Законы самоорганизации сложных систем

Содержание

Введение

1. Законы самоорганизации сложных систем

2. Самоорганизация как механизм творческого мышления

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Самоорганизация - это спонтанное возникновение упорядоченного состояния или поведения в сложных открытых системах. К теориям самоорганизации относятся синергетика, теория изменений и теория катастроф. Синергетика представляет собой эвристический метод исследования открытых самоорганизующихся систем, подверженных кооперативному эффекту, который сопровождается образованием пространственных, временных или функциональных структур; или, кратко, процессов самоорганизации систем различной природы.

Синергетика, изучая законы самоорганизации, самодезорганизации и самоуправления сложных систем, дает то универсальное знание законов самоорганизации и развития систем, в котором давно назрела насущная потребность. Роль синергетики как новой научной картины мира и методологии исследования процессов движения систем тем более велика, если учитывать ее синтетический, по существу, характер. Появление концепций самоорганизации (синергетики, в частности) можно рассматривать как новый важный этап эволюции науки, наступивший за суперспециализацией, несущий новые возможности диалога наук и новые подходы к их преподаванию.

Современные сложные системы разнообразной природы представляют собой комплекс различных подсистем, выполняющих определенные технологические функции и связанных между собой процессами интенсивного динамического взаимодействия и обмена энергией, веществом и информацией.

Цель данной работы: рассмотреть законы самоорганизации сложных систем. Задачи данной работы: 1) дать определение понятиям «сложная система» и «самоорганизация»; 2) рассмотреть характеристики сложных систем; 3) показать сущность законов самоорганизации.

1. Законы самоорганизации сложных систем

Современные сложные системы разнообразной природы представляют собой комплекс различных подсистем, выполняющих определенные технологические функции и связанных между собой процессами интенсивного динамического взаимодействия и обмена энергией, веществом и информацией. Указанные суперсистемы являются нелинейными, многомерными и многосвязными, в которых протекают сложные переходные процессы и могут возникать критические и хаотические режимы движения. Проблемы управления подобного рода динамическими системами являются весьма актуальными, чрезвычайно сложными и практически недоступными для существующей теории и методов управления 3, с. 18.

При синергетическом подходе к синтезу систем целью их функционирования, в отличие от классической теории автоматического регулирования и теории оптимального управления, является не только выполнение требований к характеру переходного процесса, а, в первую очередь, обеспечение желаемого асимптотического поведения системы на аттракторе или в его близкой окрестности. Это связано с тем обстоятельством, что поведение любой нелинейной диссипативной системы может быть разделено на этап переходного движения, когда ее траектории устремляются к аттрактору, и этап асимптотического движения на желаемом аттракторе - цели системы. Такой подход позволяет принципиально разрешить проблему аналитического конструирования объективных законов процессов управления нелинейными многомерными объектами. Это - законы обратных связей, синтезируемых на основе наиболее полных нелинейных моделей динамических объектов с непосредственным учетом их естественных закономерностей, физических критериев и ограничений.

Эволюция сложных систем трактуется как последовательность переходов в иерархии структур возрастающей сложности, причем отбор идет в условиях возрастающей диссипации, тогда как любое стационарное состояние удовлетворяет принципу минимума возрастания энтропии.

Принцип самоорганизации (построения сложного из простого) предполагает, что простыми и примитивными операциями, последовательно повторенными, достигается получение необычайно сложных объектов. Преодолеть сложность описания сложных систем можно с помощью некоторых объективных математических законов. Геометрическая прогрессия - один из них: из простого очень быстро получается сложное.

«Оптимум» сложности систем - изюминка метода самоорганизации и крупное достижение науки.

Сложным системам свойственно умение приспосабливаться к окружающей среде - адаптивность, способность менять свою структуру рациональным целесообразным образом, то есть самоорганизация Синергетика - область науки, которая занимается изучением эффекта самоорганизации в физических системах, а также родственных им явлений в более широком классе систем 3, с. 68.

Системы, находящиеся вдали от термодинамического равновесия, могут обмениваться с окружающей средой не только энергией, но и массой вещества. Такие системы, в отличие от замкнутых, называют открытыми. Энергия в них может рассеиваться и необратимым образом переходить в другие виды энергии, например, в энергию колебательного или теплового движения атомов. Такие системы называются диссипативными. В настоящее время известно большое число неравновесных физических процессов, в которых возникают эффекты самоорганизации, приводящие к образованию структур, упорядоченных в пространстве и во времени 3, с. 70.

