Синергетика и принцип самодвижения материи

Тема 39. Синергетика и принцип самодвижения материи

 

1 Движение как атрибут материи. Самодвижение, саморазвитие – неотъемлемое свойство материальных систем

 

Мир является материальным. Он состоит из различных предметов  и процессов, которые превращаются друг в друга, возникают и исчезают, отражаются в сознании, существуя независимо от него. Ни один из этих предметов, взятый сам по себе, не может быть отождествлен с материей, но все их многообразие, включая их связи, составляет материальную действительность.

От философского понятия материи нужно отличать естественнонаучные и социальные представления о ее видах, структуре и свойствах. Философское понимание материи отражает объективную реальность мира, а естественнонаучные и социальные представления выражают его физические, химические, биологические, социальные свойства. Материя – это объективный мир в целом, а не то, из чего он состоит.

Всеобщими атрибутами и  основными способами существования  материи являются движение, пространство и время.

Существование любого материального объекта возникает только благодаря взаимодействию образующих его элементов. Взаимодействие приводит к изменению его свойств, отношений, состояний. Все эти изменения, рассмотренные в самом общем плане, представляют собой неотъемлемую характеристику бытия материального мира. Изменение в форме обозначены понятием движения.

Философов всегда волновал вопрос о бесконечном многообразии материальных форм. Откуда и как  оно произошло? Высказывалось предложение, что это многообразие есть результат  активности материи. Большинство мыслителей идеалистического направления объясняли активность вмешательством Бога, одушевляли материю.

Материалистическая философия  не признает наличие души в материи  и объясняет ее активность взаимодействием  вещества и полей. Но, термин «движение» обыденное сознанием понимает как пространственное перемещение тел. В философии такое движение называется механическим. Существуют и более сложные формы движения: физическая, химическая, биологическая, социальная и другие. Так, например, процессами микромира характеризуются взаимодействиями элементарных частиц и субэлементарными взаимодействиями. Галактические взаимодействия и расширение Метагалактики – есть новые формы физического движения материи, неизвестные ранее.

Все формы движения материи взаимосвязаны. Так, например, механическое движение (самое простое), обусловлено процессами взаимопревращения элементарных частиц, взаимовлиянием гравитационных и электромагнитных полей, сильных и слабых взаимодействий в микромире.

Что же такое движение вообще? Философское понятие движения обозначает любые взаимодействия, а так же изменение состояний объектов, вызываемых этим взаимодействием.

Движение – это  изменение вообще. Оно характеризуется тем, что:

–неотделимо от материи, поскольку является атрибутом (неотъемлемым существенным свойством объекта, без которого объект не может существовать) материи. Нельзя мыслить материю без движения, как и движение без материи;

–движение объективно, изменения  в материю может внести лишь практика;

–движение – есть противоречивое единство устойчивости и изменчивости, прерывности и непрерывности,

–движение никогда не сменяется абсолютным покоем. Покой – это тоже движение, но такое, при котором не нарушатся качественная специфика предмета (особое состояние движения);

Атрибутивный характер движения материи позволяет говорить о ее самодвижении, "спонтанейном" развитии. При этом возникает вопрос о внутреннем содержании движения, саморазвития природы, о ее внутренней активности. Конкретизация этой проблемы предполагает объяснение "самодвижения" различных материальных систем, ибо абсолютность самодвижения материи в целом реализуется в относительно самодвижущихся конкретных системах. Относительность самодвижений различных материальных систем заключается во взаимоотношениях между внутренними и внешними факторами; всякая материальная система находится во взаимодействии с другими материальными системами, которые выступают по отношению к ней как условия ее самодвижения. Причем внутренние связи и противоречия в материальных системах представляют собой источник самодвижения, а внешние – условие реализации определенной тенденции.

