Основные идеи синергетики
В природе протекает множество
хаотических процессов, но далеко не всегда они воспринимаются как хаос. Поэтому
наблюдаемый мир кажется нам вполне стабильным. Наше сознание, как правило,
интегрирует, обобщает информацию, воспринимаемую органами чувств, и поэтому мы
не видим мелких "дрожаний" - флуктуаций[5]
- в окружающей нас природе, например: самолет надежно держится в воздушных
турбулентных вихрях, хотя неупорядоченно пульсирует.
Порядок в физических,
экологических, экономических и любых других системах может быть двух видов: равновесный
и неравновесный. При равновесном порядке система находится в равновесии со
своим окружением; параметры которые ее характеризуют, одинаковы с теми, которые
характеризуют окружающую среду. При неравновесном порядке эти параметры
различны.
На первый взгляд, равновесный
порядок более стабилен, чем неравновесный. В самой природе равновесного порядка
заложено противодействие любым возмущениям состояния системы. В термодинамике
это свойство систем называется принципом Ле Шателье-Брауна, т. е если на
систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь
из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким
образом, чтобы компенсировать изменение.
В лице равновесной и
неравновесной синергетики современная наука выражает идею своего рода двух
состояний материи. Материя может находиться в более инертном, равновесном
состоянии, описываемой средствами равновесной термодинамики, и материя способна
достигать некоторого "возбужденного", или "активированного",
состояния, выражаемого средствами неравновесной нелинейной термодинамики и
синергетики.
Способность возвращаться к
исходному состоянию - непременное свойство так называемых саморегулирующихся
систем.
Природа неравновесного порядка
имеет искусственное происхождение и существует только при условии подачи
энергии извне. Поэтому для поддержания порядка требуется компенсация потерь, к
которым приводят необратимые "выравнивающие" потоки, и,
следовательно, для этого нужны определенные энергетические затраты. Так как
перетекание тепла или массы связано с рассеянием энергии (диссипацией), то
потери энергии, возникающие при этом, называются диссипативными. В
открытых системах, обменивающихся с окружающей средой потоками вещества или
энергии, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо
переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых
возмущений. Такие стационарные состояния получили название диссипативных
структур. Например: возникновение когерентного излучения в лазере, когда, после
первоначального хаотического излучения и начиная с некоторой мощности накачки,
атомы вещества начинают излучать фотоны одной фазы, что выражается в
возникновении мощного пучка лазерного излучения. В условиях диссипации часто
возникает порядок.
Самое сложное и, пожалуй,
интересное в поведении синергетической системы - это наличие разного рода
скачков, или "катастроф", когда система, при непрерывном изменении
управляющих параметров резко и скачком меняет значение управляемых параметров. Оказалось,
что такого рода катастрофы удается описывать как процессы пересечения особенностей
на поверхности состояний системы. В этом случае управляющие параметры
принадлежат плоскости проецирования поверхности, а управляемые параметры
испытывают "бифуркацию" (раздвоение или размножение), выбирая один из
множества прообразов, создавая новую структуру. Лишь высвободившиеся из-под
гнета старой структуры элементы могут сложиться в новую упорядоченность; однако
качественная определенность новой упорядоченности складывается случайным и
только случайным образом. Для того, чтобы адекватно отразить случайный характер
перехода от беспорядка к порядку, физика становления и вводит понятие
бифуркации. Исходными понятиями в синергетике являются понятия точек бифуркаций
и аттракторов.
Под точкой бифуркаций понимается
состояние рассматриваемой системы, после которого возможно некоторое множество
вариантов ее дальнейшего развития. Примерами бифуркаций являются: состояние
выбора человеком варианта поступления в высшее учебное заведение, состояние
популяции при выборе под влиянием внешней среды варианта дальнейшего развития в
борьбе за существование, точки ветвления на генеалогическом древе; точки
перехода к разным вариантам продолжениям диалога "студент - компьютер"
в процессе тестирования знаний студента с использованием закрытых тестов (когда
предлагается выбрать правильный и полный ответ из серии предложенных); состояние
борьбы двух фронтов в атмосфере с возможными вариантами изменения погодных
условий.
Таким образом примером точки
бифуркаций можно назвать распространенное в русских сказках перепутье дорог: на
право пойдешь - коня потеряешь, на лево пойдешь - себя потеряешь, а прямо
пойдешь - голова с плеч - весь смысл в избрании дороги, а что будет в конце,
никто не знает.
Согласно теории бифуркации,
прошлое состояние системы исчезает скачком в силу накопления в системе
флуктуаций, затронутых мною во второй главе работы. В любой системе имеют место
флуктуации, связанные со сбоями в функционировании ее элементов, с поломками в
структурных образованиях. развитие системы после точки бифуркаций и которые отличаются
от других относительной устойчивостью, то есть являются наиболее реальными,
называются аттракторами.