Синергетика пытается найти общие методы для описания того, как возникают и развиваются упорядоченные структуры в открытых системах вдали от равновесия. Процессы самоорганизации происходят при участии большого числа взаимодействующих элементов благодаря проявлению их совместного кооперативного воздействия.

Таким образом, класс процессов и явлений, которые охватывает синергетика, достаточно широк: сюда относятся физические, химические, биологические и другие искусственные и естественные сложные системы.

Синергетика обращает внимание на то, что эффекты упорядочения, которые возникают в динамических системах, обязаны своим появлением действию различных нелинейных процессов. Подход к анализу динамики появления неравновесных структур, способных к самоорганизации, объясняемый с позиций синергетики, расширяет методы исследования динамических систем, различных по своей природе.

Развитие и совершенствование поиска закономерностей явлений самоорганизации само по себе составляет одну из целей, которые ставит перед собой синергетика. Крупнейшие ученые современности И.Пригожин, Б.Мандельброт, С.Смэйл и Хенон обнаружили, что на границе между конфликтами противоборствующих сил стоит не рождение хаотических структур, как считалось ранее, а происходит возникновение самоорганизации, порядка более высокого уровня. Структура этой самоорганизации не статична, а постоянно изменяется. Судя по всему, организация этого порядка применима ко всему - от динамических механических систем до экономического рынка. При этом фрактальные структуры, установленные учеными, выступают неким пограничным образованием, позволяющим исследовать взаимосвязь явлений хаоса и порядка в макромире 3, с. 72.

В основе теорий самоорганизации лежит принцип развития. К теориям самоорганизации относятся синергетика, теория изменений и теория катастроф. Синергетика, основные положения которой были сформулированы профессором Штутгартского университета Г. Хакеном, представляет собой эвристический метод исследования открытых самоорганизующихся систем, подверженных кооперативному эффекту, который сопровождается образованием пространственных, временных или функциональных структур; или, кратко, процессов самоорганизации систем различной природы.

Синергетика, как и другие теории самоорганизации, пытается восполнить «белые пятна», которые оставил после себя механицизм, главное среди которых - практически полное отсутствие обобщений, касающихся поведения открытых систем 3, с. 71. Синергетика, изучая законы самоорганизации, самодезорганизации и самоуправления сложных систем, дает то универсальное знание законов самоорганизации и развития систем, в котором давно назрела насущная потребность. Роль синергетики как новой научной картины мира и методологии исследования процессов движения систем тем более велика, если учитывать ее синтетический, по существу, характер. Появление концепций самоорганизации (синергетики, в частности) можно рассматривать как новый важный этап эволюции науки, наступивший за суперспециализацией, несущий новые возможности диалога наук и новые подходы к их преподаванию.

Синергетика и теория изменений, вдохновителем которой является И. Пригожин, составили фундамент концепций самоорганизации, на котором уже построены многие физические, химические, биологические теории.

Под самоорганизацией понимается процесс установления в системе порядка, происходящий исключительно за счет кооперативного действия и связей ее компонентов и в соответствии с ее предыдущей историей, приводящий к изменению ее пространственной, временной или функциональной структуры 1, с. 35. Фактически, самоорганизация представляет собой установление организованности, порядка за счет согласованного взаимодействия компонентов внутри системы при отсутствии упорядочивающих воздействий со стороны среды. Это требует уточнения понятия «организация», введенного ранее, вернее, разделения на организацию как взаимодействие частей целого, обусловленное его строением, которое может быть задано как самой системой, так и внешней средой; организацию как упорядочивающие воздействия среды; а также организацию как объект такого воздействия. В концепциях самоорганизации организация понимается в двух последних смыслах.

Что касается соотношения понятий развития и самоорганизации, то первое следует признать более широким, поскольку оно включает как организующие воздействия среды, так и самоорганизацию; как прогрессивные процессы (которые в основном исследуют концепции самоорганизации), так и регрессивные. Чтобы система была самоорганизующейся и, следовательно, имела возможность прогрессивно развиваться, она должна удовлетворять, по крайней мере, следующим требованиям: система должна быть открытой, т.е. обмениваться со средой веществом, энергией или информацией; процессы, происходящие в ней, должны быть кооперативными (корпоративными), т.е. действия ее компонентов должны быть согласованными друг с другом; система должна быть динамичной; находиться вдали от состояния равновесия. Главную роль здесь играет условие открытости и неравновесности, поскольку, если оно соблюдено, остальные требования выполняются почти автоматически.

