Основные идеи синергетики

Самоорганизация - это основной закон природы, это - механизм управления процессами, происходящими на всех уровнях, направленный на возникновение и поддержание процессов, связанных с образованием новых более высокоорганизованных форм и структур, предусмотренных эволюцией, и подавлением процессов, которые находятся в стороне от эволюции, противодействуют ей. Все эти силы и законы, механизмы управления, заложенные в природе, не имеют смысла, если изначально развитие всей Вселенной случайно, не имеет Высшей Цели и обеспечивающей ее Программы.

О соотношении синергетики и самоорганизации вполне определено, что содержание, на которое они распространяются, и заложенные в них идеи неотрывны друг от друга. Они же имеют и различия. Поэтому синергетику как концепцию самоорганизации следует рассматривать в смысле взаимного сужения этих понятий на области их пересечения. Эффект самоорганизации является существенным, но, тем не менее, одним из компонентов, характеризующих синергетику, и именно этот компонент придает выделенный смысл всему понятию синергетики и, как правило, является наиболее существенным и представляющим наибольший интерес.

От хаоса к порядку и наоборот

Понятие структуры, основное для всех наук, занимающихся теми или иными аспектами процессов самоорганизации, при любой степени общности предполагает некую жесткость объекта - способность сохранять тождество самому себе при различных внешних и внутренних изменениях. Интуитивно понятие структуры противопоставляется понятию хаоса как состоянию, полностью лишенному всякой структуры. Однако, как показал более тщательный анализ, такое представление о хаосе столь же неверно, как представление о физическом вакууме в теории поля как о пустоте: хаос может быть различным, обладать разной степенью упорядоченности, разной структурой. Однако 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 в фокусе внимания синергетики оказываются сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии ко все возрастающей сложности.

В современной науке "порядок" и "хаос" - вполне определенные понятия. Насколько важно изучать хаос и переходы в это состояние из равновесия, показывают такие примеры, как, например, распад СССР. Ранее налаженная жизнь людей, производство, взаимные обязательства разрушились вместе со страной. Страна погрузилась "во тьму", остановились фабрики, заводы; люди не знали как им жить дальше. Огромная страна была охвачена паникой, "физический" родил социальный. Многие республики бывшего СССР до сих пор не могут толком встать на ноги. А что говорить о людях: родственники стали гражданами и жителями разных стран и их стали разделять натуральные границы.

Упорядоченность и хаос… Две крайности, наблюдаемые в реальном мире. С одной стороны, четкая, подчиняющаяся определенному порядку смена событий: движение планет, вращение Земли, появление комет, размеренный стук маятников, поезда, идущие по расписанию. С другой стороны, хаотическое метание шарика в рулетке, броуновское движение частиц под случайными ударами "соседей", беспорядочные вихри турбулентности, образующиеся при течении жидкости с достаточно большой скоростью. 
В природе протекает множество хаотических процессов, но далеко не всегда они воспринимаются как хаос. Поэтому наблюдаемый мир кажется нам вполне стабильным. Наше сознание, как правило, интегрирует, обобщает информацию, воспринимаемую органами чувств, и поэтому мы не видим мелких "дрожаний" - флуктуаций[5] - в окружающей нас природе, например: самолет надежно держится в воздушных турбулентных вихрях, хотя неупорядоченно пульсирует.

Порядок в физических, экологических, экономических и любых других системах может быть двух видов: равновесный и неравновесный. При равновесном порядке система находится в равновесии со своим окружением; параметры которые ее характеризуют, одинаковы с теми, которые характеризуют окружающую среду. При неравновесном порядке эти параметры различны.

На первый взгляд, равновесный порядок более стабилен, чем неравновесный. В самой природе равновесного порядка заложено противодействие любым возмущениям состояния системы. В термодинамике это свойство систем называется принципом Ле Шателье-Брауна, т. е если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы компенсировать изменение.

