Майков В.П. - Введение в системный анализ, страница 6

Классические теории «часто заканчиваются там, где начинается системность», т.е. традиционные теории не являются многоуровневыми. НВТ в этом смысле – удачное исключение. К проблеме многоуровневости теоретического описания мы вернемся в конце этого раздела.

3.7. Современное широкое толкование модели. В ХХ веке понятие модели становится все более общим, охватывающим и реальные, и идеальные модели

Разделим модели на познавательные и прагматичные.

Познавательные модели являются формой представления научных знаний. Естественно, что при расхождении между моделью и реальностью встает задача устранения этого расхождения, что достигается с помощью модели (см. рис3.2а).

Несколько другой характер носят прагматические модели, которые являются формой организации практических действий. Примерами прагматических моделей могут служить планы и программы действий, уставы организаций, кодексы законов и т. д. Заметим, что согласование модели и реальности достигается здесь прямо противоположным способом, а именно не за счет модели, а корректировкой реальности (!) (см. рис.3.2б).

Рис.3.2 а) – схема познавательной модели;

б) – схема прагматической модели

Несмотря на широкое применение моделирования в современной науке, метод моделирования объективно ограничен. Ограничение диктуется особенностями метода. Чтобы популярно и наглядно объяснить особенности моделирования, в одном из зарубежных сборников по моделированию приводится такое остроумное сравнение: «Кочан капусты вполне может служить моделью головы короля». В этой шутке отражены все современные требования к моделированию в широком смысле: вычленение интересующих нас свойств (геометрия головы), адекватность, приближенность и др.

Как известно, метод моделирования основан на многообразии свойств любого реального объекта и объективной возможности отказаться от описания некоторых из них в конкретной задаче. Отсюда приближенность моделей и теорий.

Сравнительно недавно считалось, что природа в своей основе неисчерпаема. Вспомним знаменитое ленинское изречение: «Электрон также неисчерпаем, как и атом». Сегодня большинство физиков признают, что природа в своих фундаментальных физических основах может быть понята до конца. Это стало понятным, как только в физике укрепилось понимание квантовой неопределенности не как некоторого предела для познания, а как одного из фундаментальных свойств природы. Можно ожидать, что по мере продвижения в новые наиболее глубокие иерархические уровни природы их теоретическое описание в принципе не должно усложняться. Это можно продемонстрировать недавними результатами нелокальной версии термодинамики. Из нее, например, следует, что описание свойств жидкости или даже газа значительно сложнее описания свойств состояния физического вакуума. Это и понятно, при описании вещественного состояния (газ, жидкость) необходимо для адекватного описания так или иначе учитывать, что вещество погружено в физический вакуум. Анализ показывает, что системный подход требует трехуровневого описания. В то же время при описании физического вакуума как самостоятельного термодинамического состояния достаточно более простого, двухуровневого, рассмотрения. Имеются в виду два уровня физического вакуума – возбужденный и невозбужденный.

Вернемся к моделированию как методу, основанному на многообразии свойств любого реального объекта и на возможности вычленения некоторых из них. Можно ожидать, что по мере перехода к фундаментальным уровням число этих свойств будет сокращаться, так что исключение из описания части из них будет приводить к полной неадекватности математического описания, полученного методами модельных представлений.

Критику методов моделирования в физике можно найти в работах, относящихся еще к началу прошлого века. Так Макс Борн писал в своих воспоминаниях: «Постепенно и вопреки сильной оппозиции распространялось убеждение, что модели не только не нужны, но и мешают прогрессу. Явления природы нет необходимости сводить к моделям, доступным нашему воображению и объяснимым на языке механики, явления природы имеют собственную структуру, непосредственно выводимую из опыта » [19].

В следующем разделе показаны возможности термодинамического метода, из которого удалены следы модельности, связанные с принятием концепции непрерывности.

3.8. Метагалактика как термодинамическая система. В настоящее время в физике господствует механическая картина мира. В широком смысле и современная квантовая механика, и теория относительности А. Эйнштейна являются лишь обобщениями классической механики, в первом случае на область микроскопического уровня, во втором на область околосветовых скоростей. А следовало бы иметь дело не с обобщённой
м е х а н и к о й, в которой изначально отсутствуют такие фундаментальные понятия как энтропия и температура, а с обобщенной т е р м о д и н а м и к о й. Нелокальная версия термодинамики (НВТ) как раз и является таким обобщением.

Для раскрытия темы, вынесенной в заголовок раздела, усилим сказанное ранее об НВТ некоторыми дополнительными положениями.

Прежде всего, отметим, что НВТ прогнозирует существование кроме проявленных, т.е. вещественных состояний материальной среды (твердое тело, жидкость, газ, плазма), еще и состояние физического вакуума.

Квант рассеяния любого параметра физического вакуума равен номинальному значению самого параметра. (DА=А), поэтому такое состояние относится к непроявленному, или виртуальному состоянию. Иными словами, виртуальное состояние характеризуется полным квантовым рассеянием параметров состояния. Виртуальные состояния являются реальными (так устроена природа), но непроявленными, и в этом смысле такие состояния не наблюдаемы.. В обычном употреблении этого термина под виртуальным часто подразумевается наоборот нечто наблюдаемое, но не реальное.

