1.1 Редуктивизм, системный
анализ, холизм и синергетика
1.2 Неравновесная термодинамика
1.3 Синергетика и
самоорганизующиеся системы
|
|
| Странный аттрактор. |
Целое это больше, чем сумма его частей
Аристотель
«Метафизика”
Древние натурфилософы рассматривали мир, как единое целое. Это было правильно, но сильно мешало развитию наук, т.к. найти описание сложных природных явлений и дать прогноз из развития оказалось непосильной задачей. Со временем осознали, что если нельзя объять необъятное, то можно расчленить его на части и даже частицы, после чего изучить каждую часть в отдельности, т.е. провести анализ. Анализ (аналитическая методология) стимулировал развитие наук, так что возникли многочисленные частные науки: физика, химия, биология и т.п., которые тут же начали делиться на более частные: неорганическая, органическая, физическая химия и т.п. Это деление продолжается и сейчас.
Применение анализа при исследование достаточно сложного объекта называется редукцией, под которой понимают упрощение, сведение сложного к более простому, обозримому, доступному для анализа и управления. С помощью анализа были решены конкретные проблемы, например, создана модель атома. Появился соблазн объяснения сложных явлений, исходя из законов, полученных при изучении простых систем. Например, предпринимались попытки свести биологические явления к химическим и физическим законам, или социологически – к биологическим.
Однако со временем учёные обнаружили, что и природа и общество сложны, а механистическая картина мира, которой они так долго и с таким успехом придерживались, отражает лишь жёсткие причинно-следственные связи и линейный характер зависимостей. Между тем, в нас и вокруг нас царит детерминированный, динамический по своей природе, хаос, управляемый к тому же нелинейными законами. Мало изучить влияние внешних сил на сложные системы, отработать способы управления ими, но и следует сформулировать законы организации внутренней структуры этих систем, законы их самоорганизации, саморазвития и самоуправления.
Требования века заставили перейти от анализа и редуктивизма к холизму, т.е. к философии цельности. Конечно, следует развивать междисциплинарные направления в науке, междисциплинарное образование и междисциплинарное мышление. Но этого мало! Объединение разных наук приводит к эффектам синергизма, т.е. к ситуациям, когда целое больше, чем простая сумма его частей. Следовательно, развитие наук следует вести в рамках синергетики, с учётом идей фрактальной геометрии (самоподобия), автоволновых процессов, случайностей и детерминированного хаоса.
Начнём с некоторых определений.
Редукционизм (reductio— возвращение, приведение обратно) – методологический
принцип, согласно которому сложные явления могут быть полностью объяснены с
помощью законов, свойственных явлениям более простым (например, социологические
явления объясняются биологическими или экономическими законами). Редукционизм
абсолютизирует принцип редукции (сведения сложного к простому и высшего к
низшему), игнорируя появление эмерджментных свойств в системах более высоких
уровней организации. Хотя как таковая, обоснованная редукция может быть
плодотворной (пример – планетарная модель атома).
Эмерджентность (emergent –
возникающий, неожиданно появляющийся) в теории систем — наличие у какой-либо
системы особых свойств, не присущих её подсистемам и блокам, а также сумме
элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств
системы к сумме свойств её компонентов; синоним – «системный эффект». В биологии
и экологии понятие эмерджентности можно выразить так: одно дерево – не лес,
скопление отдельных клеток – не организм. Например, свойства биологического вида
или биологической популяции не представляют собой свойства отдельных особей,
понятия рождаемость, смертность неприменимы к отдельной особи, но применимы к
популяции или виду в целом. В эволюционистике выражается как возникновение новых
функциональных единиц системы, которые не сводятся к простым перестановкам уже
имевшихся элементов. В почвоведении: эмерджентным свойством почвы является
плодородие.
Анализ – процедура мысленного расчленения предмета на части в целях
его дальнейшего изучения
Системный анализ – метод познания, представляющий собой
последовательность действий по установлению структурных связей между переменными
или элементами исследуемой системы. Это методология решения сложной проблемы
путём последовательной декомпозиции её на взаимосвязанные частные подпроблемы.
Любой объект бесконечно сложный, поэтому задача упрощается выделением только тех
элементов и связей, которые обеспечивают достижение цели. Системное исследование
представляет собой процедуру описания объекта, способа его функционирования и
тенденций развития. Основная процедура – построение обобщенной модели,
отображающей взаимосвязи реальной ситуации. Системный анализ применяется для
решения задач, для которых отсутствуют стандартные решения, и которые, в
принципе, не могут быть формализованы без использования методов системного
анализа. Идеи системного анализа используются для управления. Полезность
системного анализа обусловлена глубоким проникновением в суть проблемы,
выявлением взаимосвязей, способствующих обнаружению нестандартных решений, в
большей четкости формулирования целей, в большей эффективности распределения
ресурсов. Ограниченность системного анализа обусловлена неизбежной неполнотой
анализа (принцип непознаваемости), приближённой оценкой эффективности,
отсутствием способов точного прогнозирования перспективы.
Холизм (Holos - целое,
всё, всего) – учение о целостности нашего мира, о том, что все его элементы,
живая и неживая природа – связаны как части единой большой системы – Бога, Мира,
Вселенной. Исходная трактовка холизма более функциональна и близка к синергетике
– все свойства некоей системы, будь то (физическая, биологическая, химическая,
социальная, экономическая, психическая, языковая или любая другая система.) не
могут быть определены или объяснены по свойствам отдельных составных частей.
Вместо этого, наоборот, система как целое, определяет способ поведения своих
частей.
