Синергетика - наука 21 века

     Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних  условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.

       Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми  неожиданными и необычными. 
 

3. Диссипативность

     Открытия  неравновесной системы, активно  взаимодействующие с внешней  средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, которую можно определить как  качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

     Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Системная модель мира

       «С точки зрения системного подхода Мироздание – это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность». Схематично она представлена на рис.2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.

     Выстроенная таким образом модель окружающего  мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий  статичный срез, структура, в которой  «все связано со всем». Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом. Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой – сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.). 
 
 
 
 
 

Рисунок 2 - Системная модель 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Основы  теории самоорганизации  систем

     Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних  факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра – координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)

     Для описания развития более сложных  систем необходимо знать большее  число параметров. Например, для  описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров – фазовыми траекториями.

     В результате обмена ресурсами с другими  системами, а также случайных  флуктуаций с течением времени параметры  системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.

     Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами. В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.

     В общем случае решение таких уравнений  графически может быть представлено семейством фазовых траекторий (рис.3).

     Рисунок 3 - Фазовое пространство 

     Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации – точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации – особые точки – точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.

     В таких состояниях чрезвычайно важны  случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия  зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния  неустойчивости. Большинство возникающих  флуктуаций рассеивается. Однако при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.

       «В точках бифуркации перед  самоорганизующейся системой открывается  множество вариантов путей развития»¹. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур – прообразов будущих состояний системы – фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.

     При благоприятных условиях такой фрактал  «разрастается» и перерождается  в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в  новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации. ¹ 
 

     Бифуркационный  характер эволюции системы. 

     Поведение системы в этом состоянии подобно  блужданию по лабиринту со множеством тупиков. ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»². Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.

     В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы  периодически повторяется и может  продолжаться бесконечно долго¹

       При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.

     Флуктуации  возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые  образовывают новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»¹. Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.

     В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела – состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.

       Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс – определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой.

     Поступательное  движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки  качественно новых адаптивных механизмов. Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается. В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества – около четырех, эволюция человека – около двух миллионов, а общества – несколько десятков тысяч лет.

     Процесс усложнения бесконечен, нет предела  совершенству. Но при этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера – благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления  ее характером и потоками. 

1. Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия

     Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй – порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее.