Синергетика - наука 21 века

     Ответить  на вопрос, как происходит эволюция и возникновение в природе, "решила" новая наука синергетика (совместно с новой неравновесной термодинамикой, теорией открытых систем).

     Синергетика (греч. "синергетикос" - совместный, согласованно действующий) - наука, целью которой является выявление, исследование общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравноценных системах различной природы (физических, химических, биологических, экологических и др.). Термин "синергетика" буквально означает "теория совместного действия". Синергетика являет собой новый этап изучения сложных систем, продолжающий и дополняющий кибернетику и общую теорию систем. Если кибернетика занимается проблемой поддержания устойчивости путем использования отрицательной обратной связи, а общая теория систем - принципами их организации (дискретностью, иерархичностью и т. п.), то синергетика фиксирует свое внимание на неравновесности, нестабильности как естественном состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и неоднозначности путей их эволюции. Синергетика исследует типы поведения таких систем, то есть нестационарные структуры, которые возникают в них под действием внешних воздействий или из-за внутренних факторов (флуктуации).

     Синергетика исследует организационный момент, эффект взаимодействия больших систем. Возникновение организационного поведения может быт обусловлено внешними воздействиями (вынужденная организация) или может быть результатом развития собственной (внутренней) неустойчивости системы в системе (самоорганизация).

     Синергетика возникла в начале 70-х гг. XX века. До этого времени считалось, что существует непреодолимый барьер между неорганической и органической, живой природой. Лишь живой природе присущи эффекты саморегуляции и самоуправления.

     Синергетика перекинула мост между неорганической и живой природой. Она пытается ответить на вопрос, как возникли те макросистемы, в которых мы живем. Во многих случаях процесс упорядочения и самоорганизации связан с коллективным поведением подсистем, образующих систему. Наряду с процессами самоорганизации синергетика рассматривает и вопросы самодезорганизации - возникновения хаоса в динамических системах. Как правило, исследуемые системы являются диссипативными, открытыми системами.

     Основой синергетики служит единство явлений, методов и моделей, с которыми приходится сталкиваться при исследовании возникновения порядка из беспорядка или хаоса - в химии (реакция Белоусова -Жаботинского), космологии (спиральные галактики), экологии (организация сообществ) и т.д. Примером самоорганизации в гидродинамике служит образование в подогреваемой жидкости (начиная с некоторой температуры) шестиугольных ячеек Бенара, возникновение тороидальных вихрей (вихрей Тейлора) между вращающимися цилиндрами. Пример вынужденной организации - синхронизация мод в многомодовом лазере с помощью внешних периодических воздействий. Интерес для понимания законов синергетики представляют процессы предбиологической самоорганизации до биологического уровня. Самоорганизующиеся системы возникли исторически в период возникновения жизни на Земле. 
 
 

1. Предмет, методы и школы  синергетики

     Модели  синергетики - это модели нелинейных, неравновесных систем, подвергающихся действию флуктуации (флуктуации(от лат. fluctuatio — колебание) — случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц; вызываются тепловым движением частиц или квантовомеханическими эффектами). В момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно несколько устойчивых состояний, то флуктуации отбирают одно из них. При. анализе сложных систем, например, в биологии или экологии, синергетика исследует простейшие основные модели, позволяющие понять и выделять наиболее существенные механизмы "организации порядка" избирательную неустойчивость, вероятностный отбор, конкуренцию или синхронизацию подсистем. Понятия и образы синергетики связаны, в первую очередь, с оценкой упорядоченности и беспорядка - информация, энтропия, корреляция (корреля́ция — статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин (либо величин, которые можно с некоторой допустимой степенью точности считать таковыми). причем изменения одной или нескольких из этих величин приводят к систематическому изменению другой или других величин), точка бифуркации (бифуркация - приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров) и др.

       Методы синергетики в значительной степени пересекаются с методами теории колебаний и волн, термодинамики неравновесных процессов, теории катастроф, теории фазовых переходов, статистической механики, теории самоорганизации, системного анализа и др.

     Классическая  термодинамика в своем анализе  систем отвлекалась от их сложности  и проблем взаимосвязи с внешней  средой. По существу, она рассматривала изолированные, закрытые системы. Но в мире есть и открытые системы, которые обмениваются веществом, энергией информацией со средой. В открытых системах тоже возникает энтропия, происходят необратимые процессы, но за счет получения материальных ресурсов, энергии и информации система сохраняется, а энтропию выводит в окружающую среду. Открытые системы характеризуются неравновесной структурой. Неравновесность связана с адаптацией к внешней среде (система вынуждена изменять свою структуру), система может претерпевать много различных состояний неопределенность и т.д. Переход от термодинамики равновесных процессов, к анализу открытых систем ознаменовал крупный поворот в науке, многих отраслях научных знаний. В открытых системах обнаружен эффект самоорганизации, эффект движения от хаоса к порядку.

     Герман  Хакен термином “синергетика” предложил обозначить совокупный, коллективный эффект взаимодействия большого числа подсистем, приводящих к образаванию устойчивых структур и самоорганизации в сложных системах.

     Конечно, феномен перехода от беспорядка к порядку, упорядочения ученые знали и до этого. В качестве примеров самоорганизации в неживой природе можно привести авторегуляцию (авторегуля́ция — способность биологической системы сохранять свой состав и свойства на относительно постоянном уровне независимо от меняющихся условий среды), принцип наименьшего действия (принцип наименьшего действия, точнее, принцип стационарности действия — способ получения уравнений движения физической системы при помощи поиска стационарного (часто — экстремального, обычно, в связи со сложившейся традицией определения знака действия, наименьшего) значения специального функционала — действия) и принцип Ле-Шателье (принцип, согласно которому внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется).

