Синергетика как универсальная научная парадигма
Синергетика как универсальная научная парадигма
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРО_ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П.ГОРЯЧКИНА»
РЕФЕРАТ
на тему:
«СИНЕРГЕТИКА КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПАРАДИГМА»
Выполнил:
Студентка I курса ИЭФ
Луканина В. А.
Проверил:
Маслов Глеб Николаевич
1.ВВЕДЕНИЕ
В первой трети ХХ столетия механическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружилось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания – физике. «В классической науке ХIХ века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос)»1. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, физика изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. «К описанию объекта природы не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняются познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая науки»2. Классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций.
1 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр.231
2 Е.Н.Князева: Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -Наука, 1994,стр65
3 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр.125
Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. «Из хаоса, утверждали древние греки, Вселенная родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится»3.
При подготовке этого реферата у меня возник любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика (как раздел физики) не задавалась, ибо сформировалась в эпоху, когда не стационарный характер Вселенной не обсуждался. «В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции»1. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Зарождаются, растут и усложняются организмы, появляются их новые виды, более приспособленные к среде обитания, возникают новые звездные системы и новые цивилизации; беспорядочная группа рыб почти мгновенно превращается в косяк, птицы собираются в стаю, при этом и птицы в стае, и рыбы в косяке действуют столь синхронно, как будто это единый целостный организм. Живая природа почему-то стремится прочь от хаоса. Налицо явная несостыковка законов развития живой и неживой природы.
«Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)?»2. Этими вопросами задавались ученые из разных областей естествознания, разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказались в тупике и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире, что в немалой степени способствовало возрастанию роли комплексных исследовательских программ в организации научных исследований. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники – проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования и т.д.
«Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств»1. В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. «Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования – процесс развития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса»2.
Однако речь идет не только об утверждении какой-то новой концепции, претендующей на общенаучное значение, а о создании новой познавательной модели, о новом направлении исследовательской деятельности, о выработке новой системы принципов научного мышления и нового категориального аппарата, о необходимости разработки и использования нового комплексного подхода к исследованию объектов и явлений. Все это было объединено и получило термин, введенный Г. Хакеном, «синергетика». «Синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения»3.
1 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с.45
2 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр.92
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Характеристики самоорганизующихся систем
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру и функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки»1. Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присуще природе,- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.
Основные свойства самоорганизующихся систем, по мнению Г. Хакена являются:
«1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнообразных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом;
2) системы являются нелинейными;
3) речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия;
4)системы нестабильны;
5)в них происходят качественные изменения;
1 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр.48
2 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр.36
3 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.84
6)в этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества;
7)системы подвержены внешним и внутренним колебаниям;
8)возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры;
9)структуры могут быть упорядоченными или хаотичными;
10)во многих случаях возможна математизация»2
Рассмотрим основные из этих свойств: открытость, линейность и диссипативность.
2.1.1 Открытость
Объект изучения классической термодинамики – закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. 1
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная приближается к «тепловой смерти».
И.Пригожин, И.Стенгерс: Порядок из хаоса.- М.,1986, стр.87
2 П.У.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М., 1986, стр.39
«Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии»1. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. «По мере того как иссякает запас энергии возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее»2.
Вместе с тем, уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. «История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении – от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному»3. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии и информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному неравновесному состоянию.
1 Ю.Л.Климонтович:Статистическая теория открытых систем.-М., Наука, 1994, стр.82
2 Г.Хакен:Информация и самоорганизация.-М., 1993, стр.187
3 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр.113
«Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени»1.
Рисунок №1 Открытая система
В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым _ могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. «Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается»2.
1 С.Курдюмов:Синергетика:начала нелинейного мышления.-2,1993, стр.145
2 Н.Н.Моисеев:Современный рационализми мировоззренческие парадигмы.-3,1994, стр.152
3 Н.Н.Моисеев:Алгоритмы развития.-М., 1987, стр.126
4 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр.184
2.1.2 Нелинейность
«Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства»3.
Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. «Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды»4. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.
«Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде»1. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). «Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными»2.
2.1.3 Диссипативность
«Открытия неравновесной системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне»3. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д.
1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр.146
2 С.Х.Карпенков: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998, стр.147
3 П.Девис:Случайная Вселенная.-М.:Мир, 1989, стр.165
2.2 Системная модель мира
«С точки зрения системного подхода Мироздание – это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность»1. Схематично она представлена на Рисунке №2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.
Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем». Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. «Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом»2. Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой – сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. «Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.)»1.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр.138
2 Р.Е.Реванский: Развивающаяся Вселенная.-М.:1995, стр.54
|
|
|
|
2.3 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия
Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. «Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй – порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее»2.
1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр.201
2 М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с.39
В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса зародышей новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (одновременного) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление и получило название самоорганизации. Самоупорядочивание системы связано с уменьшением ее энтропии. «Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое»1. «Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы»2.
Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XVIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита и т.д.). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (теория вероятностей, нелинейная динамика, теория катастроф, системный анализ, топология и т.д.) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Основы теории самоорганизации были разработаны в трудах химиков, получивших мировой признание – И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия.
1 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр.141
2 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр.68
Термин «синергетика», ставший с названием общенаучного направления, которое изучает общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития, в научный обиход ввел Г. Хакен. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А.П.Руденко, физик Ю.Л, Климонтович, математики А.Н.Колмогоров и Я.Г. Синая. Основные законы и принципы синергетики были установлены на основе наблюдения процессов самоорганизации и эволюции сложных систем и, прежде всего, установление закономерностей протекания физико-химических процессов. Сегодня это трансдисциплинарная научная теория, идеи которой, зародившись в химии и физике, с успехом используются в экологии, биологии, геологии, экономике, политике, медицине и т.д. «Она дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития»1.
«В основе синергетической парадигмы лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций в развитии мира, при этом случайность и неопределенность выступают неотъемлемое свойство не только микромира, но и всего Мироздания, включая самого человека с его непредсказуемыми эмоциями и невероятным разнообразием вариантов поведения в идентичных условиях»2. Понятие хаоса в синергетике отлично от классического представления беспорядка. Хаос, связанный со случайным отклонением отдельных параметров системы от некоторого среднего значения, имеет активное начало. В подходящих условиях даже малая флуктуация одного из параметров может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку, к новому ее качеству.
Описывая процесс самоорганизации, Г.Хакен отмечает, что возникающая из хаоса упорядоченная структура является результатом конкуренции множества виртуальных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент к внешним и внутренним условиям. В рамках этих представлений Н.Н.Моисеев предложил концепция универсального эволюционизма. В ней дарвиновская триада, выдвинутая на основе эмпирических обобщений - изменчивость, наследственность и отбор, получила методологической обоснование. «Выведя эти термины за пределы биологического и расширив их смысл, можно использовать их для объяснения механизма развития систем любой природы»3.
1 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр.138
2 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
3 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр 162
Случайность и неопределенность – это фундаментальное свойство материи обуславливает изменчивость окружающего мира. «Наследственность означает зависимость настоящего и будущего от прошлого. Степень этой зависимости определяется «памятью» системы, которая в пределе может принимать значения от нуля (хаотические образования, лишенные памяти) до бесконечности (жестко детерминированные системы)»1. Но реальные системы имеют некоторый «коридор» памяти; ширина которого зависит от уровня организации. «Изменчивость создает возможность реализации множества возможных вариантов развития системы»2. Однако наследственность ограничивает их число. Из множества допустимых вариантов «отбираются» те, которые не противоречат фундаментальным законам природы, в результате отбора «выживают» наиболее целесообразные и устойчивые в сложившихся условиях структуры.
