Синергетика – как основа нового мироведения

Место синергетики  Хакена в системе междисциплинарных  коммуникаций, определяется его “лазерной парадигмой”, новым проблемным полем, возникающим в контексте осмысления лазера в качестве инструмента познания, представления и инициирования процессов самоорганизации в средах самых разных по своему “субстратному” составу, но обнаруживающих сходные черты поведения “вблизи точек нестабильности”.

Коллега и соратник Хакена физик Грэхэм оценивает его заслуги  следующим образом: “Великий вклад  Хакена в науку состоит в том, что он понял, что лазер является не только важным технологическим инструментом, но и сам по себе представляет интереснейшую физическую систему, что он может научить нас многому... Лазеры занимают очень интересную позицию между квантовым и классическим миром, и теория Хакена объясняет нам, как могут быть связаны между собой эти миры... Лазер можно рассматривать как перекресток между классической и квантовой физикой, между равновесными и неравновесными феноменами, между фазовыми переходами и самоорганизацией, а также между регулярной и хаотической динамикой. В то же время – это система, которую мы понимаем как на микроскопическом квантовомеханическом уровне, так и на макроскопическом классическом. Это устойчивая основа для изучения общих концепций неравновесной физики.”

 Синергетика  Хакена - теория иного рода, нежели  неравновесная нелинейная термодинамика И.Р.Пригожина и его коллег. В ней центральным является понятие параметра порядка, заимствованное из классической физики фазовых переходов (переходов между физически однородными частями системы). Параметрами порядка называются «величины или, на языке физики, моды, если они подчиняют себе поведение системы». Чтобы объяснить параметры порядка, Хакен прибегает к представлениям термодинамики, но затем использует весьма отличные категории, составляющие основы теории неравновесных систем фазовых переходов.

Почти одновременно с Хакеном  концепция самоорганизации была выдвинута М.Эйгеном, работающим в области молекулярной биологии. В центре внимания Эйгена и его сотрудников был химический механизм самоорганизации - образование в процессе предбиологической эволюции циклов реакций с участием нуклеиновых кислот и протеинов, циклов, обладающих самовоспроизводимостью и способных таким образом к выживанию.

Как известно, комплекс «белок - нуклеиновая кислота», способный к воспроизведению, является одним из важнейших признаков жизни. Даже на уровне простейших организмов этот комплекс оформлен в виде достаточно сложного механизма трансляции, который включает в себя ДНК, РНК разных типов, рибосомы и целый набор специфических белковых ферментов, контролирующих синтезы во всех звеньях трансляции.

Последовательность аминокислот  в белковых цепочках, генерирующихся при трансляции, полностью определяется последовательностью нуклеотидов  в цепочках (точнее - спиралях) ДНК (или  РНК в вирусах). При этом каждая из 20 аминокислот кодируется во всех живых организмах одинаково - определенными тройками, триплетами нуклеотидов. Какие именно триплеты кодируют данную кислоту - эту проблему решил эволюционный процесс, в результате которого возник современный механизм трансляции.

Объясняя этот эволюционный процесс, Эйген допускает «первичный бульон», в котором находится  много различных нуклеотидов  и аминокислот со случайной последовательностью звеньев. Этот бульон находится в неравновесных условиях, и одни цепочки спонтанно образуются, а другие рассыпаются и рвутся. Так как различных веществ в первичном бульоне очень много, то вполне вероятно, что найдутся такие нуклеиновые цепочки, которые являются катализаторами (пусть очень слабыми) при образовании некоторых цепочек аминокислот. И наоборот, цепочки аминокислот могут хоть немного облегчить редупликацию (взаимодополнительное воспроизведение копий) нуклеиновых цепочек. Поскольку в бульоне одновременно идут многие реакции, объединенные сложными случайными связями, то имеется вероятность образования каталитических циклов реакций.

