Инварианты в природе и природа ин

(поиск на основе теории систем И.П. Шарапова)

МОИП, ИФХ им акад. Фрумкина РАН, ИНПЦ Союзводпроект ВАО

1. СТРАТЕГИЯ И ТАКТИКА ПОИСКА ИНВАРИАНТОВ

А.И. Оше, Н.И. Капустина, Г.Е. Томасевич

МОИП, ИНПЦ Союзводпроект ВАО
1.1. Введение
Возникший в настоящее время интерес к выявлению единой основы у разных наук и разных объектов природы имеет одной из целей преодолеть ряд возникших в них трудностей и тупиковых ситуаций, разрешить которые известными методами не удаётся [1,2]. Анализ причин возникновения таких ситуаций показывает, что они обусловлены, в основном, преобладанием в научных исследованиях аналитических приёмов мышления с обусловленной ими дифференциацией науки с не всегда оправданной её математизацией и связанной с этим слишком узкой специализацией учёных разного профиля. Хотя эта методология в своё время обеспечила успех ряду областей знания, чрезмерное увлечение ею привело к потере связи между её частями и к слишком сильному разобщению учёных разного профиля. Из-за углубляющегося расхождения в понятиях, методах исследования и в математическом аппарате у учёных возникли трудности в едином понимании свойств даже одного и того же объекта исследования. Ещё сильнее они проявляются при исследовании разнородных объектов, часто рассматриваемых к тому же под разным углом зрения. Тут к месту вспомнить мудрость японского «сада камней», когда с разной позиции видят разное.

Для преодоления такого методологического «перекоса» требуется существенное изменение стратегии мышления и исследований. Аналитические приёмы следует дополнить системно-интегративными, неоправданную математизацию — усилением внимания к реальным фактам, а простую их классификацию дополнить системным рассмотрением. В узкую мелкомасштабную аналитическую методологию следует попытаться ввести рассмотрение более крупных, философских, вопросов науки о природе.

За основу принимаем наблюдение самопроизвольного длительного устойчивого функционировании природы как основы для гипотезы о существовании в природе определённой согласованности между разными её законами, т.е. о наличии в ней определённых инвариантов. Для восстановления интуитивно-целостного представления о природе, существоваввшего в древности, прежде всего надо выявить эти инварианты, связывающие разные области знания о природе в единую систему. Для этого мы использовали системно-интегративную стратегию изучения природы, развитую Шараповым И.П. в его теории природных систем [3–6].

Тактику поиска инвариантов выбрали эмпирическую, чтобы как можно меньше отрываться от реальной природы. При этом в расчет брались только твёрдо установленные в разных науках факты и экспериментальные их корреляции. Вначале выявлялись частные инварианты, проявляющиеся в одном и том же предмете при изучении его и с разных сторон разными науками. Затем область поиска постепенно расширялась последовательным добавлением фактов из смежных наук. Ожидалось, что такая тактика позволит выявить всё более общие инварианты, а в пределе — инвариант, общий для всей природы в целом, если такой в ней действительно существует.

1.2. Теория природных систем И.П. Шарапова

Всего известно около 40 разных определений термина «система», зависящих от области его применения. В энциклопедии системой называют «множество различных элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образуя т.о. некую целостность (единство)». Наиболее последовательно и глубоко общая теория систем разработана Ю.А. Урманцевым на основе теории множеств [7] и В.И. Штепой на основе его систем — логики [8]. Теория И.П. Шарапова коррелирует с ними, но относится она только к термодинамически открытым системам, самопроизвольно функционирующим, обмениваясь веществами и энергией с окружающей природной средой. Такие системы названы природными. Это, например, элементарные частицы, планеты, живая материя и т.д. Их названия кратко отражают специфику этих систем, их отличия ото всех других систем. По Шарапову, специфику системы формирует её так называемое системообразующее отношение.Это закон, который объединяет в неразрывное целое фундаментальные (существенные, необходимые и достаточные для возникновения специфики) взаимообусловленные характеристики системы. При таком объединении у системы возникает качество, которого до этого у неё не было и которого нет ни у какой другой системы, в том числе у частей самой этой системы. Части системы тоже можно рассматривать как системы, но только имеющие помимо главных характеристик основного уровня некоторые отличия от него и обладающие поэтому своим собственным системообразующим отношением. В таких системах основной уровень выполняет для производного от него уровня роль внешней среды.

