logo search
ПОПКОВ В

7.2. Синергетика – новое направление междисциплинарных исследований

В 70 годы XX в. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области моделирования сложных открытых нелинейных систем привели к рождению мощного научного направления в современном естествознании – синергетики. Основателем синергетики является профессор Штутгартского университета Г. Хакен.

Возникновение теории самоорганизации – синергетики – подготовлено трудами многих выдающихся ученых. К ним относятся Ч. Дарвин – создатель теории биологической эволюции, А. Больцман и А. Пуанкаре – основоположники статистического и динамического описания сложного движения, А.Н. Колмогоров, Л.И. Мандельштам, А.А. Андронов, Н.Н. Боголюбов и многие другие. Существенную роль в становлении теории самоорганизации сыграли работы В.И. Вернадского о ноосфере. Созданием теории самоорганизации в ее современном виде мы обязаны И. Пригожину и Г. Хакену.

В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессы управления и обмена информацией, синергетика исследует принципы построения организации, возникновения, развития и самоусложнения.

В основе современных взглядов на Природу лежит утверждение, что Вселенная представляет собой единую систему, т.е. все ее элементы связаны между собой, и человек является неотъемлемой частью этой системы. При изучении конкретного объекта исследователь выделяет его из системы. Воздействие остальной части системы на объект относят к внешним факторам, которые фиксированы, а часто считаются несущественными. Далее пренебрегают воздействием на объект наблюдателя, т.е. объект рассматривается как объективная реальность, существующая независимо от наблюдателя. При изучении микромира оказалось, что это не так. Свойства микрочастиц зависят от того, как ведет себя наблюдатель (корпускулярно – волновой дуализм). В системе «электрон – дифракционная решетка» – волновая природа электрона. В системе «электрон – камера Вильсона» – корпускулярная. Системы представляют собой сочетание микро- и макро- объектов, т.е. для их описания требуется два языка. Принцип дополнительности: нельзя сложное явление описать с помощью одного языка.

Изучение системы Вселенной происходит изнутри ее и наблюдениям доступно лишь то, что доступно. Поэтому нельзя отделить наблюдателя от объекта наблюдения. Постороннего наблюдателя просто не существует. Нет ни Абсолютного Наблюдателя, ни Абсолютной истины.

Акад. Вернадский ввел в науку понятие « эмпирическое обобщение». Это субъективная интерпретация познаваемого, т.е. доступного наблюдению. Совокупность разумов наблюдателей – коллективный интеллект – приводит к совокупному многомерному представлению картины окружающего нас Мира.

Рассмотрим эмпирические обобщения, связанные с эволюцией живого и неживого миров, которые можно назвать универсальным эволюционизмом.

Они влияют на развитие процессов и придают им некоторую неопределенность. Вероятностный характер имеет второе начало термодинамики. Законы микромира описываются на языке теории вероятностей. Необходимость использования вероятностных соображений для описания многих законов физики является эмпирическим обобщением. Стохастичность пронизывает все этажи организации материи. Например, мутагенез – это макроскопическое проявление стохастических законов микромира. Нельзя игнорировать вероятностный характер многих процессов, протекающих в окружающем мире, и присутствие в них многих неопределенных факторов.

Эволюционные процессы, происходящие во Вселенной, направлены в сторону усложнения организации Природы и роста многообразия форм (морфогенеза). Для описания процесса эволюции удобно использовать язык дарвиновской триады: изменчивость, наследственность и отбор. Новые качественные особенности системы появляются благодаря изменчивости. Изменчивость вызывается стохастичностью, случайными изменениями в системе, возникновением флуктуаций.

В развивающейся системе всегда существует зависимость от прошлого, т.е. от него зависят как настоящее, так и будущее. Эту зависимость можно назвать наследственностью системы, а она связана с памятью. Память, как правило, ограничена, но существуют примеры крайних состояний: с нулевой и бесконечной памятью. В детерминированных системах память бесконечна: здесь настоящее определяет будущее, а прошлое – настоящее. Движение планет – система с бесконечной памятью. Система с ограниченной памятью – погода. Погода помнит предшествующее состояние две-три недели. Могут существовать системы без памяти: например, развитая турбулентность: по заданному распределению вихрей в турбулентном потоке нельзя нарисовать картину прошлого состояния.

Далее в мире работают принципы отбора, позволяющие выбрать из возможных виртуальных состояний некоторое множество допустимых. К числу правил отбора относятся законы сохранения, закон роста энтропии в изолированной системе и др. Иными словами, законы отбора – законы физики, химии, биологии, общественного развития, которые из виртуальных движений отбирают те, которые мы наблюдаем. Синергетика фокусирует свое внимание на неравновесности, нестабильности, как естественности состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и неоднозначности путей их эволюции.

