Розвиток концепції самоорганізації

 

Паралельно із синергетичними дослідженнями розвивалася й теорія самоорганізації на основі термодинаміки нерівноважних процесів.

Фундаментальні результати, отримані в дослідженні термодинаміки нерівноважних процесів, зв'язані насамперед з іменем лауреата Нобелівської премії І. Пригожина і його Брюсельською школою.

Навідміну від класичної термодинаміки, що розглядала системи в рівновазі або поблизу неї, Пригожин зосередився на вивченні систем, сильно вилучених від рівноважного стану. Іншим принциповим моментом теорії Пригожина є те, що вона розглядає відкриті системи. Класична термодинаміка вивчала замкнуті системи, але такі складають лише невелику частину фізичного світу. Більшість систем у Всесвіті відкриті: вони обмінюються речовиною, енергією або інформацією з навколишнім середовищем.

До числа яскраво виражених відкритих систем належать біологічні й соціальні системи.

Згідно Пригожина, всі системи містять підсистеми, які безупинно флуктуюють. B окремих випадках, збурювання або їхні комбінації в результаті позитивного зворотного зв'язку можуть стати настільки сильними, що це приведе до руйнування системи.

B цей переломний момент, названий особливою крапкою, або крапкою біфуркації, принципово неможливо пророчити, у якому напрямку буде проходити подальший розвиток: чи відбудеться хаотизація й катастрофа, або система перейде на новий, більш диференційований і більш високий рівень упорядкованості або організації.

Оскільки таким високо організованим системам для своєї підтримки потрібно розсіювати значну кількість енергії, Пригожин назвав їх диссипативними структурами. Розглядаючи диссипативні структури, Пригожин особливо підкреслює можливість спонтанного виникнення порядку й організації з хаосу в результаті процесу самоорганізації. Типовими диссипативними структурами є структури, що утворяться в результаті реакції Білоусова - Жаботинського.

Використовуючи результати не рівноважної термодинаміки, Пригожин створив теоретичну модель, названу брюсселятором, на честь Брюссельської школи, що адекватно описує процес виникнення цих незвичайних структур.

З робіт Пригожина робиться висновок, що має найважливіше філософське значення, а саме: у станах, далеких від рівноваги, дуже слабкі збурювання (флуктуації) можуть підсилюватися до гігантських масштабів, що руйнують сформовану структуру. Це дає ключ до аналізу процесів якісних змін не тільки в неживій і живій природі, але й, можливо, у соціальній сфері. По вираженню О. Тоффлера, такі слова, як «революція», «економічна криза», «технологічне зрушення» і «зрушення парадигми», здобувають нові відтінки, коли ми починаємо мислити про відповідні поняття в термінах флуктуації, позитивних зворотних зв'язків, диссипативних структур, біфуркацій і інших елементів концептуального лексикона школи Пригожина.

Не менш, якщо не більш важлива проблема, охоплювана термодинамікою не рівноважних процесів - це проблема часу. Переосмислюванню поняття часу присвячена значна частина книги Пригожина й Стенгерс «Порядок з хаосу». Саме через таке переосмислення, вважає Пригожин, можна почати новий діалог людини із природою, відновити цілісний, універсальний погляд на світ.

B класичній, ньютоновскій науці час виступав як простий параметр. Всі процеси, розглянуті ньютоновскою механікою, були оборотними, тобто нічого принципово не змінювалося при заміні знака часу на зворотний. B XIX ст. інтерес науки перемістився з механіки на термодинаміку. Після відкриття другого початку термодинаміки в науку ввійшло поняття необоротності й, відповідно, спрямованості часу. Виявилося, що фізична величина, названа ентропією, поводиться таким чином, що в замкнутих системах при необоротних процесах вона може тільки зростати.

Ентропія виявилася величиною, тісно пов'язаною з поняттям хаосу, що знищує всяку організованість, приводячи елементи системи в стан однорідної, нерозрізненої маси. Таким чином, другий початок термодинаміки говорить про необоротну деградацію систем. Застосування цього закону у Всесвіті в цілому виразилося в появі гіпотези так названої «теплової смерті Всесвіту».

У тому ж XIX ст. з'явилася еволюційна теорія Ч. Дарвіна, що визначає розвиток біологічних видів від простого до складного, від нижчих форм життя до вищих, від недиференційованих структур до диференційованих.

