Н А Ч А Л А     Э В О Л Ю Ц И О Л О Г И И

(П о л е    э в о л ю ц и и)

Бодякин В.И., ИПУ РАН

E-mail: body@ipu.rssi.ru

"Как жизни смысл соединить с бездумьем будничного смысла?"

Ф. Искандер.

Звездные системы имеют определенные этапы развития, заканчивающиеся либо красным гигантом, либо черной дырой, что одинаково ненормально для существования современной биологической формы жизни. Наблюдения астрономов демонстрируют факты рождения звездных и планетарных систем (например, Habl, апрель 2001г.). Качественная однородность Метагалактики (Метагалактика - види­мая нами часть Вселенной, радиусом в 10-12 миллиардов световых лет, т.е. размером в » 2*10²⁸ см.) говорит об усредненной взаимокомпенсируемости космологических процессов ассимиляции и диссимиляции, т.е. чередовании в ее локальных областях пространства энтропийных и негэнтропийных энергетических (ЭЭ) эпапов развития процессов. Графически этот процесс можно отобразить следующим качественным графиком, на котором отображены осциляторные энтропийные энергетические процессы в гигасистемах (звездного типа).

Форма графического отображения наиболее эффективна на этапе паридигмального формирования научного знания, т.к. достаточно выразительна о динамике процессов, а также относительных количественных взаимоотношений основных параметров этих процессов. Если начальный этап формирования научного знания в какой-либо области, обычно, представляется в словесной форме формулирования и постановки задачи, т.к. словесная форма достаточно свободна для принятия и развития различных идей в рамках формулирования задачи. То на заключительном этапе формирования научного знания осуществляется количественные взаимоувязывания, т.е. формализация всех взаимосвязанных процессов, с сохранением общего методологического базиса науки. После чего, изначально рассматриваемые вопросы могут перейти в формулировки учебных материалов для следующих поколений исследователей. Таким образом, графические формы отображения наиболее эффективны на промежуточном этапе формирования научного знания, между этапом постановки задачи и этапом его формализации. Процесс перехода от графических форм, при их достаточной проработанности, к формализованному описанию обычно не представляет для специалистов большого труда. Поэтому, этап начальной постановки задачи - "механизмы процессов эволюционного развития материи", будем считать сформулированным и перейдем к построению совокупности гипотез о естественнонаучных механизмах движущих эволюционными процессами, отображаемыми в графической форме.

Процесс изменения энергетической энтропии (ЭЭ) во Вселенной можно отобразить следующим качественным графиком. Это будет необходимо для определения нашей стратегии на эволюционном поле гигауровня.

Характер изменения состояний энергетической энтропии в замкнутых макросистемах, отображается следующим качественным графиком.

Смысл графика заключается в том, что величина энергетической энтропии в замкнутых системах не убывает (второе начало термодинамики). "Энтропия физического макромира стремится к максимуму". Любая замкнутая система со временем переходит в состояние с наибольшим значением энтропии. Экстраполяция второго начала термодинамики приводит к парадок­сальному выводу о так называемой "тепловой смерти Вселенной" [1], но как было отмечено выше, явных процессов возрастания энтропии в Метагалактике на сегодня не обнаружено [2].

Анало­гично неподвластен второму началу термодинамики и квантовый мир микрочастиц. Значения энергетической энтропии на квантовом уровне в микросистемах (атомы, молекулы) постоянны.

Таким образом, все многообразие элементов нашего мира от атомов и до звезд, по отношению энергетической энтропии (как функции ЭЭ(t), здесь и далее t - время) можно представить разбиением на три: микро-, макро- и гигакласса:

Рассматривая физические системы на гига-, макро- и микрострук­турных масштабах, мы приходим к вы­воду, что только области жизнедеятельности человека (макромасштаб) объективно угрожает возрастание энтропии. С другой стороны, на макроуровне существуют живые системы, влияние которых на общую величину энергетической энтропии этой области пока не­ясно.

Человек только сегодня является вершиной эволюции высокоорганизованной формы материи. Когда-то этой вершиной были рыбы, затем их сменили пресмыкающиеся, далее птицы и млекопитающие. Будет ли и завтра человек гордостью творения эволюции? Для ответа на этот во­прос надо понять основную тенденцию направления эволюции, напри­мер, начав с космического "бульона", как начальной, слабоструктуриро­ванной среды Вселенной, определить местоположение сегодняшней на­шей жизни и заглянуть в завтра.

