М.Л. Калужский
Общая теория систем
Курс лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 144с.

Предыдущая

Оглавление

Следующая

Раздел I. Системность в природе и обществе

Лекция 2. Строение мироздания

Современная космология утверждает, что 15 миллиардов лет назад в результате Большого Взрыва родилась наша Вселенная. Теория горячей Вселенной является сегодня общепринятой в современной астрофизике. Кроме того, эта теория великолепно согласуется с Общей теорией систем (ОТС). Согласно современным представлениям началом истории мироздания стал взрыв космической протокапли, сжатой до чудовищной плотности и состоящей из фотонов, протонов, электронов и нейтрино. Принято считать, что плотность этой капли достигала величины 10⁹¹ г/см³ с радиусом всего 10^-12 сантиметров. Размеры не более электрона!

Уже через 0,01 секунды после Большого Взрыва температура протокапли составила приблизительно тысячу миллиардов градусов. Первым из атомов образовался водород – самый примитивный элемент, основа строения Вселенной. Через 30 секунд температура снизилась до нескольких миллиардов градусов. И сразу же началось спонтанное образование гелия – второго после водорода элемента новой Все­лен­ной.

Еще через миллиард лет от протокапли не ос­талось ничего. Вселенная расширялась и за счет этого постепенно остывала. Образова­лись пылевые облака. Некоторые из этих облаков концентрировались, преобразуясь в звезды. В звездах происходили сложные процессы синтеза химиче­ских элементов. И теперь эти процессы еще далеки от своего завершения.

Нынешняя структура распределения вещества во Вселенной характеризуется контрастом плотности вещества в заданном пространственном масштабе. Анализ расположения галактик в пространстве напоминает цепочки или волокна (фракталы).

Внутри ячеек в цепочках галактик мало, а в волокнах – много. Большие скопления галактик расположены на пересечениях волокон. Однако в более глобальном масштабе материя относительно равномерно заполняет пространство наблюдаемой Вселенной со средней плотностью 3-10^-31 г/см³.

Теории эволюции Вселенной

Теория Большого Взрыва гласит, что хотя размеры Вселенной и конечны, но она не имеет точных границ. Если бы наблюдателю удалось достигнуть самых отделенных галактик, то он увидел бы, что со всех сторон его окружают еще более удаленные галактики.

Это обстоятельство вызвано тем, что пространство-время искривлено и не имеет границ. Геометрическое объяснение такого явления в 19 веке дал великий русский математик Лобачевский.

В конце 19 века неразрешимой загадкой космологии был т.н. «парадокс Олберса»: Если звезды распределяются равномерно по бесконечной Вселенной, то при отсутствии препятствий на пути света звезд, все небо должно иметь яркость солнца за счет света бесконечных звезд, заполнивших небосвод.

Это противоречие устранил в 1915 году Альберт Эйнштейн. Он предположил, что пространство и вещество во Вселенной, хотя и конечны, но не имеют границ. Если Вселенная напоминает двухмерную сферу (поверхность шара), писал он, то эта Вселенная будет конечной, не имея при этом границ.

Современная система взглядов на самоорганизацию Вселенной начала складываться в конце 20-х гг. В 1929 году Артур Эддингтон предположил, что звездная энергия возникает в результате преобразования атомов водорода в гелий и что между массой звезды и ее яркостью существует прямая зависимость. Постепенно выяснилось, что классы звезд представляют собой ни что иное, как различные этапы звездной эволюции.

И сегодня основным показателем звездной классификации служит величина спектральных линий водорода в излучении звезд. По критериям температуры звезды подразделяют на семь классов: O, B, A, F, G, K, M. По спектру излучения звезды можно судить о ее температуре, цвету и химическому составу. Классифицируя звезды по химическому составу можно получить представление о рождении, эволюции и источниках энергии звезд.

Идея о расширяющейся Вселенной впервые возникла у американского астронома Эдвина Хаббла, обнаружившего, что по мере удаления от нас галактики движутся быстрее. В 1929 году он выявил закономерность: скорость удаления галактик прямо пропорциональна расстоянию до них. Этот показатель составляет около 100 км/с. В 1931 году бельгиец Жорж Лемэтр предположил, что в данном случае мы наблюдаем следствие Большого Взрыва или т.н. “первичного атома”, содержащего в себе все вещество и энергию Вселенной.

