Синергетика: основные понятия, положения и направления

Синергетика — наука о законах самоорганизации сложных развивающихся систем.

Основоположники (Пригожин, Хакен, в россии Курдюмов).

Термин “синергетика” (греч. — содействие, сотрудничество) использовал Г. Хакен. Она изучает любые самоорганизующиеся системы, состоящие из многих подсистем (электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, органы, сложные многоклеточные организмы, люди, сообщества людей).

Стремится показать, как из хаоса возникают многообразные формы сложноорганизованной физической реальности. Тем самым перебрасывается как бы мостик между физикой и биологией.

Биологическая теория говорила о созидании в процессе эволюции все более сложных и упорядоченных живых систем, а термодинамика — о разрушении. Эти коллизии между физикой и биологией требовали своего разрешения.

Современные концепции самоорганизации позволяют устранить традиционный парадигмальный разрыв между эволюционной биологией и физикой.

Синергетика призвана решить задачу, как из хаоса возникает порядок. Ведь суть всякой организации состоит в упорядоченности элементов системы.

В процессе порождения хаосом упорядоченных организованных систем обязательно появятся качественные переходы, т.е. возникнут такие ситуации, когда непрерывность прерывается, а качественная определенность процесса преобразуется. В синергетике для обозначения такого скачкообразного преобразования вводится название бифуркация. В процессе движения от хаоса к порядку, который представляет собой процесс преобразования качественной определенности, спонтанно возникает неопределенность, порождаемая бифуркациями.

Характер направленности самоорганизации связан с АТТРАКТОРОМ — некоторое определенное состояние, к которому стремится эволюция системы.

Аттрактор обоснован законами природы. Он неидеален. Аттракторов множество. Можно говорить только о вероятности определенного аттрактора.

Исходя из реального состоянии системы в данный момент времени мы можем определить основной аттрактор, в большинстве случаев мы не можем точно определить какой из аттракторов будет реализован.

Каждый прогноз носит вероятностный характер.

Проблему неопределенности синергетика поставила на иную основу. Появился «странный аттрактор». Он описывает поведение системы, в каком-то смысле аналогичное поведению живых организмов.

Странный аттрактор позволил сделать вывод, что система способна к непредсказуемому изменению.

Флуктуация — случайное отклонение физических величин от их средних значений.

Синергетика перебросила двойной мостик от мира неорганического к живым системам:

1. Она выявила аналогию структур функционирования физико-химических и биологических систем.

2. Показала необходимость эволюции неорганических систем в направлении к органическим.

Благодаря математической форме используемых моделей синергетика открыла новые перспективы использования знания, полученного при исследовании физико-химических систем, для изучения органических и социальных систем.

Понятие хаоса играло немаловажную роль на протяже­нии всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывались представления о гибельном беспорядке, о не­различимой пучине, зияющей бездне. Собственно, такое представление является наиболее распространенным и в обыденной жизни.

Тем не менее, идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распрост­ранена в древних мифах, в восточной философии, в учени­ях древних греков. Начиная с 70-х годов нашего века бурно развивается направление, называемое «синергетикой», в фокусе внимания которого оказывают­ся сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к поряд­ку, от симметрии ко все возрастающей сложности.

Синергетика в переводе с греческого языка означает «содружество, коллективное поведение». Термин этот впер­вые был введен Хакеном. Как новационное направление в науке, синергетика возникла, в первую очередь, благодаря выдающимся достижениям И. Пригожина в области не­равновесной термодинамики. Им было показано, что в не­равновесных открытых системах возможны эффекты, при­водящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к состоянию равновесного хаоса, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса.

Процессы, протекающие в различных явлениях приро­ды, следует разделять на два класса. К первому классу от­носятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в систе­мах. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В соответствующие моменты — мо­менты неустойчивости — в них могут возникать малые возмущения, флуктуации, способные разрастаться в макро­структуры.

Таким образом, хаос и случайности в нем мо­гут выступать в качестве активного начала, приводящего к развитию новых самоорганизаций. Таким образом, флуктуационная гипотеза Больцмана на современном витке раз­вития науки получает в некотором смысле «оправдание» и «право на жизнь». Одним из важнейших результатов, полученных Пригожиным, его школой и последователями, является новый подход к анализу сложных явлений. Во-первых, самоорганизация в сложных системах свиде­тельствует о невозможности установления жесткого конт­роля за системой. То есть самоорганизующейся системе нельзя навязать путь развития.

Управление такой систе­мой может рассматриваться лишь как способствование соб­ственным тенденциям развития системы, с учетом прису­щих ей элементов саморегуляции. Во-вторых, для самоор­ганизующихся систем существует несколько различных путей развития. В равновесном или слаборавновесном со­стоянии в системе существует только одно стационарное состояние, которое зависит от некоторых управляющих параметров. Изменение этих управляющих параметров будет уводить систему из равновесного состояния. В кон­це концов, вдали от равновесия система достигает некото­рой критической точки, называемой точкой бифуркации.

Начиная с этого момента на дальнейший ход эволюции системы могут оказывать воздействия даже ничтожно ма­лые флуктуации, которые в равновесом состоянии системы попросту неразличимы. Поэтому невозможно точно пред­сказать, какой путь эволюции выберет система за порогом бифуркации. В параграфе 6 главы 7 этой книги будет рассмотрен сценарий эволюций Вселенной через призму синер­гетики.