Таким чином, склалися дві прямо протилежні картини: у живій природі - розвиток по висхідній лінії; у неживий - по спадній, до менш організованих структур, і в межі - до повністю дезорганізованого стану.

Це протиріччя було дозволено лише в XX ст. Перед тим було усвідомлено принципове значення відкритості більшості існуючих систем. B частковості, організми, будучи відкритими системами, постійно пропускають через себе потоки речовини й енергії. По вираженню Е. Шредингера, «організм харчується негативною ентропією», або негентропією. Постачальником негентропії на Землю є сонячна енергія. B подальших працях Пригожина було показано, що в той час, як в ізольованих системах ентропія може тільки зростати, у відкриті вона може виникати й переноситися в навколишнє середовище (виробництво й експорт ентропії), у результаті чого ентропія з величини, що характеризує невпинний рух до стану, позбавленому якої-небудь організації, за певних умов стає прародителькою порядку.

Ентропія може вироблятися усередині самої системи, так і надходити в неї ззовні - із середовища. Середовище відіграє більшу роль в энтропійно-негентропійному обміні, що полягає в наступному:

- середовище може бути для системи генератором ентропії (флуктуації, що приводять систему в стан хаосу, можуть виходити із середовища);

- середовище може виступати також фактором порядку, оскільки ті ж флуктуації, підсилюючись, підводять систему до порогу самоорганізації;

- у середовище може вироблятися відтік ентропії із системи; у середовищі можуть перебувати системи, кооперативний обмін ентропією з якими дозволяє підвищити ступінь упорядкованості, але навіть якщо середовище впливає на систему хаотично, а сила флуктуацій недостатньо велика для того, щоб викликати крапку біфуркації, система має можливість перетворювати хаос у порядок, роблячи для цього певну роботу.

Випадки такого перетворення широко відомі. Наприклад, після Другої світової війни американські окупаційні влади проводили в Японії політику, підкріплювану законодавчо, що повинна була назавжди залишити Японію в рядах слаборозвинених країн, проте вона стала одним з факторів, що сприяли японському «економічному чуду». Друге «чудо» виявила в післявоєнний період, лежача в руїнах Німеччина, тоді як країни-переможниці демонстрували куди менші успіхи. То є середовище, забезпечуючи приплив до системи речовини, енергії й інформації, підтримує її не рівноважний стан, сприяє виникненню нестійкості, що служить передумовою розвитку системи.

Вивчення об'єктів космічного масштабу привело до побудови моделей нестаціонарного всесвіту, які пояснюють еволюційний характер її змін і спростовують гіпотезу «теплової смерті».

Таким чином, еволюційність проявляє себе на мікро-, макро- і мегарівні організації матерії.

Г. Хакен вважає, що синергетика «ширше» концепції І. Пригожина, оскільки вона досліджує явища, що відбуваються в крапці нестійкості, і структуру (нову впорядкованість), що виникає за порогом нестійкості. Однак з іншого боку, у певному змісті більше широким, варто визнати підхід І. Пригожина, оскільки в його рамках розглядаються як нерівноважні, необоротні процеси, що протікають у відкритих системах, так і оборотні, що мають місце в закритих системах. B цілому синергетика й теорія змін уже майже невіддільний друг від друга, оскільки, будучи дуже близькими по об'єктам і методам дослідження, вони ввібрали понятійний апарат друг друга. Це особливо характерно для синергетики, тому концепцію Брюссельської школи можна розглядати як синергетичну. Синергетика й теорія змін склали фундамент концепції самоорганізації, на якій вже побудовані багато фізичних, хімічних, біологічних теорій.

Ґрунтуючись на принципах синергетики й термодинаміки не рівноважних процесів, H. H. Моісеєв побудував теорію еволюції біосфери як глобальної системи й переходу її в ноосферу через реалізацію принципу коеволюції людини й природи.

При побудові теорії еволюції біосфери H. H. Моісеєв у якості базових ключових понять використав дарвінівську тріаду: мінливість, спадковість, відбір. Однак він значно розширив їхній значеннєвий зміст на основі сучасного розуміння. Таке розширення дозволило виробити гнучкі засоби опису всіляких процесів, що дозволяють побачити загальний зміст, властивим будь-яким процесам розвитку. Особлива заслуга Моісеєва складається в поділі механізмів відбору на два принципово різних класи.

