Синергетика - теория самоорганизации

     В образе мира, создаваемом синергетикой, такое фундаментальное качество системы, относящееся к уровню ее элементного строения, как случайность, ответственно за перемены в глобальных масштабах. Мир нестабилен. В своих  основаниях он имеет жесткое, и пластичное начала. Гибкое начало означает случайность, ответственную за появление нового в процессах развития. Жесткое  начало – существование в мире неизменных связей. Чтобы понять мир  глубже, необходимо множество описаний, не сводимых друг к другу, но тем не менее связанных правилами перехода. Динамическое описание и описание в терминах необратимости и есть два вида таких описаний: первое отражает развитие в форме движения, траекторий или уровней энергии; второе касается конечных процессов, измерений, мира структур, в которых происходит рассеяние энергии (распад атомов, химические реакции, затухание колебаний). По замечанию Пригожина, «в философской терминологии оба вида описания отвечают соответственно «бытию» и «становлению». И ни бытие, ни становление по отдельности не могут дать полной картины».

           Междисциплинарный характер синергетики позволяет  построить на ее основе модель универсального эволюционизма.

           Много сделал в этом отношении в последние годы академик Н.Н. Моисеев. Он утверждает, что человечество как в физическом, так и в биологическом и в социальном смысле «держится на острие». Ускорение процессов развития человечества сопровождается понижением уровня его стабильности. Естественно, ход развития человечества сопровождается состояниями неустойчивости, возникают новые аттракторы.

           Так как человечество в облике ноосферы приобрело всепланетарный статус, то в эволюцию вовлекаются все природные и социальные системы. Эволюция стала процессом общепланетарным. На основе этого Моисеев вводит представление о двух императивах – нравственном и экологическом.

     Нравственный  императив понимается как обновленная нравственность, заслоняющая людей от опасности социального порядка. Экологический императив выступает при этом как запрет на изменение тех свойств окружающей среды, которые могут поставить под угрозу само существование человечества. Сложнейшая проблема состоит в обеспечении коэволюции общественных и природных систем.

           Как ни парадоксально, новое направление, столь успешно  справляющееся с задачей наведения  порядка в мире хаоса, существенно  меньше преуспело в наведении  порядка среди структур. В частности, при поиске и классификации структур почти не используется понятие симметрии, играющее важную роль во многих разделах точного и описательного естествознания.

           Так же как и размерность, симметрия существенно зависит  от того, какие операции разрешается  производить над объектом. Например, строение тела человека и животных обладает билатеральной ( от би… и лат. lateralis – боковой; двусторонний, двубокий, относящийся к обеим сторонам, частям чего-то) симметрией, но операция перестановки правого и левого физически не осуществима. Следовательно, если ограничиться только физически выполнимыми операциями, то билатеральной симметрии не будет. Симметрия – свойство негрубое: небольшая вариация объекта, как правило, уничтожает весь запас присущей ему симметрии.

           Если определение  симметрии выбрано, то оно позволяет  установить отношение эквивалентности  между изучаемыми объектами. Все  объекты, принадлежащие одному и  тому же классу, могут быть переведены друг в друга надлежаще выбранной  операцией симметрии, в то время  как объекты, принадлежащие различным  классам, ни одной операцией симметрии  друг в друга переведены быть не могут.

           Симметрию следует  искать не только в физическом пространстве, где разыгрывается процесс структурообразования, но и в любых пространствах, содержащих «портрет» системы.  

2.     Пути формирования синергетики

     Примерно  в 60-х гг. XX века научные представления о процессах самоорганизации в открытых неравновесных системах формировались разрозненно и независимо в разных дисциплинах. Однако в 70-х гг. они стали предметом сравнения и в них обнаружилось много общего.

     И. Пригожин через разработку термодинамики  сильнонеравновесных систем вышел  на свою теорию самоорганизации. Данному  варианту термодинамики предшествовала разработка теории стационарных, или  устойчивых, неравновесных систем. Стационарное неравновесие достигается, когда внешнее воздействие выводит  систему из состояния равновесия, но так как это воздействие  недостаточно велико, то неравновесное  состояние системы удерживается вблизи от состояния равновесия.

     Такие состояния оказались для ученых интересными по двум причинам. Во-первых, для подобных случаев с некоторыми поправками применим теоретический  аппарат термостатики. В открытых системах происходит рост энтропии. И. Пригожин доказал, что в них производится минимальная энтропия. Во-вторых, для  феноменологического объяснения устойчивости неравновесных состояний может  использоваться принцип Ле Шателье-Брауна, который означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия. Иначе говоря, системы, находящиеся в стационарном неравновесном состоянии, обладают от природы свойством устойчивости.

           Общая теория устойчивости впервые была исследована и разработана  русским математиком А.М. Ляпуновым (1857-1918). Суть данной теории состоит  в том, что устойчивые состояния  не теряют своей устойчивости при  флуктуации физических параметров. За счет внутренних взаимодействий система  способна погасить возникающие флуктуации. А неустойчивые системы, напротив, при  возникновении флуктуаций способны усиливать их, и в результате нарастания амплитуды возмущений система с  ускорением переходит из стационарного  неравновесия в неустойчивое неравновесное  состояние, которое ведет к хаосу.

           В 50-60-х гг. XX столетия логика научного развития потребовала перейти от рассмотрения слабонеравновесных к изучению сильнонеравновесных систем. Здесь и завязка проблемы.

           Это означает, что  для сильнонеравновесных состояний  потребовалось снова разрабатывать  теорию. После того, как И. Пригожин выполнил эту работу, оказалось, что  данная теория есть новая концепция  самоорганизации химических и физических систем.