«В системе под влиянием поступающих извне ресурсов идет медленное количественное накопление несущественных изменений, что приводит к ослаблению гомеостаза»3. Это происходит до определенного предела, за которым наблюдается кардинальное изменение ее состояния, которое осуществляется практически мгновенно, скачком. Система временно оказывается в неустойчивом состоянии, «теряет память», и характер ее последующего развития определяется только теми случайными факторами, которые в этот момент действуют на систему. Для выхода из него у системы есть две возможности: деградация, разрушение, инволюция либо самоорганизация, усложнение, эволюция. Весь процесс развития системы можно представить как череду сменяющих друг друга медленных и скачкообразных изменений.
Становление идей синергетики связано с формированием нового миропонимания. «Мир сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся сложно организованная иерархическая система»4. Это представление стало основой сближения традиционной европейской мысли о структурных уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального. Это попытка сближения традиционного естественнонаучного мышления с гуманитарным.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 179
2 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,стр.54
3 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр 93
4 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998,стр. 138
2.4 Основы теории самоорганизации систем
Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра – координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)
Для описания развития более сложных систем необходимо знать большее число параметров. Например, для описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров – фазовыми траекториями.
В результате обмена ресурсами с другими системами, а также случайных флуктуаций с течением времени параметры системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.
«Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами»1. В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.
В общем случае решение таких уравнений графически может быть представлено семейством фазовых траекторий.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 174
Фазовое пространство
Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации – точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации – особые точки – точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.
В таких состояниях чрезвычайно важны случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. Однако при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.
«В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов путей развития»1. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур – прообразов будущих состояний системы – фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.
При благоприятных условиях такой фрактал «разрастается» и перерождается в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации. 1
Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 142
Бифуркационный характер эволюции системы.
«Поведение системы в этом состоянии подобно блужданию по лабиринту со множеством тупиков»1. ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»2. Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.
В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы периодически повторяется и может продолжаться бесконечно долго1
В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с158
2 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 97
. При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые образовывают новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»1. Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.
В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела – состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр 54
«Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс – определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой»1.
Поступательное движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки качественно новых адаптивных механизмов. «Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается»2. В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества – около четырех, эволюция человека – около двух миллионов, а общества – несколько десятков тысяч лет.
«Процесс усложнения бесконечен, нет предела совершенству»3. Но при этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера – благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления ее характером и потоками.
1 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр 139
2 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр. 59
3 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
2.5 Синергетическая картина мира
Общие закономерности протекания процессов самоорганизации социоприродных систем, выявленные синергетикой, позволяют наиболее полно проиллюстрировать единство всего сущего, построить Катину мира, в которой все – жизнь живой и неживой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества – связано со всем и подчинено единым вселенским фундаментальным законам природы. Это обобщенная синергетическая картина мира.
Ее ядро составляют идеи:
v Мир представляет суперсистему, состоящую из иерархии взаимосвязанных подсистем разного уровня сложности, в которой системы более низкого иерархического уровня являются элементами систем более высокого уровня. Для описания их состояния необходимо знать огромное число параметров, характеризующих всю суперсистему и каждую подсистему в отдельности.
v Мир находится в постоянном изменении. Это глобальный процесс представляет периодическую смену разрушений старого и созиданий нового на пути самоорганизации и эволюции.
v Самоорганизация и усложнение возможны лишь в открытых системах, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией и находятся вдали от термодинамического равновесия.
v Закономерности развития систем носят вероятностный стохастический характер; случайность и неопределенность выступают как фундаментальное свойство всего сущего. Случайное изменение отдельных внешних или внутренних параметров системы, отклонение их от равновесного значения (флуктуации) могут вызвать неустойчивость состояния всей системы или ее частей и послужить конструктивным началом для усложнения и перехода на качественно новую ступень развития.
v Процесс самоорганизации происходит в результате взаимодействия случайности и необходимости и всегда связан с переходом на качественно новую ступень развития.
v Самоорганизация обусловлена кооперативными процессами, коллективным согласованным резонансным взаимодействием элементов системы; интеграцией их совместных усилий на пути развития системы; именно благодаря этому зарождаются новообразования, которые при благоприятных условиях могут перерасти в новую структуру.
v Развитие происходит по нелинейным законам. Нелинейность означает
v многовариантность путей выбора и альтернатив выхода из неустойчивых состояний.