Фактическим подтверждением этой теории стало открытие в 1965 году микроволнового фонового излучения в космосе, оставшегося после Большого Взрыва. Кроме того, стабильность наблюдаемой Вселенной поставило под сомнение наличие на ее краю молодых, очень плотных объектов – квазаров.

Современные данные о самоорганизации Вселенной после Большого Взрыва блестяще подтвердили не только теорию относительности А.Эйн­штейна, но и бесспорность самого под­хода. Эти данные свидетельствуют о том, что в протокапле, ставшей прародительницей нашей Вселенной не было ничего, кроме гигантского количества энергии. И уже позднее, в результате термоядерных реакций, возникли хи­мические элементы, составляющие первооснову нашего бытия.

Взаимосвязь энергии и материи

Теория относительности утверждает, что энергия E тела неразрывно связана с его массой m через соотношение E=mc², где с – скорость света в вакууме. Любое тело обладает энергией.

Если m₀ – масса покоящегося тела, то его энергия покоя E₀ = m₀c². Эта потенциальная энергия может переходить и в другие виды энергии при превращениях элементарных частиц (распадах, ядерных реакциях и т.д.).

Из формулы Эйнштейна следует главный вывод – энергия и масса не есть что-то различное, они эквивалентны как две стороны одной медали! И эта эквивалентность лежит в основе любых процессов самоорганизации материи.

До создания А.Эйнштейном специальной теории относительности в 1905 году законы сохранения массы и энергии существовали как два независимых закона. В теории относительности эти два закона слились в единый закон сохранения энергии.

Согласно закону сохранения энергии, энергия сохраняется в изолированной системе. Этому закону подчиняются все известные процессы в природе.

В изолированной системе энергия превращается из одной формы в другую, но ее количество остается неизменным. Парадокс заключается в том, что, по-видимому, единственной полностью изолированной системой является наша Вселенная.[15]

И это подтверждается астрономическими наблюдениями. Любая система состоит из атомов. В изолированной системе атомы взаимодействуют только между собой, и их суммарная энергия остается неизменной.

Под энергией в современной науке принято понимать общую количественную меру движения и взаимодействия материи. Это понятие связывает воедино все явления природы.[16]

Сохранение энергии связано с однородностью моментов времени – с тем, что все моменты времени взаимно эквивалентны и физические законы не меняются со временем. Закон сохранения механической энергии был установлен в 1686 году Г.В.Лейбницем, а для немеханических явлений – Ю.Р.Майером (1845), Дж.П.Джоулем (1843-50) и Г.Л.Геймгольцем (1847).

В соответствии с формой движения материи, энергия может носить самый разнообразный характер: механический, электромагнитный, ядерный и т.д. Эта градация достаточно условна.

Так, к примеру, химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии хаотического движения атомов относительно центра масс тел и потенциальных энергий взаимодействия атомов друг с другом.

Энергия системы зависит от параметров, характеризующих ее состояние. Если речь идет о непрерывной среде или поле, принято вводить понятие плотности потока энергии, равной произведению плотности энергии на скорость ее перемещения.

Поэтому в процессе перехода системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от способа перехода. Причина этого заключается в том, что энергия – это показатель состояния системы. Изменение энергии в системе происходит через совершение работы и сопровождается передачей в систему некоторого количества тепла.

Рассмотрим, как происходит энергетический обмен на атомарном уровне. Почти вся масса атома сосредоточена в очень небольшой области по сравнению с его общим объемом. Эта область называется ядром атома. Атомы состоят из протонов и электронов. Весь остальной объем атома занимают электроны. Протоны входят в состав ядра, а электроны вращаются вокруг него.

