Человек и ноосфера

 – функционал, минимизация которого обеспечивает выполнение кинематических условий и т. д.

Из математического анализа известно, что одновременная минимизация нескольких функций (или функционалов) имеет смысл лишь при выполнении некоторых специальных условий. Обозначим через ?? множество экстремальных значений функционалов Wi (x). Тогда задача

W

(x)?min

будет иметь смысл, если мы будем, например, разыскивать минимальные значения функционала W

(x) на множестве ?

и т. д. Таким образом, задача (1) имеет смысл тогда, когда множество функционалов упорядочено, ранжировано по порядку их значимости, а пересечение множеств ?i минимальных значений этих функционалов не пусто. При этих условиях требование (1) определит некоторое множество допустимых состояний. Оно и является ареной развивающихся событий.

При описании явлений неживой природы функционалы [Wi] действительно всегда ранжированы, причем первое место занимают законы сохранения: ничто не может нарушить законы сохранения массы, импульса, энергии… Различные связи – голономные, неголономные и любые другие ограничения имеет смысл рассматривать лишь для систем, для которых законы сохранения выполнены. Среди всех таких ограничений особое место для открытых систем занимает принцип минимума роста энтропии или минимума диссипации энергии. Он как бы замыкает цепочку принципов отбора: если законы сохранения, кинематические и прочие ограничения еще не выделяют единственной траектории развития системы, то заключительный отбор производит принцип минимума диссипации. Вероятно, именно он играет решающую роль в появлении более или менее устойчивых неравновесных структур в общем процессе самоорганизации материи.

В рамках описанной схемы можно дать следующую интерпретацию процессов, протекающих в неживой природе. Тенденции к разрушению организации и развитию хаоса (повышению энтропии) препятствует ряд противоположных тенденций. Это прежде всего законы сохранения. Но не они одни препятствуют разрушению организации. Принцип минимума диссипации энергии не только отбирает из тех движений, которые допускаются законами физики (им не противоречат), наиболее «экономные», но и служит основой «метаболизма», то есть содействует процессу возникновения структур, способных концентрировать окружающую материальную субстанцию, понижая тем самым локальную энтропию. Так, в стохастической среде, способной порождать явления типа странного аттрактора, когда исходные малые различия состояний могут породить в последующем сколь угодно большие различия, в пространстве состояний возникают области, отвечающие локальным минимумам функционала, характеризующего рост энтропии. Эти области возможных состояний оказываются «областями притяжения» в силу принципа минимума диссипации. И в них складываются условия для возникновения локальных структур, чья квазиустойчивость определяется их способностью использовать энергию и вещество из окружающего пространства. Указанные выше локальные минимумы и определяют те каналы эволюции, о которых уже шла речь в предыдущей главе.

Картина, описанная для процессов, протекающих в неживом веществе, принципиально усложняется на уровне живой природы, ибо здесь появляется целеполагание – тенденция к самосохранению, стремление сохранить гомеостазис. Эта тенденция (не сводимая к законам физики) тоже может быть формализована совокупностью условий, каждое из которых допускает вариационную форму,

Фi(х)?min, где i=1,2,3…

Однако по отношению к этим функционалам в отличие от функционалов W

природа уже не дает правил для их автоматического ранжирования. В игру вступает новый фактор – естественный отбор. Значение функционалов ?i, определяющих гомеостазис в данных конкретных условиях обитания, различно с точки зрения обеспечения гомеостазиса. Для каждого живого существа возникает свой оптимальный способ поведения, то есть ранжирования функционалов, и каждое из них пытается его найти.

Естественный отбор закрепляет тех представителей, которым лучше других удается ранжировать приоритеты для сохранения гомеостазиса в данных конкретных условиях, другими словами, лучше приспособиться к внешней среде.

Все сказанное только что можно выразить и несколько иначе. Естественный отбор как бы сам формирует некоторый функционал и определяет его оптимальное значение, то есть наиболее выгодное поведение. При этом в отличие от функционала действия живое существо вовсе не обязательно должно реализовывать это оптимальное поведение. Однако чем ближе оно будет к этому оптимальному, тем лучше живое существо будет приспособлено к окружающей среде и тем больше у него шансов выжить в данных конкретных условиях.

