналогию, которая несколько сглаживает кризис непонимания. Представьте себе раздувающийся воздушный шар, на котором нанесены точки (галактики) (рис.6). По мере раздувания шара все точки на его поверхности будут удаляться друг от друга, и из каждой точки будет казаться, что остальные точки удаляются от нее. Причем чем дальше две точки друг от друга, тем быстрее их взаимное разбегание в полном соответствии с законом Хаббла. Например, отрезок АС на рис.6 по мере раздувания шара будет расти быстрее, чем отрезок АВ. Всех быстрее будут удаляться друг от друга диаметрально противоположные точки, например А и D. На рисунке у нашего шара есть особая точка D, из которой надувается шар. Во Вселенной, конечно же, такого нет, все точки абсолютно равноправны. Каждая точка на этой модели существует в двухмерном мире, то есть на поверхности трехмерной сферы, но каждая область нашего реального мира трехмерна. Если замкнуть наш трехмерный мир в четвертом измерении, мы получим четырехмерную сферу, трехмерная поверхность которой является нашей физической Вселенной в данный момент времени.

Зная расстояние и скорость удаления какой-либо галактики от нас, можно рассчитать, когда это расстояние было равно нулю. Это дает значение возраста Вселенной. Так если расстояние между двумя галактиками в настоящее время L = 106 световых лет, то согласно закону Хаббла она удаляется от нас со скоростью V = 15 км/с = 473.106 км/год = 5.10 -5 св.лет/год. Если принять, что на протяжении всего времени существования Вселенной это движение было равномерным, то началось оно порядка 20 миллиардов лет назад (T = L/V = 106/5.10 -5 = 2.1010 лет). Такое же число можно получить и для любой другой галактики. То есть около 20 миллиардов лет назад все галактики находились в одной точке (сингулярности).

Что представляла собой данная сингулярность мы можем только догадываться. По некоторым соображениям сингулярность - это абсолютное ничто, полная пустота. Так по словам известного астрофизика Дж.Силка, "очень ранняя Вселенная, возможно, была пуста".

Рис.7

Однако абсолютная пустота не имеет ничего общего с обыденным пониманием пустоты. Физической аналогией абсолютного ничто может служить вакуум, который на субквантовом уровне флуктуирует короткоживущими виртуальными (воображаемыми) частицами, которые рождаются из ничего в паре со своими античастицами, а затем бесследно гибнут во взаимной полной аннигиляции. Эта модель вакуума получила образное название «Море Дирака». Некоторые опыты полностью подтверждают справедливость данной модели. Так уже классическим является опыт с вакуумным конденсатором (рис.7), между обкладками которого при определенной величине напряженности электростатического поля начинают рождаться “из ничего” электрон-позитронные пары. Это те самые виртуальные частицы, которые “растаскиваются” мощным сторонним полем конденсатора, после чего каждая частица начинает самостоятельное реальное существование.

Вообще согласно современным представлениям мир построен из ничего, наделенного структурой, которую мы воспринимаем в форме пространственно-временных отношений (П.Девис). Таким образом, можно сказать, что современная наука в рождении Вселенной из пустоты не видит ничего антинаучного.

Рис.8

Переход Вселенной из "ничего" в физическую реальность произошел самопроизвольно в результате так называемого "Большого взрыва", причины которого неизвестны. Мы можем только догадываться о тех процессах, которые происходили в первые мгновения рождения Вселенной. Тем более не понятно нам, что было до Большого взрыва. Похоже на то, что само время родилось в момент Большого взрыва, поэтому времени “до взрыва” просто не было.

