Реферат: Синергетическая картина мира

Новое значение понятия нестабильности.

У термина "нестабильность" странная судьба. Введенный в широкое употребление совсем недавно, он используется порой с едва скрываемым негативным оттенком, и притом, как правило, для выражения содержания, которое следовало бы исключить из подлинно научного описания реальности. Чтобы проиллюстрировать это на материале физики, рассмотрим элементарный феномен: обычный маятник, оба конца которого связаны жестким стержнем, причем один конец неподвижно закреплен, а другой может совершать колебания с произвольной амплитудой. Если вывести такой маятник из состояния покоя, несильно качнув его груз, то в конце концов маятник остановится в первоначальном (самом нижнем) положении. Это — хорошо изученное устойчивое явление. Если же расположить маятник так, чтобы груз оказался в точке, противоположной самому нижнему положению, то рано или поздно он упадет либо вправо, либо влево, причем достаточно будет очень малой вибрации, чтобы направить его падение в ту, а не в другую сторону. Так вот, верхнее (неустойчивое) положение маятника практически никогда не находилось в фокусе внимания исследователей, и это несмотря на то, что со времени первых работ по механике движение маятника изучалось с особой тщательностью. Можно сказать, что понятие нестабильности было, в некоем смысле, идеологически запрещено. А дело заключается в том, что феномен нестабильности естественным образом приводит к весьма нетривиальным, серьезным проблемам, первая из которых — проблема предсказания.

Дело в том, что идея нестабильности не только в каком-то смысле теоретически потеснила детерминизм, она, кроме того, позволила включить в поле зрения естествознания человеческую деятельность, дав, таким образом, возможность более полно включить человека в природу. Соответственно, нестабильность, непредсказуемость и, в конечном счете, время как сущностная переменная стали играть теперь немаловажную роль в преодолении той разобщенности, которая всегда существовала между социальными исследованиями и науками о природе.

Принимая в науке идею нестабильности, мы достигаем тем самым и более широкого понимания существа самой науки. Мы начинаем понимать, что западная наука, в том виде, как она до недавних пор существовала, обусловлена культурным контекстом XVII в. — периода зарождения современного естествознания и что эта наука ограничена. В результате начинает складываться более общее понимание науки и знания вообще, понимание, отвечающее культурным традициям не только западной цивилизации.

Разумеется, введение нестабильности является результатом отнюдь не только идеологических особенностей истории науки XX в. Оно стало реальностью лишь благодаря сочетанию ряда собственно научных экспериментальных и теоретических открытий. Это, во-первых, открытие неравновесных структур, которые возникают как результат необратимых процессов и в которых системные связи устанавливаются сами собой; это, во-вторых, вытекающая из открытия неравновесных структур идея конструктивной роли времени; и, наконец, это появление новых идей относительно динамических, нестабильных систем, — идей, полностью меняющих наше представление о детерминизме.

Открытие неравновесных структур, как известно, сопровождалось революцией в изучении траекторий. Оказалось, что траектории многих систем нестабильны, а это значит, что мы можем делать достоверные предсказания лишь на коротких временных интервалах. Краткость же этих интервалов (называемых также темпоральным горизонтом или экспонентой Ляпунова) означает, что по прошествии определенного периода времени траектория неизбежно ускользает от нас, т.е. мы лишаемся информации о ней. Это, кстати, служит еще одним напоминанием, что наше знание — всего лишь небольшое оконце в универсум и что из-за нестабильности мира нам следует отказаться даже от мечты об исчерпывающем знании. Заглядывая в оконце, мы можем, конечно, экстраполировать имеющиеся знания за границы нашего видения и строить догадки по поводу того, каким мог бы быть механизм, управляющий динамикой универсума. Однако нам не следует забывать, что, хотя мы в принципе и можем знать начальные условия в бесконечном числе точек, будущее, тем не менее, остается принципиально непредсказуемым.