Перший клас одержав назву «адаптаційного механізму». До нього Моісеєв відносить насамперед дарвінівські механізми природного добору. Подібні механізми зустрічаються також на всіх інших формах руху матерії. Основна їхня особливість полягає в тому, що вони дозволяють у принципі передбачати (з певною точністю) розвиток подій і прогнозувати їх. Адаптація — це самонастроювання, що забезпечує системі, що розвивається, стійкість при даних конкретних умовах зовнішнього середовища. Вивчаючи ці умови, можна прогнозувати тенденції в зміні основних параметрів системи, які будуть відбуватися під дією цих механізмів. Інакше кажучи, можливе визначення заздалегідь безлічі станів системи, які будуть забезпечувати її стійкість за даних умов зовнішнього середовища. Стосовно до біологічної форми руху матерії цей механізм давно використовується в людській практиці. Тисячоріччями людина вела спрямований штучний відбір - селекцію рослин і тварин, адаптуючи їх до своїх потреб. Однак при всіх відмінностях мінливість об'єктів селекції не виходила за межі конкретного виду.

Таким чином, ні зовнішні збурювання, ні внутрішні пертурбації не здатні за допомогою адаптаційних механізмів вивести систему за межі того, по вираженню H. Моісеєва, «каналу еволюції», що заданий природою для розвитку цієї системи. При дії механізмів адаптаційного типу границі цього коридору, установлені об'єктивними законами, досить близький друг до друга й досить доступні для огляду в перспективі. Шлях розвитку в цьому випадку передбачуваний зі значною точністю, обумовленої границями нашого знання.

Однак існує інший клас механізмів розвитку, названий «біфуркаційним». Відповідно до нього організація системи має граничні стани, перехід через які веде до різкої якісної зміни процесів, що протікають у ній, до зміни самої організації. Більше того, у цьому випадку перехід від старої організації системи до нового неоднозначний, тобто можлива ціла безліч різних нових форм організацій. Яку саме форму прийме організація після проходження граничного (критичного) стану буде визначатися випадковими факторами. B зв'язку із цим, на думку Моісеєва, пророчити подальший розвиток системи неможливо.

B реальності процес розвитку є єдиним, що сполучає в собі різні механізми. Основні риси єдиного процесу розвитку наступні. Закони природи встановлюють певні границі зміни стану системи, «канали», усередині яких можуть протікати процеси еволюції системи. B свою чергу, безліч випадкових факторів впливає на ці границі, що може привести до їхнього порушення. Якщо параметри й стани системи не виводяться за обмежуючі межі, механізми розвитку носять адаптаційний характер. Границі адаптації можуть бути визначені в тому випадку, якщо відомі закони, що управляють розвитком. Однак під дією яких-небудь причин система може вийти на перетинання «каналів» адаптаційного розвитку. Тоді вступає в дію біфуркаційний механізм. Виникає кілька нових і різних варіантів розвитку. Цих варіантів стільки, скільки «каналів» виходить на «перехрестя». Чим складніше система, тим більша імовірність збільшення числа можливих шляхів її еволюції, дивергенції, а ймовірність появи двох систем, що розвиваються, у тотожних еволюційних каналах практично дорівнює нулю. Тому процес розвитку (самоорганізації) веде до безперервного росту розмаїтості форм.

Біфуркаційний механізм дозволяє пояснити діалектичну суперечливість еволюції, коли поряд з ускладненням, диференціацією, виникненням якісно нових структур у природі й суспільстві можливі деградація, необоротний розпад і зникнення системи.

При побудові теорії еволюції H. Моісеєв широко використовує мову й основні положення теорії самоорганізації. Додаток теорії самоорганізації до моделювання процесів еволюції дозволило говорити про еволюційно-синергетичну парадигму постнекласичної науки.

Поряд із завданнями, у яких міняються параметри середовища, С. П. Курдюмов і ін. розглянули інший клас нелінійних рівнянь, що описують явища самоорганізації. B цих завданнях варіюється тільки характер початкового впливу на те саме середовище. Зміна характеру початкового впливу означає не зміна його інтенсивності, а зміна просторової конфігурації, топології цього впливу. При цьому в середовищі з'являються різні структури. Ця проблема інтенсивно вивчається також у моделях середовища з «кінцевих автоматів», у відомій грі «Життя» Мейгена й ін. Отже, в одному й тому ж середовищі без зміни його параметрів можуть виникати різні структури, різні шляхи еволюції.

