Синергетика и принципы самоорганизации. Эволюция материи

уместным назвать тот же подход “неравновесной нелинейной статистической механикой”. Другие усматривали в новой области дальнейшее развитие “термодинамики необратимых процессов”, третьи нашли рассматриваемый круг явлений особенно подходящим для применения теории катастроф (сохранив за не поддающимися пока решению проблемами название “обобщенных катастроф”). Некоторые математики склонны рассматривать весь круг проблем с точки зрения структурной устойчивости. Все перечисленные разделы науки весьма важны для понимания образования макроскопических структур образования в процессе самоорганизации, но каждый из них упускает из виду нечто одинаково существенное. Вот некоторые из пробелов. Мир - не лазер. В точках бифуркации решающее значение имеют флюктуации, т. е. стохастические процессы. Неравновесные фазовые переходы обладают некоторыми особенностями, отличными от обычных фазовых переходов, например чувствительны к конечным размерам образцов, форме границ и т. п. В равновесной статистической механике не существуют самоподдерживающиеся колебания. В равновесной термодинамике широко используются такие понятия, как энтропия, производство энтропии и т. д., неадекватные при рассмотрении неравновесных фазовых переходов. Теория катастроф основана на использовании некоторых потенциальных функций, не существующих для систем, находящихся в состояниях, далеких от теплового равновесия. Можно  подчеркнуть то,

что представляется особенно важным: в настоящее время назрела  острая необходимость в создании особой науки, которая бы объединила все перечисленные  аспекты. Для науки безразлично, будет ли она называться “Синергетикой”. Важно, что она существует”.

Итак, Х-наука делает первые шаги, и существует сразу не в  одном, а в нескольких вариантах, отличающихся не только названиями, но и степенью общности и акцентами в интересах.

 

 

 

 

 

 

 

 

Три уровня синергетического знания.

 

Итак, каковы главные смыслы, вносимые научным сообществом в термин "синергетика"? Она понимается как  
1) парадигма – система идей, принципов, образов, представлений, из которых , возможно, со временем вырастет фундаментальная научная теория, или общенаучная теория, или даже мировоззрение;  
2) ряд частнонаучных теорий (в физике, химии, биохимии, биологии, социологии, психологии и других науках), объединяемых идеями нелинейности, открытости, переходности, неравновесности процессов, идущих в системах;  
3) общенаучная теория (которая пока еще складывается), т.е. как теория диссипативных структур (в смысле Пригожина), либо теория самоорганизующихся систем (в смысле Хакена), либо теория переходных процессов, взаимопревращения хаоса и порядка и т. п.;  
4) новое мировоззрение, преодолевающее господствующее пока в науке мышление "ставшими", неизменными понятиями (платонистская традиция) и утверждающее мышление, основанное на "становящихся", переходных, нестабильных, фрактальных формах, образах.  
Мы исходим из оптимистического представления о перспективах синергетической парадигмы (и как будущей общенаучной концепции, и как зачатка нового мировоззрения). Подтвердить предположение о возможности общенаучной теории можно, выделив теоретическое ядро (принципы), показав наличие не только описательной, объяснительной, но и предсказательной функции, раскрыв области верификации и фальсификации для теории. С позиций «классической» (досинергетической) методологии науки в столь обширных областях как синергетическое знание можно выделить по крайней мере 3 уровня: частнонаучный, общенаучный и философский (рис. 1).

