11224 (567523), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Порядок и хаос. В результате протекания процессов в изолированных системах сами системы переходят в состояние равновесия, которое соответствует максимальному беспорядку системы – равновесный тепловой хаос. Таким образом, самоорганизация, или эволюция в случае замкнутой системы приводит ее в состояние максимального беспорядка. В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления.
Уже теория Канта и Лапласа об образовании упорядоченной Солнечной системы из хаотических туманностей противоречила II началу термодинамики. Но особенно ярко проявилось противоречие II начала термодинамики с эволюционной теорией Дарвина. Ведь согласно ей, в мире живого естественно протекающие процессы ведут к усложнению форм и структур, к увеличению порядка, избавлению от хаоса и удалению от равновесия. Другими словами, самоорганизация в живой природе приводит систему к прямо противоположному состоянию, чем самоорганизация в неживых системах. Все это привело к появлению понятия открытой системы, которое и позволило устранить упомянутые противоречия.
Открытость систем. Такие понятия, как изолированная (закрытая) система, необратимые процессы являются идеализацией. При изучении обратимых процессов (например, качание маятника в вакууме при отсутствии трения) нет смысла говорить о направлении течения времени, т. к. прошлое, настоящее и будущее в этом случае не отличаются. Поэтому в уравнениях обратимых процессов время выступает всего лишь как параметр, который можно изменять. Но в реальности в случае с маятником всегда присутствует трение, колебания маятника будут затухающими, и прошлое, настоящее и будущее будут уже отличаться. Эволюционным принципом необратимых процессов в живой природе стало II начало термодинамики, утверждающее, что энтропия изолированной системы возрастает. Именно рост энтропии устанавливает направление протекания процесса, т.е. «стрелу времени» .
В своей книге «Что такое жизнь» выдающийся австрийский физик Э. Шредингер указал на то, что средство, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности, т.е. на достаточно низком уровне энтропии, в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. Другими словами, организм извлекает из окружающей среды негэнтропию. Открытая система заимствует энергию и вещество из окружающей его среды и одновременно выводит в окружающую среду отработанное вещество и отработанную энергию. Вырабатывая и заимствуя энергию, открытая система производит энтропию, но она не накапливается в ней, а выводится в окружающую среду. С поступлением энергии и вещества в открытую систему ее неравновесность возрастает, разрушаются прежние связи между элементами и возникают новые, которые приводят к новой структуре, новым кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению её элементов.
Нелинейность. Сложные системы являются нелинейными. Для их описания используются нелинейные математические уравнения, т.е. уравнения, в которых искомые величины входят в степенях больше единицы, в составе математических функций (тригонометрических, логарифмических и т.п.) или коэффициенты зависят от свойств среды и особенностей протекания процесса. Нелинейные уравнения могут иметь несколько качественно различных решений. Физически это означает возможность различных путей эволюции системы.
Диссипативность. Великий русский математик А.М. Ляпунов разработал общую теорию устойчивости состояний систем. Очень кратко ее идею можно выразить следующим образом. Устойчивые состояния систем не теряют своей устойчивости при флуктуациях физических параметров, поскольку система за счет внутренних взаимодействий способна погасить возникающие флуктуации. Неустойчивые системы, наоборот, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и, в результате такого нарастания амплитуд возмущений система уходит из стационарного состояния. Критерием эволюции при этом является величина (dS/dt) < 0, которая указывает направление развития физической системы к устойчивому стационарному состоянию. Эти процессы происходят достаточно медленно, поэтому на каждом этапе как бы достигается равновесие. Величина прироста энтропии за единицу времени в единице объема называется функцией диссипации, а системы, в которых функция диссипации отлична от нуля, называются диссипативными. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного движения и, в конечном счете, в тепло. Практически все системы являются таковыми, поскольку трение и прочие силы сопротивления приводят к диссипации энергии (диссипация < лат. dissipatio – разгонять, рассеивать).