В работе [3] введено понятие текстовой (информационной) энтропии (ТЭ), которое непосредственно не зависит от величины значения энергетической энтропии (ЭЭ) для любой замкнутой макросистемы. Процесс изменения значений текстовой энтропии в произвольных макросистемах (как замкнутых, так и открытых) имеет тенденцию к уменьшению. Графически это ("второе начало эволюциологии") отображено на следующем графике.

Введение в рассмотрение понятие текстовой или информационной энтропии требует его совместного рассмотрения с энергетической энтропией (физической). Такие совместные рассмотрения информационных и энергетических процессов уже неоднократно проводились [4,5??]. Результатом явилось функциональное соотношение о их противоположной направленности. Два наглядных примера: тенденции к тепловому равновесию замкнутых макросистем (их энергетической смерти) и ускоряющейся эволюции биологических (информационных) процессов, фактически и породили гипотезу о их противоположной направленности. Информационные процессы даже получили статус негэнтропийных процессов.

В результате сформировалась гипотеза, что "энтропия не только мера теплового равновесия замкнутой, но и мера беспорядка системы". Понятие "беспорядок" имеет уже информационную характеристику. Это чисто психологическое явление и базируется на свойствах нашей психики уровня понимания конкретной ситуации ("понятно - действие, непонятно - беспорядок, хаос"). Работа с различными информационными системами, дает некоторое право обсудить иллюзорность укоренившегося утверждения, что "энтропия - мера беспорядка системы".

Величина энтропии системы без рассмотрения изменения ее энергии DS (работы) - это чисто информационное понятие. Если проанализировать любой элементарный процесс (например, диффузию молекул), то с точки физики он обратим. В нем нет направленности времени. Наблюдая этот же процесс зафиксированным на кинопленку, мы никогда не сможем отличить его истинность ("фактовость") прокручивая пленку в прямом и обратном направлениях.

Иллюзорный, часто приводимый  пример, когда после убирания перегородки начинают перемешиваться белые и черные шары, создавая как бы хаотическое распределение цветов некорректен, т.к. каждое следующее распределение "хаотично", относительно предыдущего. Данный процесс легко моделируется на ЭВМ. Выберем небольшое количество частиц (20), линейные размеры отсеков (100*100*100 частиц). Такт ЭВМ - пересчет состояния всех частиц. Каждый такт будем окрашивать частицы, белой краской, находящиеся в левом отсеке и черной - в правом, добавляя "тончайший слой краски", покрывая предыдущие. Запустим процесс.

Через некоторое время, когда система пройдет всевозможные состояния частиц, всегда можно будет найти слой краски, который четко разделяет частицы на черные в одном отсеке и белые в другом. Таким образом, вопрос о  "хаотичности" или утверждение, что "энтропия - мера беспорядка системы", теряет смысл.

Но это только модель на ЭВМ. В реальных процессах такую ситуацию нам бы пришлось бы ожидать очень долго, часто много больше времени существования Вселенной. Поэтому у нас рождается иллюзия, что все стремится к хаосу. На самом деле, неуправляемые информационные процессы проходят через все множество возможных состояний.

Текстовая энтропия вычисляется как отношение числа действительных состояний системы к их возможному числу, на временном интервале равным прохождению системой всех ее всевозможных состояний (информационное пространство системы) [3].

Текстовая энтропия нормированная величина в диапазоне от 0 до 1. Значение текстовой энтропии равное 1 характеризует систему со всевозможными равновероятными  состояниями ("белый шум"),  если же значение текстовой энтропии равно 0, значит система находится в осциллирующем состоянии ("периодический сигнал"). Промежуточное значение текстовой энтропии (0 < ТЭ < 1) характеризует реальные процессы физических систем ("реальный текст"). Качественные отношения значений текстовой энтропии для этих трех типов систем в зависимости от длительности (L) анализируемого в них причинно-связанного процесса показаны на следующем графике.