Живая система, например популяция, существует во всегда изменяющейся внешней обстановке. Это значит, что непрерывно должен меняться и характер упорядоченности функционалов [?i]. Таким образом, для любого живого существа, а тем более для живого мира, на множестве функционалов, определяющих гомеостазис того или иного вида, уже нет и не может быть однозначной раз и навсегда определенной упорядоченности, которая существует, как мы это видели, на множестве функционалов [Wi], то есть на множестве законов физики, которые никто нарушить не может.

Законы живого мира, не сводимые к законам физики, выполняются не столь жестоко, они могут нарушиться, но за их нарушение живое существо платит жизнью. В живом мире вступают в действие адаптационные механизмы, требующие непрерывной «переранжировки» элементов множества функционалов [?i]. Живой организм, как это показал великий русский физиолог И. П. Павлов, приобретает систему рефлексов – условных и безусловных. Это и есть результат «установившейся» ранжировки, которая при изменившейся ситуации может оказаться трагичной.

Используя язык многокритериальной оптимизации, который был введен в этом параграфе, я могу сказать, что выработка рефлексов проводит необходимую ранжировку функционалов [Ф]] и устанавливает алгоритмы их локальной оптимизации. (В теории управления системы, обладающие четким алгоритмом обратной связи, называются рефлексными.)

В этой главе я выделил два класса механизмов развития: адаптационные и бифуркационные. Выработка рефлексов – это результат действия адаптационных механизмов. Любое постепенное изменение тех или иных свойств развивающихся систем (в том числе правила поведения отдельных членов популяции), происходящее под действием естественного отбора, – это тоже результат действия подобных механизмов. И каждый раз такие механизмы отыскивают некоторый локальный минимум. (Этот факт позволяет дать еще одно определение адаптационных механизмов на языке теории исследования операций: механизмы, реализующие алгоритмы поиска локальных экстремумов без прогноза изменений внешней среды, то есть лишь по информации об окружающей обстановке, полученной в данный момент, мы и будем называть адаптационными.)

Ракурс, который нам дает теория исследования операций в изучении общего эволюционного процесса, позволяет по-новому увидеть и роль бифуркационных механизмов в развитии материи. Используя язык этой теории, мы могли бы сказать, что бифуркационные механизмы в отличие от механизмов адаптационных осуществляют нелокальную оптимизацию.

То, что начинает происходить в природе, когда вступает в действие бифуркационный механизм, чем-то похоже на ту ситуацию, в которой вычислитель, работая с диалоговой системой оптимизационных расчетов, время от времени при решении сложной задачи отступает от использования локальных алгоритмов типа наискорейшего спуска.

Так он поступает всякий раз, когда используемый алгоритм перестает уже совершенствовать систему, когда его потенциальные возможности оказываются исчерпанными. В этом случае опытный вычислитель начинает использовать какой-либо неэффективный, но зато нелокальный метод поиска.

Изучение алгоритмов развития живых систем показывает, что здесь существенно изменяется и роль принципа минимума диссипации энергии по сравнению с его ролью в процессах развития неживой природы.

В самом деле, в живых системах уже не идет речь о роли энтропии – наоборот, возникают формы, обладающие способностью уменьшать локальную энтропию. Метаболизм – поглощение свободной энергии и вещества – становится основой развития живых существ. Из принципа, который действует лишь тогда, когда другие принципы отбора не выделяют единственной траектории развития процесса, он превращается в тенденцию, свойственную любой живой системе – тенденцию максимизировать локальное уменьшение энтропии за счет метаболизма.

Исследования особенностей самоорганизации живой природы показывают, что вместе с усложнением организации живых систем возникают и определенные противоречия между их стремлением к сохранению гомеостазиса, стабильности и тенденцией максимизировать эффективность поглощения и использования внешней энергии и вещества.

По-видимому, всю историю развития жизни на Земле можно было бы изложить на языке, использующем противоборство различных тенденций. Не исключено, что разрешение противоречий между этими двумя тенденциями происходит по классическому образцу, установленному в теории исследования операций: спонтанно возникают те или иные свертки основных критериев, а естественный отбор загоняет систему в один из локальных экстремумов этого комбинированного критерия, характеризующего особенность той или иной локальной ниши. Во всяком случае, история антропогенеза показывает, что подобная гипотеза не лишена подобных оснований.

Итак, эволюция живого мира может изучаться под углом зрения «поисков компромиссов»: наблюдаемое состояние живой системы оказывается всякий раз непростым компромиссом. Заметим, что отыскание таких компромиссов происходит без участия интеллекта – принципы отбора формируют те механизмы, которые находят эти стихийные «алгоритмы эволюции».