Аналогичная картина возникает и с понятием пространства: до Большого взрыва пространства не было, оно родилось вместе с самой Вселенной. Кроме того, вероятно, есть смысл говорить и о пределах Вселенной, за которыми физическая реальность не существует. Если мы проведем вокруг себя сферу, радиусом приблизительно 20 млрд св.лет (рис.8), то очертим тем самым горизонт Вселенной. Если за горизонтом Вселенной находится хотя бы одна галактика, то согласно закону Хаббла она должна удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света, а это запрещено теорией относительности. То есть за горизонтом Вселенной, по-видимому, физической реальности не существует. Это также один из парадоксов, не укладывающийся в рамки обыденного трехмерного мышления. Но если применить для понимания данного феномена описанную выше сферическую модель Вселенной, то можно выйти за рамки и этого парадокса. Если принять, что диаметр расширяющейся четырехмерной сферы Вселенной (отрезок AD) увеличивается со скоростью света, то горизонт Вселенной вырождается в одну точку D, диаметрально противоположную точке наблюдателя А. Эта точка (в нашем случае точка D) удаляется от наблюдателя со скоростью света и видна по всем направлениям поля зрения наблюдателя. То есть данная точка как бы “размазывается” по всему горизонту Вселенной. Поэтому попытки выйти за пределы горизонта Вселенной равносильны попыткам войти внутрь математической точки, не имеющей пространственных размеров.

Вообще все эти парадоксы снимаются, если применить для понимания информационную модель Вселенной. Но это уже предмет отдельного курса.

 

Принцип единства Вселенной

 

Здравый смысл говорит нам, что из ничего невозможно создать ничего. Однако законы природы не всегда опираются на здравый смысл человека. Открывая законы природы, человек сначала очень удивляется, так как встречается с тем, чего не ожидал, что противоречит его убеждениям. Затем он привыкает к этому и принимает как само собой разумеющееся (очень ярко это наблюдалось в связи с квантовой теорией - по мере того, как в физику приходили молодые незакомплексованные умы, которые принимали квантовые парадоксы, как само собой разумеющееся, разрешался и кризис неприятия новых взглядов на мир). То есть границы здравого смысла человека достаточно динамичны. Так произошло, например, с законом сохранения энергии. Сейчас он ни у кого не вызывает сомнения. Но были и другие времена. Более того, до сих пор масса добровольных изобретателей вечного двигателя не может смириться с этим законом. Но природу не обманешь, существует ряд принципиальных ограничений, через которые перешагивать невозможно.

Согласно современным представлениям принципы сохранения лежат в самом фундаменте мироздания. Как же могла Вселенная нарушить эти принципы, возникнув из ничего? Оказывается, парадокс существует только по отношению к здравому смыслу человека, но не по отношению к принципам сохранения. Действительно, было исходное состояние, когда ничего не было. И до сих пор суммарный эффект всех явлений Вселенной равен нулю. В целом Вселенная до сих пор является абсолютным «ничто».

Имеется масса подтверждений этому. Так ни у кого не вызывает серьезных сомнений тот факт, что суммарный электрический заряд Вселенной равен нулю. То есть, не смотря на грандиозность размеров Вселенной, мы убеждены, что количество отрицательных зарядов в точности равно количеству положительных. Мы уже знаем, что электрические заряды всегда рождаются в паре, так что суммарный заряд рожденной пары равен нулю. Это потом новорожденные заряды разлетаются по пространству, участвуя в совершено разных явлениях. По отношению ко всей Вселенной с рождением пары зарядов вряд ли что-то меняется. И если уж возникают какие-то изменения, то они в точности компенсируются изменениями другого знака, так что в итоге состояние Вселенной остается прежним.

Суммарная энергия Вселенной похоже также равна нулю. Например, отрицательная энергия притяжения (сближения) может полностью уравновешиваться положительной энергией отталкивания (разбегания). Именно здесь, вероятно, следует искать природу некоторых сил. Например, силы гравитации, проявляющиеся в локальном притяжении массивных тел друг к другу, по-видимому, совершенно точно уравновешиваются фактом разбегания галактик в процессе расширения Вселенной. Другими словами, если расширение Вселенной когда-нибудь прекратится или сменится сжатием, как это следует из моделей Фридмана, в случае, если средняя плотность вещества во Вселенной больше или равна критической, то гравитационное притяжение исчезнет или же сменится гравитационным отталкиванием. Но вероятнее всего этого не произойдет. Расширение Вселенной будет происходить либо вечно, либо до тех пор, пока расстояния между отдельными объектами не станут настолько громадными, что они перестанут взаимодействовать друг с другом, после чего Вселенная, вероятно, просто исчезнет (это объясняется принципом Маха, см. ниже), растворится, превратится в то самое ничто, из которого она возникла. После этого, возможно, начнется новый цикл созидания Вселенной из этого ничто. Правда, все это пока еще только гипотезы.