Однак увага школи Пригожина й багатьох інших дослідників спрямована саме на вивчення нестабільного, мінливого світу, що розвивається. B цьому світі без нестійкості немає розвитку. Наприклад, нелінійний позитивний зворотний зв'язок — найважливіший елемент у моделях авто каталітичних процесах, докладно досліджених Пригожиним і групою його співробітників. B таких процесах присутність продукту може збільшити швидкість його власного виробництва.

Школі під керівництвом С. П. Курдюмова вдалося побудувати один тип моделей, поводження яких визначається нелінійно-позитивними зворотніми зв'язками. Це так названі режими із загостренням, тобто режими зверхшвидкого наростання процесів у відкритих нелінійних середовищах, при яких характерні величини необмежено зростають за кінцевий час.

Методологія рішення завдань «на загострення» може дати нові підходи до рішення проблем колапсу - швидкого стиску речовини, хімічної кінетики, метеорології (катастрофічні явища в атмосфері Землі), екології (ріст і вимирання популяцій), нейрофізіології (моделювання поширення сигналів), нейроепідеміології (спалаху інфекційних захворювань), економіці (феномени бурхливого економічного росту або фінансового обвалу).

Безсумнівним успіхом синергетики з'явилося розкриття механізмів розвитку, переходу систем у стан з новою організацією, у нову якість. Таким чином, сформульований як філософське узагальнення діалектичний закон переходу кількісних змін у якісні знайшов не тільки ще одне підтвердження, але й стосовно до приватних наук одержав можливість конкретизуватися в математичній формі для дослідження реальних систем.

Закон переходу кількісних змін у якісні на рівні неживої природи тривалий час ілюструвався рівноважними фазовими переходами, зокрема, зміною агрегатного стану речовини, механізм якого був добре вивчений ще в XIX столітті. Безсумнівним науковим проривом синергетики з'явився математичний опис не рівноважних процесів, що приводять до появи нових структур на всіх рівнях організації матерії.

Однак успіхи в математичному описі явищ самоорганізації, проте, привели частину вчених до філософських висновків, які послужили джерелом полеміки.

Так, І. Пригожин прийшов до висновку, що «нестабільність» у деякому змісті заміняє «детермінізм», а тому наука сьогодні не є детерміністичною. Тільки системи, далекі від рівноваги, системи в стані нестійкості, нестабільності, здатні спонтанно організовувати себе й розвиватися. Стійкість і рівновага - це, навпроти, тупики еволюції.

Аргументоване заперечення позиції І. Пригожина дали E. H. Князєва й С. П. Курдюмов. Вони не погоджуються із Пригожиним у тім, що, підкреслюючи й ставлячи в центр проблемного поля одне подання - нестабільність, можна відкидати інше - стабільність, детермінізм. Якби нестійкість була головною властивістю всіх систем миру, тоді все було б хаотичним, що розпадається, не було б можливості не контролювати, не пророкувати майбутній стан. Очевидно, що це далеко не так. Не все у світі нестійке, а є певні класи нестійких систем. Нестійкими системами, тобто такими, для яких існують принципові границі пророкувань і контролю, можна вважати, наприклад, так називані дивні аттрактори. Фазовий портрет дивного аттрактора - це деяка область, по якій відбуваються випадкові блукання. Але навіть системи, описувані дивними аттракторами, тобто хаотизовані, нестійкі системи, не можна вважати абсолютно нестійкими. Оскільки для таких систем можливо аж ніяк не будь-який стан, а лише стан, що попадає в обмежену, детерміновану, область фазового простору. Нестійкість означає випадкові рухи усередині цілком певної області параметрів.

Таким чином, має місце не відсутність детермінізму, а інша, більше складна закономірність, фактично інший тип детермінізму, що представляє діалектичну єдність певного й випадкового.

Інше заперечення щодо позиції Пригожина полягає в тім, що існує лише певна стадія розвитку процесів, на якій нестаціонарні диссипативні структури стають нестійкими. Це узгоджується з усією спостережуваною звичною картиною світу: ми бачимо, що макроструктури природи, біологічні форми, людське тіло й мозок відносно стійкі, тривалий час не руйнуються. Цей квазістаціонарний стан може існувати, згідно С. П. Курдюмову, досить довго, поки система не перейде в режим загострення, при якому почнеться надшвидка зміна.

B світі, що розвивається, стадії стійкості й нестійкості, оформлення структур і їхнього руйнування змінять один одного.

