Термодинамика открытых систем. Энтропия и информация.

Сегодня наука считает все известные системы от самых малых до самых больших открытыми, находящимися в состоянии далеком от термодинамического равновесия. Развитие таких систем идет по пути нарастающей упорядоченности.

Энтропия – это мера косности системы. Существует противоположное понятие – негативная энтропия – негэнтропия – это мера живучести системы. Негэнтропия приравнена информации, информация = негэнтропия.

В закрытых (застывших, косных) системах энтропия постоянно возрастает, согласно II-му закону термодинамики.

В открытых жизнеспособных системах возрастает негэнтропия (информация) и уменьшается энтропия. По Шредингеру: «Жизнь базируется на негативной энтропии», т.е. жизнь есть упорядоченное состояние, в котором постоянно осуществляется отбор (селекция).

В 1973 г. д-р И. Пригожин получил Нобелевскую премию. Согласно Пригожину, всякая организованная система находится в динамическом равновесии между энтропией и отрицательной энтропией, между хаосом и информацией. Чем сложнее система, тем больше ее нестабильность.

Оказывается нестабильность не всегда является недостатком. Она необходима эволюции. Например, Общества насекомых (пчелы, муравьи) очень стабильны и в течение многих миллионов лет они не прошли почти никакого развития. Человеческое общество очень нестабильно и находится в стадии постоянной эволюции. Пригожин доказывает эволюционное значение нестабильности в своей концепции диссипативных структур.

Диссипативная структура очень сложна и потому очень нестабильна. Чем больше ее сложность, тем больше ее нестабильность и тем выше вероятность ее изменений или развития. Все диссипативные структуры постоянно колеблются между саморазрушением и реорганизацией. Причем реорганизация обеспечивает более высокий информационный уровень (когерентность) чем прежде.

Математические выкладки Пригожина оптимистичны. Сложные открытые структуры имеют тенденцию скорее к подъему на более высокую ступень когерентности, чем к саморазрушению. Человеческий мир настолько богат информацией, что он должен скорее двигаться к совершенствованию, чем найти свой конец в хаосе и саморазрушении.

4. Синергетика. С 70-х годов 20 века начинает развитие направление, называемое синергетикой, которое рассматривает сложные открытые системы с самоорганизующимися процессами, в которых эволюция идет от хаоса к порядку. Синергетика – содружество, коллективное поведение (греч).

Самоорганизация, по определению немецкого физика Г. Хакена – спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из «хаоса», спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного действия многих подсистем. Это наука о превращении хаоса в порядок.

Процесс самоорганизации проходит три обязательных этапа.

1. Открытость. Обязательное условие – система должна быть открытой – обмен ресурсами с окружением. Открытость приводит к возникновению флуктуаций в системе (отклонения от среднего значения).

2. Неравновесность. При изменении определенных параметров флуктуирующая система переходит в критическое состояние и теряет устойчивость. По мере дальнейшего притока вещества и энергии система нелинейно (с ускорением) уходит все дальше от равновесного состояния. Неравновесный процесс переходит от порядка к хаосу.

Состояние крайнего неравновесия и максимального хаоса называют точкой бифуркации (лат. раздвоенный). Из т. бифуркации существует множество путей ветвления. В этот момент на судьбу системы могут повлиять различные случайные непредвиденные факторы.

3. Выход из критического состояния. Из бифуркации система внезапно скачком переходит из хаотического состояния в новое устойчивое состояние, абсолютно непохожее на прежнее с более высоким уровнем упорядоченности.

Из-за действия поступающей извне энергии множество случайных разнонаправленных явлений, характерных для состояния хаоса, вдруг обретают когерентное, т.е. совместное, согласованное поведение – синергетические процессы.

Этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. По природе системы могут быть физическими, химическими, биологическими, социальными.