При определенных условиях суммарное уменьшение энтропии за счет обмена потоками с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Тогда неупорядоченное однородное состояние системы может потерять устойчивость. В ней возникают и могут возрасти до макроскопического уровня т.н. крупномасштабные флуктуации. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые последовательно начнут переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление и получило название самоорганизации. При этом энтропия, отнесенная к тому же значению энергии, убывает. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами.
На макроуровне диссипативность проявляется как хаос. На микроуровне хаос – это не разрушающий фактор, а сила, выводящая систему путь образования новых структур.
Бифуркация. Выше было сказано, что нелинейная система уравнений, которой описывается практически любая реальная сложная система, имеет не одно, а подчас целый спектр решений. Ответвления от известного решения появляются при изменении значения параметров системы. Поэтому мы рассматриваем здесь еще одно понятие – управляющие параметры (параметры порядка). Изменения управляющих параметров способны вызвать катастрофические, т.е. большие скачки переменных системы, и эти скачки осуществляются практически мгновенно.
Бифуркация (от лат. раздвоение, размножение). Усложнение структуры и поведения системы тесно связано с появлением новых путей решения в результате бифуркаций. В сильно неравновесных условиях процессы самоорганизации соответствуют «тонкому взаимодействию» между случайностью и необходимостью, флуктуациями и детерминистскими законами. Вблизи бифуркаций, т.е. резких, «взрывных» изменений системы, основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между бифуркациями преобладает детерминизм. Ситуацию, возникающую после воздействия флуктуации на систему и возникновения новой структуры, И. Пригожин назвал порядком через флуктуацию или «порядком из хаоса» . Флуктуации могут усиливаться в процессе эволюции системы или затухать, что зависит от эффективности «канала связи» между системой и внешним миром.
Выделим основные условия и положения самоорганизации систем:
1. Система должна быть открытой, диссипативной и находиться вдали от термодинамического равновесия.
2. Если в случае закрытых систем самоорганизация (эволюция) ведет к росту энтропии и беспорядка, то в случае открытых систем происходит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Именно флуктуации приводят в этом случае к «расшатыванию» старого порядка и возникновению нового. Энтропия падает, количество информации (негэнтропия растет).
3. Управление процессами и сохранение динамического равновесия систем основано на принципе обратной связи, когда на основе полученных обратных сигналов система возвращается в исходное состояние. Самоорганизация открытых систем опирается на принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а наоборот, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры.
4. Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, иметь некоторые критические размеры. В противном случае коллективное поведение элементов системы может не проявиться (самоорганизация не наступает).
5. Чем выше в своем эволюционном развитии находится система, тем более сложными и многочисленными будут факторы, которые влияют на ее самоорганизацию.
3. Происхождение материков
Материк (континент) – крупный массив земной коры, большая часть которого выступает над уровнем Мирового океана, а периферия находится ниже его уровня (подводная окраина материка). Для материка характерен континентальный тип строения земной коры мощностью 35–70 км с присутствием гранитно-метаморфического слоя. В современную геологическую эпоху существуют материки: Евразия, Сев. Америка, Юж. Америка, Африка, Австралия, Антарктида.
Рассмотрим две теории о происхождении материков. Первая была описана Паршаковым Евгением Афанасьевичем в книге «Происхождение и развитие Солнечной системы».