 

2 Самоорганизация – свойство сложных, открытых, неравновесных систем

 

В широком плане понятие  самоорганизации отражает фундаментальный  принцип природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние  – это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной  системой в ходе предшествующего  периода плавного, эволюционного  развития. Прежде чем привести примеры  самоорганизации, необходимо уточнить, что же считать усложнением элементов и систем, их переходом от более простых к более сложным формам. Понятия «простой» и «сложный» всегда относительны, их смысл выявляется только при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, протон сложен относительно кварков, но прост относительно атома водорода; атом сложен относительно протона и электрона, но прост относительно молекулы и т.д. При этом мы видим, что сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, доставляющие их. Таким образом, природу можно представить как цепочку нарастающих по сложности элементов. Процессы объединения «простых» элементов с образованием «сложных» систем протекают лишь при выполнении определенных условий. Например, если температура (энергия) окружающей среды превышает энергию связи двух частиц, то они не смогут удерживаться вместе. При снижении температуры до значений, при которых энергия среды и энергия связи частиц окажутся равными, наступает критический момент, и дальнейшее снижение температуры делает возможным процесс фиксирования частиц (например, протона и электрона) в атоме водорода. Намного сложнее обстоит дело при соединении атомов в молекулы. Здесь также существуют пороговые значения параметров (температуры, плотности), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен. Затем идут новые уровни сложности и упорядоченности вещества. Наиболее высокий уровень упорядоченности, известный науке – живая система. Считалось, что феномен жизни противоречит господствовавшим физическим представлениям о стремлении материи к хаосу. Жизнь представлялась упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не только на тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Синергетика как наука об общих свойствах самоорганизующихся систем

 

Синергетика (греч. "синергетикос" – совместный, согласованно действующий) – наука, целью которой является выявление, исследование общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравноценных системах различной природы (физических, химических, биологических, экологических и др.). Термин "синергетика" буквально означает "теория совместного действия". Синергетика являет собой новый этап изучения сложных систем, продолжающий и дополняющий кибернетику и общую теорию систем. Если кибернетика занимается проблемой поддержания устойчивости путем использования отрицательной обратной связи, а общая теория систем – принципами их организации (дискретностью, иерархичностью и т. п.), то синергетика фиксирует свое внимание на неравновесности, нестабильности как естественном состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и неоднозначности путей их эволюции. Синергетика исследует типы поведения таких систем, то есть нестационарные структуры, которые возникают в них под действием внешних воздействий или из-за внутренних факторов (флуктуации).

Синергетика исследует  организационный момент, эффект взаимодействия больших систем. Возникновение организационного поведения может быт обусловлено внешними воздействиями (вынужденная организация) или может быть результатом развития собственной (внутренней) неустойчивости системы в системе (самоорганизация).

Синергетика перекинула мост между неорганической и живой  природой. Она пытается ответить на вопрос, как возникли те макросистемы, в которых мы живем. Во многих случаях  процесс упорядочения и самоорганизации связан с коллективным поведением подсистем, образующих систему. Наряду с процессами самоорганизации синергетика рассматривает и вопросы самодезорганизации – возникновения хаоса в динамических системах. Как правило, исследуемые системы являются диссипативными, открытыми системами.

Основой синергетики  служит единство явлений, методов и  моделей, с которыми приходится сталкиваться при исследовании возникновения порядка из беспорядка или хаоса – в химии (реакция Белоусова -Жаботинского), космологии (спиральные галактики), экологии (организация сообществ) и т.д. Примером самоорганизации в гидродинамике служит образование в подогреваемой жидкости (начиная с некоторой температуры) шестиугольных ячеек Бенара, возникновение тороидальных вихрей (вихрей Тейлора) между вращающимися цилиндрами. Пример вынужденной организации – синхронизация мод в многомодовом лазере с помощью внешних периодических воздействий. Интерес для понимания законов синергетики представляют процессы предбиологической самоорганизации до биологического уровня. Самоорганизующиеся системы возникли исторически в период возникновения жизни на Земле.

Основы синергетики  были заложены немецкий ученым Г. Хакеном (автором книги "Синергетика" (М, 1980)), работами бельгийского ученого И. Пригожина и его группы. Работы Пригожина по теории необратимых процессов в открытых неравновесных системах были удостоены Нобелевской премии (1977).

Модели синергетики – это модели нелинейных, неравновесных систем, подвергающихся действию флуктуации. В момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно несколько устойчивых состояний, то флуктуации отбирают одну из них. При. анализе сложных систем, например, в биологии или экологии, синергетика исследует простейшие основные модели, позволяющие понять и выделять наиболее существенные механизмы "организации порядка" избирательную неустойчивость, вероятностный отбор, конкуренцию или синхронизацию подсистем. Понятия и образы синергетики связаны, в первую очередь, с оценкой упорядоченности и беспорядка – информация, энтропия, корреляция, точка бифуркации и др. Методы синергетики в значительной степени пересекаются с методами теории колебаний и волн, термодинамики неравновесных процессов, теории катастроф, теории фазовых переходов, статистической механики, теории самоорганизации, системного анализа и др.