Глобальный процесс самоорганизации материи, бесконечный в пространстве и времени просматривается в трех уровнях:
1. Самоорганизация и эволюция косной (неживой) материи. В этом процессе можно выделить два направления:
- химическая эволюция: элементарные частицы→ атомы→ неорганические молекулы→ простые органические молекулы→ биополимеры.
- структура эволюции Вселенной: газопылевая туманность→ звездная система→ галактика→ метагалактика→ Вселенная.
Процесс самоорганизации косного вещества происходит благодаря примитивным способам отражения косной материи и обмену физической информацией (взаимодействию), носителем которой являются гравитационное, электромагнитное, слабой и сильной поля. Это этап предбиологической эволюции.
2. Самоорганизация и эволюция живого вещества. «На определенном этапе эволюции косной материи, в какой-то момент времени, в какой-то точке Вселенной создались условия, при которых органическое вещество сгруппировалось в системы, способные к саморегуляции и самовоспроизведению»1. Последовательное усложнение этих систем в течение миллиардов лет привело к появлению высокоорганизованных животных.
3. На определенном этапе эволюции от высших животных к человеку возникают сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. «В процессе самоорганизации сообществ в течение нескольких миллионов лет происходила социальная и психическая эволюция человека»2. В этот период усложняются коммуникативные отношения, техническая оснащенность, уровень познания и использования природы. Человек изменяет характер энергетических, вещественных и информационных потоков, активно вторгается в биохимические циклы, создает искусственные системы и управляет ими.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 89
2М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с93
2.6 Самоорганизация Вселенной
До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательное преобразование вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального обхвата всей Вселенной как целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. Прежде всего, Вселенная как система должна быть открытой. Но что можно читать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем перетекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюс магнита.
Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. «Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов»1. Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость. Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития характеризовалось температурой около 3000К и плотностью вещества 3*10-22г/см3. При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.
1 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр 94
Между тем, наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная «горячей». Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой в тысячу раз больше, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Вместе с веществом ушла огромная энергия. Нагрев газа в облаке остановил бурное звездообразование, затем начался процесс образования звезд следующего поколения, растянувшийся на миллиард и более лет.
«Горячая» модель образования галактик объясняет основные наблюдаемые их особенности. В ее пользу говорят данные, полученные с помощью спутников.
1 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 147
2 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр 82
2.7 Самоорганизация и эволюция живого вещества.
На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. «С точки зрения материалистической философии жизнь – это особая форма движения материи»1. С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь – это «форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению»2. По моему мнению, это определения является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь – это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой – способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.
Необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.
Элементарная единица такого организма – клетка. «Ей присущи все признаки живого – обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, неспособна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде»1.
Важное проявление жизни биологической системы – деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого – деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. После нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток организма. Сбой этой зависимости ведет к появлению раковых клеток. В энерго-энтропийном плане более выгодным является объединение клеток в более сложные структурные образования – многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование появляются механизмы управления.
1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр 164
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В общем понимании самоорганизация – это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития. Конкретное проявление этой способности зависит от уровня сложности системы и условий ее развития. В узком понимании термина – это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. При более подробном рассмотрении этого явления отмечалось, что алгоритм скачка имеет общие черты у систем самой различной природы.
Чем выше уровень сложности системы, тем сложнее проявление сил объединения и фракционирования. Что же касается поиска истоков самоорганизации, то он уводит нас вглубь строения вещества, определяющего способность его элементов взаимодействовать друг с другом.
По-моему, с появлением синергетики как науки, в свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо. «В критических точках, достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность»1.
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны и т.д.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) сможет послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
В предисловии к своей книге «Синергетика» Г.Хакен пишет: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин»1.
1 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр 59
1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 13
Перепечатка материалов без ссылки на наш сайт запрещена