Массивность (инерционность) физических тел также не является принадлежностью этих тел, а обусловлена фактом притяжения этих тел со стороны всей Вселенной. Это утверждение называется принципом Маха, который хотя и не доказан, но многие авторитетные ученые склоняются в пользу его справедливости. Попытка изменить положение тела по отношению к Вселенной вызывает с ее стороны ответную реакцию в форме силы инерции, препятствующей данному изменению. Принцип Маха можно распространить не только на массивность тел, но и на другие их параметры. То есть любое проявление, которое мы наблюдаем в данном физическом теле, обусловлено фактом принадлежности этого тела Вселенной и взаимодействием с ней. Значит, если физическое тело каким-то фантастическим образом вынести за пределы Вселенной, то оно просто перестанет существовать, так как исчезнут все его свойства (массивность, протяженность, внутренние взаимодействия и т.п.).

Можно бесконечно приводить примеры полной взаимоуравновешенности явлений и процессов во Вселенной. Все они приводят к утверждению, которое можно сформулировать в виде гипотезы: все явления и процессы во Вселенной взаимоуравновешены так, что по любому проявлению в целом Вселенная равна нулю так же, как и до ее возникновения (принцип абсолютного нуля).

Это объясняет принцип дополнительности, который в более широкой формулировке звучит следующим образом: любое явление может рождаться и существовать в физической реальности только в паре со своей противоположностью (отрицанием). Благодаря наличию во Вселенной феноменов пространства и времени, несмотря на взаимоуравновешенность всех явлений, противоположности могут быть разделены либо в пространстве, либо во времени, что препятствует их полной аннигиляции и приводит к существованию локальных неоднородностей и в конечном итоге всего актуального мира (реальности, мира яви).

Неоднородности могут быть реализованы либо в статике, либо в динамике. Пример статического равновесия: равенство положительного и отрицательного заряда Вселенной. Локальные статические неоднородности возможны благодаря наличию во Вселенной феномена пространства. Пример динамического равновесия: равенство напряжения и противо-ЭДС при замыкании рубильника в цепи с индуктивностью: U + E = U - Ld2q/dt2 = 0, где L - индуктивность, q - электрический заряд. Существование подобных явлений возможно благодаря наличию во Вселенной феномена времени.

Подтверждением сказанному может служит также один из наиболее фундаментальных законов, известный как принцип Ле Шателье - Брауна: на любое изменение Вселенная откликается возникновением процессов, тормозящих данное изменение. То есть любое изменение порождает динамическую составляющую (пропорциональную второй производной по времени от данного изменения), которая уравновешивает собой сам факт изменения, вызывая процессы, направленные сдерживание данного изменения. В случае с индуктивностью, при замыкании цепи возникает движение (изменение) электрического заряда q, что порождает силу инерции Е, которая тормозит движение заряда.

Частным случаем этого принципа является общеизвестный в физике принцип Ленца: любое изменение магнитного поля вызывает в проводящей среде вихревые токи (токи Фуко), которые своим магнитным полем препятствуют причине, их вызывающей. Вообще, любое проявление инерционности в природе (в том числе и массивности физических тел) есть следствие принципа Ле Шателье-Брауна. В электромагнитных явлениях мы достаточно хорошо представляем себе механику действия этого принципа, в других случаях механизмы нам неизвестны, но тем не менее этот принцип работает всегда.

Все сказанное дает возможность сформулировать еще один наиболее фундаментальный закон, который лежит, по-видимому, в основе действия принципа Ле Шателье-Брауна и носит название принципа единства Вселенной: во Вселенной все взаимосвязано, любое явление влияет на весь мир и само испытывает влияние от всех явлений Вселенной.

Все объекты Вселенной в определенном аспекте не имеют свойства конечности и одновременно заполняют собой всю Вселенную, то есть взаимопогружены друг в друга. Подтверждением этому является квантово-механическая модель элементарных частиц, заполняющих собой всю Вселенную в виде “облаков вероятностей”. Поэтому любое изменение, происшедшее в одном конце Вселенной, отражается на всех других явлениях, как бы далеко они не отстояли от данного события в пространственно-временном континууме Вселенной.