 И еще, заметим, новое отношение к миру предполагает сближение деятельности ученого и литератора. Литературное произведение, как правило, начинается с описания исходной ситуации с помощью конечного числа слов, причем в этой своей части повествование еще открыто для многочисленных различных линий развития сюжета. Эта особенность литературного произведения как раз и придает чтению занимательность — всегда интересно, какой из возможных вариантов развития исходной ситуации будет реализован. Так же и в музыке — в фугах Баха, например, заданная тема всегда допускает великое множество продолжений, из которых гениальный композитор выбирал на его .взгляд необходимое. Такой универсум художественного творчества весьма отличен от классического образа мира, но он легко соотносим с современной физикой и космологией. Вырисовываются контуры новой рациональности, к которой ведет идея нестабильности. Эта идея кладет конец претензиям на абсолютный контроль над какой-либо сферой реальности, кладет конец любым возможным мечтаниям об абсолютно контролируемом обществе. Реальность вообще не контролируема в смысле, который был провозглашен прежней наукой.( Пригожин И. Философия нестабильности//Вопросы философии.—1991.—№6.—С.46-52;)

Режим с обострением.

За нелинейностью, кроме того, стоит представление о возможности на определенных стадиях сверхбыстрого развития процессов. В основе механизма такого развития лежит нелинейная положительная обратная связь. Об этом стоит сказать несколько поподробнее, ибо идея нелинейной положительной обратной связи является для данной области обобщающей.

Хорошо известно, например, к чему приводит отрицательная обратная связь. Она дает стабилизирующий эффект, заставляет систему вернуться к состоянию равновесия. А что дает положительная обратная связь? На первый взгляд кажется, что она приводит лишь к разрушению, к раскачке, уводит систему от состояния равновесия, к неустойчивости, а неустойчивость не представляет интереса.

На самом деле сейчас внимание школы Пригожина и многих других групп исследователей направлено как раз на изучение нестабильного, меняющегося, развивающегося мира. Без неустойчивости нет развития. Нелинейная положительная связь – важнейший элемент в моделях автокаталитических процессов самой различной природы. А что представляет собой автокатализ? Имеется  нелинейная обратная положительная связь в каждой точке среды пропорционально его концентрации в этой области (да еще в степени выше первой). Концентрация возрастая, возрастая нелинейно, ускоряет производство вещества.

Механизмы автокатализа в химических реакциях подробно исследованы И. Пригожиным и группой его сотрудников. Эти механизмы «связаны с особенным молекулярными структурами и особой реакционной способностью определенных компонентов, но и позволяет таким системам переходить в новые состояния путем усиления (или ослабления) влияния слабых возмущений». «Например, присутствие продукта может увеличить скорость его собственного производства. По существу, это кажущееся экзотическим явление довольно обычно в любом процессе горения благодаря присутствию свободных радикалов – чрезвычайно активных молекул с неспареным электроном, которые, реагируя с другими молекулами, приводят к дальнейшему увеличению количества свободных радикалов и тем самым к самоускоряющемуся процессу».( Николис Г. Пригожин И. Познание сложного. Введение. М.,1990. С. 29, 23-24)

Автокаталитические процессы широко исследуются в том числе и в биологических, экономических, социологических системах. Один из классических и наглядных примеров из области экономики – это быстрый рост капитала, как говорят, «деньги к деньгам», или «капитал на капитал». Психологи даже раскрыли такую закономерность, что всякий раз мы склонны недооценивать сумму денежного капитала, длительное время растущего по сложным процентам. Если же свободные денежные средства пускают в оборот, вкладываются в какие либо дело, то это может приводить к многократному увеличению капитала. Причем состояние в различных точках открытой нелинейной среды различно (разное количество денег, разное количество вещества и т. п.),т.е. процессы в каждой точке среды идут по разному. Но если самовлияние в каждой точке среды влияет на действие нелинейного источника в данном месте. Объемная нелинейная положительная обратная связь, таким образом, означает ускоренный самодстегивающийся рост по своему пространству среды. Она не только вредна, но и может служить источником быстрого развития.

В связи с этим следует рассмотреть еще одну особенность научной школы, работающей в ИПМ.—это изучение так называемых режимов с обострением (blow up). Это режимы сверхбыстрого нарастания процессов в открытых нелинейных средах, при которых характерные величины (например, температура, энергия или же денежный капитал) неограниченно возрастают за конечное время. Вводится характерный параметр – время обострения, конечный (ограниченный) промежуток времени, в течении которого процесс сверхбыстро (асимптотически) развивается вплоть до достижения бесконечных значений. Механизм лежащий в основе режимов с обострением, – это как раз широкий класс нелинейных положительных обратных связей.

