Основные положения синергетики

Синергетика как наука о самоорганизации простых систем. Сложные системы в химии. Неравновесные системы. От термодинамики закрытых систем к синергетике. Законы эволюции и самоорганизация сложных систем. Концепция неравновесной термодинамики И. Пригожина.

Рубрика Биология и естествознание
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 27.08.2012
Размер файла 23,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Синергетика как наука о самоорганизации простых систем

В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние -- это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития.

Понятия “простой” и “сложный” всегда относительны, их смысл выявляется только при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, протон сложен относительно кварков, но прост относительно атома водорода; атом сложен относительно протона и электрона, но прост относительно молекулы и т.д. При этом мы видим, что сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Таким образом, «природу можно представить как цепочку нарастающих по сложности элементов».

Процессы объединения “простых” элементов с образованием “сложных” систем протекают лишь при выполнении определенных условий. Например, если температура (энергия) окружающей среды превышает энергию связи двух частиц, то они не смогут удерживаться вместе. При снижении температуры до значений, при которых энергия среды и энергия связи частиц окажутся равными, наступает критический момент, и дальнейшее снижение температуры делает возможным процесс фиксирования частиц (например, протона и электрона) в атоме водорода. Намного сложнее обстоит дело при соединении атомов в молекулы. Здесь также существуют пороговые значения параметров (температуры, плотности), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен. Затем идут новые уровни сложности и упорядоченности вещества. Наиболее высокий уровень упорядоченности, известный науке, демонстрирует феномен жизни и порождаемый им разум. Долгое время считалось, что феномен жизни противоречит господствовавшим физическим представлениям о стремлении материи к хаосу. Жизнь представлялась упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не талька на тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Эта проблема впервые была четко сформулирована в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера “Что такое жизнь?”. Анализ, проделанный им, показывал, что феномен жизни разрушает постулат о единственной тенденции развития вещества -- от случайно возникшей упорядоченности к неупорядоченности, рожденный классической термодинамикой. Живые системы оказались способны поддерживать упорядоченность вопреки “естественной” тенденции.

После выхода книги Шредингера создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция -- неизбежно разрушать любую упорядоченность, возникшую в результате случайных отклонений от равновесия. И лишь сравнительно недавно стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Нужны лишь подходящие условия для ее проявления.

Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и пространстве.

Разработка теории самоорганизации началась буквально в последние десятилетия, причем по нескольким, сходящимся направлениям. Это синергетика (Г. Хакен), термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожий), теория катастроф (Р. Том).

Синергетика (это понятие означает кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы) по определению ее создателя Г. Хакена занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем саман различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди… Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

В синергетике возникновение упорядоченных сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно эти системы состоят из большого числа подсистем. При изменении определенных условий, которые называются управляющими параметрами, в системе образуются качественно новые структуры. Эти системы обладают способностью переходить из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний.

Этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии или вещества уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т.д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Концепция неравновесной термодинамики И. Пригожина имеет несколько иной аспект. Ее основоположник И. Пригожин отметил, что в теоретической химии и физике возникло новое направление, находящееся в самом начале своего развития, в нем важнейшую роль будут играть термодинамические концепции. Задачей новой науки является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка. В 1977 г. за работу по неравновесной термодинамике химических процессов Пригожин удостоен Нобелевской премии. Эти работы, поначалу показавшиеся только специальными, в дальнейшем получили весьма широкую интерпретацию общенаучного и философского характера. В 1985 г. на русском языке издана книга “От существующего к возникающему”, в 1986 г. вышла в свет написанная им совместно с его сотрудницей И. Стенгерс книга “Порядок из хаоса”. В 1989 г. журнал “Вопросы философии” опубликовал статью И. Пригожина “Переоткрытие времени”, а в 1991-м -- статью “Философия нестабильности”.

У Пригожина, как отмечают его критики и последователи, парадигма (основополагающая идея) классической науки сменяется принципиально новой парадигмой самоорганизации. Это означает, в частности, что направление времени, а также направление эволюции любой системы не предзадано извне. Оно творится постоянно на уровне элементарных физико-химических Процессов. Саморазвитие, согласно Пригожину, -- это постоянно осуществляемый “выбор на молекулярном уровне”, где господствует случайность, неустойчивость. Таким образом, преодолевается противоречие между концепциями классической физики с ее признанием принципиальной обратимости процессов и фактом геологической, биологической и социально-исторической необратимой эволюции.