В каталитическом цикле вещество воспроизводится, проходя через ряд каталитически активных промежуточных стадий. Циклическая организация реакций оказывается более предпочтительной по своим термодинамическим характеристикам и скорее «выживает» при естественном отборе реакций. Однако главной новацией Эйгена является не просто «каталитический цикл», а «гиперцикл», особым образом упорядоченное множество «элементарных реакционных циклов».

Циклическая организация  реакций оказывается более выгодной по термодинамическим и кинетическим соображениям, чем их цепочечная, незамкнутая организация. Победив менее организованные реакционные структуры, гиперцикл «проверяет» свою организацию посредством конкуренции с другими гиперциклами. Дарвиновской эволюции видов предшествовал аналогичный процесс молекулярной эволюции, который привел к созданию уникального аппарата клетки, использующей универсальный код. Итак, к середине 70-х годов возникло несколько различных концепций самоорганизации, некоторые их них более подробно рассмотрим отдельно.

Самоорганизация в живой и неживой природе.

Синергетика - наука  о самоорганизации простых систем в сложные на основе нелинейной термодинамики  разветвленных, необратимых процессов, наука о превращении хаоса в порядок. Понятие синергетика означает кооперативность (содействие, сотрудничество), взаимодействие различных элементов системы. Сейчас синергетика включает в себя системный анализ, теорию самоорганизующихся систем с диссипативными структурами, кибернетика, теорию вероятностей, т.е. это комплексная наука.

Существуют два типа самоорганизации: 1 - в системе не появляется качественно  новых элементов, наблюдается их перекомбинация, либо сочетание элементов, либо изменение их количества (в неживой природе -образование галактик, вихрей, химические автоколебательные реакции, лазеры, неравновесные фазовые переходы и пр.); 2 - в системе появляются качественно новые элементы (в живой природе - образование видов, зарождение жизни, появление человека и пр.). В качестве примера первого типа рассмотрим лазер. Когда происходит накачка энергии, он работает, как обыкновенная лампа, а микроскопические ячейки - атомы - антенны рабочей среды излучают свет независимо друг от друга. Однако при определенном значении мощности в лазере происходит новое качественное явление - скачок: антенны начинают слаженно и кооперативно работать в одной фазе, наблюдается когерентное, мощное излучение, при этом меняется макроскопическое состояние рабочей среды. Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранять и даже улучшать свою структуру. В такой системе заложены механизмы, которые обеспечивают ее стремление к достижению вполне определенной цели.

В отсутствии самоорганизации наблюдается быстрое установление однородного состояния; все части простой системы тождественны между собой, везде все одинаково, симметрично, однородно.

Синергетика модифицирует наше отношение к хаосу, к роли случая в сторону переоценки вклада детерминизма в физических и социальных процессах, в сторону переоценки роли линейного мышления, согласно которому прогресс предсказуем, развитие ретросказуемо и предсказуемо; настоящее определяется прошлым, а будущее - настоящим и прошлым. Синергетика объясняет коварство закона экспоненты в живых и неживых системах (возрастание народонаселения, рост знания, «экономическое чудо»). Проблема управляемого развития принимает форму проблемы самоуправляемого развития. Синергетика рассматривает хаос как созидательное начало в эволюции (помимо чисто разрушительных функций), когда малые возмущения, флуктуации в момент неустойчивости преобразуются в макроструктуры. Отсюда следует, что каждый отдельный человек не потерян в истории, в социуме, он может в критические периоды влиять на макросоциальные процессы. Синергетика открывает новые принципы суперпозиции, сборки эволюционного целого из частей, построения сложных развивающихся структур из частей. В этом случае целое уже не равно сумме частей, оно теперь качественно иное, устанавливается общий темп развития входящих в целое частей на фоне существования структур разного возраста в одном темпомире. Синергетика позволяет оправдать воздействие слабых возмущений, флуктуации на сложные самоорганизующиеся системы.