Другими словами, аттрактор - это
относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает к себе
все множество траекторий развития, возможных после точки бифуркаций.
Флуктуации означают нарушения в
способе существования системы: отклонения от статистически среднего. Примерами
аттракторов являются группа гуманитарных вузов и специальностей для
абитуриента, который хочет получить ту или иную специальность; популяция
морозоустойчивых особей в случае наступления глобального похолодания; юридическая
стезя для потомка семей-юристов; погода, соответствующая времени года и т.д. .
Достигая некоторого критического
значения, флуктуации становятся источником бифуркации, коренной ломки
предшествующего тождества самого себе. В результате бифуркации случайные и
несогласованные микроскопические изменения захватывают весь объем ранее
существовавшей системы без остатка.
Структура системы выражает
максимальную адаптацию этой системы к изменившимся условиям среды,
представленным как управляющие параметры системы или характеристические
параметры ее динамики (описывающих эту динамику дифференциальных уравнений). Здесь
по мере удаления от равновесия повышается чувствительность системы к внешней
среде, возникает своего рода различимость системы по отношению к нужным
флуктуациям, которые отбираются и усиливаются в форме разного рода когерентных
(кооперативных) эффектов.
Такой образ синергетической
системы уже во многом напоминает образ живого организма, также далекого от
равновесия, чувствительного к среде, обладающего избирательной различимостью и
способного к формированию системной активности. А методология синергетики
начинает во многом напоминать своего рода "обобщенный дарвинизм", оперирующий
понятиями "изменчивости", "отбора" и "адаптации" на
универсальном уровне синергетических обобщений, выходящих далеко за границы
только биологического знания.
Бифуркации можно разделить на
"мягкие" и "жесткие". Мягкие бифуркации характеризуются
небольшим отличием режимов функционирования, например, достаточной близостью
новых аттракторов по отношению к старым. Жесткие бифуркации, которые после
работ французского математика Рене Фредерика Тома (1923-2002) в начале 70-х
годов стали называть "катастрофами", характеризуются значительным
отличием старого и нового режимов функционирования, например, значительным
удалением новых аттракторов от старых в фазовом пространстве системы. В этом
случае качественный скачок в изменении поведения системы может быть особенно
значительным - "катастрофическим". В работах Р.Ф. Тома все катастрофы
были сведены к 7 элементарным, которые носят довольно своеобразные названия: складка,
сборка, ласточкин хвост, бабочка, гиперболическая омбилика, эллиптическая и
параболическая омбилика.
Одной из главных задач теории
катастроф является получение так называемой нормальной формы исследуемого
объекта в окрестности "точки катастрофы" и построение на этой основе
классификации объектов.
Главный мировоззренческий сдвиг,
произведенный синергетикой, можно выразить следующим образом:
процессы разрушения и созидания,
деградации и упорядоченности, по меньшей мере, равноправны;
процессы созидания (нарастания
сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы
систем, в которых ни осуществляются.
Таким образом, синергетика
претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого
осуществляется самоорганизация, как в живой, так и неживой природе.
Следовательно - объектом
синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только, которые
удовлетворяют, по меньшей мере, двум условиям:
они должны быть открытыми, т.е. обмениваться
веществом или энергией с внешней средой;
они должны быть существенно
неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического
равновесия.
И именно такими являются
большинство известных систем. Изолированные системы классической термодинамики -
это определенная идеализация, в реальности такие системы исключение, а не
правило. Впрочем сложнее, со всей Вселенной в целом: если считать ее открытой
системой, то что может служить ее внешней средой? Современная физика полагает,
что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.
До появления синергетики в мире
господствовал второй закон термодинамики. В соответствии с этим законом
эволюционирование природы сопровождалось ростом отклонения реального процесса
от идеального, выравниванием всех точек возрастания и потенциалов. Мир
стремился к состоянию однородного хаоса, который был назван "тепловой
смертью". Из уныния от такой перспективы человечество вывела синергетика -
наука о самоорганизации и кооперации в природных явлениях.
Синергетика как научное
направление исследований является востребованной обществом. Значительное
количество результатов исследований в разных областях знания соотносится
исследователями с синергетикой. Ее контекст дает возможность плодотворно
взаимодействовать ученым разных специализаций на языке системного осмысления и
поиска новых решений.
Любая наука, с точки зрения
синергетики, прежде всего это открытая система, в которую постоянно проникают
всевозможные новые идеи. Открытия могут быть до такой степени радикальными, т.е.
ведущими к коренным переменам, что потрясают сами основы существовавшей прежде
науки и изменяют картину мира, созданную представителями этой самой науки. Ученые
пребывают в сомнениях. В синергетическом смысле при этом возникают все более
сильные флуктуации, проявляющие себя в форме новых идей или новых экспериментов,
которые приобретают сторонников и тем самым набирают все большую силу; затем
многие из этих идей опровергаются и отвергаются, их сменяют другие идеи, и так
продолжается до тех пор, пока не появится идея, которая окажется в состоянии
объяснить многие до сих пор необъяснимые явления, а потому будет окончательно
принята учеными.