       Было открыто самопроизвольное образование на Земле минералов с более сложной кристаллической решеткой. В химии известны процессы, приводящие к образованию устойчивых структур во времени. Примером является реакция Белоусова-Жаботинского, где раствор периодически меняет свой цвет от красного к синему в зависимости от концентрации соответствующих ионов.

     В физике явления самоорганизации встречаются от атомных объектов до галактическими систем. Лично Г. Хакен считает маяком синергетики лазер. Атомы, внедренные в лазер, могут возбуждаться действием энергии извне, например, путем освещения. Если внешняя энергия недостаточна, лазер работает как радиолампа. Когда же она достигает мощности лазерной генерации, атомы, ранее испускавшие волны хаотично и независимо, начинает излучать один громадный цуг волн длиной около 300 000 км. Атомная антенна начинает осциллировать в фазе, и волны совершают как бы одно коллективное движение.

     Биологические и социальные системы поддерживают упорядоченные состояния, несмотря на возмущающие влияния окружающей среды.

       Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход:

     Школа нелинейной оптики, квантовой механики и статистической физики Германа Хакена, с 1960 года профессора Института теоретической физики в Штутгарте. В 1973 году он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет 69 томов с широким спектром теоретических, прикладных и научно-популярных работ, основанных на методологии синергетики: от физики твёрдого тела и лазерной техники и до биофизики и проблем искусственного интеллекта.

     Физико-химическая и математико-физическая Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой формулировались первые теоремы (1947 г), разрабатывалась математическая теория поведения диссипативных структур (термин Пригожина), раскрывались исторические предпосылки и провозглашались мировоззренческие основания теории самоорганизации, как парадигмы универсального эволюционизма. Эта школа, основные представители которой работают теперь в США, не пользуется термином «синергетика», а предпочитает называть разработанную ими методологию «теорией диссипативных структур» или просто «неравновесной термодинамикой», подчёркивая преемственность своей школы пионерским работам Ларса Онзагера в области необратимых химических реакций (1931 г).

     В России концептуальный вклад в развитие синергетики внёс академик Н. Н. Моисеев — идеи универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.

     Математический  аппарат теории катастроф пригодный  для описания многих процессов самоорганизации  разработан российским математиком  В. И. Арнольдом и французским математиком Рене Томом.

     В рамках школы академика А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П. Курдюмова разработана теория самоорганизации  на базе математических моделей и  вычислительного эксперимента (включая  теорию развития в режиме с обострением).

     Синергетический подход в биофизике развивается  в трудах членов-корреспондентов  РАН М. В. Волькенштейна и Д. С. Чернавского.

     Синергетический подход в теоретической истории  развивается в работах Д. С. Чернавского, Г. Г. Малинецкого, Л. И. Бородкина, С. П. Капицы, С. Ю. Малкова, А. В. Коротаева, П. В. Турчина, В. Г. Буданова, А. П. Назаретяна и др.

     Приложения  синергетики распределились между  различными направлениями:

     - теория динамического хаоса исследует сверхсложную упорядоченность, напр. явление турбулентности;

     - теория детерминированного хаоса исследует хаотические явления, возникающие в результате детерминированных процессов (в отсутствие случайных шумов);

     - теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации. Сам процесс самоорганизации также может быть фрактальным;

     -  теория катастроф исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркация, аттрактор, неустойчивость;

     -  лингвистическая синергетика и прогностика. 

2. Синергетический подход в естествознании

     Как же синергетика объясняет процесс  движения от хаоса к порядку, процесс  самоорганизации, возникновения нового? Справедливы следующие закономерности:

1. Природа иерархически структурирована в несколько видов открытых нелинейных систем разных уровней организации: в динамически стабильные, в адаптивные, и наиболее сложные — эволюционирующие системы.
2. Связь между ними осуществляется через хаотическое, неравновесное состояние систем соседствующих уровней
3. Неравновесность является необходимым условием появления новой организации, нового порядка, новых систем, т.е — развития
4. Когда нелинейные динамические системы объединяются, новое образование не равно сумме частей, а образует систему другой организации или систему иного уровня
5. Общее для всех эволюционирующих систем: неравновесность, спонтанное образование новых микроскопических (локальных) образований, изменения на макроскопическом (системном) уровне, возникновение новых свойств системы, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы
6. При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все развивающиеся системы ведут себя одинаково (в том смысле, что для описания всего многообразия их эволюций пригоден обобщённый математический аппарат синергетики)
7. Развивающиеся системы всегда открыты и обмениваются энергией и веществом с внешней средой, за счёт чего и происходят процессы локальной упорядоченности и самоорганизации
8. В сильно неравновесных состояниях системы начинают воспринимать те факторы воздействия извне, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии
9. В неравновесных условиях относительная независимость элементов системы уступает место корпоративному поведению элементов: вблизи равновесия элемент взаимодействует только с соседними, вдали от равновесия — «видит» всю систему целиком и согласованность поведения элементов возрастает
10. В состояниях, далеких от равновесия, начинают действовать бифуркационные механизмы — наличие кратковременных точек раздвоения перехода к тому или иному относительно долговременному режиму системы — аттрактору. Заранее невозможно предсказать, какой из возможных аттракторов займёт система