Мощность информационного пространства системы вычисляется (определяется) как число различимых ее элементов (алфавит) в степени максимально возможной длительности причинно-связанного процесса в числе элементов (процесс, текст, L).

МОЩНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА = (АЛФАВИТ) ^{(ПРОЦЕСС, ТЕКСТ, L)}

По мере его увеличения информационного пространства произвольной реальной анализируемой системы, наблюдается уменьшение (не увеличение) значения ее текстовой энтропии, что и отражено на предыдущем графике.

"Не увеличение" было продемонстрировано в предыдущем мысленном эксперименте, в котором средняя частота появления ситуации четкого разделения на белые и черные шары в различных секциях постоянна и не зависит от времени (как и энергетическая энтропия на микроуровне, см. выше). 

"Уменьшение" значения текстовой энтропии связано с вовлечением в процессы в системе все большего и большего числа естественнонаучных законов, детерминирующих характер протекания процессов. Механизм этого явления будет рассмотрен далее.

Второе начало эволюциологии - "монотонное уменьшение текстовой энтропии", лежит в основе эволюция сложных систем. Более подробно обсуждение понятия текстовой (информационной) энтропии приведено в работе [3, см. Приложение 1].

Хорошо известно, что охлаждение изначально более холодной и нагревание более горячей компоненты, т.е. уменьшение энергетической энтропии принципиально невозможно в макросистемах (систем в интервале между молекулярным и планетарными размерами), т.е. невозможно нарушение первого начала термодинамики - закона сохранения энергии.

Выдвинем гипотезу, что пространство состояний Метагалактики, определяемое как: число различимых объектов Метагалактики (АЛФАВИТ) в степени максимально возможной длительности анализируемого в ней процесса, измеряемого числом объектов (ПРОЦЕСС, ТЕКСТ), определяет (ограничивает), максимально возможную ее информационную структуру (ЗНАНИЕ), которое может быть порождено в ней. Это формулировка 1-го закон эволюциологии - первого начало эволюциологии. Его можно переформулировать, что никакое знание, не может превышать мощность пространства состояний породившей его системы, т.е. 

(ЗНАНИЕ)  £  (АЛФАВИТ) ^{(ПРОЦЕСС, ТЕКСТ)}

или

(ЗНАНИЕ) £ (МОЩНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА)

Мощность информационного пространства состояний Метагалактики  ОЧЕНЬ БОЛЬШОЕ ЧИСЛО, такое, что даже можно об этом и не говорить. Но хотя бы для ориентирования, определим самыми сложными процессами во Вселенной как процессы жизни на Земле (количество объектов /АЛФАВИТ/ измеряется более чем триллионами), а максимально длительным процессом, процесс событий эволюционного биологического процесса и исторического развития жизни, который можно оценить количеством объектов /ПРОЦЕСС/ более чем в миллиарды, т.е. получаем десять в более чем десятимиллиардной степени. Чтобы записать это число необходима книга более чем в миллион страниц (стопка листов толщиной более 30 метров), в которой с начала первой страницы написано "100000000000 … " и так заполненную "0" до самой последней, миллионной страницы. Этим ЧИСЛОМ символов из АЛФАВИТА ограничивается ЗНАНИЕ (мудрость), которое может быть порождено в нашей Метагалактике. Естественно длина самого ТЕКСТА  во много раз больше миллионов страниц, на которых записано число символов -  информационная мощность Метагалактики.

Мощность информационного пространства или пространство состояний любой системы это область возможного выбора, область управления для достижения каких-либо целей. Если существует цель и она укладывается в первое начало эволюциологии, то при надлежащем управлении эта цель в рамках данной системы может быть достигнута. Известно, что самовоспроизводящиеся системы должны состоять не менее чем из нескольких десятков (так например, многие компьютерные вирусы имеют объемы менее килобайта). Следовательно, сложность среды для запуска самоорганизующиеся процессов должна превышать критическую сложность необходимую для самовоспроизведения и состоять их функционально необходимых элементов.