В последнее время концепции самоорганизации стали отводить внутренним флуктуациям большую роль, чем прежде. Об этом свидетельствует типология флуктуаций, согласно которой различаются свободные колебания, вынужденные и автоколебания. К свободным относят колебательные движения, постепенно затухающие в реальной системе (как затухают колебания свободно подвешенного маятника), достигающей, таким образом, состояния равновесия. Вынужденные флуктуации возникают при воздействии на систему совершающей колебания внешней силы (к примеру, человека, подталкивающего маятник), в результате которого система раньше или позже будет флуктуировать с частотой и амплитудой, навязываемыми внешним влиянием. Автоколебания - это незатухающие, самоподдерживающиеся колебания, происходящие в диссипативных (макроскопических открытых, далеких от равновесия) системах, т.е. системах, определяющихся параметрами, свойствами и природой самой системы 3, с. 124.

Концепциям самоорганизации удалось выполнить оформленный системными исследованиями «заказ»: в середине 80-х гг. в рамках системных теорий остались неисследованными проблемы развития как системы прерывного и непрерывного, реализуемых и нереализуемых альтернатив, поступательных и повторяющихся, циклически воспроизводящихся моментов и как целостного процесса. Концепциям самоорганизации удалось в полной мере восполнить этот пробел.

Понятие «сложная система» весьма относительно: как только механизм функционирования какой-либо системы оказывается понятым до конца и оказывается возможным предсказать ее поведение на длительных интервалах времени, так эта система переводится в разряд простых. Теория сложных систем опирается на три парадигмы: естественнонаучную, гуманитарную и математическую. Сложные системы характеризуются многомерностью, неопределенностью и нелинейностью 2, с. 426.

Что касается неопределенности в структуре систем и их поведении, то нужно отметить, что опять-таки делается все, чтобы исключить ее из рассмотрения, и это наносит большой ущерб пониманию многих реально существующих ситуаций. Относительно нелинейности следует сказать, что конечно проще рассматривать линейные системы. Существует множество приемов по линеаризации нелинейных систем, но при этом нужно учитывать, что полученные результаты работают лишь в небольшом интервале изменения переменных.

Конструктивный учет нелинейности приводит к открытию новых явлений в сложных системах (например, таких, как аттракторы), к объяснению циклических колебательных процессов, к объяснению механизмов автокатализа и самоорганизации. Как показывает анализ процессов развития, сложные системы функционируют на грани хаоса.

В качестве примера рассмотрим такую сложную социально-экономическую систему, как город. В структуре города можно выделить следующие подсистемы:

- подсистема «население», которая включает в себя характеристики работающих и неработающих людей, учащихся, пенсионеров, детей и др.; с одной стороны, функционирование других подсистем влияет на благосостояние населения, его здоровье, уровень образования, с другой стороны, именно активность людей является движущей силой развития города;

- подсистема «пространство» включает в себя описание зданий, природной среды, подземной и надземной инфраструктур, экологические характеристики и др.;

- подсистема «ресурсы» включает в себя различные производства, научные институты и конструкторские бюро, которые могут не только удовлетворять потребности города, но и работать на внешнюю среду, зарабатывать средства для развития города;

- подсистема «деньги» включает в себя кредитно-финансовую систему, различные банки, структуру наличных денег у населения, предприятий и т. д.;

- подсистема «товары» включает в себя характеристику товаров и услуг, которые необходимы населению, характеристику запасов хлеба и других продовольственных и промышленных потребительских товаров;

- подсистема «внешние связи» характеризует связи города, его предприятий и организаций, его жителей с внешним миром (как с близлежащими районами и регионами, так и с отдаленными регионами и странами), характеризует потоки ввоза и вывоза, передаваемой информации, потоки приезжих и выезжающих людей и т. д. 2, с. 430.

В имитационной модели города должно отражаться взаимодействие между указанными блоками. Город как любая сложная система имеет свой адаптационный максимум. Некоторые города уже его прошли, другие его еще не достигли. Определение зоны адаптационного максимума городов, регионов и стран - важнейшая задача моделирования сложных систем, решение которой может повлиять на принятие стратегических и тактических решений по развитию этих сложных систем, поможет осознать многим простым людям и руководителям реальное положение и принять необходимые меры.

Моделирование социально-экономических систем, таких как города, регионы, страны и весь земной шар, жизненно необходимо для человечества, и долг ученых-специалистов по моделированию сделать все для решения этой задачи 2, с. 431.

