Синергетика – наука о законах развития систем
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
КАФЕДРА НОВОЙ, НОВЕЙШЕЙ ИСТОРИИ И МЕЖДУНАРОДНЫХ ОТНОШЕНИЙ
Тема: Синергетика - наука о законах развития систем
Введение
Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.
Научному мировоззрению по крайней мере с XIX века была присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) - самого простого из всех возможных состояний системы, не обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной маловероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Следовательно, упорядоченное состояние вещества, которое наблюдается в доступной части Вселенной, возникло случайно, жизнь, как самая высокая из всех известных науке форм упорядоченности, тем более случайна и противоестественна. Так возникла модель стационарной Вселенной.
Что же заставило изменить этот, казалось бы, незыблемый взгляд на развитие, прийти к идее самоорганизации материи, которая внедрилась в научное мировоззрение во второй половине нашего века и коренным образом изменила старые взгляды на процессы развития? Эта идея появилась в связи с заменой модели стационарной Вселенной моделью развивающейся Вселенной и связанной с ней новой естественнонаучной концепцией развития мира.
Прежние представления о развитии сформировались в XIX веке под влиянием двух классических физических дисциплин - статистической механики и равновесной термодинамики. Обе научные дисциплины описывают поведение изолированных макросистем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. Вселенная, как самая крупная из всех известных систем, также считалась замкнутой. Но сегодня наука считает все известные системы от самых малых до самых больших открытыми, обменивающимися энергией и (или) веществом с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. А развитие таких систем, как стало известно, протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем.
В настоящее время синонимами термина самоорганизации являются, помимо общей теории эволюции в биологии, - тектология А.А. Богданова, общая теория систем У.Р. Эшби, синергетика Г.Хакена, диссипативные структуры И. Пригожина, универсальный эволюционизм Н.Н.Моисеева, автопоэзис У.Матураны и Ф. Варелы, гиперцикл М. Эйгена, эволюционная концепция развития вселенной Э.Янча, единая трансдисциплинарная теория Э.Ласло, теория самоорганизации А.А. Самарского и С.П. Курдюмова, основанная на базе режимов с обострениями решений дифференциальных уравнений, теория самоорганизованной критичности П.Бэка, сетевая, бутстрапная теория Ф. Капры. Комбинации различных идей и подходов концепции самоорганизации формируют ядро так называемых наук о жизни ( life sciences - англ.), которое известно также как теория сложности ( science of complexity - англ.). Вплотную к этим наукам примыкают теория детерминированного хаоса и фрактальная геометрия природы Б. Мандельброта.
Понятие самоорганизации
Процессы самоорганизации могут иметь место только в системах с большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жесткий, а вероятностный характер. Эти процессы происходят за счет перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы. Отличительная особенность процессов самоорганизации - их целенаправленный, но вместе с тем и естественный, спонтанный характер: эти процессы, протекающие при взаимодействии системы с окружающей средой, в той или иной мере автономны, относительно независимы от нее.
Различают три типа процессов самоорганизации. Первый - это самозарождение организации, т.е. возникновение из некоторой совокупности объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями. Второй тип - процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования (гомеостатические механизмы, в частности, действующие по принципу обратной связи). Третий тип связан с совершенствованием и с саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт. Термин "самоорганизующаяся система" ввел английский кибернетик Эшби У.Р. (1947).
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 только 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.
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.
Свойства самоорганизующихся систем
Поведение систем, рассматриваемых синергетикой, описывается с помощью нелинейных уравнений - уравнений второго или большего порядка, поскольку самоорганизующиеся системы крайне сложны (нелинейны). Следовательно, эти системы можно характеризовать как неустойчивые и неравновесные. Неравновесность в свою очередь порождает избирательность системы, ее сложные реакции на внешние воздействия среды. При этом некоторые более слабые внешние воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, в нелинейных системах возможны ситуации, когда совместные действия двух причин вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия этих причин по отдельности.
Важным следствием нелинейности поведения самоорганизующихся систем является пороговый характер многих процессов в таких системах, т.е. при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, слабые возмущения (флуктуации) оказывают сильное воздействие на систему, разрушая сложившуюся структуру и способствуя ее радикальному качественному изменению. Поэтому нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой иногда создаются отношения обратной положительной связи, а именно: система влияет на среду таким образом, что в последней вырабатываются определенные условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Примером может служить ситуация, когда в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, наличие которого стимулирует производство самого этого фермента.
