Синергетика как научное направление

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем), и для их описания должен бы быть пригоден общий математический аппарат.

С мировоззренческой точки зрения, синергетику иногда позиционируют как "глобальный эволюционизм" или "универсальную теорию эволюции", дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций подобно тому, как некогда кибернетика определялась, как "универсальная теория управления", одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе.

Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды. Аналогично - и расширительное толкование применимости методов синергетики также подвергается критике.

Основное понятие синергетики - определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Основные идеи:

- Процессы эволюции и деградации, разрушения и созидания равноправны.

- Хаос не только разрушителен, но и созидателен.

- Развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

- Процессы созидания (упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы, специфики и характера систем, в которых они осуществляются.

- Эволюция большинства сложных систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развитая.

- Возникновение структур нарастающей сложности не случайность, а закономерность.

- Случайность встроена в механизм эволюции.

Синергетика как составляющая научной картины мира, сформулировала основную тенденцию развития в Природе:

- создание более сложных систем из более простых;

- определила основные принципы эволюции материальных систем.

- подтвердила положение теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии;

- объясняет образование макросистем (вещества). Синергетика отражает процесс творчества Природы: создание новых структур в природных системах; образование новых систем и т.п.

Идеи синергетики носят междисциплинарный характер. Они являются основой совершающегося в естествознании глобального эволюционного синтеза.

Неравновесное состояние

1. Система меняет свою структуру, реагируя на внешние условия. Приток энергии создает в системе упорядоченность; энтропия уменьшается

2. Неравновесность - причина порядка системы; ее элементы ведут себя коррелированно.

3. Множество дискретных устойчивых состояний системы.

4. Чувствительность к флуктуациям.

5. Наличие бифуркации (критическое состояние переломная точка в развитии системы).

6. Неопределенность поведения системы

Равновесное состояние

1. Система меняет свою структуру только при наличии сильных возмущений.

2. Элементы системы пребывают в хаотическом движении. Энтропия возрастает.

3. Одно устойчивое дискретное состояние систем

4. Нечувствительность к флуктуациям.

5. Поведение системы характеризуется, линейны зависимостями

Неравновесная термодинамика:

- Термодинамика XX в. изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Основной задачей является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка. Классическая (равновесная) термодинамика XDC в. изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были процессы преобразования энергии, протекающие в замкнутых системах, стремящихся к состоянию равновесия. В подобных системах для самоорганизации нет места.

- Система в неравновесной термодинамике должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне, а также создавать и поддерживать упорядоченность из хаоса. Такие системы названы диссипативными.

- Условия формирования новых структур: открытость системы; ее нахождение вдали от точки равновесия; наличие флуктуации.

- Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем, т.е. последние непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуация достигает такой силы, что организация системы разрушается.

- Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы на новый и более высокий уровень упорядоченности, который получил название диссипативной структуры. Это и есть акт самоорганизации системы.

- Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Поскольку флуктуации случайны, то и выбор конечного состояния системы является случайным. Процесс перехода одноразовый и необратимый.

- Самоорганизация проявляется в форме общей флуктуации, не имеющей ничего общего со статистическими законами физики. В процессе перехода все элементы системы ведут себя коррелированно, хотя до этого они находились в состоянии хаоса.

- Диссипативные структуры существуют потому, что система диссипирует (рассеивает) энергию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии.

Природа есть иерархия открытых систем. Развитие систем протекает по единому алгоритму. В основе последнего - самоорганизация, протекающая в критических точках системы.

Идея самоорганизации:

В XX в. наука исходит из того, что все системы любого порядка являются открытыми. Такая система * способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, информацией и находиться, как правило, - в состоянии далеком от термодинамического равновесия. Развитие открытой системы зачастую происходит - путем образования прогрессирующей упорядоченности. Такие представления легли в основу понимания самоорганизации материальных систем.

Понятие самоорганизации:

В понятии самоорганизации отражается общая тенденция развития Природы: от менее к более сложным и упорядоченным формам организации материи.