В этом и состоит основа холизма Вселенной, то есть ее целостность. Это приводит к тому, что некоторые проявления Вселенной невозможно разложить на составляющие. Их можно объяснить только как результат воздействия на конкретные явления всей Вселенной как единого целого. Если этому воздействию подвергается человек, то есть мыслящее существо, то у него может возникнуть ощущение общения с высшей сущностью - Богом. Это ощущение усиливается, когда человек убеждается, что целостный фактор Вселенной обладает качеством, аналогичным человеческому разуму. Это происходит благодаря господству во Вселенной принципа оптимальности, который является прямым следствием принципа единства Вселенной и принципа дополнительности. Именно эволюция форм проявления принципа оптимальности породила в конечном итоге человеческий разум. Вселенной же в целом он присущ изначально.

 

Принцип оптимальности

 

В самом фундаменте мироздания лежит принцип оптимальности: во Вселенной реализуются лишь оптимальные состояния и процессы (в обыденной формулировке: что ни делается - все к лучшему).

Под оптимальным мы будем понимать такое состояние системы в целом, которое практически не изменяется или изменяется минимально возможным образом при различных вариациях внутренней структуры (такое состояние еще называется равновесным).

Наиболее показателен в этом смысле принцип наименьшего действия, который среди вариационных принципов исторически был открыт первым: из всех возможных сценариев какого-либо процесса реализуется лишь тот, которому соответствует наименьшее действие. Под действием понимается интеграл от полной энергии системы по времени W = (К - П)dt, где К - кинетическая, а П - потенциальная энергия системы в текущий момент времени t.

Рис.9

Например, траекторию, по которой движется тело в поле притяжения Земли, можно изобразить кривой в четырехмерном пространственно-временном континууме (рис.9). На рисунке траектория изображена в трех координатах: х - направление движения тела вдоль поверхности земли, h - высота тела над поверхностью земли, t - время. Точки А и В соответствуют положениям и моментам времени, соответствующим началу и окончанию движения тела. Среди возможных путей, соединяющих точки А и В, один из путей f0(x,h,t) соответствует наименьшему значению действия W. Проекция этой траектории на пространственные координаты xh даст всем известную траекторию fxh(t), имеющую форму параболы. Любое незначительное изменение (вариация) данной траектории f1(x,h,t) практически не повлияет на величину действия, что говорит об экстремальности (о наименьшем значении) этой величины (вспомните поиск экстремума в математическом анализе!). Любая другая траектория fi(x,h,t) при попытке ее вариации даст значительные изменения величины действия, что говорит об энергетической неоптимальности этих траекторий. Оказывается, что траектория, соединяющая в четырехмерном континууме две наперед заданные точки А и В, найденная из условия обеспечения наименьшего действия (оптимальности), всегда соответствует природной действительности. Поэтому задача поиска траектории может быть решена, как задача оптимизации. На подобных положениях основан ряд методов решения некоторых практических задач, в частности расчет поля.

Это напоминает решение задачи математического анализа по нахождению экстремума (оптимума) функции f(x). Здесь экстремум ищется из условия, что в точке экстремума малым приращениям аргумента dx соответствует нулевое приращение значения функции df = 0. В вариационном исчислении искомым является не значение аргумента х, а форма функции f(х), которая минимизирует некоторую интегральную функцию Ф = F(f(x)), которая в данном случае называется функционалом (в предыдущем примере Ф = W).

Согласно теореме Нетер, при условии симметрии пространства-времени каждому закону сохранения можно дать вариационную формулировку, то есть поставить в соответствие некоторый функционал Ф. Например, Ф = f(x)dt - для задач механики, Ф = f(x,y,z)dV - для полевых задач и т.п. Так, например, принцип наименьшего действия тесно связан с законом сохранения энергии при условии симметрии времени (два эксперимента, проведенных в разное время, но при одинаковых условиях, дадут одинаковые результаты).