При взаимодействии открытых системы с внешней средой происходит диссипация энергии - переход энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, в конечном счете в тепловую энергию. В общем случае диссипативными именуют такие системы, в которых энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного, в конечном счете теплового (хаотического) движения. В открытых системах с нелинейным протеканием процессов возможны термодинамически устойчивые неравновесные состояния, далекие от состояния термодинамического равновесия и характеризующиеся определенной пространственной и временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, так как ее существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. При этом огромное количество микропроцессов приобретает интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря этому могут спонтанно возникать новые типы структур, характеризующиеся переходом от хаоса и беспорядка к порядку и организации.
Понятие диссипативности непосредственно связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы характеризуются множеством параметров, причем эти параметры улавливают воздействие окружающей среды неодинаково. С течением времени в системе выделяется несколько ведущих, определяющих параметров, к которым «подстраиваются» остальные. Такие параметры системы именуются параметрами порядка. Соотношения, связывающие параметры порядка, обычно намного проще, чем математические модели, детально описывающие систему в целом, поскольку параметры порядка отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому выявление параметров порядка - одна из важнейших задач, решаемых при изучении самоорганизующихся систем.
Разработка теории самоорганизации началась буквально в последние годы, причем по нескольким, сходящимся направлениям. Это синергетика (Г. Хакен), термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин), теория катастроф (Р. Том).
Синергетика
Синергетика (это понятие означает кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы) - по определению ее создателя Г. Хакена - занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой 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
Синергетика, как и другие теории самоорганизации, пытается восполнить "белые пятна", главное среди которых - практически полное отсутствие обобщений, касающихся поведения открытых систем. 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. Г. Хакен, выступая на первой в СССР конференции по синергетике, определил цели, которые она ставит перед собой, так: перегруженную огромным количеством деталей информацию о системах различной природы, изучаемых современной наукой, необходимо сжать, превратив в небольшое число законов или концепций, так как, по выражению английского специалиста по кибернетике С. Бира, данные превратились в новейшую разновидность загрязнения окружающей среды, их избыток породил информационный голод 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.
Теория катастроф
Теория катастроф - раздел математики, включающий в себя теорию бифуркаций дифференциальных уравнений (динамических систем) и теорию особенностей гладких отображений.
Термины «катастрофа» и «теория катастроф» были введены Рене Томом и Кристофером Зиманом в конце 1960-х - начале 1970-х годов («катастрофа» в данном контексте означает резкое качественное изменение объекта при плавном количественном изменении параметров, от которых он зависит). Одной из главных задач теории катастроф является получение так называемой нормальной формы исследуемого объекта (дифференциального уравнения или отображения) в окрестности «точки катастрофы» и построенная на этой основе классификация объектов.
Первые фундаментальные результаты в области динамических систем, относящиеся к теории катастроф, принадлежат А. Пуанкаре (метод нормальных форм в теории дифференциальных уравнений) и А. А. Андронову (бифуркации динамических систем). Основы теории особенностей гладких отображений были заложены прежде всего в трудах американского тополога Хасслера Уитни в 1940-х - 1950-х гг., которым предшествовала лемма Морса о нормальной форме функции в окрестности невырожденной критической точки.
В конце 1960-х развитием этого направления занялся известный французский математик и философский лауреат 1958 года Рене Том. Однако популярность идеи Уитни и Тома приобрели благодаря нескольким публикациям К. Зимана в 1970-х, который активно пропагандировал теорию катастроф, сравнивая её значение с изобретением математического анализа и говоря о «революции в математике». Бурное развитие теории катастроф в 1970-е - 1990-е годы связано с деятельностью Дж. Боардмана, Е. Брискорна, Дж. Брюса, Дж. Мазера, Б. Мальгранжа, Р. Тома, Т. Волла, К. Зимана и особенно В. И. Арнольда и его учеников (И. А. Богаевский, А. Н. Варченко, В. А. Васильев, А. Б. Гивенталь, В. В. Горюнов, С. М. Гусейн-Заде, В. М. Закалюкин, М. Э. Казарян, В. Д. Седых и др.).