В лице равновесной и неравновесной синергетики современная наука выражает идею своего рода двух состояний материи. Материя может находиться в более инертном, равновесном состоянии, описываемой средствами равновесной термодинамики, и материя способна достигать некоторого "возбужденного", или "активированного", состояния, выражаемого средствами неравновесной нелинейной термодинамики и синергетики. 
Способность возвращаться к исходному состоянию - непременное свойство так называемых саморегулирующихся систем.

Природа неравновесного порядка имеет искусственное происхождение и существует только при условии подачи энергии извне. Поэтому для поддержания порядка требуется компенсация потерь, к которым приводят необратимые "выравнивающие" потоки, и, следовательно, для этого нужны определенные энергетические затраты. Так как перетекание тепла или массы связано с рассеянием энергии (диссипацией), то потери энергии, возникающие при этом, называются диссипативными. В открытых системах, обменивающихся с окружающей средой потоками вещества или энергии, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений.

Такие стационарные состояния получили название диссипативных структур. Например: возникновение когерентного излучения в лазере, когда, после первоначального хаотического излучения и начиная с некоторой мощности накачки, атомы вещества начинают излучать фотоны одной фазы, что выражается в возникновении мощного пучка лазерного излучения. В условиях диссипации часто возникает порядок.

 
Катастрофы и бифуркации синергетической системы

Самое сложное и, пожалуй, интересное в поведении синергетической системы - это наличие разного рода скачков, или "катастроф", когда система, при непрерывном изменении управляющих параметров резко и скачком меняет значение управляемых параметров. Оказалось, что такого рода катастрофы удается описывать как процессы пересечения особенностей на поверхности состояний системы. В этом случае управляющие параметры принадлежат плоскости проецирования поверхности, а управляемые параметры испытывают "бифуркацию" (раздвоение или размножение), выбирая один из множества прообразов, создавая новую структуру. Лишь высвободившиеся из-под гнета старой структуры элементы могут сложиться в новую упорядоченность; однако качественная определенность новой упорядоченности складывается случайным и только случайным образом. Для того, чтобы адекватно отразить случайный характер перехода от беспорядка к порядку, физика становления и вводит понятие бифуркации. Исходными понятиями в синергетике являются понятия точек бифуркаций и аттракторов.

Под точкой бифуркаций понимается состояние рассматриваемой системы, после которого возможно некоторое множество вариантов ее дальнейшего развития. Примерами бифуркаций являются: состояние выбора человеком варианта поступления в высшее учебное заведение, состояние популяции при выборе под влиянием внешней среды варианта дальнейшего развития в борьбе за существование, точки ветвления на генеалогическом древе; точки перехода к разным вариантам продолжениям диалога "студент - компьютер" в процессе тестирования знаний студента с использованием закрытых тестов (когда предлагается выбрать правильный и полный ответ из серии предложенных); состояние борьбы двух фронтов в атмосфере с возможными вариантами изменения погодных условий.

Таким образом примером точки бифуркаций можно назвать распространенное в русских сказках перепутье дорог: на право пойдешь - коня потеряешь, на лево пойдешь - себя потеряешь, а прямо пойдешь - голова с плеч - весь смысл в избрании дороги, а что будет в конце, никто не знает.

Согласно теории бифуркации, прошлое состояние системы исчезает скачком в силу накопления в системе флуктуаций, затронутых мною во второй главе работы. В любой системе имеют место флуктуации, связанные со сбоями в функционировании ее элементов, с поломками в структурных образованиях. развитие системы после точки бифуркаций и которые отличаются от других относительной устойчивостью, то есть являются наиболее реальными, называются аттракторами.

Другими словами, аттрактор - это относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает к себе все множество траекторий развития, возможных после точки бифуркаций.

Флуктуации означают нарушения в способе существования системы: отклонения от статистически среднего. Примерами аттракторов являются группа гуманитарных вузов и специальностей для абитуриента, который хочет получить ту или иную специальность; популяция морозоустойчивых особей в случае наступления глобального похолодания; юридическая стезя для потомка семей-юристов; погода, соответствующая времени года и т.д. .

Достигая некоторого критического значения, флуктуации становятся источником бифуркации, коренной ломки предшествующего тождества самого себе. В результате бифуркации случайные и несогласованные микроскопические изменения захватывают весь объем ранее существовавшей системы без остатка.