Исходя из принципа единства Вселенной и принципа дополнительности, все процессы во Вселенной взаимоуравновешены, то есть в целом Вселенная сохраняет свое исходное состояние “абсолютного ничто”. Следовательно, можно предположить, что в соответствии с теоремой Нетер, Вселенная в целом подчиняется какому-то глобальному вариационному принципу, частные проявления которого выливаются в различные локальные вариационные принципы, типа принципа наименьшего действия, принципа минимума диссипации энергии и т.п. Именно этот глобальный принцип можно назвать принципом оптимальности.

В предыдущем примере мы из опыта знаем форму траектории движения тела. В более сложных случаях (например, движение в неоднородной среде) простого решения для траектории получить не удается. Ее могут исказить любые локальные неоднородности среды. Однако после того, как траектория будет пройдена данным телом, то есть после того, как сама природа решит данную задачу, поверочный расчет функционала по данной траектории обязательно покажет, что функционал имеет минимальное значение из всех возможных. Функционал можно рассчитать только после того, как будет известна сама функция, то есть после того, как траектория будет пройдена. Но уже перед началом движения мы знаем, что этот функционал будет минимальным. Но ведь движущееся тело не знает о том, какие неоднородности встретит оно на своем пути!

Получается, что тело чуть ли не сознательно выбирает траекторию своего движения, чтобы минимизировать функционал. Когда были открыты вариационные принципы, дискуссия о “разумности природы” длилась в ученом мире очень долгое время. На самом деле это есть лишь следствие определенных природных механизмов, известных нам как законы природы. Но из всех принципиально возможных механизмов процессов реализуются почему-то именно те, которые дают наиболее оптимальные сценарии развития процессов. Это, с одной стороны, позволяет получать оптимальные сценарии развития, следуя в каждом своем шаге законам природы. С другой стороны, даже не зная конкретных механизмов и законов системной динамики, но зная интегральные характеристики системы, мы можем на основе принципа оптимальности прогнозировать (рассчитывать) ее будущее.

Создается впечатление, что природа сначала рассчитывает будущее, планирует его, а уже затем реализует наиболее оптимальный сценарий. Или же когда-то давно была уже проведена подобная работа, позволившая сформулировать такие законы системной динамики, которые в случае их выполнения всегда дают оптимальные результаты.

Таким образом, феномен целесообразности (телеологичности) изначально присущ природе. В его основе лежит принцип оптимальности, причина которого в единстве Вселенной и взаимодополнительности всех протекающих в ней процессов. Раздражимость, инстинкт, психика, разум - все это лишь некоторые наиболее привычные нам проявления феномена целесообразности. Можно показать, что все они являются конкретными механизмами, найденными природой для реализации принципа оптимальности. Так человек, использует свой разум для оценки последствий своих шагов в целях нахождения наиболее оптимального варианта поведения. Психика животных также служит этой цели, но “степень проникновения в будущее” у психики гораздо меньше, чем у разума. То, что мы понимаем под конкретными законами природы, выполняет аналогичные функции, но еще с более незначительной “степенью проникновения в будущее”. Так из квантовой теории известно, что даже в процессе взаимодействия двух элементарных частиц присутствует парадоксальная фаза, когда частицы каким-то образом получают информацию (прогноз) о ближайшем будущем.

В основу принципа оптимальности могут быть положены два взаимодополнительных постулата:

1) любая система стремится занять состояние, в котором любое изменение внутри системы практически не влияет (влияет минимально возможным образом) на состояние системы в целом;

2) из всех возможных состояний в каждый момент времени реализуется то состояние, с которым связано наименьшее количество изменений.

Первый постулат лежит в основе динамики Вселенной, заставляя ее эволюционировать от неравновесных состояний ко все более равновесным. Второй постулат запрещает скачкообразные переходы в равновесные состояния, заставляя всегда выстраивать четкие причинно-следственные цепи событий. Можно видеть, что второй постулат возникает вследствие действия принципа Ле Шателье - Брауна (природа пытается затормозить любые изменения) при попытках системы перейти в равновесное состояние, то есть он взаимодополнителен к первому постулату.