2. Самоорганизация как механизм творческого мышления

С точки зрения синергетики механизм интуиции можно представить как механизм самоорганизации, самодостраивания визуальных и мысленных образов, идей, представлений, мыслей. Причем это имеет силу как для научного, так и для художественного творчества. Отсюда вытекает и направление поисков способов управления творческой интуицией, насколько это вообще возможно. Управлять интуицией значит инициировать собственное достраивание, переструктурирование мыслительного материала.

Холистика в творчестве. Механизм самодостраивания включает в себя направленность на возникающее целое. Талантливый ученый или художник способен взглянуть на создаваемое им произведение как бы «с высоты птичьего полета», он держит в своем уме весь его план, замысел, фабулу, интригу. Этот план, главная идея или образ служит некой путеводной нитью, на которую нанизываются все элементы знания и опыта. Это есть мерило, определяющее отбор материала и место каждого фрагмента знания, опыта или текстового блока в структуре целого. Это есть аттрактор творческой деятельности 1, с. 148.

Kроме того, в свете синергетики, можно было бы добавить, что план играет роль некоторого стимула, своего рода резонансного воздействия на сложный комплекс сознания - подсознания. План инициирует работу подсознания, способствует выведению наружу потенциально зреющего знания, его вербализации и логическому оформлению.

Искусство отбора. На базе увеличения разнообразия, «перевзвешивания» познавательных ценностей происходит отбор, отсечение «ненужного». В этом смысл явных и латентных установок. Творческое мышление происходит не путем случайного перебора вариантов, а посредством выбора главного, чтобы организовать целое. Самоорганизация происходит вокруг этого ключевого звена.

Именно искусство критической оценки первоначального разнообразия версий решения проблемы, искусство выбора главного, а вовсе не умение генерировать это разнообразие, часто рассматривают в качестве признака талантливости человека

Искусство отбора включает в себя внимание к малому и, казалось бы, незначительному. Ибо с самого начала важно попасть в поле притяжения аттрактора, а здесь играют роль случайности, малые вариации. Переоценка элементов из первоначального спектра разнообразия для последующего отбора происходит в особых состояниях сознания: во сне или в свободно парящем сознании, в отпущенном сознании, как его называют на Востоке.

C выходом на аттрактор случайность «выжигает», отсекает все «лишнее». Она конструктивна через разрушение. В моделях открытой нелинейной среды это осуществляется через диссипативные процессы, процессы рассеяния, рассасывания неоднородностей 1, с. 153.

Словесное и интеллектуальное творчество связано с безжалостным отбрасыванием, беспощадным уничтожением многого из того, что незадолго до этого было допущено как когнитивный аналог хаоса.

Совершенствование креативных способностей связано с повышением искусства избирательности восприятия и переработки информации.

Самодостраивание. Самоорганизация в области творческого мышления есть восполнение недостающих звеньев, «перебрасывание мостов», самодостраивание целостного образа. Мысли вдруг обретают структуру и ясность.

Конрад Лоренц ввел принцип «креативных вспышек» как принцип, описывающий возникновение нового, новых системных свойств, в ходе эволюции.

Согласно представлениям гештальтпсихологов, имеет место «инсайтная перестройка». Происходит как бы мгновенная организация красивой мозаичной структуры из имеющихся элементов знания и опыта: «встряхнул, и есть структура!». Излагая свою динамическую теорию процессов продуктивного мышления, М. Вертгеймер подчеркивает: «Главным в этой теории является переход от совокупности отдельных элементов поверхностной структуры к объективно лучшей или адекватной структуре». Развиваемое здесь понимание механизма творческого мышления существенным образом отличается от концепции Вертгеймера и других гештальтпсихологов 1, с. 154.

Происходит не просто объединение целого из частей, самоструктурирование частей в целое, не просто проявление, «всплывание» более глубокой структуры из подсознания, а самовырастание целого из частей в результате самоусложнения этих частей. Сам поток мыслей и образов в силу своих собственных потенций усложняется и спонтанно выстраивает себя. Из простой структуры вырастает более сложная. Это есть автопоэзис мысли.

Прежде всего, данное понятие выражает свойство живых систем самообновляться при функционировании.