В более узком понимании самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Причем, самоорганизующиеся системы должны отвечать следующим требованиям:

во-первых, быть неравновесными, или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия;

во-вторых, быть открытыми, т.е. обладать, способностью обмениваться веществом или энергией с внешней средой

Некоторые условия самоорганизации:

Система должна быть открытой и иметь приток энергии и вещества извне

Наличие флуктуации. Процесс возникновения и усиления порядка через флуктуации характеризуют как принцип самоорганизации

Процесс самоорганизации системы возможен только при определенном, достаточном количестве взаимодействующих элементов

Открытая система должна находиться вдали от точки термодинамического равновесия

Самоорганизация основывается на положительной обратной связи, в отличие от динамического равновесия систем, которое опирается на отрицательную обратную связь

Процесс самоорганизации предполагает нарушение симметрии

Эволюционно-синергетическая концепция

Картина мира, рисуемая классическим разумом, - это мир, жестко связанный причинно-следственными связями. Причем причинные цепи имеют линейный характер, а следствие если не тождественно причине, то, по крайней мере, пропорционально ей. По причинным цепям ход развития, может быть, просчитан неограниченно в прошлое и будущее. Развитие ретросказуемо и предсказуемо. Настоящее определяется прошлым, а будущее - настоящим и прошлым.

Классический, традиционный подход к управлению сложными системами основывался на представлении, согласно которому результат внешнего управляющего воздействия есть однозначное и линейное, предсказуемое следствие приложенных усилий, что соответствует схеме: управляющее воздействие - желаемый результат. Чем больше вкладываешь энергии, тем больше будто бы и отдача. Однако на практике многие усилия оказываются тщетными, "уходят в песок" или даже приносят вред, если они противостоят собственным тенденциям саморазвития сложноорганизованных систем.

Из эволюционно-синергетической концепции мир предстает перед человечеством иной гранью.

Во-первых, становится очевидным, что сложноорганизованным системам нельзя навязывать пути их развития, необходимо понять, как способствовать их собственным тенденциям развития, как выводить системы на эти пути. В наиболее общем плане важно понять законы совместной жизни природы и человечества, их коэволюции. Управляемое развитие принимает форму самоуправляемого развития.

В-третьих, синергетика свидетельствует о том, что для сложных систем, как правило, существует несколько альтернативных путей развития. Настоящее состояние системы определяется не только ее прошлым, ее историей, но и строится, формируется из будущего, в соответствии с грядущим порядком.

В-четвертых, синергетика открывает новые принципы суперпозиции, сборки сложного эволюционного целого из частей, построения сложных развивающихся структур из простых. Целое уже не равно сумме частей. Вообще говоря, оно не больше и не меньше суммы частей, оно качественно иное. Появляется и новый принцип согласования частей в целое: установление общего темпа развития входящих в целое частей (сосуществование структур разного возраста в одном темпомире).

В-пятых, синергетика дает знания о том, как надлежащим образом оперировать со сложными системами и как эффективно управлять ими. Оказывается, главное - не сила, а правильная топологическая конфигурация, архитектура воздействия на сложную систему (среду). Малые, но правильно организованные - резонансные - воздействия на сложные системы чрезвычайно эффективны.

В-шестых, синергетика раскрывает закономерности и условия протекания быстрых, лавинообразных процессов и процессов нелинейного, самостимулирующего роста. Важно понять, как можно инициировать такого рода процессы в открытых нелинейных средах, например, в среде экономической, и какие существуют требования, позволяющие избегать вероятностного распада сложных структур вблизи моментов максимального развития.

Класс систем, способных к самоорганизации, - это открытые нелинейные системы. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, обмена веществ и энергией с окружающей средой. Источники и стоки имеют место в каждой точке таких систем. Это, как говорят, - объемные источники и стоки. Процессы обмена происходят не только через границы самоорганизующейся системы, но и в каждой точке данной системы. синергетика самоорганизация эволюция

Открытость системы - необходимое, но недостаточное условие для ее самоорганизации: т.е. всякая, самоорганизующаяся система, открыта, но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Все зависит от взаимной игры, соревнования двух противоположных начал: создающего структуры, наращивающего неоднородности в сплошной среде (работы объемного источника), и рассеивающего, размывающего неоднородности начала самой различной природы. Рассеивающее начало в открытой системе может пересиливать, перебарывать работу источника, размывать все неоднородности, создаваемые им. В таком режиме структуры не могут возникнуть. Но с другой стороны, и при полном отсутствии диссипации, организация спонтанно возникнуть не может. Необходимо понять роль диссипации (зла) как фактора выедания всего лишнего и поэтому как необходимого элемента для саморазвития мира. Диссипация в среде с нелинейными источниками играет роль резца, которым скульптор постепенно, но целенаправленно отсекает все лишнее от каменной глыбы.