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: морфогенеза в биологии, некоторых аспектов функционирования мозга, флаттера крыла самолета, автоколебательных процессов в химии, эволюции звезд и космологических процессов, формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики – существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.

Синергетика – синтетическое направление, она использует методы математики, естественных наук, возможности современных компьютеров. Существует несколько определений синергетики.

Синергетика – это теория, исследующая процессы самоорганизации, устойчивости, распада и возрождения самых разнообразных структур живой и неживой природы.

Синергетика – наука о самоорганизации физических, биологических и социальных систем.

Синергетика – наука об универсальных законах эволюции в природе и обществе.

Долгое время в науке преобладала точка зрения о том, что процессы самоорганизации присущи только живым системам. Неживые системы, согласно второму закону термодинамики, могли эволюционировать лишь в сторону хаоса, беспорядка. Другими словами, системы неживой природы способны лишь к дезорганизации, разрушению, вырождению. Но тогда трудно понять, откуда появились живые системы, способные к самоорганизации, и почему физические законы не применяются к живым телам, состоящим из атомов и молекул.

Со временем эта точка зрения была опровергнута. Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка Бенара. В 1990 г. он наблюдал следующее явление. Слой ртути, налитый в плоский широкий сосуд (сковородка на плите) при нагревании до некоторого критического значения температуры, распадался на одинаковые шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой. Начиная с критического значения разницы температур возникли устойчивые структуры, названные ячейками Бенара.

Другие примеры самоорганизующихся систем:

переход к турбулентному режиму при течении газа или жидкости, химические реакции Белоусова-Жаботинского.

Исходными понятиями в синергетике являются понятия точек бифуркаций и аттракторов (Рис.7.2).

Под точкой бифуркаций понимается состояние системы, после которого возможно некоторое множество вариантов ее дальнейшего развития. Примеры: рыцарь на распутье, состояние выбора абитуриентом варианта поступления в вузы.

В общем виде точку бифуркаций можно представить на графике. До момента времени, соответствующего состоянию В, система развивается по траектории АВ, это развитие предсказуемо с точностью до флуктуаций.

Рис.7.2. Точка бифуркаций и аттрактор

После момента времени, соответствующего точке бифуркации В, система имеет возможность развиваться по траекториям ВС1, ВС2, ВС3 …. В точке В внешние воздействия достигают критического значения или происходит кумуляция внутренних воздействий, при которых параметры системы начинают быстро изменяться; ранее стабильное состояние теряет устойчивость и возникает возможность разных путей развития. Точка В носит названия точки бифуркации. Бифуркация – поле ветвящихся виртуальных путей эволюции. После точки бифуркации система имеет возможность развиваться по траекториям ВС1, ВС2, ВС3 и т.д.

Бифуркационный механизм играет важнейшую роль в общей эволюционной схеме; он является источником морфогенеза различных форм материи. Та траектория или то множество траекторий, по которым возможно развитие системы после точки бифуркаций и которые отличаются от других относительной устойчивостью, т.е. являются наиболее реальными, называются аттракторами.

Аттрактор – это относительно устойчивое состояние, которое как бы притягивает к себе все множество траекторий развития, возможных после точки бифуркаций.

Примером аттрактора может служить группа экономических вузов и специальностей для абитуриента, имеющего склонность к экономике.

В синергетике изучаются свойства точек бифуркаций и аттракторов и устанавливаются закономерности развития самоорганизующихся систем, их переходы от хаоса к порядку и от порядка к хаосу.

Из-за вероятностного характера бифуркационных процессов эволюция не может иметь обратного хода, а это приводит к необратимости эволюции, что эквивалентно необратимости времени. Стохастика и бифуркации приводят в процессе эволюции к непрерывному росту форм мира, к морфогенезу.

Самоорганизующиеся системы отличает ряд признаков:

1) самоорганизующаяся система является сложной, состоит из большего числа элементов;

2) она является открытой, неравновесной и нелинейной;

3) При увеличении неравновесности системы выше определенного предела она переходит в неустойчивое состояние;

4) выход из неустойчивости происходит скачком за счет быстрой перестройки элементов системы;

5) при этом наблюдается согласованное поведение элементов системы, которое проявляется в переходе системы в качественно новое состояние с упорядоченной структурой;

6) выбор одного из возможных состояний случаен.