Синергетика – теория самоорганизации

Синергетика (с гр. - совместное действие) как наука возникла несколько десятилетий назад. Термин «синергетика» в научный лексикон ввёл Г. Хакен. Большой вклад в развитие теории самоорганизации внёс И. Пригожин. Синергетика – это область научных исследований, целью которых является выявление общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы.

Возникновение организованного поведения может обуславливаться внешними воздействиями (вынужденная организация) или являться результатом развития собственных внутренних неустойчивостей в системе (самоорганизация). В последнем случае процесс упорядочивания связан с коллективным поведением подсистем, образующих систему.

В настоящее время синергетика развивается на основании двух постулатов:

1. Процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны;

2. Процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, при помощи которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе.

Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным.

В настоящее время известно множество примеров образования упорядоченных состояний в результате неравновесных процессов. Такие состояния И. Пригожин назвал диссипативными структурами. Этим названием подчёркивается, что они возникают в системах с рассеиванием (диссипацией) энергии в ходе необратимых неравновесных процессов. Диссипативные структуры образуются только в открытых системах, в которых возможен приток энергии или вещества. Эти структуры возникают в макроскопических системах, состоящих из большого числа элементарных составляющих (атомов, клеток, звёзд – в зависимости от масштаба явления).

Диссипативные структуры являются устойчивыми, стационарными образованиями. Их устойчивость зависит только от устойчивости и времени существования источников энергии. Согласно современным концепциям причиной самоорганизации открытых неравновесных систем является внешний поток энергии и (или) вещества, который «уносит» возникающую в системе энтропию. При этом система будет находиться в стационарном состоянии «проточного равновесия», при котором производство энтропии минимально (теорема И. Пригожина).

Рассмотрим такой пример. При подогреве вязкой жидкости (ртуть), находящейся в плоской посуде типа сковороды, между нижним и верхним её слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Пока градиент мал, перенос тепла происходит за счёт теплопроводности жидкости. Однако при достижении градиентом некоторого критического значения в жидкости внезапно, скачком возникают ячейки конвективных потоков с регулярным течением – ячейки Бенара. Сверху такая упорядоченная ячеистая структура выглядит как пчелиные соты. То есть возникает упорядоченная структура при некоторой степени неравновесности системы. При этом отдельная ячейка Бенара содержит 10²¹ атомов.

Приведём примеры самоорганизации систем в природе и обществе: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова - Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, спиральные галактики, рыночная экономика, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур.

Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых неравновесных систем протекает путём нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:

1. период плавного эволюционного развития, с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2. выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важная особенность второй фазы заключается в том, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров (точка бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости как бы сваливается в одно из возможных, новых для неё устойчивых состояний.

В точке бифуркации эволюционный путь системы разветвляется и принципиально невозможно предсказать, какая именно ветвь развития будет выбрана. Этот выбор случаен. Процесс перехода системы в качественно новое устойчивое состояние необратим. Идеи синергетики носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому синергетика – одна из важнейших составляющих современной научной картины мира.