І. Пригожин, а слідом за ним H. Моісеєв, постійно підкреслюють, що випадковість, флуктуації, малі збурювання можуть грати істотну, визначальну роль для системи поблизу крапок біфуркації.

С. Курдюмов указує, що в процесі самоорганізації малий випадковий вплив, флуктуація не завжди істотні. Необхідною умовою є розвиток процесу із загостренням, в основі механізму якого лежить нелінійний позитивний зворотний зв'язок.

Нестійкість, по Курдюмову, — це імовірнісний характер розпаду складно організованих структур поблизу моменту загострення. Звичайно, якщо працює випадковість, то мають місце блукання, але не які завгодно, а в рамках цілком певного, детермінованого поля можливостей. B результаті з'являється можливість для суб'єкта дослідження, не тільки спостерігати не детерміновані наслідки біфуркацій, викликані дією випадкових факторів, але й закласти нові наукові основи керування складно організованими системами.

При цьому керування губить характер сліпого втручання методом проб і помилок або волюнтаристичного нав'язування небезпечних дій проти власних тенденцій систем і будується на основі того, що взагалі можливе в даному середовищі. Керування починає ґрунтуватися на з'єднанні втручання людини з істотою внутрішніх тенденцій систем, що розвиваються. Тому з'являється в певному змісті вищий тип детермінізму - детермінізм із розумінням неоднозначності майбутнього й з можливістю виходу на бажане майбутнє, детермінізм, що підсилює роль людини.

Універсальний характер синергетичних моделей зробив їх привабливими для спроб моделювання соціальних процесів. B частковості, вже засновник синергетики Г. Хакен застосував її для побудови моделі формування суспільної думки.

Однак багато дослідників відзначають, що до таких спроб варто ставитися обережно, з огляду на фактор свідомого поводження індивідуумів у соціальних системах. Стосовно до соціальних процесів особливо часто сумніву піддається інтерпретація біфуркаційного механізму розвитку як непередбаченого результату дії випадкових, малих факторів. На противагу цьому Курдюмов уводить подання про структури-аттрактори - «притягателях» розвитку.

Якщо система підпадає в поле притягання певного аттрактора, то вона неминуче еволюціонує по цьому відносно стійкому стану, незважаючи на дії випадкових факторів.

Засновник наукової школи соціоприродної історії Е. С. Кульпін підійшов до співвідношення випадкового й закономірного в соціальному розвитку з іншої сторони. Одним із джерел даного наукового напрямку є теорію еволюції біосфери H. Моісеєва. Однак, полемізуючи з Моісеєвим, Е. С. Кульпін на основі розгляду конкретних історичних прикладів прийшов до висновку про не фатальний характер непередбачуваності, тобто головні параметри нового «каналу еволюції» у суспільстві, на відміну від природи, визначаються аж ніяк не незначними обставинами. Е. С. Кульпін уважає, що для розуміння еволюції біосфери з урахуванням соціальної підсистеми механізм відбору, крім адаптаційного й біфуркаційного, повинен бути доповнений третім, котрий може бути сформульований як принцип превалювання неантагоністичних протиріч над антагоністичними.

Цей принцип Е. С. Кульпін поширює не тільки на людське суспільство, але й виділяє його як ключовий момент морально-ціннісного орієнтира у взаєминах людини й природи в умовах наростання глобальної соціально-екологічної кризи й погрози планетарної антропогенної катастрофи.

Іншим варіантом назви цього правила відбору - «принцип співіснування» підкреслюється спільність, спільність дій, співробітництво, взаємність і т.д. B суспільстві цей принцип проявляється в політику мирного співіснування, відмові від ядерної війни (багато в чому завдяки сценарній моделі «ядерної зими», розробленою групою H. Моісеєва), кооперації, чесній конкуренції й ін. Тут проявляється один з аспектів синергетики - її кооперативний характер, погодженість дій безлічі елементів, що приводить до емерджентного ефекту. B даному випадку емерджентність проявляється в знаходженні оптимального, збалансованого рішення, можливих компромісів. Синергетичний, кооперативний підхід до прийняття рішень у т.ч. в умовах конфліктних ситуацій, H. Моісеєв уважає найважливішою умовою переходу до суспільства ноосферного типу, що забезпечує коеволюцію людини й природи.

Саме необхідність установлення якісно нових відносин з навколишнім природним і соціальним середовищем вимагає формування соціально-синергетичного підходу до сучасних суспільних процесів і тенденцій.