Синергизм – совместное действие для достижения общей цели, основанное на
принципе, что целое представляет нечто большее, чем сумма его частей. Синергизм
означает превышение совокупным результатом суммы слагающих его факторов. Так,
доходы от совместного использования ресурсов превышают сумму доходов от
использования тех же ресурсов по отдельности. Данное понятие также называется
синергетическим эффектом (эффектом 2+2=5).
Синергетика (приставка со значением
совместности и «деятельность»), или теория сложных систем – междисциплинарное
направление науки, изучающее общие закономерности явлений и процессов в сложных
неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических,
социальных и других) на основе присущих им принципов самоорганизации.
Синергетика является междисциплинарным подходом, поскольку принципы, управляющие
процессами самоорганизации, представляются одними и теми же безотносительно
природы систем, и для их описания должен быть пригоден общий математический
аппарат.
Редукция предполагает, что сложные явления могут быть объяснены на основе законов, свойственных более простым системам. Сводя сложное к более простому, анализ игнорирует специфику более высоких уровней организации. Аналитический подход показал свою эффективность при решении многих задач теории и практики. Но чем глубже внедряли аналитику, тем больше усиливались технические науки и хирели гуманитарные. Начались кризисы: политические, экономические, экологические и т.п.
В стремлении противодействовать этому возникло учение о холизме. Холизм – философия цельности – направление в философии, рассматривающее мир как результат творческой эволюции, которая направляется нематериальным «фактором цельности». Основоположник – Ян Смэтс, студентом написавший книгу "Эволюция личности", которую, правда, не опубликовал. Но в 1926 г. у него вышла книга “Холизм и эволюция”. Когда Альберт Эйнштейн прочитал эту книгу, он сделал следующий прогноз: в грядущем тысячелетии холизм, – раньше или позже, – станет главной концепцией естествознания.
Можно утверждать, что холизм – крайнее
проявление философии синергетики и системного анализа.
Рис. 1. Ян Смэтс (1870-1950) – основатель философии холизма - премьер-министр Южно-Африканского союза, командир отрядами буров во время Англо-бурской войны в Трансваале, командующий британской армией в Восточной Африке, во время второй мировой войны – британский фельдмаршал, соавтор устава Лиги Наций, активный проводник политики апартеида.
"Холизм не только созидателен, но и самосозидателен, и его конечные структуры гораздо более целостны, чем его первоначальные структуры". Я. Смэтс.
Три столетия научной революции качественно изменили картину окружающего нас мира, привели к доминированию аналитического подхода во всех областях человеческой деятельности: науке, технике, искусстве, морали. Целостный, гармоничный мир исчез. Но в середине 20-го века маятник пошёл в обратную сторону. Развитие общей теории сложных структур потребовало создания методологии рассмотрения сложных природных и общественных систем во всей их взаимосвязи. Началось движение от анализа к синтезу. В методологию науки вошёл системный анализ, в котором нашлось место и синтезу. Синтез – соединение различных элементов объекта в единое целое (систему). Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Системный подход – направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем в целостности выявленных в нём многообразных типов связей. К сожалению, быстро выяснилось, что для понимания и тем более управления современными эволюционными процессами в природе и обществе одного системного подхода мало. Надежды сейчас возлагаются на развитие идей холизма, как философии цельности.
Между двумя крайностями: редуктивизмом и холизмом возникла промежуточная наука - синергетика, попытавшаяся установить связь между крайностями.
Ричард Фуллер
(1895–1983) – автор термина синергетика: дизайнер, архитектор и изобретатель из
США; не имея законченного образования, он получил множество почётных докторских
научных степеней и полсотни международных премий. Основным его изобретением
является лёгкий и прочный «геодезический купол» – пространственная стальная
сетчатая оболочка из прямых стержней. Автор книг: "Синергетика: исследование
геометрии мышления" (1975) и "Синергетика 2: дальнейшие исследования геометрии
мышления" (1979), в которой высказана идея об упаковке шарами как основе
организации пространства. Под синергетикой Фуллер понимал геодезическую
синергию, т.е. новую векторную геометрию, следствием которой и являются
геодезические купола.
Определение термина «синергетика», близкое к современному пониманию (междисциплинарное научное направление, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем), ввёл немецкий физик-теоретик Герман Хакен в 1977 г. в своей книге «Тайны природы. Синергетика – учение о взаимодействии». Именно он считается основателем науки синергетика. Согласно Xакену синергетика относится к направлению универсализма, занимающего промежуточное место между редукционизмом и холизмом. Синергетика не сводит поведение системы ни к её поведению на микроскопическом уровне (редукционизм), ни к её макроскопическому поведению (холизм), она пытается понять, как устанавливается и функционирует связь между этими двумя уровнями. Это удается ей благодаря понятию параметров порядка и принципу подчинения.
Хакен Герман (род. 12.07.1927) — немецкий
физик-теоретик, основатель синергетики, директор Института теоретической физики
и синергетики университета Штутгарда, автор книг: Синергетика, Тайны природы,
Принципы работы головного мозга, Тайны восприятия, Квантополевая теория твёрдого
тела, Лазерная светодинамика, Информация и самоорганизация и др.
Теоретическую поддержку синергизму в плане сбора разъятых анализом частей в единое целое, оказала термодинамика, точнее - неравновесная термодинамика, которую активно развивал Илья Пригожин. Именно неравновесная термодинамика нанесла первый мощный удар по механистическому мировоззрению (хотя и не привела к созданию синергетики).
Неравновесная термодинамика — раздел термодинамики, изучающий системы вне состояния термодинамического равновесия и необратимые процессы. Возникновение этой области знания связано главным образом с тем, что подавляющее большинство встречающихся в природе систем находятся вдали от термодинамического равновесия. Основоположник - Л. Озагер.