Режимы с обострением – это некий тип модельных задач, которые широко используются при анализе сложных систем. Именно через идеализацию, через модельное представление часто проступают важные, даже парадоксальные, свойства, которые не видны, затеняются многочисленными побочными факторами при исследовании реальных процессов.

Вспомним , например, закон инерции Галилея. Хотя этот закон в чистом виде нигде в природе не проявляется, но он на столько важен, что стал одним из краеугольных камней новой физики. Уже этот факт истории науки свидетельствует, что идеализированные образы – вовсе не недостаток, а, напротив, дает возможность проникнуть в глубинную суть вещей.

Первый наиболее парадоксальный результат решения модельных задач на обострение – то, что может приводить ( при определенных условиях) к локализации, к образованию нестационарных, диссипативных структур. Локализация, оказывается, возможна на нелинейных источниках, без стоков, тогда как основное внимание направлено до сих пор на образование стационарных структур на стоках. Рассматривая нелинейную положительную обратную связь, видим, что она уже содержит в себе внутренние механизмы переключения режимов – механизмы самоорганизации, образования структур.( Е.Н.Князева, С.П.Курдюмов. Синергетика как новое мировидение: диалог с И.Пригожиным//Вопросы философии. – 1992. – №12. – 11-13.)

Открытость системы.

Класс систем, способных к самоорганизации, это открытые нелинейные системы. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, обмена веществом и энергией с окружающей средой. Причем когда речь идет об источнике. Обычно возникает образ некоего точечного или, во всяком случае, локализованного источника. Иначе обстоит дело в случае самоорганизующихся систем. Источники и стоки имеют место в каждой точке таких систем. Это, как говорят, – объединенные источники и стоки. Процессы обмена происходятне только через границы  самоорганизующейся системы, но и в каждой точке данной системы.

Чтобы прояснить себе суть происходящих в такого рода открытых системах (средах) процессов, нужно представить себе две прилегающие друг к другу и взаимопроникающие среды ( или качественно отличающиеся слоя, уровня одной и той же среды). В одной среде разыгрываются основные интересующие нас процессы, а другая прилегает к первой в каждой точке и служит для нее некоторой питающей, поддерживающей основой. В каждой точке этой среды происходят  процессы обмена: постоянно протекают какие-то необходимые вещества и отходят продукты обмена. Такой системой является, к примеру, кора головного мозга, пронизанная сосудами, питающими мозг. По сути дела, также и всякий город имеет своего рода «кровеносную систему» – разветвленную инфраструктуру (транспорт, связь и т.п.), которая обеспечивает определенное состояние городской жизни в каждой его точке. 

Открытость системы – необходимое, но не достаточное условие для самоорганизации: т.е. всякая самоорганизующаяся система открыта, но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Все зависит от взаимной игры, соревнования двух противоположных начал: создающего структуры, наращивающего неоднородности в сплошной среде (работы объемного источника), и рассеивающего, размывающего неоднородности начала самой различной природы. Рассеивающее начало в неоднородной системе может пересиливать, перебарывать работу источника, размывать все неоднородности, создаваемые им. В таком режиме структуры не могут возникнуть.

Но с другой стороны, и при полном отсутствии диссипации, организация спонтанно возникнуть не может. Диссипация в среде с нелинейными источниками играет роль резца, которым скульптор постепенно, но целеустремленно отсекает все лишнее от каменной глыбы. А поскольку диссипативные процессы, рассеяние есть по сути дела, макроскопические проявления хаоса, постольку хаос на макроуровне – это не фактор разрушения, а сила, выводящая на аттрактор, на тенденцию самоструктурирования нелинейной среды.

Эффект создания структур в открытой нелинейной среде связывают с эффектом локализации. Сугубо внутренний и спонтанный эффект локализации порождается именно неравновесностью и открытостью системы. Причем роль источников и стоков энергии неравноценны. За счет стоков могут образовываться стационарные структуры. В данном случае внимание направленно на иного рода эффект локализации – на создание нестационарных (эволюционирующих) структур за счет нелинейных источников энергии.

Мировоззренческий смысл понятия нелинейности.

"Нелинейность" – фундаментальный  концептуальный узел новой парадигмы. Можно даже, пожалуй, сказать, что новая парадигма есть парадигма нелинейности.

