Концепция самоорганизации сложных природных систем. Концепции воздействия и взаимодействия в синергетике

Простейший пример этому  – вода. Она обладает аномальной зависимостью плотности от температуры, и это свойство мы не можем вывести из свойств атомов (или молекулярных свойств) водорода и кислорода, которые более или менее известны. Таким примерам нет числа, особенно когда мы переходим в сферу живого вещества и общественных отношений. Феномен жизни, видимо, невозможно свести к физико-химическому взаимодействию составляющих элементов живого организма. Свойства Разума, вероятнее всего, несводимы к свойствам нейронов, из которых состоит мозг. Объяснить поведение толпы свойствами входящих в неё людей – тоже практически невозможно.

Появление теории самоорганизации  в современном естествознании инициировано, видимо, подготовкой глобального  эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин. Эту тенденцию в немалой  степени сдерживало такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики. Эта наука занимается изучением процессов взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимное превращение тепла и работы неравнозначно: работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему».

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности это никогда не происходит. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики.

Для отражения этого процесса в  термодинамику было введено новое  понятие – «энтропия». Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает.

Физический смысл возрастания  энтропии сводится к тому, что состоящая  из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

Общий вывод достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии  в изолированных системах рано или  поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие или хаос. Если Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится.

Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то, как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния. Но этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, так как формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался. В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на развивающуюся в  которой ясно просматривалось нарастающее  усложнение организации материальных объектов - от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, - несоответствие законов стало еще более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

III. Синергетика

Логика всего предыдущего  изложения вынуждала обращаться к анализу все более сложных систем. Вопрос о возникновении из простого сложного считается в науке одним из самых сложных. Лишь во второй половине XX в. Наука стала осваивать сложные системы теоретически. В этой связи появилась особая наука, синергетика (от греческого synergia – сотрудничество), теория самоорганизации сложных систем. Термин «синергетика» был введен в 1969 г. Немецким физиком и математиком Г. Хакеном. Возраст синергетики – около 30 лет, т.е. это очень молодая наука. Когда Г. Хакена как одного из основателей синергетики (выдающийся вклад в развитие теории сложных систем внес также бельгийский ученый русского происхождения И. Пригожин) попросили назвать ключевые положения синергетики, то он перечислил их в следующем порядке.

1. «Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.
2. Эти системы являются нелинейными.
3. При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия.
4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.
5. Системы могут стать нестабильными.
6. Происходят качественные изменения.
7. В этих системах обнаруживается эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества.
8. Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.
9. Структур могут быть упорядоченными или хаотичными.
10. Во многих случаях возможна математизация».

В приведенных выше десяти положениях Хакену действительно удалось  в весьма лаконичной форме выразить основное содержание синергетики. Для полноты картины прокомментируем это содержание.

Хакен прежде всего подчеркивает, что части систем взаимодействуют  друг с другом. Он выделяет истоки, которые  приводят к образованию новых  систем. Обычно рассуждают так: сложное возникает из простого, но ведь это непостижимо. Хаос есть хаос, он никак не может превратиться в порядок. Логика Хакена идет в другом направлении. Основополагающий системный фактор состоит не в хаотичности, а во взаимодействии, в динамике. Динамика не чужда даже хаосу. А раз так, то вполне возможно, что в хаосе рождается порядок, упорядоченность. Это действительно имеет место, многим упорядочение хаоса, его самоорганизация кажется чем-то диковинным. Им трудно  понять, что хаос не лишен динамики, они абсолютизируют хаос, считают его деструктивным началом.

Важнейшим концептом  синергетики является нелинейность. В синергетики основное внимание уделяется изучение нелинейных математических уравнений, т.е. уравнений, содержащих искомые величины в степенях, не равных 1, или коэффициенты, зависящие от среды. Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства. Нелинейность фиксирует непостоянство, многообразие, неустойчивость, отход от положений равновесия, случайности, точки ветвления процессов, бифуркации.

Синергетика, как правило, имеет дело с открытыми системами, далекими от равновесия. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, например, вещества, энергии и информации. Чтобы система образовалась, необходим соответствующий динамический источник, который как раз и выступает организующим началом. Без подвода вещества и энергии организмы вымирают, без подвода газа не горит пламя в газовой горелке; безжизненной оказывается любая социальная система, обесточенная в информационном отношении. Там, где наступает равновесие, самоорганизация прекращается.

Самоорганизующиеся системы  подвержены колебаниям. Именно в колебаниях система движется к относительно устойчивым структурам. Нелинейные уравнения, как правило, описывают колебательные процессы. Теория колебаний важна не только в радиотехнических, но и в любых других системных процессах.