Широкое распространение механистического мировоззрения совпало с расцветом машинной цивилизации. Наука трактовала вселенную как гигантский механизм. Лаплас утверждал: существо, способное охватить всю совокупность данных о состоянии Вселенной в любой момент времени, способно не только точно предсказать будущее, но и до мельчайших подробностей восстановить прошлое. Необычайно быстрое развитие фабричной цивилизации с большими достижениями инженерной мысли подтвердило правильность представления о Вселенной как о гигантской машине. Однако начавшийся в 20-том веке закат индустриальной цивилизации продемонстрировал ограниченность механистической модели реальности.
Следует отметить, что термодинамика ещё в начале ХIX века поставила под сомнение вневременной характер механистической картины мира. «Если бы мир был гигантской машиной, — провозгласила термодинамика, — то такая машина неизбежно должна была бы остановиться, так как запас полезной энергии рано или поздно был бы исчерпан». Мировые часы не могли идти вечно, и время обретало новый смысл.
Вскоре последователи Дарвина выдвинули идею, противоположную мировоззрению равновесной термодинамики. По мнению дарвинистов, действительно возможно, что мировая машина, расходуя энергию и переходя из более организованного в менее организованное состояние, замедляет свой ход и даже останавливаться, но биологические системы развиваются по восходящей линии, переходя из менее организованного в более организованное состояние. В начале XX в. Эйнштейн поместил наблюдателя внутрь системы. Мировая машина стала выглядеть по-разному в зависимости от того, где находится наблюдатель, но она оставалась детерминистической машиной. Хотя физики, работавшие в области квантовой механики, и в частности занимавшиеся соотношением неопределенности, предприняли массированное наступление на детерминистическую модель, механистическая парадигма устояла и поныне образует центральное ядро науки в целом. Задача синергетики - нанести очередной удар по детерминизму.
Традиционная наука уделяет основное внимание устойчивости, порядку, однородности и равновесию. Она изучает главным образом замкнутые системы и линейные соотношения, в которых малый сигнал на входе вызывает равномерно во всей области определения малый отклик на выходе. Случайность не востребована в этой науке, оно - досадное недоразумение.
Пригожин
Илья Романович (1917-2003) — бельгийский и американский физик и химик,
нобелевский лауреат по химии (1977), основатель и директор Центра по изучению
сложных квантовых систем (США); им доказано существование неравновесных
термодинамических систем, которые, при определённых условиях, поглощая вещество
и энергию из окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к
усложнению (диссипативные структуры). Причём такой скачок не предсказывают
классические законы термодинамики. Автор книг "Введение в термодинамику
необратимых процессов", "Неравновесная статистическая механика", "Химическая
термодинамика", "Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций",
"Самоорганизация в неравновесных системах", "Порядок из хаоса", "Новый диалог
человека с природой", "Познание сложного", "Молекулярная теория растворов",
"Современная термодинамика" и др.
Развивая основы неравновесной термодинамики, Пригожин показал, что «универсальные законы» отнюдь не универсальны, а применимы лишь к локальным областям реальности. Его парадигма акцентирует внимание на таких аспектах, как разупорядоченность, неустойчивость, разнообразие, неравновесность, выражающиеся в нелинейных соотношениях, в которых малый сигнал на входе может вызвать сколь угодно сильный отклик на выходе, и темпоральности — повышенной чувствительности к ходу времени. Некоторые части Вселенной действительно могут действовать как механизмы. Таковы замкнутые системы, но они составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, представляющих для нас интерес, открыты — они обмениваются энергией, веществом или информацией с окружающей средой. В мире господствуют не порядок, стабильность и равновесие, а, наоборот, неустойчивость и неравновесность, а порядок - лишь редкий частный случай.
Школа Пригожина развивала классическую неравновесную термодинамику, основанную на фундаментальном предположении о локальном равновесии, которое предполагает, что равновесные термодинамические соотношения справедливы для термодинамических переменных, определенных в элементарном объеме. Считается, что рассматриваемая система может быть разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но и достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко к состоянию равновесия. Данное предположение справедливо для широкого класса физических систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики. Отметим, что предположение о локальном равновесии является грубым допущением для обширного класса систем и процессов. Примеры включают в себя такие явления, как распространение ультразвука в газах, суспензии, растворы полимеров, гидродинамика фононов, ударные волны, разреженные газы и т.д. Способы преодоления этих недостатков мы рассмотрим в последующих лекциях данного курса.
Важным направлением неравновесной термодинамики является решение проблемы необратимости времени.
Напомним, что согласно традиционным представлениям, необратимость времени возникает не на фундаментальном уровне (где все элементарные процессы описываются обратимыми уравнениями Ньютона), а позднее – при усреднениях или учёте краевых и начальных условий. По мнению школы Пригожина, необратимость возникает на фундаментальном уровне вследствие конечной разрешающей способности прибора, с помощью которого производится наблюдение. Важно, что все системы содержат подсистемы, которые непрестанно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или комбинация флуктуации может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент (точка бифуркации) принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдёт на новый, более дифференцированный и более высокий уровень упорядоченности или организации (диссипативную структуру).
Бифуркация (bifurcus
— «раздвоенный») - термин, употребляемый для обозначения всевозможных
качественных перестроек или метаморфоз различных объектов при изменении
параметров, от которых они зависят.
Точка бифуркации — смена установившегося
режима работы системы (термин из неравновесной термодинамики и синергетики),
т.е. критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой
относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние
системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и
высокий уровень упорядоченности. Важный параметр в теории самоорганизации.