Можно заметить, что всем природным системам свойственны аналогичные принципы их организации. Все они имеют определённые взаимообусловленные состав, строение и выполняемые ими функции с процессами, обеспечивающими их энергией и веществами через обмен со средой. На техническом языке такую совокупность называют устройством. Если этот термин применить к природным системам, то для выявления их специфики (системообразующего отношения) надо вначале найти с помощью системной экспертизы и принципа бритвы Оккама фундаментальные характеристики их состава, строения и функций, а затем из них сконструировать модель устройства, приобретшую т.о. специфику. Название этой модели является кратким её определением вместо многословного описания.

Экспертиза значимости для создания специфики живого устройства его фундаментальных характеристик состава, строения и функций с их энергетикой показывает, что наиболее важной из них является характеристика энергетики. Действительно, известно, что в отсутствие энергообеспечения никакое устройство функционировать не может, даже если его состав и строение будут в порядке. Более того, можно предполагать, что благодаря эволюции у природных устройств все остальные фундаментальные его характеристики согласуются друг с другом настолько, что начинают не только зависеть, но могут даже определяться особенностями своей энергетики. Очевидно поэтому, что именно законы энергетики следует брать за основу при построении системообразующего отношения любой природной системы. Этот вывод, показавшийся неожиданным, впервые был сделан при выявлении специфики живых систем путём интегрирования фактических данных по их метаболизму. Действительно, хорошо известно, что в отсутствие питания живой объект превращается в неживой даже раньше, чем изменятся его состав и строение. Применимость этого рассуждения к неживой природе можно понять, если учесть, что живое могло возникнуть только из неживой материи через химическую её эволюцию, обеспечивающую ему более высокую степень организации энергетики и лучшую приспособленность к среде [9]. Живое т.о. не полностью изменяет, а лишь улучшает организацию энергетики своего неживого фундамента. Итак, очевидно, что именно законы энергетики, объединяющие живую и неживую природу, целесообразно брать за основу при поиске инвариантов в природе.

Итак, видим, что законы энергодинамики не являются для природы всеобщими. Они поэтому непригодны для поиска её инвариантов. Полезные в этом отношении возможности открывает наука, названная «кибернетической энергодинамикой».

Цитированная литература

1. Соколов Ю.Н. Общая теория цикла. Ставрополь: Мин. образ. РФ. 2001, С. 4–9.

2. Кулинкович А.Е. Закон мировой гармонии и процесс актуализации в геологии.// Матем. методы анализа цикличности в геологии. М.: МГОУ. 1996. Вып.7. С.27–30.;

Концептуальные основы геологии и геофизики. Киев: Знание. 1991. С. 28.

3. Шарапов И.П. Метагеология. М.: Наука, 1989. С.181–197.

4. Шарапов И.П., Оше А.И. Самоорганизация природных объектов как основа их ритмов и устойчивости. // Матем. методы анализа цикличности в геологии. М.: МГОУ. 1996. Вып. 7. С.31–35.

5. Шарапов И.П., Оше А.И., Оше Е.К. Ритмы Земли как результат самоорганизации её энергетики.// Матер. IV Междунар. конф. «Циклы». Ставрополь–Кисловодск : Мин. образ. Росс. федер. 2002 .Т.3. С.183–184.

6. Оше А.И., Шарапов И.П. Системная парадигма энергетики Солнца // Актуальные проблемы экологии. М.: РУДН, 2001, ВЫП. 2, с. 61–65.