Для того чтобы получить представление о строении и скрытой энергии мироздания, представим, что модель атома соответствует по размерам спортивному стадиону на 70 тыс. мест. Для сравнения – ядро атома будет напоминать спичечную головку. Атом водорода имеет только один протон. Он будет расположен в центре стадиона. Электрон, который примерно в 1840 раз легче протона, хаотично движется по всему пространству стадиона.[17]

Ядро атома гелия можно представить в виде четырех булавочных головок (двух протонов и двух нейтронов). В нашей модели два электрона атома гелия будут перемещаться по всему пространству стадиона. Но самое поразительное заключается в том, что четыре спичечных головки, составляя почти всю массу атома, занимают ничтожно малое пространство в центре стадиона!

И при этом частицы атома тоже не монолитны и далеко не конечны…. По сути, мы имеем дело с материей как формой самоорганизации энергии.

Оппоненты могут возразить, что в микромире действуют непонятные современной науке законы: причина может идти впереди следствия. Да и обыкновенный свет проявляет себя в различных экспериментах различно – как волны или как частицы. Для нас это не так важно.

В любом случае мы имеем дело с объективной реальностью. Неспособность объяснить некоторые явления свидетельствует лишь о том, что мы не обладаем пока соответствующим категориальным аппаратом. А энергетическую природу света можно легко проверить, зажигая бумагу при помощи обыкновенной лупы.

Биохимические процессы

Теперь перейдем к рассмотрению энергетических процессов, протекающих на планетарном уровне. К ним можно отнести в первую очередь химические и биохимические процессы.

Наша планета, Земля – источник всех веществ, которые мы повседневно используем в своей деятельности. Существование Земли целиком зависит от Солнца – основного источника энергии. При этом Земля также излучает энергию в космическое пространство.

Если количество излучаемой Землей энергии будет больше приобретаемой энергии, то Земля начнет охлаждаться, если же меньше, то Земля будет нагреваться. Нынешний устойчивый баланс поддерживается за счет солнечной энергии.

Часть получаемой от Солнца энергии накапливается в виде химической энергии при образовании новых веществ, особенно органических соединений. Таким образом, все вещества, которые использует цивилизация, происходят главным образом из Земли.

Однако источник эволюционных процессов – все-таки Солнце. Речь идет не только об энергии, накопленной в природных топливах, например каменном угле и нефти, или ядерной энергии. Сюда же следует отнести биохимическую энергию растительного или животного происхождения, потребляемую с пищей и даже непосредственно солнечную энергию.[18]

Химические реакции – основа жизни на Земле. И нет более важного аспекта химических реакций, чем сопровождающие их энергетические эффекты. Не случайно энергетическая сущность любых химических реакций выражается в ккал выделяемого или поглощаемого тепла. Это неотъемлемое свойство строения вещества во Вселенной.

С точки зрения биохимии все живые организмы, начиная от бактерий и заканчивая человеком, являются высокоорганизованными системами химических соединений. Для обеспечения жизнедеятельности живых организмов необходима энергия и воспроизводство веществ, лежащих в основе их строения.

При этом химическое строение даже простейших животных или растений чрезвычайно сложно. Они состоят из множества соединений, которые вступают в сотни промежуточных реакций.

Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии) для любого химического процесса общая энергия системы и ее окружения всегда остается постоянной. Энергия не исчезает и не возникает вновь.

Следовательно, если какая-либо биохимическая система приобретает энергию, то такое же количество энергии изымается из ее окружения, и наоборот. Энергия может перераспределяться, переходить в другую форму или претерпевать сразу оба превращения, но она не может появиться ниоткуда.

Из второго закона термодинамики следует, что вещество и энергия стремятся к состоянию максимальной неупорядоченности (энтропии). Однако системная самоорганизация, наоборот, направлена в сторону роста упорядоченности. Причем этот процесс также сопровождается поглощением внешней энергии. Высокоупорядоченные системы легко разрушаются, если на поддержание их устойчивости во внешней среде не затрачивается энергия.

Описанные явления наблюдаются как на физическом, так и на химическом и биологическом уровне. Если не учитывать усложнения системной организации, энергетическая сущность происходящего не меняется. Фактически все биологические процессы в природе можно описать на основе этих двух законов термодинамики.[19] И человек также является, прежде всего, самоорганизующейся биохимической системой.