Основным свойством точки бифуркации является непредсказуемость, т.к. обычно
точка бифуркации имеет несколько веточек аттрактора (устойчивых режимов работы),
по одному из которых пойдёт система. Однако заранее невозможно предсказать,
какой новый аттрактор займёт система. Кроме того, точка бифуркации носит
кратковременный характер и разделяет более длительные устойчивые режимы системы.
Аттрактор (attract — привлекать, притягивать — компактное подмножество фазового
пространства динамической системы, все траектории из некоторой окрестности
которого стремятся к нему при времени, стремящемся к бесконечности. Аттрактором
может являться притягивающая неподвижная точка (к примеру, в задаче о маятнике с
трением о воздух), периодическая траектория (пример — самовозбуждающиеся
колебания в контуре с положительной обратной связью), или некоторая ограниченная
область с неустойчивыми траекториями внутри (как у странного аттрактора).
Теория
бифуркаций динамических систем — это теория, которая изучает изменения
качественной картины разбиения фазового пространства, в зависимости от изменения
параметра (или нескольких параметров).
Динамическая система — математическая
абстракция, предназначенная для описания и изучения эволюции систем во времени.
Она может быть представлена как система, обладающая состоянием. При таком
подходе, динамическая система описывает динамику некоторого процесса, а именно:
процесс перехода системы из одного состояния в другое. Фазовое пространство
системы — совокупность всех допустимых состояний динамической системы. Таким
образом, динамическая система характеризуется своим начальным состоянием и
законом, по которому система переходит из начального состояние в другое.
Важнейшие понятия теории динамических систем — устойчивость (способность системы
сколь угодно долго оставаться около положения равновесия или на заданном
многообразии) и грубость (сохранение свойств при малых изменениях структуры
динамической системы; «грубая система — это такая, качественный характер
движений которой не меняется при достаточно малом изменении параметров.
 |
| Фазовая диаграмма странного аттрактора Лоренца — пример нелинейной динамической системы. Изучением подобных систем занимается теория хаоса. |
Диссипация энергии —
переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося
тела, энергии электрического тока и т. д.) в энергию неупорядоченных процессов,
в конечном итоге — в тепло.
Диссипативные структуры - физические или химические
структуры, для поддержания которых требуется больше энергии, чем для поддержания
более простых структур, на смену которым они приходят. Это — устойчивые
пространственно неоднородные структуры, возникающие в результате развития
неустойчивостей в однородной неравновесной диссипативной среде.
Диссипативная
система (dissipatio — «рассеиваю, разрушаю») — открытая система, оперирующая
вдали от термодинамического равновесия, т.е. это устойчивое состояние,
возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии,
которая поступает извне. Диссипативная система - стационарная открытая система
(неравновесная открытая система). Диссипативная система характеризуется
спонтанным появлением сложной, зачастую хаотичной структуры. Отличительная
особенность таких систем — несохранение объёма в фазовом пространстве, т.е.
невыполнение теоремы Лиувилля. Примерами такой системы являются ячейки Бенара,
лазеры, реакция Белоусова-Жаботинского и биологическая жизнь. Термин введён
Пригожиным. Процесс «самоорганизации» происходит быстрее при наличии в системе
внешних и внутренних «шумов», т.е. шумовые эффекты приводят к ускорению процесса
«самоорганизации».
Идея Пригожина заключается в возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. В состояниях, далеких от равновесия, происходят многие спонтанные, нередко весьма значительные перераспределения материи во времени и в пространстве. В таких состояниях очень слабые возмущения, или флуктуации, могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру, что объясняет всевозможные процессы качественного или резкого (не постепенного, не эволюционного) изменения. Эффекты, обнаруженные при изучении сильно неравновесных состояний и нелинейных процессов, в сочетании со сложными системами, наделёнными обратными связями, привели к созданию нового подхода, позволяющего установить связь фундаментальных наук с «периферийными» науками о жизни и понять некоторые социальные процессы.
В модели мира, построенной Ньютоном, любой момент времени в настоящем, прошлом и будущем был неотличим от любого другого момента времени. Планеты могли обращаться вокруг Солнца как вперед, так и назад по времени, ничего не изменяя в самих основах ньютоновской системы - идея обратимого времени.
После формулировки второго начала термодинамики внимание вновь было приковано к понятию времени. Дело в том, что согласно второму началу термодинамики запас энергии во Вселенной иссякает, а коль скоро мировая машина сбавляет обороты, неотвратимо приближаясь к тепловой смерти, ни один момент времени не тождествен предшествующему. Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии. События в целом невоспроизводимы, а это означает, что время обладает направленностью, т.е. существует стрела времени. Вселенная стареет, время утрачивает обратимость и становится необратимым.
Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Оно запрещает вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.
Энтропия (поворот, превращение) — в естественных науках мера неупорядоченности системы, состоящей из многих элементов. В статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит, и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса). Энтропия в информатике — степень неполноты, неопределённости знаний.Энтропия — мера неупорядоченности системы. Явление, обратное энтропии, именуется негэнтропией. Понятие энтропии впервые было введено Клаузисом в термодинамике (1865).
Стрелы времени - метафорическое название эмпирических индикаторов направления времени. Понятие введено А.Эддингтоном. В проблеме необратимости используются три стрелы времени: термодинамическая стрела, указывающая то направление времени, в котором возрастает энтропия (беспорядок); космологическая стрела времени, в направлении которой происходит расширение Вселенной, и психологическая стрела или направление времени, соответствующее нашему ощущению непреклонного хода времени, направление накопления поступающей информации. Известны и ещё три: стрела времени, связанная с тем "предпочтением", которое природа оказывает запаздывающим волнам перед опережающими, т.е. "волновая стрела"; стрела, проявляющаяся в процессе распада K0-мезона - единственная анизотропия времени, которая наблюдается в физике элементарных частиц; квантовомеханическая стрела, связанная с процедурой измерения в квантовой механике.
