Самоорганизующиеся системы (сложность, открытость, неравновесность, нелинейность, диссипативность как свойства самоорганизующейся систе

Самоорганизующиеся  системы (сложность, открытость, неравновесность, нелинейность, диссипативность как  свойства самоорганизующейся системы). Бифуркация. Аттрактор.

Под самоорганизацией обычно понимают процессы самоконструирования, саморегулирования, самовоспроизведения систем различной природы. Это «изменение организации, происходящее в большей или меньшей мере относительно активно, самостоятельно и спонтанно». 
Непосредственным объектом теории самоорганизации являются самоорганизующиеся системы.

Самоорганизующимися называют такие системы, которые способны при изменении внешних или внутренних условий их функционирования и развития сохранять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта, сигналы о которой поступают по каналам обратной связи.

Примеры самоорганизующихся систем: отдельная живая клетка, организм, биологическая популяция, человеческий коллектив, машина-автомат, машина-робот.

1. Самоорганизующаяся система  – это сложная система, состоящая из большого числа переменных (степеней свободы), а следовательно, и большого количества связей между ними.

2. Самоорганизующаяся система — это система динамическая, ее движение носит нелинейный характер. 
Во-первых, благодаря нелинейности имеет силу важнейший принцип «развертывания малого» или «усиления флуктуаций». Под «флуктуацией» в широком смысле слова понимается внешнее воздействие, в строгом смысле слова — как физическая категория – случайные отклонения мгновенных значений величин от их средних значений (от состояния равновесия). При определенных условиях нелинейность может усилить флуктуации – делать малое отличие большим, макроскопическим по последствиям. 
Во-вторых, определенные классы нелинейных открытых систем демонстрируют другое важное свойство – пороговость чувствительности. Ниже порога все уменьшается, стирается, забывается, не оставляет никаких следов в природе, науке, культуре, а выше порога, наоборот, все многократно возрастает. 
В-третьих, нелинейность порождает своего рода квантовый эффект – дискретность путей эволюции нелинейных систем (сред). То есть на данной нелинейной среде возможен не любой путь эволюции, а лишь определенный набор этих путей, определяемый спектром устойчивых состояний, структур-аттракторов. 
В-четвертых, нелинейность означает возможность неожиданных, называемых в философии эмерджентными, изменений направления течения процессов. Нелинейность процессов делает принципиально ненадежными и недостаточными весьма распространенные до сих пор прогнозы – экстраполяции от наличного. Ибо развитие совершается через случайность выбора пути в момент качественных преобразований системы, а сама случайность обычно не повторяется вновь. 
3. Самоорганизующаяся система — это система открытая, что обеспечивает вещественно-энергетический и информационный обмен со средой. Открытая система обладает как “источниками” – зонами подпитки ее энергией окружающей среды, действие которых способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, так и “стоками” – зонами рассеяния энергии, в результате действия которых происходит сглаживание структурных неоднородностей в системе. Открытая система способна усваивать внешние воздействия и находится в постоянном изменении. 
4. Самоорганизующаяся система — это система неравновесная, т.к. процессы самоорганизации возможны только в открытых неравновесных системах, находящихся достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. 

Возможность потери устойчивости состояний в системах, далеких от равновесия, при определенных условиях открывает путь процессам  самоорганизации. Именно самоорганизация  выступает механизмом упорядочения системы.

Неравновесные системы благодаря избирательности  к внешним воздействиям среды  воспринимают различия во внешней среде  и «учитывают» их в своем функционировании. При этом некоторые слабые воздействия  могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, на нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции: здесь возможны ситуации, когда эффект от совместного действия причин А и В не имеет ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.

5. Диссипативность. Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние — диссипативность, т.е. своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Диссипация — это тенденция к размыванию организации, но в нелинейных, неравновесных системах она проявляет себя и через противоположную функцию — структурообразование. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно формироваться новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется  в различных формах: в способности  «забывать» детали некоторых внешних  воздействий, в «естественном отборе»  среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и др.

Понятие диссипативности  тесно связано с понятием хаоса. Синергетика переосмысливает понятие  хаоса, характерное для классического  и неклассического естествознания: хаос как пассивное, разрушительное, деструктивное начало, как окончательный продукт разложения, дезорганизации материи, как воплощение максимальной энтропийности, абсолютной неопределенности и неконструктивности.

Бифуркация и аттракторы.

Самоорганизующиеся  системы характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название аттракторов. Аттракторы характеризуют те направления, в которых способна эволюционировать открытая нелинейная среда. (В закрытой системе аттрактор один, и он определяется вторым началом термодинамики — максимальная энтропия.) Иначе говоря, аттракторы — это те структуры (и цели), по направлению к которым протекают процессы самоорганизации в нелинейных средах. Для наглядной иллюстрации понятия аттрактора часто используют образ конуса «воронки», который втягивает в себя траектории эволюции нелинейной системы.

В процессе самоорганизации  возникает множество новых свойств  и состояний. Очень важно, что  обычно соотношения, связывающие аттракторы, намного проще, чем математические модели, детально описывающие всю новую систему. Это связано с тем, что аттракторы отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому задача определения аттракторов — одна из важнейших при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты — точки бифуркации. Вблизи точек бифуркаций в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.

В переломный момент самоорганизации  принципиально неизвестно, в каком  направлении будет происходить  дальнейшее развитие: станет ли состояние  системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры — лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы колеблется перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.