Совсем иначе складывается ситуация на социальном уровне организации материи. Здесь ранжирование функционалов [?i], определяющих условия гомеостазиса и формирования их свертки, становится прерогативой интеллекта. Поскольку те или иные предпочтения, которые определяют поведение людей, являют собой субъективное представление о способах обеспечения социальной стабильности, будь это отдельный человек, род, племя и т. д., субъективный фактор начинает играть все большую роль.

Возникающая неопределенность, которую порождает субъективный фактор, начинает во многих случаях заменять природную стохастичность, необходимую для развития эволюционного процесса. Изменчивость теперь в значительной степени определяется различием в целях, различием в оценках обстановки и путях достижения целей, даже если они и совпадают. Мы видим, что деятельность интеллекта качественно меняет все алгоритмы отбора.

На уровне живой природы наиболее типичными и легко наблюдаемыми являются механизмы адаптационного типа, а бифуркации возникают лишь в исключительные моменты ее истории. На социальном уровне ситуация также радикальным образом изменяется. Более того, говоря об общественных формах движения, мы должны внести существенные коррективы в ту условную классификацию механизмов развития, которую ввели ранее.

В самом деле, развитие любой социальной системы из любого состояния может происходить заведомо не единственным образом даже и тогда, когда она не подвержена действию неизвестных нам сил, случайностям и неопределенностям. Причина тому – интеллект, который включается в процесс выбора «продолжения».

Дальнейшее развитие любого процесса общественной природы определяется той ранжировкой функционалов, если пользоваться языком, который мы употребляем в этом параграфе, то есть той субъективной шкалой предпочтений, которая существует у каждого человека. А точно предусмотреть действия людей нельзя в принципе: в одних и тех же условиях два разных человека часто принимают совершенно разные решения. Отсюда возникает неоднозначность и неопределенность возможных продолжений процесса развития в каждый момент времени.

Другими словами, каждое состояние социальной системы, по нашему определению, является бифуркационным. Именно это обстоятельство приводит к резкому ускорению всех процессов самоорганизации общества. По мере развития научно-технического процесса и производительных сил организационные основы общества начинают изменяться во все возрастающем темпе.

Заметим, что язык оптимизации, то есть отыскания экстремальных значений некоторых функционалов, с помощью которого мы описали алгоритмы развития на нижних уровнях организации материи, сохраняет свое значение и для социальной реальности. Однако интеллект производит фильтрацию возможных решений, возможных типов компромиссов неизмеримо эффективнее и быстрее, нежели это делает механизм естественного отбора.

Активное участие интеллекта в процессе развития позволяет расширить область поиска оптимума. Общественные силы перестают быть рефлексными, такими, в которых локальный минимум разыскивается по четко регламентированным правилам. Поэтому для описания алгоритмов развития, действующих в системах социальной природы, простого языка оптимизации становится уже недостаточно. Мы вынуждены использовать другие способы описания, принятые в теории исследования операций и системном анализе. В частности, это язык и методы анализа конфликтных ситуаций и многокритериальной оптимизации.

Особое значение приобретает «обобщенный принцип минимума диссипации», область применения которого непрерывно расширяется. На протяжении всей истории человечества стремление овладеть источниками энергии и вещества было одним из важнейших стимулов развития и устремления человеческих интересов. И поэтому оно всегда было источником разнообразных конфликтов.

По мере развертывания научно-технического прогресса, по мере истощения земных ресурсов все более утверждается новая тенденция – стремление к экономному расходованию этих ресурсов. Возникают, в частности, безотходные технологии. Преимущественное развитие получают производства, требующие небольших энергозатрат и материалов, это прежде всего электроника и биотехнология. На протяжении всей истории темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей производства. Теперь, кажется, эти темпы начинают выравниваться.

Способность использовать свободную энергию и другие ресурсы планеты практически всегда определяла исход конфликтов между социальными структурами, а также отбор таких структур. По-видимому, так будет и в дальнейшем, хотя теперь появится много других факторов отбора организационных общественных структур, о чем я буду специально говорить во второй части этой книги.

Поэтому изучение конфликтных ситуаций и принципов отыскания компромиссов приобретает на современном этапе особую важность. Именно в этой сфере знаний может проявиться потенциальная способность человека самостоятельно и целенаправленно формировать алгоритмы развития.