Возникновение термодинамики привело естествознание к расколу в связи с проблемой времени. Более того, даже те, кто считал время необратимым, вскоре разделились на два лагеря. Если запас энергии в системе тает, то способность системы поддерживать организованные структуры ослабевает, поэтому высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Однако именно организация наделяет систему присущим ей разнообразием. По мере того как иссякает запас энергии и возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Следовательно, второе начало термодинамики предсказывает всё более однородное будущее (прогноз с человеческой точки зрения пессимистический).
Обратимся теперь к проблемам, поднятым Дарвином и его последователями. Экспериментально доказано, что вопреки предсказаниям термодинамики, эволюция не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм. Наоборот, эволюция развивается в противоположном направлении: от простого к сложному, от низших форм жизни к высшим, от недифференцированных структур к дифференцированным. С человеческой точки зрения, такой прогноз весьма оптимистичен. Старея, Вселенная обретает все более тонкую организацию. Со временем уровень организации Вселенной неуклонно повышается.
Пригожин попытался примирить термодинамиков с дарвинистами: по его мнению, стрела времени проявляет себя лишь в сочетании со случайностью. Только в том случае, когда система ведёт себя достаточно случайным образом, в её описании возникает различие между прошлым и будущим и, следовательно, необратимость.
В механистической, науке исходным рубежом событий служат начальные условия. Атомы или частицы движутся по мировым линиям, или траекториям. Задав начальные условия, мы можем выпустить из исходной мировой точки траекторию как назад по времени — в прошлое, так и вперед по времени — в будущее. С совершенно иной ситуацией мы сталкиваемся при рассмотрении некоторых химических реакций, например в случае, когда две жидкости, слитые в один сосуд, диффундируют до тех пор, пока смесь не станет однородной, или гомогенной. Обратная диффузия, которая приводила к разделению смеси на исходные компоненты, никогда не наблюдается. В любой момент времени смесь отличается от той, которая была в сосуде в предыдущий момент и будет в следующий. Весь процесс ориентирован во времени.
В классической науке такие направленные во времени процессы считались аномалиями, курьезами, обязанными своим происхождением выбору весьма маловероятных начальных условий. Однако оказалось, что такого рода нестационарные односторонне направленные во времени процессы отнюдь не являются отклонениями от мира с обратимым временем. Справедливо обратное утверждение: редким явлением следует считать обратимое время, связанное с замкнутыми системами. Связанные с открытостью системы и случайностью, необратимые процессы порождают высокие уровни организации, например диссипативные структуры.
Энтропия — не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишённому какой бы то ни было организации. При определенных условиях энтропия становится прародительницей порядка.
Подход школы Пригожина к проблеме времени - синтез, охватывающий наряду с обратимым и необратимое время и показывающий взаимосвязь того и другого времени не только на уровне макроскопических, но и на уровне микроскопических и субмикроскопических явлений. Подчеркивая, что необратимое время - характерная особенность большей части Вселенной, Пригожин подрывает самые основы классической динамики. Выбор между обратимостью и необратимостью не является выбором одной из двух равноправных альтернатив. Обратимость присуща замкнутым системам, необратимость — всей остальной части Вселенной.
Утверждение, что при неравновесных условиях энтропия может производить не деградацию, а порядок, организацию и, в конечном счёте, жизнь, противоречит традиционным представлениям классической термодинамики. Энтропия, как источник организации, утрачивает характер жесткой альтернативы, возникающей перед системами в процессе эволюции: в то время как одни системы вырождаются, другие развиваются по восходящей линии и достигают более высокого уровня организации. Такой объединяющий, а не взаимоисключающий подход позволяет биологии и физике сосуществовать, вместо того чтобы находиться в противоборстве.
Еще один синтез, достигнутый неравновесной термодинамикой — установление нового отношения между случайностью и необходимостью. В Ветхом завете утверждается, что всё происходящее в этом мире заранее предустановлено. Однако оказалось, в реальном мире случайность и предопределённость действуют попеременно. Сейчас стирающий всякие различия, обезличивающий подход старого детерминизма сменился подчеркивающим различия эволюционным подходом, основанным на использовании детерминаций. Учёные признали сосуществование случайного и необходимого, связанных между собой отношением не подчинения, а равноправного партнерства во Вселенной, одновременно организующего и дезорганизующего себя. В окружающем нас мире действуют и детерминизм, и случайность, причём необходимость и случайность великолепно согласуются, дополняя друг друга.
Согласно теории изменения, проистекающей из понятия диссипативной структуры, когда на систему, находящуюся в сильно неравновесном состоянии, действуют, угрожая её структуре, флуктуации, наступает критический момент — система достигает точки бифуркации. В точке бифуркации принципиально невозможно предсказать, в какое состояние перейдет система. Случайность подталкивает то, что остаётся от системы, на новый путь развития, а после того как путь (один из многих возможных) выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации.
Строгие методы моделирования качественных изменений позволяют по-новому взглянуть на понятие катастрофы (революции). Знание, каким образом иерархия неустойчивостей порождает структурные изменения, проясняет теорию организации. Пригожину принадлежит оригинальная трактовка некоторых психологических процессов, например инновационной деятельности, в которой он усматривал связь с «несредним» поведением, аналогичным возникающему в неравновесных условиях. Его теория полезна для изучения коллективного поведения. Она предостерегает против принятия генетических или социобиологических объяснений малопонятных сторон социального поведения. Многое из того, что обычно относят за счёт действия тайных биологических пружин, в действительности порождается не «эгоистичными» детерминистскими генами, а социальными взаимодействиями в неравновесных условиях.