Резонно возникает вопрос: если в любой момент времени природа реализует только оптимальные состояния и процессы, почему же в мире так много абсурда, ошибок, далеких от понятия оптимальности? Или может быть человек, приведший планету к экологической катастрофе, является исключением, для которого закон оптимальности не писан? Но ведь не только человек совершает абсурдные поступки. Разве есть какая-то оптимальность в поведении ночной бабочки, летящей на огонь, или стаи саранчи, уничтожающей всю растительность в округе и затем гибнущей от голода, или мухи, бьющейся о стекло? Оказывается есть. Так, например, муха, бьющаяся о стекло, задействует один из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения: метод случайного поиска. Муха не имеет того аналитического аппарата, который есть у человека. Это мы понимаем, что нужно чуть отклониться в сторону и вылететь в открытую форточку. Мухе же не известно, есть ли вообще выход из той ситуации, в которую она попала. Но случайный поиск гарантирует, что решение рано или поздно будет найдено, если оно, в принципе, возможно. Более того, случайный поиск позволяет иногда находить выход даже из, казалось бы, тупиковых ситуаций (так муха может найти свое решение задачи, а не то, которое для нее приготовили мы, например, она может отыскать и вылететь в щель, о которой мы даже не подозревали). Причем если функция (ситуация) сама имеет случайный характер (или ее характер неизвестен), то данный метод дает наименьшее среднестатистическое время поиска ее экстремума.

Природа очень часто задействует подобные алгоритмы оптимизации. Так, например, очень показательна в этом смысле тактика поиска мест взятка (нектара и пыльцы), осуществляемая пчелиной семьей. Если одна из пчел найдет богатую цветочную поляну, то при возвращении в улей она совершает свой знаменитый “танец на сотах”, который “рассказывает” другим пчелам, куда нужно лететь, сколько энергии для этого потребуется, какие именно цветы растут на поляне и т.п. После этого множество пчел вылетает по месту назначения. При этом они демонстрируют хорошее понимание переданной им информации. Но почему-то не все пчелы, наблюдавшие танец, достаточно пунктуальны. Некоторые из них сбиваются с пути или даже изначально летят в неправильном направлении, иногда в совершенно противоположном. Это уменьшает количество принесенного в улей взятка. Но, оказывается, подобные ошибки изначально запрограммированы и несут в себе большую пользу. В принципе, природа могла бы наградить пчел абсолютной роботоподобной безошибочностью в понимании друг друга. Но она дала пчелам “право на ошибку”. Даже процент пчел, сбившихся с пути, определен достаточно строго (около 5%). Именно “ошибочные” вылеты приносят как правило в улей информацию о других богатых источниках взятка, на которые эти пчелы иногда случайно натыкаются.

Без определенной доли ошибки, абсурда, случайности природа не смогла бы развивать и усложнять свои формы. Поэтому, наверное, А.С.Пушкин назвал случай “богом-изобретателем”. Именно здесь реализуется та самая свобода выбора, без которой немыслима гармония в системе (см. выше). Системы, структура которых лишена неопределенности, случайности, ошибки, нежизнеспособны, так как они далеки от гармонии - наиболее объективного оптимального состояния. Они неспособны развиваться, а потому для Вселенной они бесполезны. Поэтому они довольно быстро разрушаются (накапливают ошибку). Механизмы этого разнообразны. Например, такая система может регулярно вступать в конфликты с другими системами (войны), в результате рано или поздно погибнет. Правда, чаще всего такая система, утратившая подобие с метасистемой, частью которой она является (предполагается, что метасистема гармонична), самопроизвольно теряет устойчивость (устойчивы только гармоничные системы). Мы такое состояние называем болезнью, иногда с летальным исходом. Как мы уже говорили, гармоничное соотношение между строгой предопределенностью и свободой выбора в структуре системы определяется “золотой пропорцией”.

Таким образом, в абсурде всегда есть доля здравого смысла. Без абсурда невозможно достичь оптимального состояния. Здесь, вероятно, каждому человеку придется многое пересмотреть в своем мировоззрении, в своем отношении к своим и особенно к чужим ошибкам. “Не судите, да не судимы будете” - учил нас Христос [Мф. 7:1]. Может быть, мы наконец-то осознаем мудрость этих слов?



Глава 4.

Дата: 2018-11-18, просмотров: 301.