Таким образом, в физической системе может возникнуть негэтропийный процесс.  При определенных условиях, опять же связанными со сложностью среды (системы), а точнее с богатством разнообразия ее элементов, при  их функциональной необходимости, в среде могут формироваться информационные системы, способные уже не просто самовоспроизводиться и самоорганизовываться, но и рефлексировать (отображать) и прогнозировать процессы внешней среды. В предел своего эволюционного развития данные информационные системы, должны быть способные полностью  моделировать все процессы во внешней среде (предметной области), т.е., значение текстовой энтропии будет равняться нулю, для всех процессов внешней среды, т.е. все процессы будут полностью прогнозируемы, а соответственно и полностью управляемы. Качественное различие физической (энергетической) и информационной энтропии макросистемы  показано на следующем графике.

Экспоненциальное стремление значения текстовой энтропии к нулю характеризует этап развития разума в макросистеме. Обсуждение этого вопроса подробно рассмотрено в материале [4] , поэтому переходим к механизмам движущими эволюцией на ее первых этапах, этапах формирования сложных молекулярных блоков из однородной среды простейших молекулярных форм.

Для обсуждения этого вопроса нам будет необходимо дать определения понятиям для макросистем: "состояние" и "процесс".

Состояние - структура из материальных объектов и их отношений в некоторый момент времени.

В качестве "материальных объектов" будем рассматривать квантовые объекты - атомы и молекулы. Под "структурой" будем рассматривать относительное пространственное расположение материальных объектов. Под "отношениями" будем понимать вектора направленности некоторых физических сил изменения структуры. Время будем рассматривать как некоторую последовательность дискретных отрезков длинной в "момент времени" (время прохождения планковской длины со скоростью света), который как раз и отражает некоторый t_i дискретный отрезок.

Процесс - последовательность смены "состояний" под действием физических сил, определяемых законами Вселенной.

Под физическими силами будем рассматривать четыре типа сил: электромагнитные, гравитационные, слабые и ядерные. В качестве законов Вселенной будем рассматривать открытое множество (структуру?) устойчивых последовательностей состояний. Характерная особенностей этих "последовательностей состояний" - их непересекаемость и единственность. "Непересекаемость" состояний данной устойчивой последовательности (закона) как с состояниями других устойчивых последовательностей, так и состояниями собственной последовательности.

"Единственность" - перехода в новое состояние определяется максимально возможным выделением энергетического потенциала при переходе из текущего состояния. При этом выполняется закон максимального приращения энергетической энтропии системы. Который в свою очередь определяется текущим действием сил (F₁, F₂, … F_i, … , F_n) и результирующим преобладанием наибольшей DS как интеграла F_i dL (где L - расстояние).

Так как под объектами мы рассматриваем квантовые объекты (атомы и молекулы), то у них всегда существует только ограниченное число состояний, следовательно при равенстве DS различных процессов возможны ситуации нарушения "единственности" (точки /би/…фуркации), которые нарушают детерминизм протекания процессов во Вселенной. Вероятность нарушения детерминизма протекания процессов уменьшается с ростом сложности структур объектов и структур процессов. Квантовый (микро)мир - чисто случаен, относительно космического (гига)мира - который, так же относительно, детерминирован. Только (макро)мир сочетает в себе необходимую свободу (случайность) и необходимую определенность (законность, детерминизм).

В процессе эволюции гигасистем (звездного типа) из простых объектов (кварки, элементарные частицы), формируются более сложные (атомы, молекулы). Помимо энергетической целесообразности (закон максимального приращения энергетической энтропии) процесс усложнения материальных форм опирается на закон предпочтительности сложных форм.

Суть закона предпочтительности сложных форм заключается в том, случайно сформировавшиеся более сложные формы объектов (например, органические молекулы в среде химических элементов), в среднем, задают более мощные полевые энергетические пульсации в среде чем составляющие их объекты. И при состоянии /би/…фуркации процесса эти полевые пульсации увеличивают вероятность развития процесса в направлении когерентному этим сложным формам.

Для пояснения закона предпочтительности сложных форм рассмотрим распределение энергии электромагнитных излучений (ЭМИ) для двух энергетически эквивалентных систем из простых и сложных объектов (например, одна система - смесь водорода и кислорода и вторая паров воды). Энергетически системы А (сплошная линия) и Б (пунктирная линия) эквивалентны, но система Б имеет более неравномерное энергетическое распределение ЭМИ по некоторому параметру р. Соответственно ограничивается число энергетически выгодных состояний.