Это явление хорошо известно нам из школьного курса органической химии. Окисление происходит через утрату электронов. Противоположный процесс присоединения электронов называют восстановлением.

Эти процессы протекают одновременно: электроны передаются от окисляющегося донора к акцептору электронов, который при этом восстанавливается. Такие реакции называются окислительно-восстановительными. Они лежат в основе всех биохимических процессов.

Рис. 2. Метаболизм живой клетки

Метаболизм живой клетки основан на совокупности процессов синтеза и распада, постоянно протекающих в ней в любой данный момент. Основную часть полезной энергии клетка получает за счет окисления питательных веществ в процессе дыхании.

И вообще, любое вещество наравне с массой обладает свойством, обозначаемым в химии термином «теплосодержание», т.е. мерой энергии, накапливаемой веществом в момент образования. Тепловой эффект равен разности между теплосодержанием продуктов реакции и теплосодержанием реагирующих веществ.

Если теплосодержание реагирующих веществ больше, чем у продуктов реакции – выделяется тепло. Если наоборот – тепло поглощается.

По мере усложнения системной организации живым системам требуется все больше энергии, и эффективность ее использования также возрастает. На уровне растений мы наблюдаем сравнительно примитивные процессы фотосинтеза (в зависимости от внешних условий).

Животные же организмы не только тратят энергию на поддержание температуры тела, дыхание и кровообращение. При этом животные организмы аккумулируют энергию и целенаправленно передвигаются в поисках благоприятных условий существования.

Энергетическая основа жизни для всех животных организмов – глюкоза. При окислении глюкозы в живом организме выделяется некоторое количество энергии (например, в условиях отсутствия кислорода ~ 20 ккал энергии). Глюкозу можно назвать «топливом», которая содержит энергию, необходимую для животных организмов.

Главным условием этого процесса является сгорание различных соединений углерода до CO₂, который выделяется при дыхании. Углекислота – важнейший продукт окислительных процессов, при которых окисляется пища и высвобождается энергия.

Социоэнергетические процессы

Любая форма жизни, так или иначе, воспринимает окружающую среду. В соответствии с этим восприятием она приспосабливается к условиям внешней среды, чтобы обеспечить свое существование.

Такой механизм является единственно возможным механизмом самоорганизации. Жизнь, которая не реагирует на изменения внешних условий, неизбежно проигрывает в борьбе за выживание и погибает.

Поэтому в ходе самоорганизации природа выработала множество адаптационных механизмов, действие которых направлено на максимизацию использования энергии окружающей среды. Для наглядности рассмотрим ряд конкретных примеров.

Так, растения при восходе солнца поворачивают свои листья на черешках так, чтобы как можно больше прямых солнечных лучей попало на их поверхность. Это позволяет листьям получать солнечную энергию, которая приводит в действие процессы фотосинтеза.

Насекомые, пресмыкающиеся, земноводные и некоторые млекопитающие (например, медведи, ежи) с наступлением осени находят уединенные места и впадают в спячку до весны. Во время спячки кровяное давление и температура тела у них понижены, процесс пищеварения замедляется.

Они затрачивают минимальное количество энергии на поддержание жизни. И вовсе не случайно то, что они впадают в спячку именно тогда, когда приток солнечной энергии сокращается, и добывать пищу становится очень сложно.

Биологические процессы

Рис. 3. Самоорганизация материи

Не менее интересно обстоит дело у чело­века. На его уровне самоорганизации дей­ствуют не только хи­мические и биологи­ческие процессы преобразования энергии. Человек ак­тивно преобра­зует окружающую среду, создавая для себя наиболее комфортные условия энергопотребления.

Одним из основополагающих постулатов Общей теории систем (ОТС) является утверждение, что все происходящие в природе и обществе процессы, будь то физико-химические, биологические, социальные или любые другие, имеют в своей основе энергетическую подоплёку. И, в самом деле:

-  мы ежесекундно потребляем кислород, который, окисляясь, отдает нашим организмам часть своей химической энергии;

-  наша мыслительная деятельность обеспечивается через электрические импульсы в коре головного мозга;

-  мы ежедневно принимаем пищу, энергетическая ценность которой определяется содержанием в ней определенного числа усваиваемых ккал;

-  наше физиологическое существование поддерживается наличием четко определенных температурных границ (притоком тепловой энергии).