Мировоззрение (философия)
Общенаучная теория (метатеория)
Частнонаучные теории (объектное, опытное знание)

 

Частные теории сегодня возникли (или  складываются) в физике лазеров, турбулентности, в области нелинейных феноменов химической динамики, в теории нелинейной биоэволюции, в теории генно-культурной коэволюции Ч. Ламсдена и Э. Уилсона, в культурной (социальной) синергетике, психологии, педагогике.  
Следующий уровень – общенаучная синергетика. Она дает описание, объяснение и предсказание любого явления самоорганизации. Но такая теория имеет и метатеоретическую функцию, т.е. она объясняет и предсказывает (хотя бы в общих чертах) частные теории. Поэтому общенаучная синергетика – одновременно и метатеория.  
Наконец, 3-й уровень синергетического знания – философский. Здесь элементы науки соединяются с элементами веры. Такое знание не может быть фальсифицировано.  
Однако линия-лестница на рис.1, возносящая нас от частного к общему в духе Аристотеля, – это линейное мышление.  
Для нелинейного синергетического мышления – «все во всем», «наверху как и внизу». Для синергетической методологии «все равны», поэтому линию необходимо представить в виде кольца, где все уровни равны, где нет высшего и низшего (рис.2, где Т – теория, Ф – философия синергетики, ОНТ – общенаучная теория).

 В то же время каждый  из трех элементов кольца состоит  из множества других элементов.  Например, Т – набор из десятков  теорий – физических, химических, биологических, социальных (экономических, культурологических), выражающих взаимопревращение хаоса и порядка. ОНТ – набор из нескольких общенаучных теорий (концепций) – Хакена, Пригожина, математических теорий, логических теорий, виталистических учений, телеологических и т.п. Ф – также не единственна. Это целая область различных онаученных мировоззренческих учений, образы которых созвучны даосизму, буддизму, индуизму, эзотерике, христианству, пифагореизму, платонизму, аристотелизму, а также в идеям Декарта, Лейбница, Канта, Гегеля, Соловьева, Флоренского, Хайдеггера и других мыслителей.

В результате синергетическое знание (факты, закономерности, догадки, гипотезы, теории, философские учения) предстает  топологически как 

многомерная сеть (рис. 3). 

В сети время от времени  возникает волна возбуждения. Она  движется по сети, активизирует ( и даже рождает) одни элементы и тормозит другие. Сеть работает как дискретно-волновая структура, напоминающая мозг, в котором  также частицы (нейроны) и волны дополняют друг друга в духе корпускулярно-волновой дополнительности.

 

Принципы синергетики.

 

Один из создателей синергетики  Г.Хакен пишет :"Синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, механические элементы, фотоны, органы, животные и даже люди". Основной вопрос синергетики, по его мнению, "существуют ли общие принципы, управляющие возникновением самоорганизующихся структур и (или) функций"  и Хакен дает утвердительный ответ.