Образ самодостраивания подобен вырастанию «родословного древа решения», «древа познания» на специально подготовленном, окультуренном поле сознания. Речь идет о неком когнитивном аналоге биологического процесса морфогенеза

Каскад кристаллизации таланта. Научное открытие предстает как переорганизация проблемного поля (поля вопросов), как кристаллизация знания, выход на структуру. Причем в научном творчестве имеет место, как правило, целая серия кристаллизации. Мы имеем в виду здесь то, что научные достижения многократно переделывают творца. Ибо достижению каждой общественно значимой кристаллизации знания соответствует кристаллизация духа его творца.

Исследуя феномен любви, Стендаль открыл этапы ее эволюции: первая кристаллизация чувств, вторая кристаллизация чувств и т.д. Аналогично и крупные ученые и философы в процессе творческой эволюции переживали критические периоды ломки своих взглядов и представлений, а также ряд этапов кристаллизации своего таланта 1, с. 158.

Переструктурирование проблемной ситуации выглядит как реализация потенциального, как вывод на поверхность каких-то путей из спектра возможных путей эволюции знания. Существует как бы некая многозначная фигура, которая сейчас явно предстает перед нами только одним своим аспектом, но таит в себе и иные аспекты. Научное открытие только на первый взгляд есть решение проблемы. Многогранный таинственный кристалл знания поворачивается иной своей гранью.

Парадоксально, но открытие всего лишь переформулирует проблему, переструктурирует поле вопросов. Или иначе, открытие представляет собой бифуркацию на вопросно-ответном поле.

Феномен резонанса. Если параметры внешнего воздействия соответствуют собственным параметрам самоорганизующейся системы, то имеет место феномен резонанса. Резонанс с синергетической точки зрения - это топологически правильное воздействие на мозг и тело человека (поскольку есть психосоматическая связка, то, воздействуя на тело, мы воздействуем на мозг, и наоборот), т.е. воздействие на них пусть и малое, но конфигурационно правильное, симметричное. Это приводит к многократному усилению творческой активности человека, раскрытию неограниченных потенций человеческой психики и сознания

Для того чтобы познать сложные явления мира, нужно построить сложную структуру на поле мозга. И то и другое, рассуждая по большому счету, строится по единому закону: структуры мозга и структуры действительности конгруэнтны. Ведь и всякая природная среда, и среда мозга открыты и нелинейны, а стало быть, являются «полигоном» для разыгрывания процессов самоорганизации. Не на этом ли пути следует искать решения главной проблемы для человеческого разума - познаваемости мира 1, с. 159.

Научное открытие, творческая удача, озарение или провидение, когда угадывается некоторая объективная тенденция развития, - тоже своего рода резонанс человека-творца с миром, с окружающей его действительностью.

Резонанс человека с миром в момент открытия проявляется в том, что язык субъекта творчества объективируется. Не он говорит, а в нем говорит сама она, реальность как таковая. Он видит то, что другие не видят. Это своего рода ясновидение, пророчество.

Заключение

Сложным системам свойственно умение приспосабливаться к окружающей среде - адаптивность, способность менять свою структуру рациональным целесообразным образом, т. е. самоорганизация.

Понятие «сложная система» весьма относительно: как только механизм функционирования какой-либо системы оказывается понятым до конца и оказывается возможным предсказать ее поведение на длительных интервалах времени, так эта система переводится в разряд простых.

В основе теорий самоорганизации лежит принцип развития. Синергетика и теория изменений составили фундамент концепций самоорганизации, на котором уже построены многие физические, химические, биологические теории. Чтобы система была самоорганизующейся и, следовательно, имела возможность прогрессивно развиваться, она должна удовлетворять, по крайней мере, следующим требованиям: система должна быть открытой, т.е. обмениваться со средой веществом, энергией или информацией; процессы, происходящие в ней, должны быть кооперативными (корпоративными), т.е. действия ее компонентов должны быть согласованными друг с другом; система должна быть динамичной; находиться вдали от состояния равновесия.

Концепциям самоорганизации удалось выполнить оформленный системными исследованиями «заказ»: в середине 80-х гг. в рамках системных теорий остались неисследованными проблемы развития как системы прерывного и непрерывного, реализуемых и нереализуемых альтернатив, поступательных и повторяющихся, циклически воспроизводящихся моментов и как целостного процесса. Концепциям самоорганизации удалось в полной мере восполнить этот пробел.

Список использованной литературы

1. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. - М.: Наука, 1994;

2. Синергетика и методы науки / Под ред. М.А. Басина. - СПб.: Наука, 1998;

3. Хакен Г. Тайны природы. - М.: Академия, 2003.