В природе встречается также другой тип ненаблюдаемых объектов. Они скрыты от наблюдения релятивистским горизонтом событий. Подобные объекты в космологии называются черными дырами. Например, в НВТ горизонтом событий для макроячейки является внешняя оболочка окружения (см. п.3.6). Это означает, что наблюдатель, находящийся за внешней границей окружения, не может наблюдать содержимого макроячейки, к которой относится это окружение. Черная дыра поглощает даже световой сигнал. Так как в обычных условиях, согласно НВТ, окружение эквивалентно наблюдаемой Вселенной, то можно сказать, что мы существуем в черной дыре. Однако, если бы мы сумели приблизиться к границе наблюдаемой Вселенной, то эта граница, как и полагается горизонту, была бы отодвинута. Правда, так просто «выбраться» из черной дыры возможно только в условиях космологической однородности пространства. Дальше нас будут интересовать объекты со свойствами черных дыр, порождаемые исключительно локальной неоднородностью наблюдаемой Вселенной.

А пока рассмотрим состояние черной дыры, образованной физическим вакуумом. Такое состояние называется сингулярным. В физической сингулярности все параметры состояния черной дыры достигают своих предельных значений, которые определяются только мировыми константами. Можно сказать, что на этом состоянии «заканчивается» термодинамика, да и физика тоже. Сингулярная макроячейка обладает уникальными свойствами. Достаточно сказать, что именно свойства этого состояния порождают численные значения мировых констант в физике. Например, гравитационную постоянную можно определить как параметр, задающий максимальную силу, существующую в природе F=c⁴/G. Эта сила способна за менее чем миллионные доли секунды ускорить массу, равную массе солнца, до скорости света.

Радиус сингулярной макроячейки равен радиусу окружения. Как следствие, сингулярная инерционная масса макроячейки равна не только тяжелой (гравитационной), но и всей гравитирующей массе. Таким образом, индивидуальная сингулярная макроячейка является виртуальной черной дырой. Такое состояние отличается от обычного проявленного, т.е. вещественного состояния двумя уровнями скрытности. Во-первых, параметры любого состояния физического вакуума скрыты от наблюдения, поскольку они виртуальны. Во-вторых, эти параметры в каждой сингулярной макроячейке скрыты индивидуальным для каждой макроячейки горизонтом событий.

НВТ прогнозирует очень высокую температуру сингулярного состояния, 10³² К. Тем не менее, по основным свойствам ее можно было бы отнести к «холодной температуре». Дело в том, что физический вакуум не способен передать свою энергию окружающей среде, так как энтропия любой макроячейки физического вакуума предельно минимальна и равна постоянной Больцмана. В вакуумной макроячейке температура выполняет свою основную роль в природе, являясь параметром, однозначно задающим характеристику пространственно-временной метрики (размер макроячейки и дискрет времени). Понижение температуры физического вакуума возможно только при самопроизвольном изоэнтропном расширении макроячеек. При обычных температурах этот процесс протекает чрезвычайно медленно (см. в п.2.4 об инфляции энергии), но в сингулярном состоянии процесс расширения протекает со скоростью взрыва. Это и есть тот самый «Большой Взрыв», с которым современная физика связывает «начало» Вселенной. Следует обратить внимание, что мы приходим к необходимости использовать выражение «процесс со скоростью взрыва», оставаясь в рамках расширенного понимания термодинамического равновесия. Это надо понимать в том смысле, что в природе не существует ни статического, ни даже динамического термодинамического равновесия.

Проследим, однако, было ли в действительности начало Мира. Для этого покажем, каким образом эволюция материальной среды, которая как будто бы «начинается» с сингулярной температуры, вновь приводит к состоянию сингулярности. Решающим моментом в понимании этого глобального космологического цикла является предсказание НВТ существования в природе, в области очень низких температур, фазового перехода квантово-релятивистского характера. Так, НВТ доказывает, что космологически большие массы плотного вещества (примерно не меньше двух масс Солнца) нельзя охладить до сколь угодно низкой температуры. Достигнув за счет гравитации термодинамически максимальной плотности, такая масса при температуре Т=2×10^-6К претерпевает фазовое превращение с диссипативным переходом в новое состояние и выделением эйнштейновской энергии mc². Этой энергии оказывается достаточной, чтобы материальная среда вновь достигла сингулярной температуры.

Таким образом, начатый с сингулярного состояния космологический цикл эволюции материальной среды замыкается. Внутри этого цикла идут процессы как с повышением, так и понижением энтропии. При этом в космологическом масштабе, в соответствии с уточненным НВТ первым началом термодинамики, превалирует процесс с понижением энтропии. Частично об особенностях этих процессов см. п.2.5.

Назовем только что рассмотренное состояние, которое приводит к фазовому превращению, критическим в космологическом смысле, и остановимся на системно-термодинамических особенностях этого состояния. Анализ показывает, что в критическом состоянии объем окружения, как и в сингулярном состоянии, достигает объема макроячейки. Эта общая особенность критического и сингулярного состояния, приводящая к их неустойчивости, вполне созвучна с системным утверждением, что «систем без окружения не существует». Если учесть, что макроячейка характеризует границу микро- и макроуровня, то интересно отметить, что в локальной циклической эволюции материальной среды решающей «точкой возврата» выступает состояние, в котором совпадают иерархические границы микро- макро- и мегауровней. Это касается как космологического критического, так и сингулярного состояния (точнее состояния-процесса).