В процессе своего развития система проходит две стадии: эволюционную (иначе называемую адаптационной) и революционную (скачок, катастрофа). Во время развертывания эволюционного процесса происходит медленное накопление количественных и качественных изменений параметров системы и ее компонентов, в соответствии с которыми в точке бифуркации система выберет один из возможных для нее аттракторов. В результате этого произойдет качественный скачок и система сформирует новую диссипативную структуру, соответствующую выбранному аттрактору, что происходит в процессе адаптации к изменившимся условиям внешней среды.
Эволюционный этап развития характеризуется наличием механизмов, которые подавляют сильные флуктуации системы, ее компонентов или среды и возвращают ее в устойчивое состояние, свойственное ей на этом этапе. Постепенно в системе возрастает энтропия , поскольку из-за накопившихся в системе, а также в ее компонентах и внешней среде изменений способность системы к адаптации падает и нарастает неустойчивость. Возникает острое противоречие между старым и новым в системе, а при достижении параметрами системы и среды бифуркационных значений неустойчивость становится максимальной и даже малые флуктуации приводят систему к катастрофе - скачку. На этой фазе развитие приобретает непредсказуемый характер, поскольку оно вызывается не только внутренними флуктуациями, силу и направленность которых можно прогнозировать, проанализировав историю развития и современное состояние системы, но и внешними, что крайне усложняет, а то и делает невозможным прогноз. Иногда вывод о будущем состоянии и поведении системы можно сделать, исходя из "закона маятника" - скачок может способствовать выбору аттрактора, "противоположного" прошлому.
После формирования новой диссипативной структуры система снова вступает на путь плавных изменений, и цикл повторяется.
В исследованиях процесса развития имеется целый ряд неверных и недоказанных положений и догм, причем некоторые из них весьма распространены. К таким положениям относятся представления об ускорении темпов развития, о связи развития с увеличением компонентов системы, усложнением и совершенствованием их взаимосвязей, о направленности развития от низшего к высшему. Многие авторы также поддерживают точку зрения об однонаправленности процесса развития, что, в частности, находит выражение в рассуждениях о "спирали развития", независимо от того, рассматривают ее как сходящуюся или расходящуюся. А ведь давно известно, что большинство процессов реального мира нелинейны, тогда как все вышеприведенные положения берут начало в ограничении процесса развития одним лишь прогрессом. Но в действительности развитие реальных систем немонотонно и включает не только прогрессивные аттракторы, но и аттракторы деградации (которые впоследствии могут смениться прогрессом, а могут и привести систему к краху), и аттракторы разрушения.
Заключение
Синергетике, теории изменений и теории катастроф, ассимилирующимся друг с другом, удалось создать целостную теорию развития, подтвержденную успехами исследований, осуществленных на ее основе, в области физики, химии, биологии, теорию, выводы которой могут успешно использоваться другими областями знания, включая общественные науки. 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.
Теория катастроф позволяет свести огромное многообразие сложных ситуаций к небольшому числу точно изученных схем. Математические образы теории катастроф реализуются в волновых полях. Известны геометрические места точек, в которых происходит фокусировка волнового поля, называемые в оптике каустиками. При пересечении каустик происходит скачкообразное изменение состояния - меняется число лучей, приходящих в данную точку пространства. Для одной-двух переменных и не более пяти управляющих параметров существует семь типов элементарных катастроф. Все семь канонических катастроф имеют в каустиках свои образы. Теория катастроф, широко используемая в метеорологии, аэро- и гидродинамике, оптике, теории кооперативных явлений, квантовой динамике, биологии, экономики и др., подводит стандартную и эффективную базу под описание качественных изменений в нелинейных уравнениях, описывающих далекие от равновесия системы.
Теория самоорганизации дает новое видение механизмов спонтанного становления сложности и порядка. Это направление, проявляет междисциплинарный характер и как будто обещает нам постижение универсальных законов формирования и сосуществования систем различной природы.
Список литературы
Хакен Г. Синергетика. М., 1980
Арнольд В.И., Том Р. Теория катастроф. М., 1990
Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации в сложных системах. М., 1990
Грушевицкая Т. Г., Садохин А. П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие-М.:Высш. шк., 1998.
Самоорганизующиеся системы. М.,1964
Хакен Г. Информация и самоорганизация. М.,1991
А.Д. Арманд и др. Анатомия кризисов. М.,1999
Пригожин и., Стенгерс И. Порядок из Хаоса. М.,2000
Лоскутов А.Ю., Михайлов А.А. Введение в синергетику. М.,1990