А поскольку диссипативные процессы, рассеяние, есть, по сути дела, макроскопическое проявление хаоса, постольку хаос на микроуровне - это не фактор разрушения, а сила, выводящая на аттрактор, на тенденцию самоструктурирования нелинейной среды.

Эффект создания структур в открытой нелинейной среде связывают с эффектом локализации. Сугубо внутренний и спонтанный эффект локализации порождается, таким образом, именно неравновесностью и открытостью системы. Причем роль источников и стоков неравноценна. За счет стоков могут образовываться стационарные структуры. В большинстве моделей изучаются именно такие "застывшие" на стоках структуры. В нашем случае внимание направлено на иного рода эффект локализации - на создание нестационарных (эволюционирующих) структур за счет нелинейных источников энергии. Нелинейность - фундаментальный концептуальный узел новой парадигмы. Можно даже сказать, что новая парадигма есть парадигма нелинейности. Поэтому важно развернуть, в том числе и наиболее общий, мировоззренческий смысл этого понятия.

Нелинейность в математическом смысле означает определенный вид математических уравнений, содержащих искомые величины в степенях больше первой. Множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции системы, описываемой этими уравнениями (нелинейной системы наоборот, все многократно возрастает; нелинейность порождает своего рода квантовый эффект - дискретность путей эволюции нелинейных систем (сред), то есть в данной нелинейной среде возможен отнюдь не любой путь эволюции, а лишь определенный спектр этих путей; нелинейность означает возможность неожиданных, называемых в философии эмердгентными, изменений направления течений процессов. Нелинейность процессов делает принципиально ненадежными и недостаточными распространенные до сих пор прогнозы экстраполяции от наличного. Ибо развитие совершается через случайность выбора пути в момент бифуркации, а сама случайность (такова уж она по природе) обычно не повторяется вновь.

Как показывают исследования, картина процесса на первоначальной или промежуточной стадии может быть полностью противоположной его картине на развитой, асимптотической стадии.

Скажем, то, что сначала растекалось и гасло, может со временем разгораться и локализоваться у центра. Причем такие бифуркации по времени могут определяться всецело ходом процесса самоструктуризации данной среды, а не изменением ее параметров. Наконец, могут происходить изменения (вынужденные или спонтанные) самой открытой нелинейной среды. А если среда становится другой, то это приводит к качественному изменению картины процессов ее эволюции. На более глубоком уровне происходит переделка поля возможных путей эволюции среды.

Режимы с обострением

За нелинейностью стоит, кроме того, представление о возможности - на определенных стадиях - сверхбыстрого развития процессов. В основе такого развития лежит положительная нелинейная обратная связь. Известно, например, к чему приводит отрицательная обратная связь. Она дает стабилизирующий эффект, заставляет систему вернуться к состоянию равновесия. А что дает положительная обратная связь? На первый взгляд кажется, что она приводит к разрушению, к раскачке, к уходу системы от равновесия, к неустойчивости, а неустойчивость не представляет интереса. Без неустойчивости нет развития. Положительная нелинейная обратная связь - важнейший элемент в моделях автокаталитических процессов самой различной природы. А что представляет собой автокатализ? Имеется положительная нелинейная обратная связь в каждой точке среды, иначе говоря, объемная положительная нелинейная обратная связь.