В «начале времен», то есть во времена образования планеты, на её поверхность выпадали космические осадки – твердые тела, а вместе с ними и радиоактивные вещества, которые распределялись неравномерно на поверхности. Это приводило к гравитационным и температурным аномалиям в веществе планеты. Гравитационные аномалии приводили к прогибам на поверхности планет, а температурные аномалии – к неравномерной дифференциации вещества с разных сторон планеты. Чаще всего гравитационные и температурные аномалии действуют совместно в одних и тех же местах планеты. А это усиливает их воздействие на геологическую эволюцию планеты. При значительном прогибе поверхности планеты хотя бы в одном только месте, хотя их может быть несколько, космические осадки заполняют его, подобно тому, как снег во время земной зимы заполняет все овраги, сравнивая их с поверхностью земли. Но под тяжестью заполнивших прогиб поверхности планеты космических осадков, которых в месте прогиба на единицу площади поверхности приходится во много раз больше, чем в среднем по планете, прогибание поверхности в этом месте еще более усиливается, вследствие нарушения установившегося было гравитационного равновесия за счет прогиба поверхности. В результате прогиб поверхности планеты превращается как бы в гравитационный колодец, через который космические осадки попадают внутрь планеты. Одновременно продолжает действовать механизм дифференциации вещества планеты, но теперь большая часть вещества космических осадков попадает внутрь планеты уже через один или несколько ограниченных участков поверхности (морских впадин). Некоторые из морских впадин могут достигать больших размеров. Такой огромной древней океанической впадиной на Земле был, возможно, древний Тихий океан, границами которого являются, приближенно, современные тихоокеанские хребты, проходящие по окраинам современного Тихого океана. Большая часть же поверхности планеты обновляется медленно, что в конце концов приводит к грандиозным последствиям в геологическом развитии планеты.
Изменяется скорость протекания дифференциации вещества в различных частях планеты. В результате при сохранении темпов роста планеты происходит замедление расширения наружных оболочек планеты. Если раньше, при примерно равномерной дифференциации вещества по всем направлениям от центра планеты, последняя увеличивалась только снаружи, то теперь, при образовании гравитационных колодцев, планета начинает увеличиваться не только (и не столько) снаружи, но и изнутри. А это приводит к возникновению мощных и все более усиливающихся напряжений внешних оболочек планеты, которая превращается как бы в паровой котел, в котором непрерывно увеличивается давление пара.
И рано или поздно сила давления глубинного вещества на наружные оболочки изнутри достигает такой критической величины, что в наружных оболочках планеты возникают трещины. И наружные оболочки лопаются на несколько частей, между которыми возникают глубокие разломы, которые снизу постепенно заполняет глубинное вещество, а сверху, более быстро, – космические осадки.
После разлома наружных оболочек на части (плиты) они начинают постепенно расходиться в разные стороны. Дифференциация вещества на поверхности этих плит почти прекращается. Все космические осадки втягиваются атмосферными перемещениями в образовавшиеся разломы и дифференциация космических осадков происходит теперь главным образом в местах разлома.
Планета продолжает постепенно увеличиваться, но площадь поверхности континентальных плит не увеличивается. Увеличение поверхности планеты происходит за счет расширения разломов и увеличения их поверхности. И хотя континентальные плиты не подвергаются (или подвергаются мало) горизонтальным перемещениям, но они отдаляются друг от друга, поскольку перемещаются в вертикальном направлении при увеличении объема, площади поверхности и радиуса планеты по мере ее роста.
В местах разломов верхних оболочек планеты сразу же начинают формироваться новые оболочки, преимущественно за счет космических осадков, заполняющих в галактические зимы и после их окончания разломы и подвергающиеся в разломах ускоренной дифференциации. Но различие в уровнях поверхностей плит и разломов сохраняется еще долгое время, хотя и со временем все более стирается. Единая раньше поверхность планеты, если не считать небольшие по площади морские прогибы, разделяется на материковые поднятия и океанические впадины. И только срединно-океанические хребты показывают места расколов единой ранее материковой коры.
Но через какой-то довольно длительный промежуток времени уровни материков и океанов сравниваются за счет наращивания верхних оболочек в океанических впадинах. А затем увеличившаяся планета, залечив на своем теле глубокие шрамы, принимает свой прежний вид. Но пройдет время, и все повторится снова. Вновь возникнут гравитационные колодцы, вновь планета будет пухнуть изнутри, вновь лопнет с грохотом верхняя ледяная (или ледяная и силикатная и т.д.) оболочки, и вновь возникнут материки и океаны, возникнут, чтобы снова со временем исчезнуть.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