И.Р. Пригожин пишет, что в настоящее время мы переживаем глубокие изменения в научной концепции природы и в структуре человеческого общества. Эти изменения породили потребность в новых отношениях между человеком и природой так же, как и между человеком и человеком. Старое априорное различие между научными и этическими ценностями более неприемлемо. Человеческое общество это очень сложная система, способная претерпевать множество бифуркаций, т.е. взрывных изменений, дающих новые, непредсказуемые направления эволюции, что подтверждается множеством культур, сложившихся на протяжении сравнительно короткого периода в истории человечества. Мы знаем, пишет Пригожий, что столь сложные системы обладают высокой чувствительностью по отношению к флуктуациям, т.е. отклонениям от средних, равновесных состояний (экологические и цивилизационные кризисы). Это вселяет в нас одновременно и надежду и тревогу: надежду на то, что даже малые флуктуации могут усиливаться и изменять всю их структуру (это означает, в частности, что индивидуальная активность вовсе не обречена на бессмысленность); тревогу потому, что наш мир, по-видимому, навсегда лишился гарантий стабильных, непреходящих законов.

С легкой руки Ильи Пригожина был отвергнут однолинейный плоский детерминизм лапласовского типа, было дано новое понимание взаимодействия “порядка” к “хаоса”, показано, что нет мира однозначного причинения, а есть многозначная ветвящаяся древовидная крона возможных ходов движения космоса, биосферы и истории.

Известно, что фундаментальным понятием синергетического мировидения является “нелинейность”. Смысл этого пришедшего из математики понятия состоит в отрицании однозначных решений и признаний вероятностного развития тех или иных систем, в том числе социальных, осуществления разных, даже противоположных версий грядущего. Развитие через неустойчивость, “вспышки” в критических точках (точках бифуркации), обострение ситуации все это вошло в арсенал постнеклассической парадигмы науки.

2. Сложные системы в химии. Неравновесные системы

Выдающимся достижением химии явилось то, что она открыла так называемые цепные реакции еще до того, как в физике был обнаружен радиоактивный распад.

Суть цепной реакции Н.И. Семенов описывает так: «Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора распалась на отдельные атомы. Каждый из них активнее первоначальной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водорода. Она также двухатомна. Один из ее атомов вместе с атомом хлора дает молекулу продукта хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободен. Теперь он легко вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора… Это повторяется много-много раз, возникает как бы длинная цепь реакций».

Советскому ученому И.Н. Семенову предстояло открыть разветвленные цепные реакции: «Иногда возбужденная молекула пятиокиси фосфора может столкнуться с неактивной молекулой кислорода, еще не успев испустить свет. Тогда эта избыточная энергия вызывает расщепление кислородной молекулы на активные атомы, каждый из которых, в свою очередь, начинает боденштейновскую прямую цепь реакции окисления фосфорных паров».

Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению исследований химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.

Отличия неравновесной структуры от равновесной заключается в следующем:

1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т.п.).

2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории.

3. Приток энергии создает в системе порядок, и стало быть энтропия ее уменьшается.

4. Наличие бифуркации переломной точки в развитии системы.

5. Когерентность: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10-8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

Различают также области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система.

Будучи предоставлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне, система стремится к состоянию равновесия наиболее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной нулю. Пример равновесной структуры кристалл.

К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т.е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых.

Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.

Эволюция должна удовлетворять трем требованиям: 1) необратимость, выражающаяся в нарушении симметрии между прошлым и будущим; 2) необходимость введения понятия «событие»; 3) некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.

Условия формирования новых структур: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуаций.

Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуаций, зависит порог устойчивости системы.

Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система выбирает путь.

По мнению Пригожина и Стенгерс, большинство систем открыты они обмениваются энергией или веществом или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т.е. все системы непрестанно флуктуируют. В особой точки бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который они назвали диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.

С одними и теми же граничными условиями оказываются совместимыми множество различных диссипативных структур. Это следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последствиям. Следовательно, граничные условия необходимы, во не достаточны для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие к «выбору» одной из возможных структур. Именно поэтому (а также в силу некоторых других причин) мы и приписываем таким системам определенную «автономию», или «самоорганизацию».

Все эти исследования проводятся в рамках синергетики.

3. От термодинамики закрытых систем к синергетике

Термодинамика XX века изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление и получило название синергетики (от «синергия» сотрудничество, совместное действие).

Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации.

Итак, в последнее десятилетие возникла новая область исследований синергетика. В рамках синергетики изучаются явления образования упорядоченных пространственно-временных структур или пространственно-временной самоорганизации, протекающие в системах различной природы: физических, химических, биологических, экологических, социальных.

В целом сегодня картина мира выглядит так. Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы.

Самая крупная из известных человеку систем -- это развивающаяся Вселенная. Социальная картина мира должна включать в себя также и познающего субъекта на коллективном и индивидуальном уровне. Средством такого включения и должна явиться синергетика.

термодинамика синергетика химия эволюция

Список использованной литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: курс лекций. М., 1997.

2. Горьковатый Н.Н., Фридман А.М. Самоорганизация в кольцах планет Природа. - 1991. № 1.

3. Климонтович Н.Ю. Без формул о синергетике. Минск, 1986.

4. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.

5. Пригожин И. Краткий миг торжества. М., 1989.

6. Пригожин И. Феномен нестабильности // Вопросы философии. 1991. № 6.

7. Хакен Г. Синергетика. М., 1980.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Принципы осмысления действительности. Принципы нелинейной термодинамики неравновесных процессов в синергетике. Синергетика как научная теория о самоорганизации в природе и обществе как открытых системах. Катастрофы и бифуркации синергетической системы.

    реферат [32,4 K], добавлен 24.06.2010

  • Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований и новое миропонимание. Основные этапы развития синергетики: термины, понятия и категориальный аппарат, уровни самоорганизации материи, концепция развития. Диалектика эволюции живой природы.

    курсовая работа [42,6 K], добавлен 09.06.2010

  • Характеристики самоорганизующихся систем. Открытость. Нелинейность. Диссипативность. Системная модель мира. Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия. Основы теории самоорганизации систем. Синергетическая картина мира.

    реферат [53,9 K], добавлен 18.11.2007

  • Исследование теории самоорганизации. Основной критерий рaзвития сaмооргaнизующихся систем. Неравновесные процессы и открытые системы. Самоорганизация диссипативных структур. Химическая реакция Белоусова-Жаботинского. Самоорганизация в физических явлениях.

    реферат [636,7 K], добавлен 30.09.2010

  • Самоорганизующиеся системы как предмет изучения синергетики. Подходы к изучению синергетики, ее диалогичность. Модели самоорганизации в науках о человеке и обществе. Сверхбыстрое развитие процессов в сложных системах. Коэволюция, роль хаоса в эволюции.

    курсовая работа [47,0 K], добавлен 30.01.2010

  • Исторические этапы и структура процессов эволюции. Суть теории бифуркации в синергетике. Кризис современной цивилизации и пути выхода. Синергетика как составляющая научной картины мира. Идея самоорганизации системы. Эволюционно-синергетическая концепция.

    презентация [23,6 M], добавлен 22.11.2011

  • Существо и понятие синергетики как нового направления современной научной мысли. Основные проблемы синергетики и отношение к ней других наук. Самоорганизация в синергетике, синергетический процесс с социальной точки зрения, его методологические проблемы.

    реферат [33,6 K], добавлен 10.03.2011

  • Кибернетика и ее принципы. Самоорганизующиеся системы. Связь кибернетики с процессом самоорганизации. Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований. Отличие синергетики от кибернетики. Структурные компоненты процесса самоорганизации.

    реферат [58,1 K], добавлен 09.09.2008

  • Синергетика – наука о процессах развития и самоорганизации сложных систем произвольной природы. Характеристика структурных принципов бытия и становления (гомеостатичности, иерархичности, незамкнутости, неустойчивости, эмерджентности, наблюдаемости).

    реферат [18,8 K], добавлен 14.03.2011

  • Основные свойства эволюционных процессов и их отличие от динамических и статистических процессов и явлений в природе. Современные подходы к анализу сложных самоорганизующихся систем. Особенности синергетики. Экономика с точки зрения синергетики.

    курсовая работа [23,1 K], добавлен 01.10.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.