7. Урманцев Ю.А. Общая теория систем: состояние, приложения и перспективы развития.// Система, симметрия, гармония. М.: мысль.1988. С. 38–124.

8. Штепа В.И. Гл.1. Систем — логика в кн. Единая теория поля и вещества с точки зрения логики. М.: КомКнига. 2006. С.15–70.

9. Руденко А.П. Химическая эволюция и абиогенез.// Философия и социология науки и техники. М.: Наука. 1987. С. 70– 87.

2. КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГОДИНАМИКА И ЕЁ ВОЗМОЖНОСТИ

А.И. Оше, Е.К. Оше

МОИП, ИФХ им. акад. А.Н.Фрумкина РАН

2.1. Введение

В последние годы получила развитие новая наука — кибернетика — наука об управлении энергетическими и другими процессами. Это привело к осознанию того, что законы энергодинамики необходимо дополнить и сочетать с её законами. Такой симбиоз, назовём его «кибернетическая энергодинамика», охватывает значительно более широкий круг энергетических процессов, и в том числе тех, объяснить которые одна энергодинамика не способна. Рассмотрим здесь возможности кибернетической энергодинамики на примере электрохимии как удобного инструмента объединения параметров разных наук, необходимого для поиска инвариантов природы.

Электрохимия, в отличие от своего названия. не является симбиозом двух наук. Она, наоборот, являет собою более фундаментальную и точную, чем другие, науку. К тому же в ней имеется бльшой объём точных данных по стандартным потенциалам и их линейным связям и корреляциям со стандартными энергиями разных химических, физических, биологических и других процессов. Такие корреляции установлены с тепловыми эффектими [1], произведениями растворимостями [2], протолитическими константами и электротрицательностью атомов [3], активностью катализатора [4] и другими химичесакими параметрами. Корреляции установлены и с физическими свойствами веществ: работой выхода [5], шириной запрещенной зоны, положением её краёв у полупроводников [6] и т.д. Всё это указывает на существование у всех этих параметров основы, выражаемой в электрохимических единицах.

Электрохимические реакции по примеру химических представляют обычно как равновесие анодных и катодных актов. Но, в отличие от химии, эти акты легко могут быть исследованы по отдельности. Некоторые трудности связаны со стандартизацией параметров разных наук и выбором для них единой шкалы значений. Преодолевать её пришлось и самой электрохимии при объединении с физическими потенциалами при замене водородной шкалы на физическую, абсолютную. Кроме выбора нуля потребовалось определить и направление отсчёта от него. Трудности были также и с концентрациями веществ, которые в разных науках определяют по разному.

Проблемой пассивации безуспешно занимались около столетия, а к проблеме разработки единой теории катализа приступили только в самое последнее время. На основе классических законов, разработанных для металлических электродов, не удавалось объяснить ни механизма пассивации, ни влияния на неё температуры, освещения, облучения, состава раствора, малых концентраций электроактивных примесей и т.д. Впервые удовлетворительное объяснение всем этим фактам удалось получить только тогда, когда обратили внимание на оксидные, солевые и другие полупроводниковые наноразмерные плёнки на поверхности реальных электродов [8]. Для выяснения механизма их действия разработаны новые методы, имеющие целью выяснить: 1) последовательность разных ступеней электродной реакции (с помощью вращающегося дискового электрода с кольцом) [9]. 2) природу стадии реакции, определяющей её скорость (метод потенциостатической хроноамперометрии) [10]. 3) причину влияния на эту стадию типа и степени отклонения состава плёнки от стехиометрического (метод фотоэлектрической поляризации) [11]. С помощью триады этих методов исследован и установлен интимный механизм реактивности многих электродов в разных условиях. Эти работы отмечены премией на конкурсе работ Института электрохимии АН СССР и золотой медалью ВДНХ.