Если параметры достигают  критических значений, то система  попадает в состояние неравновесности  и неустойчивости. Именно в силу этого происходят качественные изменения и, следовательно, возникают новые качества, своеобразный режим с обострением. Новое возникает быстро. И, как правило, под воздействием легких бифуркационных (от латинского bifurcus – раздвоенный) возмущение. Как часто ученые, анализирующие генезис биологических и социальных систем, ведут поиск глобальных факторов, мощных и объемных. Но вполне возможно, что существенные изменения явились результатом малых возмущений, которые привели систему в резонансное состояние. Развитие идет через неустойчивость и часто посредством малых возбуждений.

Переходные процессы ведут к образованию структурных, их часто называют аттракторами (от латинского attrahere – притягивать). Если система попадает в окрестность определенного аттрактора, то она эволюционирует именно к нему. Разными путями эволюция выходит на одни и те же аттракторы. В результате в сложном возникают параметры порядка. Чем меньше параметров порядка, тем легче управлять системой.

Возникающие структуры  могут быть более или менее упорядоченными. Даже хаос есть форма упорядоченности.

Очень важно, что синергетика  выступает в ранге математической дисциплины. Математическое моделирование  сложных систем и осуществляемые в этой связи вычислительные эксперименты показывают, что иногда удается обойтись уравнениями, содержащими всего несколько переменных. Научное познание ведет к ясности и точности там, где расхожее мнение видит сплетение представляющихся исключительно загадочными событий.

Синергетические представления  позволяют оценить характер становления, эволюции и развития человека, общества и человечества. Во-первых, нет ничего удивительного в том, что в далеком прошлом взорвался протовакуум: он оказался в соответствии неравновесности и в итоге «скатился» к определенному аттракторному состоянию, сопровождавшемуся расширением и охлаждением физической вселенной.

Во-вторых, мало удивительного  в том, что «сборка» физико-химических элементов привела к возникновению  живого. В рамках сложных систем возникновение жизни не случайно, а закономерно – в смысле синергетической самоорганизации.

В-третьих, нет ничего удивительного и в том, что  живые организмы способны сохранять  свою устойчивость, это происходит благодаря обратным отрицательным  связям.

В-четвертых, с синергетических  позиций вполне закономерной представляется эволюция мира живого, которая по линии развития древесных млекопитающих привела к становлению человека как биологического вида.

В-пятых, возникновение  и обновление экономических, политических, эстетических и религиозных составляющих также вполне укладывается в картину синергетических представлений.

Концептуальная сила синергетического подхода такова, что  он не без успеха используется в  качестве междисциплинарного средства для описания всех сколько-нибудь сложных  систем.

Синергетика, как это показал в своих многочисленных работах И. Пригожин, позволяет с новых позиций понять время и необратимость, два важнейших фактора существования как нас самих, так и нашего окружения. Речь идет о том, что, во-первых, именно необратимость играет конструктивную роль, во-вторых, следует переоткрыть понятие времени. Обозначим в основных чертах чуть обсуждаемой проблемы.

В механике Ньютона время  считается обратимым. Если подставить в уравнение, например, второго закона Ньютона вместо t – t, то уравнение остается одним и тем же. Прямое и обратное течение времени равнозначны.

Существенно по-другому, чем в классической механике, обстоят  дела в термодинамике: при выравнивании температур энтропия в замкнутой  системе всегда увеличивается. Согласно Л. Больцману, термодинамическое время необратимо, существует стрела времени. Итак, налицо неприятная ситуация: в одной физической теории, а именно в механике, время считается обратимым, а в другой, в термодинамике, время, наоборот, признается необратимым. Такая несогласованность вызывает у ученых подозрение, они стремятся к преодолению противоречия.

Ситуация с проблемой  времени становится еще более  запутанной, если обратиться к биологии, где благодаря Дарвину восторжествовала эволюционная идея. В биологии время  необратимо, его стрела идет от рождения особи к ее смерти, но нет той же связи между необратимостью и временем, что в термодинамических системах. Живое более упорядочено, чем неживое, оно «питается» негативной энтропией, и тем не менее его жизнь необратима. Столкнувшись  различного рода противоречиями в понимании природы времени, Пригожин стремится их преодолеть и обращается к синергетическим идеям, которые имеют междисциплинарный характер, т.н. позволяет рассмотреть и физические, и химические, и биологические, и социальные системы. Тщательный анализ приводит его к выводу, что время всегда необратимо, а необратимость связана с самоорганизацией систем и составляет стержневую основу всякой эволюции. С высот синергетики заслуживают известной переоценки все другие концептуальные системы. Переоткрытие времени вынуждает  человечество с новых позиций оценить свое будущее и возможные в этой ситуации стратегии.