Синергетика потребовала создание нового математического аппарата, отличного от традиционных методов математической физики. Если ранее полагали, что простые универсальные законы существуют, познаваемы, а их использование будет исключительно полезным; как бы ни были сложны уравнения, следующие из этих законов, сколько бы их ни было, их удастся решить. Детерминизм задавал уверенность в том, что можно, решив уравнения, заглянуть как угодно далеко в будущее и в прошлое. Очередную поддержку такой подход получил с внедрением компьютеров. Мощная вычислительная техника позволила решать системы из тысяч уравнений. Однако революционных прорывов не случилось, к тому же оказалось, что современная математика позволяет решить далеко не все задачи. Например, в теории динамического хаоса – важной области нелинейной науки – было показано, что даже для довольно простых детерминированных систем (в которых будущее однозначно определяется настоящим) существует горизонт прогноза, заглянуть за который нельзя, какую бы мощную вычислительную технику и какие бы эффективные алгоритмы исследователи ни использовали. Кроме того, теория самоорганизованной критичности показывает, что для многих сложных иерархических систем типичны редкие катастрофические события. Поэтому определить необходимые параметры, опираясь на предысторию, для таких объектов достаточно сложно.
Системный анализ в свое время позволил продвинуться в изучении сложных систем. Но он хоть и системный, но анализ, т.е. способ выделения отдельных свойств и качеств. В то же время остро ощущается необходимость в системном, целостном представлении об объекте. С этой целью был создан системный синтез - составная часть синергетики. Он позволил прояснить каким образом происходит процесс самоорганизации в природе, и можно ли его как-то скопировать для развития компьютерных систем. Системный синтез облегчает выбор стратегии развития, позволяет перейти от баз данных к базам знаний, осуществить самоорганизацию в пространстве знаний и навыков.
Под синергизмом понимают совместное действие для достижения общей цели, основанное на принципе, что целое представляет нечто большее, чем сумма его частей. Синергизм означает превышение совокупным результатом суммы слагающих его факторов. Синергический эффект бывает как положительным (2+2>4), так и отрицательным, вредным (2+2<4). В медицине синергизм - объединенное действие двух лекарственных препаратов, которое оказывается сильнее, чем сумма действий этих двух лекарств, при их раздельном использовании. В политике синергизм - комбинированное воздействие на политические, социальные, экономические организации, институты, системы, при котором суммированный эффект превышает действие, совершаемое каждым компонентом в отдельности. Примерами синергизма являются: соединение двух и более кусков радиоактивного материала, при превышении критической массы дают выделение энергии, превосходящее излучение энергии простого суммирования отдельных кусков; знания и усилия нескольких человек можно организовывать таким образом, что они взаимно усиливаются; прибыль после слияния двух компаний может превосходить сумму прибылей этих компаний до объединения; обмен идеями и т.п.
На синергизме и синергетических эффектах строится наука синергетика.
Синергетика – это теория самоорганизации в системах различной природы. Эта наука имеет дело с явлениями и процессами, в результате которых у системы – у целого – могут появиться свойства, которыми не обладает ни одна из частей. Поскольку речь идёт о выявлении и использовании общих закономерностей в различных областях, то этот подход предполагает междисциплинарность, которая означает сотрудничество в разработке синергетики представителей различных научных дисциплин.
Самоорганизующаяся система — динамическая адаптивная система, в которой запоминание информации (накопление опыта) выражается в изменении структуры системы.
Адаптивная система (самоприспосабливающаяся система) — система, автоматически изменяющая данные алгоритма своего функционирования и (иногда) свою структуру с целью сохранения или достижения оптимального состояния при изменении внешних условий.
Саморазвивающаяся система — динамическая система, самостоятельно выбирающая цели своего развития и критерии их достижения; изменяет свои параметры, структуру и другие характеристики в заданном направлении.
Обычно под синергетикой понимают энергию совместного действия. Это - междисциплинарное направление, которое занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем различной природы (электронов, атомов, молекул, клеток, нейронов, механических элементов, органов животных, людей, транспортных средств и т.п.), и выявлением того, каким образом взаимодействие таких подсистем приводит к возникновению пространственных, временных или пространственно-временных структур в макроскопическом масштабе. Синергетика представляет собой новую обобщающую науку, изучающую основные законы самоорганизации сложных систем. В неё входят такие области, как нелинейная динамика, хаос, фракталы, катастрофы, бифуркации, волны, солитоны, полевые эффекты и т.д. Синергетика предоставляет язык, на котором могут общаться математики, физики, химики, биологи, психологи и др.
Синергетика изучает многовариантное и неоднозначное поведение многоэлементных структур, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. К этим системам неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии; в них происходит образование новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные. В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер, и тогда они называются автоволновыми процессами.
К интересам синергетики относят явления, возникающие от совместного действия нескольких разных факторов, в то время, как каждый фактор в отдельности к этому явлению не приводит. Синергетику также можно определить как науку о самоорганизации, под которой понимают самопроизвольное усложнение формы, или структуры системы при медленном и плавном изменении её параметров (пример - ячейки Бенара). Иногда под синергетикой понимают науку о неожиданных явлениях, поскольку любое качественное изменение состояния системы производит впечатление неожиданного (хотя причина известна - неустойчивость). Анализ, вскрывающий причину неожиданного явления, и составляет предмет синергетики. Математический аппарат, используемый в синергетике, - теория динамических систем.