В ходе самоорганизации  образуются диссипативные структуры -аттракторы, которые не стационарны, динамичны, способны как к усложнению, так и к деградации, они предопределяют характер эволюции, так как окружающая среда неизбежно подстраивается под устойчивое состояние макроструктуры. Будущее состояние системы как бы притягивает к себе настоящее. Эти структуры находятся в симбиозе с хаотическими, неустойчивыми промежуточными процессами в среде, где нет этих структур. Этот симбиоз заставляет среду подлаживаться под структуру, а вся система самоорганизуется (будущее притягивает настоящее, а настоящее притягивает будущее). Самоорганизация протекает в открытых и нелинейных системах. Открытость - это наличие в системе источников и стоков энергии, обмена веществ и энергии с окружающей средой. Нелинейность - это наращивание неоднородности в сплошной «объемной» среде и диссипация структур. Диссипация - это фактор выедания лишнего (аналогии с Микеланджело, который говорил, что он берет кусок мрамора и отсекает все лишнее), фактор рассеивания, размывания неоднородности. Диссипация - это полезное зло самого хаоса, или проявление хаоса как двуликого Януса. Один хаос на микроуровне - это фактор, выводящий среду на структуру - аттрактор, другой хаос на макроуровне - это постепенная деградация структуры с фазой ее улучшения и с последующей фазой ее саморазрушения ("творящий" хаос). Хаос, разрушая, строит, а строя, приводит к разрушению.

Открытость, нелинейность и диссипация предполагают множество решений нелинейных уравнения, что соответствует множественности путей эволюции. Отсюда важные следствия самоорганизации: многовариантность, идея выбора из альтернатив, идея темпа эволюции, идея внеобратимости эволюции, дискретный путь эволюции, возможность неожиданных изменения направления эволюции, случайность выбора пути в момент бифуркации (точки ветвления) альтернативных процессов, нелинейная положительная обратная связь (как путь сверхбыстрого развития процессов по всему пространству среды). Теория самоорганизации систем опирается на новый тип детерминизма - детерминизм с пониманием неоднозначности будущего и с возможностью выхода на желаемое будущее. Это детерминизм, который усиливает роль человека. В неживой системе, находящейся в термодинамическом равновесии, то есть в устойчивом фазовом состоянии, составляющие систему элементы ведут себя независимо друг от друга, игнорируя остальные элементы (гипноны). При переходе системы в неравновесное состояния гипноны «пробуждаются» и устанавливают друг с другом когерентную и кооперативную связь, между ними устанавливаются корреляции. Новая самоорганизующая система из зависимых элементов по функциональным признакам ведет себя как единое целое. Система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом. Новая самоорганизующая система голографична, и зависимые элементы обладают «памятью» поведения целой системы. Согласование всех элементов осуществляется неодновременно, а путем возникновения в системе очагов (зон нуклеации) когерентности, которые при дальнейшем удалении от равновесия охватывают всю систему. При этом дальнодействующие корреляции организуют систему еще до того, как происходит макроскопическая бифуркация. В живой системе важны функциональные связи, а не пространственные, то есть корреляции между временными событиями, а не между положениями в пространстве. В живой системе важна синхронизация активности зависимых элементов (максимум синхронизации - мозг человека). Любые системы, удаленные от термодинамического равновесия, активны, способны к самоорганизации. Одна и та же функция, одна и та же задача может быть решена различными путями (принцип Эделмена).