    Синергетика  ищет свой специфический язык . Закладывают его основы прежде  всего принципы, общие для частнонаучных  теорий, кроме того, принципы общенаучных  теорий и, наконец, ведущие  ценности («столпы веры») синергетического мировоззрения.  
Принципы частных (объектных) теорий, естественно, отличаются друг от друга вследствие различия предметных областей. Однако можно выделить ту часть принципов, которая едина для всех теорий и обозначить специфику теорий в области физики (и химии), биологии, социологии, психологии ...  
Согласно работе  можно выделить следующие 4 принципа частных теорий синергетики :  
1. Нелинейность означает несохранение аддитивности в процессе развития представляемых систем. Любое явление понимается как момент эволюции, как процесс движения по полю развития.  
2. Неустойчивость означает несохранение "близости" состояний системы в процессе ее эволюции.  
3. Открытость означает признание обмена системы веществом, энергией, информацией с окружающей средой и, следовательно, признание системы как состоящей из элементов, связанных структурой, так и включенности в качестве подсистемы, элемента в иное целое.  
4. Подчинение означает, что функционирование и развитие системы определяются процессами в ее подсистеме ("сверхсистеме") при возникновении иерархии масштабов времени. Это принцип "самоупрощения" системы, т.е. сведения ее динамического описания к малому числу параметров порядка.  
К описанным 4 принципам добавляются принципы специфические для той или иной объектной области – неживых систем, живых организмов, человека. Так, для неживых (физических и химических) систем в той или иной форме вводится принцип нелокальности (дальнодействия, коррелированности на расстоянии), означающий такое взаимодействие между элементами системы, которое воспринимается как передача информации с бесконечной скоростью (о чем напоминают прежде всего квантовомеханические неравенства Дж. Белла . Для живых (биологических и приближающихся к ним технических) систем вводится принцип биополя, определяющий особое поле, объединяющее элементы в целое и направляющее развитие организма к предустановленным образцам (аттракторам). Понятие о биополе, синтезирующее физикализм и витализм, неоднократно вводилось под разными названиями, например, как морфогенетическое поле, постулированное в двадцатые годы российским биологом А.Г. Гурвичем.  
Для человека может быть введен принцип трансценденции (или самоактуализации). Он означает способность человека переступать границу между природным, опытным и внеприродным, выходить за рамки любого возможного опыта. Так, для К.Поппера самотрансцендентность означает нашу способность "постоянно превосходить себя, свои таланты, свою одаренность". Путем критики, обладающей творческим воображением, мы как бы поднимаем себя за волосы, из трясины нашего незнания . А.Г.Маслоу понимает трансценденцию как утрату самоосознания, как отклик на требования внешнего по отношению к нашему "Я", как принятие мира таким, каков он есть, как холистическое постижение космоса в целом, как достижение пределов человеческих возможностей. Сходные представления о специфике человеческой деятельности имеются у многих ученых – С.Грофа , Е.Янча и других.  
Следующая составляющая синергетической сети – общенаучные теории. В них сегодня просматриваются по крайней мере 2 блока: содержательный и формальный (второй включает в себя математическую и логическую части).  
Они концентрированно выражают методологию синергетики.  
Содержательный блок составляют:  
1. Принцип становления, утверждающий, что главная форма бытия – не ставшее, а становящееся, не покой, а движение, не завершенные, вечные, устойчиво-целостные формы, а переходные, промежуточные, временные, эфемерно-дробные образования.  
Становление выражается через 2 свои крайности – хаос и порядок. Хаос – основа сложности, случайности, творения-разрушения, конструкции-деконструкции. Порядок – основа простоты, необходимости, закона, красоты, гармонии.  
Взаимодействие образов хаоса и порядка раскрывают нам:  
а) образ времени как темпа становления, как процесса возникновения-исчезновения, как периодической смены дискретно-упорядоченных структур "кашей" хаотической материи;  
б) образ субъекта, переходящего из потенции в актуальность по мере усложнения форм бытия, как это показано Аристотелем в учении о форме и материи, где философ классифицирует уровни бытия (по степени проявленности формы как одухотворяющего начала) : а) хаотическая материя, б) глина, камень, в) растения, г) животные, д) человек, е) форма форм – Бог;  
в) образ свободы как возможности для субъекта всего – мыслимого и немыслимого, явного и тайного, выразимого и невыразимого, как радостного чувства принципиальной достижимости чего угодно, желания вечной жизни (игры в порядок-хаос).