Как известно, природные системы устойчивы относительно внешних воздействий, обладают свойствами самообновляемости, самоусложнению, росту, развитию. Они характеризуются согласованностью всех составных частей. Напротив, для техногенных систем свойственны резкие ухудшения функционирования даже при сравнительно небольшом изменении внешних воздействий или ошибках в управлении. Поэтому желательно использовать опыт природы в деятельности человека. Отсюда вытекает одна из задач синергетики - выяснение законов возникновения упорядоченности, её развития и самоусложнения. Проблема оптимальной упорядоченности и организации важна при решении энергетических, экологических и других глобальных проблем.
Математический аппарат синергетики достаточно сложен, но всё же недостаточен для решения задач, стоящих перед этой наукой. Как известно, традиционная математическая физика использует линейные дифференциальные уравнения в частных производных, т.е. уравнений с неизвестными в первой степени. Системы таких уравнений описывают процессы, которые с увеличением интенсивности внешних воздействий претерпевают только количественные изменения, а новых качеств не возникает. Они применяются в квантовой механике, электродинамике, теории волн, сопротивлении материалов, теплопроводности и диффузии. Однако существуют явления, которые при интенсивном внешнем воздействии приобретают новые качества и начинают протекать по изменённым законам. Описываются они нелинейными уравнениями, решение которых аналитическими методами невозможно, а численными - затруднительно. Поэтому одна из серьёзных задач синергетики - разработка адекватного математического аппарата, способного описывать эволюцию сложных систем.
Достаточно важно, что синергетика опирается на методы, применимые к различным наукам и изучает многокомпонентные системы безотносительно к их природе. Кроме того, она занимается многими областями, оказавшимися за пределами традиционных наук. Например, термодинамика и теория информации изучают статику, тогда как для синергетики основный интерес представляет динамика. Неравновесные фазовые переходы синергетических систем, включая колебания, пространственно-временные структуры и хаос, отличаются несравненно большим разнообразием, чем фазовые переходы систем, находящихся в состоянии теплового равновесия. В отличие от кибернетики, занимающейся разработкой алгоритмов и методов, позволяющих управлять системой так, чтобы та функционировала заданным образом, синергетика изучает самоорганизацию системы при произвольном изменении управляющих параметров. В отличие от теории динамических систем, которая игнорирует флуктуации в точках бифуркации, синергетика изучает стохастическую динамику во всей её полноте в подпространстве зависящих от времени управляющих параметров.
Важная особенность синергетических систем состоит в том, что ими можно управлять извне, изменяя действующие на системы факторы. Например, скорость роста клеток можно регулировать, обрабатывая клетки различными химическими веществами. Временная эволюция синергетических систем зависит от причин, которые не могут быть предсказаны с абсолютной точностью. Непредсказуемость поведения таких систем связана не только с неполнотой информации о состоянии из многочисленных подсистем и квантовыми флуктуациями, но и с тем, что их эволюция очень чувствительна к начальным условиям. Даже небольшое различие в начальных условиях коренным образом изменяет последующую эволюцию системы. В процессе временной эволюции синергетическая система, находящаяся в одном состоянии, переходит в новое состояние, при этом не все параметры состояния имеют одинаковое значение, и одни параметры состояния можно выразить через другие, в результате чего количество независимых переменных уменьшается. Синергетика - наука, направленная на согласованность взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого.
Теория синергетики в основном состоит из нескольких частей:
1. Статистическая физика в приложении к
описанию существенно неравновесных процессов, в рамках которой создаются
кинетические модели, определяются параметры, необходимые для её описания,
выявляются корреляции, крупномасштабные флуктуации, устанавливаются
закономерности перехода в состояние равновесия.
2. Термодинамика открытых систем
в приложении к изучению стационарных состояний, сохраняющих устойчивость в
определённом диапазоне внешних условий, поиск условий самоорганизации, т.е.
возникновения упорядоченных структур из неупорядоченных при диссипации энергии.
3. Теория динамического хаоса, исследующая сверхсложную, скрытую упорядоченность
поведения наблюдаемой системы; например, явление турбулентности.
4. Теория
катастроф, базирующаяся на нелинейных дифференциальных уравнениях, определяющих
состояния далёкие от равновесия и зависящие от входящих параметров. С её помощью
определяются границы устойчивости и изменения структуры состояний. Исследует
поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркации, аттрактора,
неустойчивости.
5. Теория фракталов, занимающаяся изучением сложных самоподобных
структур, часто возникающих в результате самоорганизации; сам процесс
самоорганизации также может быть фрактальным.
Математический аппарат синергетики скомбинирован из разных отраслей теоретической физики: нелинейной неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп, тензорного анализа, дифференциальной топологии неравновесной статистической физики. Методология синергетики распространяется на многие науки: от физики твёрдого тела и лазерной техники и до биофизики и проблем искусственного интеллекта. Известны такие разделы синергетики, как лингвистическая синергетика и прогностика, семантическая синергетика и др.
Феномен появления упорядоченных структур трактуется синергетикой как всеобщий механизм наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному. С мировоззренческой точки зрения синергетику позиционируют как универсальную теорию эволюции, дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций, подобно тому, как некогда кибернетика определялась, как «универсальная теория управления», одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т. д. Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды. Аналогичным образом, и расширительное толкование применимости методов синергетики также подвергается критике.
Дело в том, что область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания. Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций.
Синергетика находится на начальной стадии развития: неизвестно - станет ли она законченной наукой или постепенно свернётся, как это произошло с кибернетикой. Сейчас этим термином пользуются далеко не все учёные. Так, представители школы Пригожина, усилиями которых разрабатывалась математическая теория поведения диссипативных структур, и создавались мировоззренческие основания теории самоорганизации, как парадигмы универсального эволюционизма, никогда не используют термин «синергетика». О коллективных явлениях они не вспоминают, а предпочитают называть разработанную ими методологию «теорией диссипативных структур» или просто "неравновесной термодинамикой", подчёркивая преемственность своей школы пионерским работам Ларса Онзагера в области необратимых химических реакций.