Автокаталитические процессы широко используются, в том числе и в биологических, экономических, социальных системах. Один из классических и наглядных примеров из области экономики - это быстрый рост капитала, как говорят "деньги к деньгам", или "капитал на капитал". Если свободные денежные средства пускают в оборот, вкладываются в какое-либо дело, то это может приводить к многократному увеличению капитала. Объемная нелинейная положительная обратная связь, таким образом, означает ускоренный самоподстегивающийся рост по всему пространству среды. Она не только вредна, но может служить источником быстрого развития.

Процессы в режимах с обострением развиваются неравномерно. Положительная нелинейная обратная связь составляет внутренний механизм режимов с обострением. Для определенного класса задач с сильными нелинейностями и размывающими факторами различной природы в фазовом пространстве систем существуют две области:

- область, где малое возмущение резко возрастает благодаря положительной обратной связи,

- область, где малое возмущение затухает, сглаживается, нивелируется, благодаря той же, но отрицательной обратной связи.

Достаточно длительное время структуры развиваются медленно. Они существуют нестабильно. Иными словами, режимы с обострением имеют длительную квазистационарную стадию. Влияние малых возмущений, вообще говоря, различно в зависимости от ряда факторов: не только от стадии развития процесса, но и от места расположения возмущения (попадает ли оно в центральную часть структуры или на ее периферию), а также от меры сложности структуры. Если, допустим, малое возмущение попадает в центр системы на квазистационарной стадии, то оно несущественно, лишь немного изменяет момент обострения. Достаточно долго это возмущение вообще не чувствуется, ибо структура на этой стадии растет медленно. Малое возмущение вообще не играет никакой роли, полностью забывается, если на квазистационарной стадии оно попало на периферию структуры.

Далее, когда структуры выросли уже настолько, что перешли порог медленного роста, они начинают развиваться сверхбыстро в режиме обострения. На стадии вблизи момента обострения (на стадии неограниченного возрастания характерных величин) сложные локализованные структуры становятся неустойчивыми и распадаются из-за влияния малых флуктуации.

Малое возмущение, попавшее в один из максимумов сложной структуры, которая приближается к моменту обострения, ускоряет его распад. А если оно попало на периферию сложной структуры, то она из-за быстрого сокращения размеров, сбегания интенсивной области процесса к центру может вообще не успеть "почувствовать" этого возмущения.

Режимы сверхбыстрого нарастания процессов в открытых нелинейных средах это такие режимы, при которых характерные величины (например, температура, энергия, или же денежный капитал) неограниченно возрастают за конечное время. Вводится характерный параметр - время обострения, конечный (ограниченный) промежуток времени, в течение которого процесс сверхбыстро (асимптотически) развивается вплоть до достижения бесконечных значений. Механизм, лежащий в основе режимов с обострением, - это как раз широкий класс положительных нелинейных обратных связей.

За последнее время изучение режимов с обострением вышло далеко за пределы физики первоначальной области применения этой модели. Фактически создана математическая теория режимов с обострением, открывающая своеобразный и парадоксальный мир сверхбыстрых процессов.

Развитие через неустойчивость

Если же природа содержит нестабильность, как существенный элемент, то мы должны уважать ее, ибо мы не можем предсказать, что может произойти, понятие нестабильности (или неустойчивости) освобождается теперь от негативного оттенка. Неустойчивость далеко не всегда есть зло, подлежащее устранению, или же досадная неприятность. Только системы, далекие от равновесия в состояниях неустойчивости, способны спонтанно организовать себя и развиваться. Устойчивость и равновесность - это, так сказать, тупики эволюции. Для устойчивых стационарных структур малое возмущение "сваливается" на то же самое решение, на ту же самую структуру. Стало быть, без неустойчивости нет развития. Или, иначе неустойчивость означает развитие, развитие происходит через неустойчивость, через бифуркации, через случайность.

Системы, описываемые странными аттракторами, т.е. хаотизированные, неустойчивые системы, нельзя считать абсолютно неустойчивыми. Ведь для таких систем, возможно, не любое состояние, а лишь состояние, попадающее в ограниченную, детерминированную область фазового пространства. Неустойчивость означает случайные движения внутри вполне определенной области параметров. Стало быть, здесь имеет место не отсутствие детерминизма, а иная, более сложная, даже парадоксальная закономерность, иной тип детерминизма. Область фазового пространства странного аттрактора может быть ограничена. Поэтому может возникнуть впечатление о сплошной неустойчивости мира. В действительности же изучение странных аттракторов (в частности, построение их фазовых портретов) есть, по сути, говоря, открытие законов и границ неустойчивости.