То же самое мы увидим, если рассмотрим глобальные экономические или иные социальные процессы: начиная от военных конфликтов и заканчивая научно-техническим прогрессом или социокультурными процессами. Продолжать перечень можно до бесконечности. Все в конечном итоге сведется к переработке ресурсов окружающей среды.

Неудивительно, что явления, имеющие общую энергетическую сущность, подчиняются общим закономерностям. Одной из таких закономерностей является фактор энтропийности.

Иначе говоря, чем больше система восприимчива к внешним воздействиям окружающей среды, тем менее эффективно она использует поступающую извне энергию. Если встать на такую точку зрения, тогда, к примеру, политическая борьба или банальная рыночная конкуренция сведутся к борьбе за перераспределение полезной энергии и все общественно-политические системы разделятся по признаку эффективности её использования.

Уберите из жизни современного человека фактор преобразуемой социумом энергии, и он не выживет даже в пещере, поскольку именно огонь был первым внешним источником полезной энергии, освоенной человечеством. Есть старый анекдот о том, как актеры долго спорили между собой, кто же все-таки главный в театре, а затем пришел электрик и выключил свет.

Кстати, рынок в таком контексте представляет собой механизм приведения во взаимное соответствие альтернативных возможностей и альтернативных потребностей распределения полезной энергии. Однако об этом несколько позднее...[20]

Социальная «энергетика»

Давно замечено, что в зимнее время года резко увеличивается количество депрессий, а в районах Крайнего Севера, где полгода стоит полярная ночь – это превращается в настоящую проблему. Причина такого явления кроется в биохимических особенностях человеческого организма – негативных явлений можно избежать, принимая витамины и кварцевые ванны.

Современная биология не усматривает каких-либо заметных отличий в строении организма человека и животных. Подтверждением этого может служить хотя бы то, что в своем внутриутробном развитии человеческий зародыш последовательно проходит все стадии самоорганизации форм жизни на Земле.

Одно кардинальное отличие все же есть. И это даже не размер головного мозга и не способность к прямохождению. Речь идет о способности человека к абстрактному мышлению, т.е. о способности индивидуума абстрагироваться от понятий «здесь» и «сейчас», мысленно выйти за рамки окружающей действительности.

Этой способностью обладает только человек. По-видимому, именно она лежит в основе социальной самоорганизации. Следует отметить и другое. Не случайно потребности высшего порядка проявляются только после удовлетворения потребностей низшего порядка.

Описанная закономерность обусловлена энтропийностью процесса самоорганизации материи. Известный американский психолог и социолог А.Х.Маслоу предложил следующую иерархию, названную им «пирамидой потребностей»:

Рис. 4. Пирамида потребностей А.Х.Маслоу

По этой схеме базовыми потребностями, определяющими общественное поведение, выступают биологические (витальные) потребности. Эти потребности лежат в основе как биологического, так и социального поведения.

Однако их не следует сводить к единому знаменателю – это потребности одной природы, но разного уровня. И чем выше уровень социальных потребностей, тем о более высоком уровне самоорганизации индивидуума мы можем говорить.

Задача общества заключается в формировании таких условий жизнеобеспечения, когда витальные потребности перестают довлеть над его членами. Доказательство очень простое (что называется «от противного»): при неудовлетворении базовых потребностей, потребности высших уровней, в конечном счете, теряют свою актуальность.

Сегодня можно услышать многое о высшем предназначении того или иного народа, о необходимости отказа от строительства "общества потребления" и особом пути российской государственности. Религиозные и гуманистические призывы звучат на первый взгляд очень привлекательно. Особенно, если потребности первых двух уровней уже удовлетворены….

Рекомендуемая литература:

1.  Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. В 3 т. – М.: Мир, 1996.

2.  Концепции современного естествознания. Учебное пособие. / Под ред. Самыгина С.И. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997.

3.  Энгельс Ф. Диалектика природы. – М.: Политиздат, 1969.

---

Предыдущая

Оглавление

Следующая