2. Принцип узнавания  (обобщение квантово-механического  принципа наблюдаемости) означает узнавание (открытие) бытия как становления. При этом параметры порядка играют двоякую роль: сообщают системе как вести себя и доводят до сведения наблюдателя нечто о макроскопическом состоянии системы. Принцип узнавания является одним из вариантов принципа лингвистической относительности Сепира-Уорфа (каждый язык несет в себе свою собственную онтологию).  
3. Принцип согласия (коммуникативности, диалогичности), означающий, что бытие как становление формируется и узнается лишь в ходе диалога, коммуникативного, доброжелательного взаимодействия субъектов и установления гармонии в результате диалога. Один из источников принципа согласия – принцип конвенциональности в научном познании, сформулированный А. Пуанкаре.  
4. Принцип соответствия, означающий возможность перехода от досинергетической (классической, "неклассической", и "постнеклассической") науки к синергетической (как по интуитивным соображениям, так и по формальным параметрам).  
5. Принцип дополнительности, означающий независимость и принципиальную частичность, неполноту как досинергетического описания реальности, (без синергетического), так и частичность синергетического (без досинергетического); бытие предстает то как ставшее (платоническое), то как становящееся (неплатонистское). Бытие – и то, и это.  
Помимо содержательных принципов в методологию синергетики входят формальные принципы. Формальный блок составляют понятия и принципы, навеянные теми теориями математики и логики, которые адекватны представлению о бытии как вечно текущем мире становления.  
Математический блок составляют теория катастроф, фрактальная геометрия, теория вероятностей, теория алгоритмов, теория клеточных автоматов, а также интуиционистская математика и теория категорий (в особенности такой ее топологический раздел как теория топосов) .  
Интуиционизм, теория катастроф, теория категорий позволяют сформулировать:  
1. Принцип математического становления, или конструктивности, фиксирующий убеждение математиков в превращаемости одних форм в другие, внутреннюю направленность этих переходов от простых к более сложным формам и обратно (подобно тому как после натуральных чисел открывают ноль, отрицательные числа, а также дробные, иррациональные, трансцендентные, комплексные ..., но существует и обратная свертка). Задачи на построение стали эстетической вершиной математики еще в античные времена. Принципиальная "конструируемость" искомого объекта (из исходных) стала ведущим требованием интуиционизма и конструктивизма. Наиболее явно принцип выражен в работах Л.Э.Я. Брауэра (основателя интуиционизма), близок он преконструктивистам, А. Пуанкаре, Г. Вейлю, А.А. Маркову (мл.) Интуиционисты и конструктивисты убеждены в ненужности доказательств от противного. Достаточны "положительные" доказательства. Отсюда попытки построить математику без отрицания (Грисс Г. – см.. Брауэр не раз высказывался в том духе, что жизнь, искусство, музыка, математика – в сущности одно  Это можно понимать и как убеждение в том, что деятельность – ведущее свойство человека.  
Примыкает к принципу становления и следующий принцип. Фольклор математиков, теория алгоритмов, работы А.Н. Колмогорова по алгоритмической сложности, теория вероятностей, теория клеточных автоматов, фрактальная геометрия позволяют сформулировать  
2. Принцип сложности, означающий возможность обогащения, усложнения системы в процессе познания = становления, т.е. вероятность скачкообразного возрастания сложности структур ( L S – процесс по Курдюмову), что связано с идеей конструктивного (творящего) хаоса, хаоса как океана информации. Лишь субъект (ученый), создающий новые коммуникативные параметры порядка, позволяет актуализироваться принципиально более сложной информации о системе. Формальные же преобразования системы сохраняют уровень ее сложности, а также качество и количество информации ("закон сохранения сложности").  
Теория категорий делает явными еще 3 принципа, связанных с синергетикой   
3. Принцип фрактального гомоморфизма (всеобщего подобия) фиксирует, с одной стороны, фундаментальность не того, ЧТО отражается, а КАК ..., а с другой стороны, означает взаимоподобие дробных структур любого масштаба. Фрактальность понимается и как предмет, и как средство исследования. Главное в становлении – не элементы, а структура. Впервые на это обратил внимание Ф.У. Ловер. Он построил аксиоматику категорий без множеств и получил как бы классы без элементов. Их аналог – l-исчисление А. Черча (логика без переменных). Это начала фрактальной математики и логики. Ловер разработал теоретико-категорную модель становления, в которой работает сопряженная пара: функтор – хаос и функтор – порядок. Впервые после Брауэра Ловер вышел за рамки платонистской , классической математики в область фрактальной теории, где идет постоянное превращение хаоса в порядок и наоборот .Метафорой фрактального гомоморфизма являются принцип Великого недеяния в даосизме, а также танец Шивы, космический танец в индуизме .  
4. Принцип освобождения. "Сущность математики в свободе", – писал Г. Кантор. Освобождение как методологический принцип означает, что в процессе развития математики, за столетия и тысячелетия исходный объект (например, число) освобождается от множества случайных связей, навязанных чуждой духу материей, физическим миром. Объект в сознании ученых становится все более очищенным, свободным и прекрасным – "самим собой" (натуральное число разворачивается в отрицательные, иррациональные, гиперкомплексные числа, алгебраические системы и даже в трансфинитный ряд Кантора – в смысле актуальной бесконечности). Именно освобождение как процесс положил в основание классификации этапов истории математики С. Пинкерле в конце XIX в. (позже его мысль подхватили Ж. Адамар и А.Н. Колмогоров) .  