Противники создания синергетики, как новой науки указывают на то, что неологизмы от слова "синергена" уже неоднократно использовались. Кроме того, термин синергетика имеет два разных значения: содействие и сотрудничество, что вредно при введении специальной науки. К тому же, многое из того, что стали относить к синергетике, давно принадлежит системному анализу.
Известно, что между поведением совершенно различных систем, изучаемых различными науками, существуют аналогии. Изучаемые синергетикой системы как раз и относятся к компетенции различных наук, причём одновременно другие науки привносят в синергетику свои идеи. В настоящее время назрела острая необходимость в создании особой науки, которая объединила бы науки, интересующиеся самоорганизацией систем. Но станет ли такой наукой синергетика? Это вопрос...
Синергетика претендует на то, что в её руках есть набор методов, универсально полезных при изучении самых разнообразных явлений самоорганизации. Более того, синергетики уверены в том, что они нацелены на изучение самоорганизации и только её, тогда как все остальные дисциплины рассматривают этот феномен лишь в ряду других явлений, относящихся к их предмету. Но если основной предмет синергизма - самоорганизация, то может быть и следует называть новую науку наукой о самоорганизации? Впрочем, возможно, что когда разовьется теория самоорганизации, то её и будут называть синергетикой. Просто ради краткости.
Не менее сильную оппозицию синергетика встретила в среде физиков, химиков, биологов, занимающихся автоволновыми процессами. Учёные, работающие в этих областях, утверждают, что многие явления, которые синергетика стремится описать, давно известны, и описаны, в частности в теории автоволновых процессов. И что само введение новой терминологии лишь затемняет дело. Сторонников синергетики обвиняют в словесной эквилибристике, в попытках эксплуатировать модные тенденции к синтезу любой ценой.
Тем не менее, идеи Хакена были подхвачены с поразительной быстротой. Связано это с тем, что у многих учёных возник страх перед углубляющейся специализацией. Раздались призывы унифицировать язык науки. Поэтому лозунг синтеза знаний о природе, и призывы к кардинальному синтезу науки культуры, мгновенно подхватывались. Но после первых восторгов встал вопрос: а есть ли фундамент для нового объединения? И если есть, то насколько он основательный?
Синергетика, как наука, основывается на том, что синергетический подход хорошо работает при описании процессов, имеющих кооперативный, самосогласованный, "синергетический" характер. Важным успехом этой науки явился синтез в рамках синергетического подхода теории диссипативных структур (создана вне синергизма), с теорией фазовых переходов и квантовой генерации. В синергетическом подходе реализована дополнительность одних методов и теорий по отношению к другим. Например, в рамках исследования диссипативных структур оказалось, что макродинамические методы анализа системы и термодинамические способы ограничивают область применения друг друга.
В настоящее время происходит становление методологии новой науки. Удастся ли ей утвердится в своих правах, покажет время.
При рассмотрении перспектив развития синергетики можно ожидать, что эта наука окажется полезной при дальнейшем развитии концепции устойчивого развития; решения проблемы гонки вооружений; разработке и внедрения новых технологий, например, глобальной системы телекоммуникаций, микромашин, нанотехнологий (создание микросхем, новых катализаторов и выращивание отдельных органов человека; освоение процессов самоорганизации и самоформирования различных структур на этих масштабах): в создании новых поколений вычислительных комплексов, в том числе - квантовых компьютеров: в развитии социальных организмов в постиндустриальную эпоху; в понимании возможности человека воспринимать информацию с помощью своих органов чувств и воздействовать на окружающее; в описании особенностей экономических кризисов, способов их предотвращения и путей выхода из них; в построении на основе методов и представлений нелинейной динамики модели исторических процессов; в анализе системных механизмов демографических процессов; в математической психологии.
Ожидается, что синергетика окажется полезной в сфере изучение структур, связанных с возникновением упорядоченности в пространстве скоростей. Они активно исследуются в связи с задачами физики плазмы, с проектами управляемого термоядерного синтеза, астрофизическими проблемами, различными плазменными технологиями. Анализ этих задач требует кинетического описания вещества, совершенных алгоритмов, суперкомпьютеров. Лазеры, в которых выходящее излучение каким-то образом подаётся на вход, служат объектом моделирования и экспериментального исследования. Это моделирование требует привлечения одного из самых сложных объектов современной прикладной математики – дифференциальных уравнений с запаздыванием. Классические уравнения с запаздыванием, например уравнение Хатчинсона, при большом запаздывании трудно исследовать численно. Поэтому на передний план выходят асимптотические подходы, на которые можно опираться, исследуя модели. Возникла положительная обратная связь – оптоэлектроника; новые технологии требуют нового математического аппарата, а последний позволяет обнаруживать новые режимы генерации, которые находят практическое применение.
Одной из основных технологий постиндустриальной эпохи становятся методики прогноза. Прорыв в этой области связан с теорией самоорганизованной критичности, позволившей с единой точки зрения взглянуть на сложные системы, в которых возможны редкие катастрофические события. Это касается землетрясений и биржевых крахов, наводнений и инцидентов с хранением ядерного оружия, многих типов техногенных аварий и утечки конфиденциальной информации.
Перспективы синергетики связывают с возможностью обеспечения целеполагания, планирования, т.е. проектирования будущего.
Возможно, уже в этом веке возникнет новая мета-наука, объединяющая гуманитарные и естественнонаучные знания, и может быть это будет синергетика.