Синергетика как универсальная научная парадигма

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

Страницы: 1, 2