Структура системы выражает максимальную адаптацию этой системы к изменившимся условиям среды, представленным как управляющие параметры системы или характеристические параметры ее динамики (описывающих эту динамику дифференциальных уравнений). Здесь по мере удаления от равновесия повышается чувствительность системы к внешней среде, возникает своего рода различимость системы по отношению к нужным флуктуациям, которые отбираются и усиливаются в форме разного рода когерентных (кооперативных) эффектов.

Такой образ синергетической системы уже во многом напоминает образ живого организма, также далекого от равновесия, чувствительного к среде, обладающего избирательной различимостью и способного к формированию системной активности. А методология синергетики начинает во многом напоминать своего рода "обобщенный дарвинизм", оперирующий понятиями "изменчивости", "отбора" и "адаптации" на универсальном уровне синергетических обобщений, выходящих далеко за границы только биологического знания.

Бифуркации можно разделить на "мягкие" и "жесткие". Мягкие бифуркации характеризуются небольшим отличием режимов функционирования, например, достаточной близостью новых аттракторов по отношению к старым. Жесткие бифуркации, которые после работ французского математика Рене Фредерика Тома (1923-2002) в начале 70-х годов стали называть "катастрофами", характеризуются значительным отличием старого и нового режимов функционирования, например, значительным удалением новых аттракторов от старых в фазовом пространстве системы. В этом случае качественный скачок в изменении поведения системы может быть особенно значительным - "катастрофическим". В работах Р.Ф. Тома все катастрофы были сведены к 7 элементарным, которые носят довольно своеобразные названия: складка, сборка, ласточкин хвост, бабочка, гиперболическая омбилика, эллиптическая и параболическая омбилика.

Одной из главных задач теории катастроф является получение так называемой нормальной формы исследуемого объекта в окрестности "точки катастрофы" и построение на этой основе классификации объектов.

Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный синергетикой, можно выразить следующимобразом: 
процессы разрушения и созидания, деградации и упорядоченности, по меньшей мере, равноправны; процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единыйалгоритм независимо от природы систем, в которых ни осуществляются. 
Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация, как в живой, так и неживой природе.

Следовательно - объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только, которые удовлетворяют, по меньшей мере, двум условиям: 
они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;они должны быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

И именно такими являются большинство известных систем. Изолированные системы классической термодинамики - это определенная идеализация, в реальности такие системы исключение, а не правило. Впрочем сложнее, со всей Вселенной в целом: если считать ее открытой системой, то что может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 
До появления синергетики в мире господствовал второй закон термодинамики. В соответствии с этим законом эволюционирование природы сопровождалось ростом отклонения реального процесса от идеального, выравниванием всех точек возрастания и потенциалов. Мир стремился к состоянию однородного хаоса, который был назван "тепловой смертью". Из уныния от такой перспективы человечество вывела синергетика - наука о самоорганизации и кооперации в природных явлениях. 
Синергетика как научное направление исследований является востребованной обществом. Значительное количество результатов исследований в разных областях знания соотносится исследователями с синергетикой. Ее контекст дает возможность плодотворно взаимодействовать ученым разных специализаций на языке системного осмысления и поиска новых решений. 
Любая наука, с точки зрения синергетики, прежде всего это открытая система, в которую постоянно проникают всевозможные новые идеи. Открытия могут быть до такой степени радикальными, т.е. ведущими к коренным переменам, что потрясают сами основы существовавшей прежде науки и изменяют картину мира, созданную представителями этой самой науки. Ученые пребывают в сомнениях. В синергетическом смысле при этом возникают все более сильные флуктуации, проявляющие себя в форме новых идей или новых экспериментов, которые приобретают сторонников и тем самым набирают все большую силу; затем многие из этих идей опровергаются и отвергаются, их сменяют другие идеи, и так продолжается до тех пор, пока не появится идея, которая окажется в состоянии объяснить многие до сих пор необъяснимые явления, а потому будет окончательно принята учеными.