В математическом творчестве свобода всегда выступает в связи со своим диалектическим двойником – ограничением (как ян и инь). Математик интуитивно чувствует свой "свободный объект", но вынужден постулировать: "существует единственный", чтобы дать объекту определенность.  
Математическое становление и является в сущности процессом освобождения объекта (что можно понимать и в платонистском смысле, и в неплатонистском, например, в духе "свободно становящихся последовательностей" Брауэра).  
5. Принцип двойственности означает единство внутреннего и внешнего ("это одно") и является сквозным для всей математики. Он вырос из симметрии между сложением и умножением чисел, точками и прямыми в планиметрии, алгеброй и геометрией, аксиоматическим и генетическим методами и т.п. Он стал мощным эвристическим средством решения труднейших задач и выдвижения глубоких гипотез о природе пространства (например, у о. П.А.Флоренского). Очевидно, двойственность связана с дополнительностью (из содержательной части общенаучной теории синергетики), но не только – также и с принципом математического становления, а именно идеей математики без отрицания. Размышления ряда математиков, логиков, теологов, философов о природе двойственности привели их к элиминации, отказу от двойственности в основаниях бытия и мышления, точнее: наиболее естественное мышление, соответствующее Божественному замыслу, – мышление положительное, без отрицаний, поскольку, например, в интуиционизме и конструктивном направлении исходный объект преобразуется шаг за шагом, но он всегда один (отсутствует его двойник – его отрицание – как в классической математике, где есть доказательство от противного).  
Логическая часть общенаучной теории синергетики (метатеории) представляет собой описание металогики, т.к. конкретные логики в каждой из объектных теорий – свои, обычно это 2-значная аристотелева логика, но может применяться также вероятностная, интуиционистская, нечетких предикатов и т.п. . В металогику входят:  
1. Принцип логического становления, означающий переходность логик, отражающих процесс становления системы. Так, 2-значная логика, описывающая начальное состояние объекта, переходит в 1-значную в момент притягивания системы к аттрактору.  
2. Принцип фрактальности означает способность логики выразить промежуточные, "дробные" состояния эволюционирующего объекта. Такая логика должна быть основана на "дробных" понятиях, суждениях, умозаключениях. Например, для описания гусеницы, окружившей себя коконом осенью и превращающейся за зиму в бабочку, приходится интуитивно вводить "дроби": 1 декабря в коконе – нечто (2/3 гусеницы, 1/3 бабочки), 1 января – иное нечто (1/2 гусеницы, 1/2 бабочки) и т.д. Принцип фрактальности выступает как принцип темпоральности, или множественности времен. Он вводит внешнее и внутреннее время, время становления и бытия (см. также ).  
3. Принцип геометричности, т.е. зависимости конкретной логики от складывающейся ситуации, которая сводится к геометрии (математике). Еще Аристотель говорил: в сущности вся логика сводится к геометрии. Специфика каждого интервала (между бифуркациями) определяет соответствующую логику. В категорной логике это видно наиболее отчетливо.  
4. Принцип локальной непредсказуемости означает невозможность предсказания логики, которая потребуется после бифуркации. Хаотичность, случайность становления ведут к свободе, субъект-субъектности (диалогичности) мышления, пытающегося отобразить переходный процесс.  
5. Принцип глобальной однозначности утверждает, что ведущей логикой для описания становления в целом является однозначная (положительная, без отрицаний) логика, как это и отражено в принципе математического становления. Вероятно, однозначность движения от аттрактора к аттрактору открыта не западному человеку, культура которого мечется между истиной и ложью, между "да" и "нет", а человеку совершенно иной культуры или сверхчеловеческому существу. Так, по мнению ряда логиков, теологов, философов в некоторых культурах Древней Индии существовала однозначная логика . Следы этих культур есть в "Ведах" и ряде других литературных памятников.  
Как видно из структуры общенаучной теории синергетики, ее содержательная и формальная части (при всей их специфичности) имеют глубокие параллели. Главными принципами являются принципы становления, свободы, диалогичности (субъект-субъектного взаимодействия и гармонизации), фрактальности и сложности.  
После объектных теорий (в физике, биологии ...) и метатеории синергетическое знание достигает высшего уровня общности в форме философии (см. рис. 1). Пока она только складывается – в виде нескольких достаточно туманных учений, поскольку в них перемешаны самые различные идеи, образы, мифы, переживания. Наиболее интересные работы (хотя бы напоминающие философию) – Пригожина и сотрудников , Хакена , Курдюмова , Капра , Налимова , Буданова , Ласло и другие .  
Ведущими идеями, образами в них являются нелинейность, сложность, самоорганизация, становление, хаос и порядок, присутствие субъекта в картине становления, фрактал, холизм, телеология и другие.  
Как отсюда видно, синергетика как научная дисциплина принципиально отличается от классических и неклассических теорий. Во-первых, она внутренне междисциплинарна, т.к. обобщая – соединяет физику с биологией, химию с социологией, математику с психологией и все эти науки друг с другом, причем обобщает в направлении нелинейности, сложности, самоорганизации, моделирования становящихся систем, переходных процессов, тонких фрактальных структур.  
Во-вторых (и это главное), в синергетике ведется внутренний диалог между платонистским и неплатонистским мышлением, осуществляется постоянный переход от одного дискурса к другому, не останавливаясь ни на одном, ни на другом полюсе.