Замечания о принципах минимума диссипации

Обсуждая принципы отбора и механизмы развития, особое внимание я уделил принципу минимума диссипации энергии. Этот вопрос не нов. Проблема «экономии энтропии» – этой меры разрушения организации и меры необратимого рассеяния энергии – уже неоднократно была предметом самого тщательного анализа. Однако я придал этой проблеме не совсем привычную трактовку. Поэтому, формулируя те или иные положения, касающиеся принципа минимума диссипации, я должен показать их связь с теми утверждениями, которые выдвигались другими авторами.

Мое утверждение, которое относилось к миру неживой материи, было следующим: если множество устойчивых (квазиустойчивых, стабильных) движений или состояний, удовлетворяющих законам сохранения и другим ограничениям физического характера, состоит более чем из одного элемента, то есть они не выделяют единственного движения или состояния, то заключительный этап отбора, отбор реализуемых движений или состояний, которые также могут и не быть единственными, определяется минимумом диссипации энергии или минимумом роста энтропии.

Это утверждение не является строгой теоремой, подобной вариационным принципам механики. Это всего лишь предположение, но достаточно правдоподобное и, во всяком случае, не противоречащее экспериментальному материалу. И поэтому оно позволяет получить весьма полезные результаты, полезные с точки зрения практики. Приведем один пример, иллюстрирующий его применение., Рассмотрим установившееся движение по круглой трубе смеси двух жидкостей разной вязкости, но одинаковой плотности. Коэффициент вязкости этой смеси будет зависеть от процентного соотношения ее составляющих. Рассматриваемое течение моделирует движение суспензии, представляющей собой жидкость со взвешенными в ней частицами, когда их размер очень мал по сравнению с диаметром трубы.

Течение такой суспензии обладает замечательным свойством: в узкой зоне около стенок трубы взвешенные частицы отсутствуют. Это явление носит название пристеночного эффекта. Его подробное аналитическое исследование было проведено Ю. Н. Павловским (см.: Павловский Ю. Н. О пристеночном эффекте. – Механика жидкостей и газов. М., 1967, № 2, с. 160).

Законам сохранения может удовлетворить движение смеси с произвольным распределением концентрации более вязкой жидкости. Однако в природе устанавливается такое течение, которое обладает пристеночным эффектом, когда концентрация жидкости большей вязкости практически равна нулю у стенок трубы и максимальна в окрестности ее оси. Оказывается, что такое течение удовлетворяет принципу минимума диссипации.

Нетрудно привести еще серию примеров из самых разных областей науки и техники, показывающих, как, используя принцип минимума диссипации, можно объяснить и предсказать целый ряд наблюдаемых явлений.

Итак, опытные данные показывают, что существует определенный класс явлений в неживой природе, для которых принцип минимума диссипации энергии оказывается одним из важнейших принципов, позволяющих выделить реальные состояния из множества виртуальных. На этом основании в предлагаемой книге и был сформулирован этот принцип как некоторое эмпирическое обобщение, если угодно, как некоторая гипотеза.

Именно в такой форме он и был внесен в иерархию принципов отбора. В ней он играл роль «замыкающего» принципа: когда другие принципы не выделяют единственного устойчивого состояния, а определяют целое возможное множество, то принцип минимума диссипации служит дополнительным принципом отбора. Заметим, что среди неустойчивых (или лучше сказать, быстро протекающих) движений могут быть и такие, которым отвечает меньшее производство энтропии. Однако из-за их неустойчивости мы их и не способны наблюдать.

Чтобы избежать лишних дискуссий, я хочу еще раз подчеркнуть, что мое утверждение не является строгой теоремой и вряд ли оно вообще может быть обосновано с традиционных позиций, согласно которым обоснование того или иного вариационного принципа сводится к доказательству тождественности траекторий движения экстремалям минимизируемого функционала. Мне кажется, что обсуждаемый факт связан с общим стохастическим фоном любого явления, протекающего в нашем мире.

Заметим, что, никогда специально не формулируя, мы всегда пользуемся еще одним подобным принципом – «принципом устойчивости». Этот принцип я бы сформулировал так: множество наблюдаемых стационарных состояний включает в себя лишь устойчивые. Он тривиален, если учесть, что любая система все время подвержена действию случайных возмущений. В самом деле, мы никогда не наблюдаем карандаша, стоящего на своем острие, или маятника в его верхнем неустойчивом состоянии.