Перечислим  наиболее характерные особенности  диссипативных структур: системы, управляющие положительной обратной связью (самоусиление); открытые системы, потребляющие внешнюю энергию для поддержания и роста своей внутренней организации; экспоненциальный характер развития системы; система, становящаяся малочувствительной к шуму и к направляющим воздействиям извне; развитие приобретает черты неотвратимости, неуправляемости; количество элементов, вовлекаемых в согласованное движение в единицу времени, возрастает нелинейно; системы агрессивны, подчиняя своему типу функционирования все большее количество энергии, вещества (денег, людей, продуктов питания и пр.), при этом хаотичность, беспорядочность окружения подобных систем быстро возрастают; ускоренное развитие сложной динамической системы обычно сопровождается снижением ее устойчивости (коварство экспоненты), с другой стороны, экспоненциальное развитие дает кратковременное преимущество подчиненной ему системе, т.е. общий регресс может включать в себя локальный прогресс. Мы уже отмечали, что диссипация - это не только путь деградации вещества и энергии, но и системообразующий фактор. Известен следующий принцип: диссипативная структура может порождать консервативную запоминающуюся структуру, служащую затравкой для диссипативной структуры более высокого уровня, чем и объясняется системогенез. Особенность диссипативных систем - в скачкообразном развитии. Наступает такой момент, когда относительно равномерное, более или менее предсказуемое упорядоченное развитие достигает точки бифуркации - выбора траектории дальнейшего развития. И то, по какому пути будет дальше развиваться система, зависит как от нее самой, так и от окружающих ее потоков информации и энергии. На точку бифуркации, на точку выбора можно влиять, управляя внешней энергией и информацией. Хаос перерастает в порядок в точке бифуркации. Ни один вид не может увеличивать свою численность и биомассу бесконечно, рано или поздно происходит стабилизация.

Кризис не есть крах. Крах - это все, кризис - это  преддверие точки бифуркации, что означает, что есть возможность найти выход из положения. Человечество, находясь в состоянии кризиса, будучи на краю бездны, может, сконцентрировав силы, породить независимого и свободного индивидуума, который обретет значимость подлинного Героя - Спасителя.

Принцип универсального эволюционизма.

Рассматривая  вопросы самоорганизации, необходимо упомянуть об универсальном эволюционизме. В одной из своих работ академик РАН Н.Н.Моисеев пишет: «В последние годы установлено множество факторов, которые поднимают эволюционизм на новый уровень. Возникает некая универсальная парадигма, может быть даже некая общая теория. Одни называют ее теорией самоорганизации, другие используют слово «синергетика». Я предпочитаю ее называть эволюционизмом, или универсальным эволюционизмом. Возникает действительно эволюционное мышление, и в нем особое место занимает конкретная мутация - эта истинная реальность бесконечной изменчивости мира, в котором суждено жить человечеству. И мы начинаем понимать, что законы развития Природы и Общества - если угодно, генотип и фенотип той или иной эволюционной линии - определяют лишь некоторые пределы, в которых основной процесс остается заранее непредсказуем». В других источниках Н.Н.Моисеев пишет, что термин "универсальный эволюционизм" употребляется им для обозначения лишь тех общих законов, тех особенностей мирового эволюционного процесса, которые присущи всем процессам развития, независимо от их природы. Концепция универсального эволюционизма ставит своей целью с минимальным числом гипотез (которые, следуя В.И.Вернадскому, можно называть «эмпирическими обобщениями») нарисовать некую целостную непротиворечивую «картину мира» - разумеется, лишь очень условно и схематично. Такие общие конструкции, несмотря на их условность, всегда играли определенную роль в развитии естествознания. Ныне, в эпоху, когда происходит синтез естественнонаучного и гуманитарного знаний, они важны хотя бы тем, что демонстрируют единство материального мира и тем самым облегчают этот синтез. Но подобные схемы могут иметь и более прикладное значение, поскольку они предлагают аналоги, позволяющие стать путеводной нитью в отыскании пути более обстоятельного и детального изучение тех или иных феноменов, в частности, биологического и общественного развития человека. В основе процессов самоорганизации всегда лежат три эмпирических обобщения, которые естественно назвать «дарвиновской триадой»: изменчивость (случайность и неопределенность, органически присущие природе); наследственность (зависимость настоящего и будущего от прошлого) и отбор (система правил (законов), отбирающих из множества виртуальных движений движения реальные, доступные или недоступные наблюдению).