Новая научная идея - такая,
например, как квантовая теория - влечет за собой, по мнению английского
философа Томаса Куна, научную революцию. С точки же зрения синергетики, такая
новая идея, объединяющая прежде разрозненные научные факты, является не чем
иным, как параметром порядка. Этот параметр порядка, называемый в работе Т. Куна
"Структура научных революций" парадигмой, обладает всеми свойствами и
характеристиками, присущими любому из известных синергетике параметров порядка.
Он даже способен подчинять себе работы ученых, которые занимаются разработкой
нового научного направления, развивают его в духе возникшей идеи, расширяют,
углубляют и в конце концов доводят до состояния нормальной науки. И наоборот: благодаря
работам этих ученых новая идея (или новая парадигма) распространяется все шире,
чем и обеспечивается продолжение существования именно этого параметра порядка. Переход
от одного состояния научного сознания к другому оказывается своего рода фазовым
переходом. Новая идея, новый основополагающий принцип или новая парадигма
приводят к возникновению нового стиля, нового порядка в мышлении. Новые идеи и
неожиданные подходы к известным проблемам в различных науках составляют несомненный
интерес к этой отрасли знания.
В синергетике достаточно строго
показывается - никакими внешними воздействиями нельзя "навязать" системе
нужное кому-либо поведение: можно только выбрать наиболее подходящий из
потенциально заложенных в ней путей. Однако в реальной жизни этот принцип очень
часто нарушается, и это приводит иногда к тяжелым последствиям в политике,
экономике, личной жизни и т.п.
Г. Хакеном не дает нам точного
определения, что он называет синергетикой. Восхищаясь и изумляясь исполненным
грацией танцем,
красотой бега лошади, разнообразием форм государственного устройства или
многообразием языков и наук, он заставляет нас задуматься о чуде их
существования и самим дать свою трактовку понятия "синергетика", так,
как мы ее понимаем.
Предложенное самим автором выразительное
название нового междисциплинарного направления привлекало к этому новому направлению
гораздо больше внимания, чем любое "правильное" и понятное лишь узкому
кругу специалистов, название.
Так что подразумевается под
термином "синергетика"? По моему мнению следующая трактовка
достаточно содержательна: "Синергетика является теорией эволюции и самоорганизации
сложных систем мира, выступая в качестве современной (постдарвиновской) парадигмы
эволюции".
С точки зрения синергетики, наша
Вселенная это система, находящаяся вдали от точки равновесия. Вместе с тем, все
в ней стремится к равновесию, к устойчивости, а гармония сил сохранения,
разрушения и созидания обеспечивают жизнь и эволюцию.
Эта наука, занимающаяся изучением
процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада
структур самой различной природы, еще далека от завершения и единой
общепринятой терминологии (в том числе и единого названия всей теории) пока не
существует.
В своей работе мне хотелось
полностью раскрыть все основные идеи "новой" науки - синергетики. Возможно
мне все-таки удалось в минимальном формате обрисовать то, что может раскрыть
синергетика и в чем помочь человеку, который стремиться стать не только умнее,
но и мудрее.
"Прошедшее десятилетие
принесло нам множество
удивительных открытий, сделанных
благодаря
использованию принципов
синергетики, и я
не сомневаюсь в том, что
исследователи
самоорганизующихся комплексных
систем
находятся еще только в самом
начале
долгого интересного пути"
Герман Хакен,
Deutsche Verlags-Ansalt GmbH, 1992
г.
1.
Данилов Ю.А., Кадомцев Б.Б. Что такое синергетика? // Нелинейные волны. Самоорганизация
- М., Наука, 1983.
2.
Дульнев Г.Н. Введение в синергетику. - СПб, Проспект, 1998, С.258;
3.
Моисеев В.И. Философия и методология науки. // Философия и методология
синергетики. Феномен синергетики. Синергетика и термодинамика, электронная
версия - URL: #"#_ftnref1" name="_ftn1" title="">[1] Фрактал
- это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой
повторяется при уменьшении масштаба.
[2] Общая психология. Словарь / Под. ред. А.В. Петровского
//Психологический лексикон. Энциклопедический словарь в шести томах /
Ред.-сост. Л.А. Карпенко. Под общ. ред. А.В. Петровского. — М.: ПЕР СЭ, 2005. —
С. 251.
[3] Данилов
Ю.А., Кадомцев Б.Б. Что такое синергетика? //Нелинейные волны. Самоорганизация
— М., Наука, 1983.
[4] Дульнев
Г.Н. Введение в синергетику. - СПб.: «Проспект», 1998, 258 с.
[5] Флуктуации
означают нарушения в способе существования системы: отклонения от статистически
среднего.
Страницы: 1, 2
|