Если в процессе изменения характеристик среды, например уменьшении общей температуры, сложны формы энергетически более предпочтительны, то случайно образовавшаяся некоторая сложная структура станет ядром, центром преобразования текущего состояния в данный тип сложной формы. Этот эффект аналогичен процессу кристаллизации расплавов при охлаждении, или формировании кристаллов из перенасыщенных растворов.

Так как на данном микроуровне происходит бездиссипативные структурные преобразования, то образованная новая сложная структура создает характерное для данной формы структуры энергетическое поле, которое пространственно-энергетически взаимодействуя с породившей его структурой создает дополнительные пространственно-энергетические условия для локального отображения структуры энергии, характерной для данной структуры, что в свою очередь создает потенциальные поля для формирования аналогичных структур.   

В случае диссипативной системы находящейся в энергетически устойчивом состоянии, в виде однородной среды, состоящей из простейших молекулярных форм, случайно сложнообразованные формы создают пространство состояний, которое больше предыдущего пространства состояний. Соответственно, появляются новые варианты структур, которые могут эффективно включать в свою структуру энергетические кванты. Включение дополнительной энергии позволяет сложным структурам выйти уже на новый уровень структурообразования.

Теперь мощностью диссипативного энергетического потока определяется скорость новоструктурнообразования в данной системе, или скорость ее эволюции.

Мощность диссипативного энергетического потока проходящая через структуроообразование является мерой скорости эволюции. При этом, новые формы создают свой пространственно-энергетический  портрет, который создает более благоприятные условия для эволюционного сложносруктурообразования.  Т.е. новое структурное образование, создает процессы, которые  как обратная связь поддерживают развитие данного структурного образования, т.е. создают тенденцию благоприятствующую пространственному распространению исходного структурного образования. (Положительная обратная связь - лавинообразный процесс, при эндогенных процессах и отрицательная обратная связь при экзогенных процессах, для поддержки процессов необходима наличие энергетического потока).

Появление сложных объектов в системе синхронизирует всю систему, внося в нее определенную когерентность, причем эта синхронизация захватывает и простые объекты.

Механизм закона предпочтительности сложных форм заключается в обратной связи. Появление сложной формы вносит новую частоту, которая благоприятствует пространственному распространению исходного структурного образования. 

ПОЛЕ   ТРАЕКТОРИЙ   СОСТОЯНИЙ

 ( Эволюционное поле )

Ресурс ИС - R заключается в веществе (m), энергии (e) и времени (t). Если с веществом и энергией как компонентами ресурса R вполне понятно (строительный материал и энергии обеспечения формы и процессов), то время необходимо как некоторая пауза от воздействий внешней среды для решения эволюционных задач.

Рассмотрим поле траекторий состояний системы. Каждая система обладает структурой, как некой совокупностью определенным образом взаимосвязанных материальных объектов. Объекты - это простейшие материальные компоненты без внутренней системы управления. Например, атомы, молекулы, планеты, галактики и пр.

Каждая структура s_i системы может быть полностью описана в текстовой форме Т []. В процессе функционирования и эволюционного развития система и ее отдельные блоки (подсистемы) переходят в различные состояния. Обратимые состояния назовем циклическими s_i(t_n) º s_i(t_n+t_i), необратимые s_i(t_n) =/= As_i(t_n+t_i)- эволюциоными.

Рассмотрим поле состояний произвольной системы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вайнберг С. Первые три минуты (современный взгляд на происхождение Вселенной). М., Энергоиздат 1981, - 155 с.

2. Розенталь И.Л. Элементарные частицы и космология. УФН, август 1977, 801-812 с.

3. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетика. М., ИЛ, 1968

4. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация. М., Мир, 1966, с. 272.

5. Бодякин В.И. "Информационный ресурс ("Сигнал - Информация - Знание")"

6. Пригожин И., Стингерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М., Прогресс, 1986.

7. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., Мир, 1979.

Изоморфность состояний возможна на любых структурах

Пространство состояний - 1-й закон

"Секунда" - самый короткий процесс. (время прохождения планковской длины со скоростью света). Метр - как длина n процессов. ???

В эволюции ИС

Текстовая форма