Значение этих работ состоит в том, что впервые был развит новый подход, доказавший, что наноразмерные плёнки на реальных электродах влияют на их реакционную способность, действуя как широкозонные полупроводники переменного состава, не подчиняющиеся законам стехиометрии [10]. Впервые было показано, что пассивация электродов — это торможение электродной реакции её собственным продуктом, изменяющим степень разупорядочения плёнки, т.е. действием продукта реакции по принципу нелинейной отрицательной обратной связи. Заметим, что это действие осуществляется не через изменение химического состава плёнки, как считали раньше, а через изменение её дефектной структуры.

С помощью этой триады методов впервые удалось обнаружить и выяснить механизм нового класса явлений — автокатализа электрохимических процессов [12]. Он тоже обусловлен нелинейным влиянием на скорость реакции её продуктов, и тоже через изменение разупорядочения полупроводниковой плёнки на электроде. Но в этом случае продукт реакции не тормозит, а ускоряет породившую его реакцию, т.е. действует на неё по принципу нелинейной положительной обратной связи . Если этот процесс вовремя не остановить, то такой «саморазгон» электродной реакции завершится взрывом. Именно этот, электрохимический, механизм взрыва впервые был установлен и доказан в случае мощных литий тионилхлоридных ХИТ [13]. Эти исследования позволили разработать электрохимическую теорию взрыва, дать способы выходного контроля и обеспечения безопасности в производстве и при эксплуатации этих ХИТ, причём с разной, наперёд заданной для разных условий, надёжностью по взрывобезопасности.

Самым важным, обнаруженным этой триадой методов, результатом оказался новый класс явлений, которые возникают, когда на электроде совместно протекает несколько реакций, объединяющихся через свои продукты нелинейными прямыми и обратными связями в самоорганизованный контур [18]. Это вызывает появление ритмичных однонаправленных во времени и в пространстве электрохимических циклов.

Таким образом, новые методы исследования позволили обнаружить и установить механизм нового типа кибернетических процессов: самопассивации, автокатализа, саморазгона вплоть до взрыва и, наконец, самоорганизации. Все они обусловлены нелинейными прямыми и обратными, отрицательными и положительными связями, которые возникают на электродах, покрытых полупроводниковыми плёнками.
2.3. Электрохимическая схема самоорганизаци метаболизма живого

Схема самоорганизации процессов впервые была обнаружена при системном изучении фундаментальных характеристик метаболизма живых природных объектов [19]. Работа имела цель выявить специфику живых объектов и разработать на этом основании определение и приёмы контроля и управления жизнеспособностью. На большом массиве экспериментальных данных показано, что метаболизм в живом протекает по электрохимическому механизму. При этом анодное окисление топлива (продуктов пищеварения у животных и фотонов у растений) связано с катодным восстановлением окислителя (соответственно кислорода воздуха и оксида углерода) с участием промежуточного продукта этих реакций (протонов) таким образом, что образуется самоорганизованный электронно-протонный контур [20]. Контур работает ритмично с однонаправленным во времени и в пространстве переменным действием то анодных, то катодных реакций. Ритмы обеспечивают сохранение в узких пределах энергетических и других, зависящих от них, свойств живого (гомеостаз), самоадаптацию к внешним воздействиям через изменение частоты, способность к самосборке из одинаковых элементов по принципиально единой схеме в более сложные ритмично работающие иерархические системы с фрактальными законами работы. Такое устройство (био-электрохимический генератор) обладает энергетическими выгодами перед известными техническими устройствами. Это обеспечивает живому успешную экспансию им неживой, окружающей среды [21].

Как известно, для обоснования каждой из фундаментальных свойств живого предлагались разные, как правило, весьма сложные, кибернетические схемы (см., например, схему гомеостаза [22]) . Схема самоорганизации метаболизма на основе законов электрохимии полуповодников оказалась способной охватить все эти характеристики разом [20]. При этом по принципиально единой схеме она действует на всех уровнях живого, от генного до организменного, и на всех ступенях его развития, от онто- до филогенеза. Кроме того, оказалось, что эта схема объясняет и механизм абиогенеза как энергетически выгодного замыкания друг на друга электронных и протонных каталитических цепочек реакций. Обратим внимание на то, что для зарождения живого из неживой материи природа использовала наиболее подвижные из химически значимых частиц: электроны и протоны. Биологию т.о. по механизму энергетики можно кратко назвать «электронно-протонный тяни-толкай».