Классическая термодинамика  в своем анализе систем отвлекалась  от их сложности и проблем взаимосвязи  с внешней средой. По существу, она рассматривала изолированные, закрытые системы. Но в мире есть и открытые системы, которые обмениваются веществом, энергией информацией со средой. В открытых системах тоже возникает энтропия, происходят необратимые процессы, но за счет получения материальных ресурсов, энергии и информации система сохраняется, а энтропию выводит в окружающую среду. Открытые системы характеризуются неравновесной структурой. Неравновесность связана с адаптацией к внешней среде (система вынуждена изменять свою структуру), система может претерпевать много различных состояний неопределенность и т.д. Переход от термодинамики равновесных процессов, к анализу открытых систем ознаменовал крупный поворот в науке, многих отраслях научных знаний. В открытых системах обнаружен эффект самоорганизации, эффект движения от хаоса к порядку.

Немецкий физик Герман Хакен термином “синергетика” предложил обозначить совокупный, коллективный эффект взаимодействия большого числа подсистем, приводящих к образованию устойчивых структур и самоорганизации в сложных системах.

Конечно, феномен перехода от беспорядка к порядку, упорядочения ученые знали и до этого. В качестве примеров самоорганизации в неживой  природе можно привести авторегуляцию, принцип наименьшего действия и  принцип Ле-Шателье. Было открыто самопроизвольное образование на Земле минералов с более сложной кристаллической решеткой. В химии известны процессы, приводящие к образованию устойчивых структур во времени. Примером является реакция Белоусова-Жаботинского, где раствор периодически меняет свой цвет от красного к синему в зависимости от концентрации соответствующих ионов.

В физике явления самоорганизации  встречаются от атомных объектов и кончая галактическими системами. Лично Г. Хакен считает маяком синергетики лазер. Атомы, внедренные в лазер, могут возбуждаться действием энергии извне, например, путем освещения. Если внешняя энергия недостаточна, лазер работает как радиолампа. Когда же она достигает мощности лазерной генерации, атомы, ранее испускавшие волны хаотично и независимо, начинает излучать один громадный цуг волн длиной около 300000 км. Атомная антенна начинает осциллировать в фазе, и волны совершают как бы одно коллективное движение.

Биологические и социальные системы поддерживают упорядоченные  состояния, несмотря на возмущающие влияния окружающей среды.

Синергетика исследует  особые состояния систем в области  их неустойчивого состояния, способность к самоорганизации, точки бифуркации (переходные моменты, переломные точки).

 

4 Роль синергетики в решении проблем современного научного познания

 

Действительно, возникнув  из неравновесной термодинамики, синтеза  естественнонаучных знаний, синергетика  ориентирует на раскрытие механизмов самоорганизации сложных систем-природных  и социальных, а также созданных  руками человека. Вместе с синергетикой пришло понимание единства неорганического и органического мира, понимание того, что чередование хаоса и порядка является универсальным принципом мироустройства. По мнению академика Н. Моисеева: "всё наблюдаемое нами. всё, в чем сегодня участвуем. – это лишь фрагменты единого синергетического процесса..."(Алгоритмы развития. –М., 1987-С.63).

Синергетика выявила  бифуркационный механизм развития, конструктивную роль хаоса в процессах эволюции самоорганизованных систем, механизм конкуренции виртуальных, т. е. допустимых, возможных форм структур, заложенных в системе. По своему воздействию на современное мировоззрение идеи синергетики равнозначны идеям теории относительности и квантовой механики. Синергетические понятия применимы к любым развивающимся системам. Они становятся инструментами социального мышления и анализа. Современная социальная наука, преодолевая механицизм и заимствуя идеи синергетики, все больше обращает внимание на неравновесные состояния, на процессы слома стабильного порядка (на переходы от порядка к хаосу, на рождение нового порядка). В развитии общества нередко возникают неустойчивые состояния “точки бифуркации” – перекрестки, расщепление путей развития. В период общественного кризиса бессмысленно уповать на так называемые "объективные законы", которые делают людей слепыми по отношению к социально-политическим и экономическим процессам.