В мировоззренческом плане идея нелинейности может быть интерпретирована посредством идей: многовариантности, альтернативности, путей эволюции; идеи выбора из данных альтернатив; темпа эволюции (скорости развития процессов в среде); необратимости эволюции.

Особенности феномена нелинейности состоят в следующем: благодаря нелинейности имеет силу важный принцип "разрастания малого", или "усиление флуктуации" (при определенных условиях нелинейность может усиливать флуктуации, значит делать малое отличие большим, макроскопическим по последствиям); определенные классы нелинейных систем демонстрируют свойство пороговой чувствительности ниже порога все уменьшается, стирается, забывается, не оставляет никаких следов в природе, науке, культуре, а выше порога, наоборот, все многократно возрастает.

Блуждание по полю путей развития

Поле путей развития иллюстрирует особого рода детерминизм. Нелинейная система не жестко следует "предписанным" ей путям, а совершает блуждание по полю возможного, актуализирует, выводит на поверхность (всякий раз случайно) лишь один из этих путей. То есть в реальной картине бытия присутствует и момент противоположный детерминизму - случайность, неустойчивость. Неустойчивость не заменяет и не отменяет детерминизм, а дополняет, и быть может, видоизменяет его.

Мы же говорим о неустойчивости иного рода. Пожалуй, мир неустойчив скорее не потому, что в момент бифуркации открываются разные пути развития. Вблизи бифуркаций случайность, действительно, играет решающую роль, но это - только одна сторона неустойчивости (чувствительности процессов к малым флуктуациям). Под неустойчивостью мы понимаем главным образом режимы сверхбыстрого нарастания, развития процессов с нелинейной положительной обратной связью. Неустойчивость - это вероятностный характер распада сложноорганизованных структур вблизи момента обострения.

В процессе самоорганизации открытых нелинейных систем обнаруживается двойственная природа хаоса. Он выступает как двуликий Янус. Хаос разрушителен (сложные системы в развитых состояниях могут быть чувствительными к малым хаотическим флуктуациям на микроуровне). И в то же время хаос конструктивен, созидателен (сам хаос может быть защитой от хаоса: механизмом вывода на структуры-аттракторы эволюции, механизмом согласования темпов эволюции при объединении простых структур в сложные, а также механизмом переключения, смены различных режимов развития системы).

Хаос конструктивен через свою разрушительность и благодаря ей, разрушителен на базе конструктивности и через нее. Разрушая, он строит, а строя, приводит к разрушению.

Синергетика устанавливает мостики между мертвой и живой природой, между целеподобностью поведения природных систем и разумностью человека. В мертвом ведется поиск живого, вернее, аналогов живого, элементов самодостраивания, чего-то подобного интуиции и т.д. А в живом - поиск мертвого, того, что едино с мертвым, в законах эволюции Вселенной.

Механизмы самоорганизации многозначны, абвивалентны по своему смыслу. С одной стороны, многие свойства направленности эволюции самоорганизующихся систем, которые вчера истолковывались как цели, как нечто идеальное, предшествующее реальным процессам, казалось привнесением разума, человеческих устремлений в природу, сегодня могут быть представлены как реальные нелинейные свойства систем. Сегодня появляются материалистические объяснения совершенно парадоксальных явлений, таких, как будущее организует настоящее или, что будущее наличествует в определенных участках структур сегодня. По своему смыслу параметр порядка есть функция корреляции, которая определяет степень дальнего порядка в системе. Возникает понимание механизмов реализации этих "целей" и рациональное толкование соответствующих образов, содержащихся в некоторых идеалистических философских системах.

Сверхразум представляется как некая стадия развития процессов в мире. Это - будущее для нашего темпомира, но, вполне вероятно, существующее уже сегодня в другом, продвинутом к моменту обострения темпомире, с которым мы не умеем устанавливать связь.

Размещено на Allbest.ru