 

Теория диссипативных  структур.

 

 Бельгийская школа.  И. Пригожина развивает термодинамический подход к самоорганизации . Основное понятие синергетики Хакена (понятие структуры как состояния, возникающего результате когерентного (согласованного) поведения большого числа частиц) бельгийская школа заменяет более специальным понятием диссипативной структуры. 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. Примером диссипативных структур могут служить колебания в модели Лефевра-Николиса- Пригожина (так называемом брюсселяторе).

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод.

 

1. Синергетика  может быть использована как  основа междисциплинарного синтеза  знания, как основа для диалога  естественников и гуманитариев, для кросс-дисциплинарной коммуникации, диалога и синтеза науки и искусства, диалога науки и религии, Запада и Востока (западного и восточного миропонимания).

2. Синергетика  может обеспечить новую методологию  понимания путей эволюции  систем, причин эволюционных кризисов, угроз катастроф, надежности прогнозов и принципиальных пределов предсказуемости в экологии, экономике, социологии, геополитике. Синергетика дает нам знание о конструктивных принципах коэволюции сложных  систем,  находящихся на разных стадиях развития. Поэтому синергетика может стать основой для принятия обоснованных решений и предсказаний в условиях неопределенности, стохастических потрясений, периодической реорганизации геополитических структур.

Синергетика открывает  принципы нелинейного синтеза: 1) наличие различных, но не каких угодно, способов объединения структур в одну сложную структуру, 2) значение правильной топологии, "конфигурации" объединения простого в сложное, 3)объединение структур как разных темпомиров, 4) возможность - при правильной топологии объединения - значительной экономии материальных и духовных затрат и ускорения эволюции целого.