Впоследствии было понято, что живое — это естественный результат выгодного энергетически самопроизвольного абиогенеза с последующей, на каждой ступени тоже выгодной, био-эволюцией. Очевидно поэтому, что живое, как производное от неживой материи, должно нести в себе отпечаток одинаковых с неживым энергетических принципов функционирования. Таким образом, можно полагать, что не только самоорганизация, но и абиогенез, и эволюция энергетических процессов в живой и в неживой природе уже содержат в себе некоторую основу инвариантности. Однако между живым и неживым всё же остаётся некоторое различие, связанное с разным действии законов энергодинамики, что нуждается в дальнейшем исследовании.

Схема самоорганизации процессов была впервые обнаружена при системном изучении большого массива экспериментальных данных по электрохимическому метаболизму живых природных объектов. На её основе построена модель функционирования живых объектов [18], разработана теория границ области их жизнеспособности, способы контроля и управления ими. Для медицинских целей был разработан прибор для измерения биопотенциалов на теле живых объектов («биопотенциалометр»), отмеченный премией на Всесоюзной конференции по медицинской технике. Полученный с его помощью экспериментальный материал позволил наметить научные основы медицинской кибернетики.

Кроме того, на основе законов кибернетической электрохимии разработан также и ряд новых электрохимических устройств, таких как управляемые ХИТ, автономные генераторы переменного тока, датчики времени и др.

Итак, можно заключить, что кибернетическая энергодинамика объясняет не только механизмы процессов самопассивации, автокатализа, саморазгона, взрыва и разнообразные процессы самоорганизации, в том числе и те, которые обусловливают свойства живой материи. Схемы кибернетической энергодинамики применимы и к объяснению разнообразных явлений не только в живой, но и в неживой природе, которые классическая энергодинамика объяснить не способна. К ним относятся: однонаправленные во времени и в пространстве ритмы, устойчивость и гомеостаз при этих непрерывных изменениях, адаптацию через ритмы и многое другое Эта модель согласует теории плавных изменений в природе с теорией катастроф, невозможность повернуть природные изменения вспять и т.д. Если в природе действительно существуют инварианты, то самоорганизацию её процессов в замкнутый цикл можно признать фундаментальным её законом.
2.4. Формальная кибернетическая схема самоорганизации

С точки зрения кибернетики, схему самоорганизации формально можно представить как объединяющую два процесса, идущих навстречу друг другу (один их них — самопроизвольный, другой — принудительный), скорость которых регулируется своим собственным продуктом по принципу нелинейной отрицательной обратной связи. Но оба эти процесса связаны друг с другом тоже нелинейной, но только положительной прямой связью. Таким образом, из этих процессов образуется замкнутый (самоорганизованный) контур. Он работает самопроизвольно, ритмично и только однонаправленно во времени и в пространстве. Ритмы автоматически удерживают параметры такого контура в определённых, довольно узких, границах значений (гомеостаз). При изменении внешних условий гомеостаз сохраняется, адаптируясь к новым условиям через изменение частоты и амплитуды своих ритмов. При этом устойчивость такой адаптации определяется не только мощностью самих входящих в контур энергетических процессов, но иногда и менее мощными факторами, управляющими этими процессами. При этом частота ритмов является показателем устойчивости работы контура. Если какое-либо воздействие превысит адаптационную силу контура (гомеостаз), контур потеряет устойчивость и распадётся, скачком превращаясь в какой-либо другой контур, более устойчивый в новых условиях, без возможности возврата в прежнее состояние. По-видимому, именно в этом причина скачкообразных и однонаправленных перемен в природе от одного устойчивого состояния к другому при изменении условий.