Нелинейность в математическом смысле означает определенный вид математических уравнений, содержащих искомые величины в степенях больше 1 или коэффициенты, зависящие от свойств среды. Нелинейные уравнения могут иметь несколько (более одного)качественно различных решений. Отсюда вытекает физический смысл нелинейности. Множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции системы, описываемой этими уравнениями (нелинейной системы).

Особенности нелинейного мира состоят в том, что при определенном диапазоне изменений среды и параметров нелинейных уравнений не происходит качественного изменения картины процесса. Несмотря на количественное варьирование констант, сохраняется притяжение того же аттрактора, процесс скатывается на ту же самую структуру, на тот же самый режим движения системы. Но если мы перешагнули некоторое пороговое изменение, превзошли критическое значение параметров, то режим движения системы качественно меняется: она попадает в область притяжения другого аттрактора.

Парадоксально, что в одной и той же среде без изменения ее параметров могут возникать разные структуры, выступающие в качестве аттракторов, разные пути ее развития. Более того, изучая разные стадии развития процессов в открытой нелинейной среде, можно описать качественное изменение картины процессов, в том числе переструктурирование – усложнение и деградацию – организации среды. Причем это происходит опять-таки не при изменении констант среды, а как результат саморазвития процессов в ней.

В мировоззренческом плане идея нелинейности может быть эксплицирована посредством:

·     идеи многовариантности, альтернативности, как часто говорят, путей эволюции;

·     идеи выбора из данных альтернатив;

·     идеи темпа эволюции(скорости развития процессов в среде);

·     идеи необратимости эволюции.

Особенности феномена нелинейности состоят в следующем.

            Во-первых, благодаря нелинейности имеет силу важнейший принцип "разрастания" малого, или "усиления флуктуаций". При определенных условиях нелинейность может усиливать флуктуации, значит делать малое отличие большим, макроскопическим по последствиям.

Во вторых, определенные классы открытых нелинейных систем демонстрируют другое важное свойство – пороговость чувствительности. Ниже порога все уменьшается, стирается, забывается, не оставляет никаких следов в природе, науке культуре, а выше порога, наоборот, все многократно возрастает.

            В-третьих, нелинейность порождает своего рода квантовый эффект – дискретность путей эволюции нелинейных систем (сред).То есть на данной нелинейной среде возможен отнюдь не любой путь эволюции, а лишь определенный спектр путей. Выше отмеченная пороговость чувствительности определенных классов нелинейных систем, кстати, также является показателем квантовости.

В четвертых, нелинейность означает возможность неожиданных, называемых в философии эмерджетными, изменений направления движения процессов. Нелинейность процессов делает принципиально ненадежными и недостаточными весьма распространенные до сих пор прогнозы-экстраполяции от наличного. Ибо развитие совершается через случайность выбора пути в момент бифуркации, а сама случайность (такова она уж по природе) обычно не повторяется вновь.

Переоткрытие времени.

Для создателей ньютоновской картины мира любой момент времени в настоящем, прошлом и будущем был неотличим от любого другого момента времени. Именно в ньютоновской системе закрепилось название обратного времени.

Столкновение теорий, конфликт между бытием и становлением свидетельствуют о том, что новый поворотный пункт уже достигнут и возникла настоятельная необходимость в новом синтезе. Такой синтез обретает свою форму в наше время, столь же неожиданную, как и все предыдущие синтезы. Мы снова являемся свидетелями замечательной конвергенции исследований, каждое из которых вносит свой вклад в выяснение природы трудностей, присущих ньютоновской концепции научной теории.

 Ньютоновская наука претендовала на создание картины мира, которая была бы универсальной, детерминистической и объективной, поскольку не содержала ссылки на наблюдателя, полной, поскольку достигнутый уровень описания позволял избежать "оков" времени.

Идеал лапласовского детерминизма вдохновлял творцов теорий скрытых параметров десятилетия после создания квантовой механики и разработки концепции вероятностной причинности вплоть до осуществленного в самое последнее время экспериментального доказательства полноты квантовой механики. Однако представление об обратимости во времени законов физики, органично связанное с пониманием причинной связи как однозначной, продолжает оставаться символом фундаментальности в методологическом сознании подавляющего большинства физиков и сейчас.

Страницы: 1, 2, 3