       В начале 70-х гг. особое внимание И. Пригожина привлекла химическая реакция, названная реакцией Белоусова-Жаботинского. Сопоставив ход данной реакции с теорией Тьюринга, Пригожин вместе с группой бельгийских ученых переформулировал теорему Тьюринга и выдвинул свою теоретическую модель самоорганизации.

     Источник  самоорганизации Пригожин увидел в флуктуациях, которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Затем случайные микрофлуктуации перерастают в состояние хаоса. После того, как в систему с хаотическим состоянием поступает из среды достаточно большое количество свежей энергии, то из хаоса рождаются крупномасштабные флуктуации макроскопического уровня. Так, по Пригожину, из хаоса рождаются макроскопические состояния, так он объясняет самоорганизацию химических и физических систем. Анализ промежуточных продуктов химических реакций показал сходство этих процессов с автоколебаниями систем различной природы. Сам термин «автоволны» был введен академиком Р.В. Хохловым (1926-1977). Теория автоколебательных процессов разрабатывалась школой академика Л.И. Мандельштама (1873-1944), школой академика А.А. Андронова (1901-1952) и др.

           Типичный пример автоволны – нервный импульс, который бежит без затухания по нервному волокну диаметром менее 0,025 мм и длиной до 1,5 м.

           Исследования показывают, что обработка информации в коре головного мозга осуществляется не в форме активности отдельных  нейронов (как в ЭВМ), а на уровне взаимодействий между автоволнами возбуждения и торможения, которые охватывают обширные участки головного мозга.

           Немецкий физик  Г. Хакен пришел к концепции самоорганизации через разработку проблем квантовой электроники, точнее – от изучения механизмов образования лазерного луча. Он отмечал особую роль коллективного поведения подсистем, и для обозначения процессов самоорганизации ввел понятие «синергетика». По мнению Хакена, самоорганизация – это «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса».

           По Г. Хакену, характерными чертами процессов самоорганизации являются: кооперативность действия элементов и подсистем, образующих систему; нелинейность процесса, выражаемая уравнениями второй или третьей степени; неравновесность состояния, поддерживаемая за счет энергии среды; пороговый характер процессов самоорганизации.

           Еще одним источником идей синергетики стали работы немецкого  ученого М. Эйгена, который показал, что при благоприятных условиях среды сложные органические молекулы способны к самовоспроизводству и усложнению организации на предбиологическом уровне.

           Таким образом, исследование процессов самоорганизации в начале 60-х гг. ограничилось отдельными естественнонаучными дисциплинами. Но в 70-х гг. ученые все же начали выходит за рамки своих дисциплин и заметили, что их идеи аналогичны. В 70-80-х гг. стали проводиться совместные научные конференции представителей разных дисциплин и стало оформляться новое научное направление – синергетика, или общая теория самоорганизации систем различной природы. Одновременно с этим обнаружили ее системный характер.

           Нужно заметить, что  формирование синергетики как общенаучного направления не завершено и еще  продолжается. В синергетике до сих  пор не получил адекватного решения  главный вопрос – об истинных источниках самоорганизации. А без этого  само понятие самоорганизации остается условным и недостаточно осмысленным, имеющим лишь рабочее значение. В  этом отношении более гибкую позицию  занял сам Хакен, когда во введении к своей работе дал обоснование термину «синергетика»: « Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин».

           Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что имеющиеся  в синергетике наработки не должны волевым образом распространяться на другие дисциплины. Напротив, изучение специфических потребностей разных дисциплин должно служить стимулом для развития самой синергетики.

      3. Заключение 

           Сделаем некоторые  выводы.

           Под синергетикой следует понимать теорию самоорганизации сложных систем, характерными чертами которых являются взаимодействие их частей, открытость, нелинейность, наличие колебаний, качественных изменений, вновь возникших (эмерджентных) качеств, структур-аттракторов, той или иной степени упорядоченности, наличие нестабильностей.

           В отличие от рационализма прошлых столетий, идея нестабильности ведет к осуществлению «новой рациональности», которая подобна  деятельности художника. Например, в  фуге Баха заданная композитором тема допускает множество продолжений, из которых истинный художник выбирает (сразу, мгновенно) необходимое ему, оправданное логикой саморазвития темы.

           Мир, природа и  общество с имманентной организацией также «выбирают» из множества альтернатив, которые может навязать человек, лишь ту, которая отвечает их законам. Естественно, такие системы требуют  новых принципов управления: раз  система сама себя «строит», то необходимо правильно инициировать в ней  желательные тенденции, ибо количество путей эволюции не бесконечно. Необходимо создавать сценарии «потребного  будущего» с тем, чтобы в нужный момент воздействовать на среду. Следует  изучать не только способы воздействия, но и его последствия. Желаемый эффект получается только в том случае, если воздействие созвучно внутренним свойствам системы (эффект резонанса). 

           Синергетические представления  позволяют оценить характер становления, эволюции и развития человека, общества и человечества. Во-первых, нет ничего удивительного в том, что в  далеком прошлом взорвался протовакуум, потому что оказался в состоянии неравновесности и в итоге «скатился» к определенному аттракторному состоянию, сопровождавшемуся расширением и охлаждением физической Вселенной.

           Во-вторых, мало удивительного  в том, что живые организмы  способны сохранять свою устойчивость, это происходит благодаря обратным отрицательным связям.

           В-третьих, нет ничего удивительного и в том, что  «сборка» физико-химических элементов  привела к возникновению живого. В рамках сложных систем возникновение  жизни не случайно, а закономерно  – в смысле синергетической самоорганизации.