Следует отметить высокий темп идей и открытий при описании синергетических явлений во всех отраслях науки. Важное значение синергетики состоит в том, что она указывает границы применимости II начала термодинами­ки и, более того, делает его элементом более широкой тео­рии необратимых процессов, в которой предполагается ес­тественное описание с единой точки зрения обоих классов явлений природы.

Синергетика - наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок. Возникшие сложные упорядоченные системы попадают под действие конкуренции и отбора. Как утверждает Хакен, это приводит в определенном смысле к обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Система должна быть открытой, т. е. обмениваться веществом и энергией с окружающей средой;

2. Система должна быть достаточно далеко от точки термодинамического равновесия, т. е. в состоянии, близком к потере устойчивости;

3. Обладать достаточным количеством элементов, взаимодействующих между собой;

4. Иметь положительную обратную связь, при котором изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры;

5. Сопровождаться нарушением симметрии, т. к. изменения приводят к разрушению старых и образованию новых структур;

6. Скачкообразно выходить из критического состояния при переходе на более высокий уровень упорядоченности. Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы вызывают очень сильные изменения ее состояния и переход в новое качество.

Примеры синергетики существуют во всех естественных науках:

- лазер, создающий высокоорганизованное оптическое излучение;

- эффект Бенара - при нагревании силиконового масла на его поверхности возникает динамическая упорядоченная структура, напоминающая кристалл в виде сеточки с ячейками гексагональной формы.

- реакция Белоусова-Жаботинского - это автоколебательные процессы при окислении-восстановлении солей церия: Се³⁺ «Се⁴⁺. На стадии окисления жидкость становится красной, при восстановлении - синей. Окраска раствора постоянно периодически изменяется.

- в биологии к числу синергетических явлений относятся мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга и т. д.

Постепенно предмет синергетики распределился 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, процесс самоорганизации также может быть фрактальным;

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

- лингвистическая синергетика и прогностика.

Стартовой точкой для всех исследований в области синергетики является адекватное описание состояния системы на разных уровнях.

Важно иметь в виду, однако, что описание таких состояний системы на различных уровнях может относиться к совершенно разным количествам объектов, а также к абстрактным понятиям, например, к мнению или поведению людей или целых социальных групп. Описание поведения системы на различных уровнях может быть выполнено с помощью так называемого вектора состоянии.

Следующее понятие, используемое в синергетике - управляющий параметр (императив, доминанта, идея, миссия, философема, постулат), который может быть представлен как одиночным, так и несколькими управляющими параметрами. Их количество фиксировано и налагается на систему извне - управляющие параметры не меняются по мере изменения системы.

Синергетика фокусирует свое внимание на тех ситуациях, в которых поведение системы изменяется качественно при изменении управляющих параметров.

Если структура сохраняется при изменении условий среды, т. е. управляющих параметров, то эта структура называется устойчивой или структурно устойчивой. Но если структура изменяется, мы говорим об относительной неустойчивости. Как было сказано прежде, синергетика фокусирует свое внимание на качественных изменениями тех случаях неустойчивости, которые вызваны изменением параметров управления. В условиях нового управляющего параметра система сама создает специфические структуры, что и называется самоорганизацией.

Во многих случаях поведение системы, близкое к таким точкам неустойчивости, может зависеть от поведения очень немногих переменных, можно даже сказать, что поведение отдельных частей системы просто определяется этими немногими факторами. Эти факторы называются параметрами порядка, и здесь нужно избегать представления о том, что эти параметры заботятся только о порядке; они могут также представлять или управлять беспорядочные, хаотические состояния или управлять ими.

Параметры порядка играют доминирующую роль в концепции синергетики. Они “подчиняют” отдельные части, т. е. определяют поведение этих частей. Связь между параметрами порядка и отдельными частями системы называется принципом подчинения. С определением параметров порядка поведение системы можно считать описанным. Отпадает необходимость описания поведения системы посредством описания отдельных ее частей, нам нужно иметь дело или описывать поведение только параметров порядка. Другими словами, мы получаем здесь огромное информационное сжатие. Такое информационное сжатие, между прочим, типично для любого языка.

Отдельные части в свою очередь сами генерируют параметр порядка своим коллективным поведением. Это называется круговая причинная связь. В технических системах такая круговая причинная связь известна как обратная связь.

Однако, в отличие от технических систем, в которых параметр порядка фиксирован с самого начала (инженером), например, в форме устройства управления, в синергетических системах параметры порядка создаются отдельными частями системы.

Систематическое представление дает представление о поведении параметров порядка, поскольку от них исходят типичные виды поведения систем. Понятие информационного сжатия, упомянутое выше, исходит из принципа подчинения и дает огромное преимущество для описания поведения сложной системы в относительно простых условиях.

Существует фундаментальное различие между поведением параметров порядка и подчиненных частей с течением времени. Параметры порядка реагируют на возмущения извне медленно, а части - быстро. Можно было бы даже сказать: параметры порядка живут дольше, части же живут меньше (в своей поведенческой динамике).