Синергетика – теория самоорганизации

 

2. Синергетика и синергетики

 

Подобно тому, как кибернетике Винера предшествовала кибернетика Ампера, имевшая весьма косвенное отношение к «науке об управлении, получении, передаче и преобразовании информации в кибернетических системах»*, синергетика Хакена имела своих «предшественниц» по названию: синергетику Ч. Шеррингтона, синергию С. Улана и синергетический подход И. Забуского.* Словарь по кибернетике. Киев: Гл. ред. Укр. Сов. Энцикл., 1979

Чарлз Скотт Шеррингтон (1857 – 1952), английский физиолог, разработал концепцию интегративной деятельности нервной системы. Он называл синергетическим согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.

С. Улам был непосредственным участником одного из первых численных экспериментов на ЭВМ первого поколения (ЭНИВАКе). Эксперимент, проведенный над числовым аналогом системы кубических осцилляторов (осциллятор, от лат. oscillo – качаюсь,  - колеблющаяся система), привел к неожиданному результату, породив знаменитую проблему Ферми-Пасты-Улама: проследив за эволюцией распределения энергии по степеням свободы на протяжении достаточно большого числа циклов, авторы не обнаружили ни малейшей тенденции к равнораспределению. С. Улам, много работавший с ЭВМ, понял всю важность и пользу «синергии, т.е. непрерывного сотрудничества между машиной и ее оператором», осуществляемого в современных машинах за счет вывода информации на дисплей.

  Решение проблемы  Ферми-Пасты-Улама было получено  в начале 60-х гг. М. Крускалом и  Н. Забуским, которые доказали, что  система Ферми-Пасты-Улама представляет  собой разностный аналог уравнения  Кортевега-де Вриза и что равнораспределению энергии препятствует солитон (термин, предложенный Н. Забуским), переносящий энергию из одной группы мод в другую.

 Реалистически оценивая  ограниченные возможности как  аналитического, так и численного  подхода к решению нелинейных  задач, И. Забуский пришел к выводу о необходимости единого синтетического подхода. По его словам, «синергетический подход к нелинейным математическим и физическим задачам можно определить как совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений»*.

Если учесть сложность систем и состояний, изучаемых синергетикой Хакена, то становится ясно, что синергетический подход Забуского (и как составная его часть – синергия Улама) займет достойное место среди прочих средств и методов * Nonlinear partial differential equations. N. Y.: Acad. press, 1967. синергетики. Иначе говоря, уповать только на аналитику было бы чрезмерным оптимизмом. 

 

3. Пути формирования синергетики

 

Примерно в 60-х гг. XX века научные представления о процессах самоорганизации в открытых неравновесных системах формировались разрозненно и независимо в разных дисциплинах. Однако в 70-х гг. они стали предметом сравнения и в них обнаружилось много общего.

И. Пригожин через разработку термодинамики сильнонеравновесных систем вышел на свою теорию самоорганизации. Данному варианту термодинамики предшествовала разработка теории стационарных, или устойчивых, неравновесных систем. Стационарное неравновесие достигается, когда внешнее воздействие выводит систему из состояния равновесия, но так как это воздействие недостаточно велико, то неравновесное состояние системы удерживается вблизи от состояния равновесия.

Такие состояния оказались для ученых интересными по двум причинам. Во-первых, для подобных случаев с некоторыми поправками применим теоретический аппарат термостатики. В открытых системах происходит рост энтропии. И. Пригожин доказал, что в них производится минимальная энтропия. Во-вторых, для феноменологического объяснения устойчивости неравновесных состояний может использоваться принцип Ле Шателье-Брауна, который означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия. Иначе говоря, системы, находящиеся в стационарном неравновесном состоянии, обладают от природы свойством устойчивости.

Общая теория устойчивости впервые была исследована и разработана русским математиком А.М. Ляпуновым (1857-1918). Суть данной теории состоит в том, что устойчивые состояния не теряют своей устойчивости при флуктуации физических параметров. За счет внутренних взаимодействий система способна погасить возникающие флуктуации. А неустойчивые системы, напротив, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и в результате нарастания амплитуды возмущений система с ускорением переходит из стационарного неравновесия в неустойчивое неравновесное состояние, которое ведет к хаосу.

В 50-60-х гг. XX столетия логика научного развития потребовала перейти от рассмотрения слабонеравновесных к изучению сильнонеравновесных систем. Здесь и завязка проблемы.

Это означает, что для сильнонеравновесных состояний потребовалось снова разрабатывать теорию. После того, как И. Пригожин выполнил эту работу, оказалось, что данная теория есть новая концепция самоорганизации химических и физических систем.

 В начале 70-х гг. особое  внимание И. Пригожина привлекла  химическая реакция, названная реакцией  Белоусова-Жаботинского. Сопоставив ход данной реакции с теорией Тьюринга, Пригожин вместе с группой бельгийских ученых переформулировал теорему Тьюринга и выдвинул свою теоретическую модель самоорганизации.

Источник самоорганизации Пригожин увидел в флуктуациях, которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Затем случайные микрофлуктуации перерастают в состояние хаоса. После того, как в систему с хаотическим состоянием поступает из среды достаточно большое количество свежей энергии, то из хаоса рождаются крупномасштабные флуктуации макроскопического уровня. Так, по Пригожину, из хаоса рождаются макроскопические состояния, так он объясняет самоорганизацию химических и физических систем. Анализ промежуточных продуктов химических реакций показал сходство этих процессов с автоколебаниями систем различной природы. Сам термин «автоволны» был введен академиком Р.В. Хохловым (1926-1977). Теория автоколебательных процессов разрабатывалась школой академика Л.И. Мандельштама (1873-1944), школой академика А.А. Андронова (1901-1952) и др.

Типичный пример автоволны – нервный импульс, который бежит без затухания по нервному волокну диаметром менее 0,025 мм и длиной до 1,5 м.

Исследования показывают, что обработка информации в коре головного мозга осуществляется не в форме активности отдельных нейронов (как в ЭВМ), а на уровне взаимодействий между автоволнами возбуждения и торможения, которые охватывают обширные участки головного мозга.

Немецкий физик Г. Хакен пришел к концепции самоорганизации через разработку проблем квантовой электроники, точнее – от изучения механизмов образования лазерного луча. Он отмечал особую роль коллективного поведения подсистем, и для обозначения процессов самоорганизации ввел понятие «синергетика». По мнению Хакена, самоорганизация – это «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса».

По Г. Хакену, характерными чертами процессов самоорганизации являются: кооперативность действия элементов и подсистем, образующих систему; нелинейность процесса, выражаемая уравнениями второй или третьей степени; неравновесность состояния, поддерживаемая за счет энергии среды; пороговый характер процессов самоорганизации.

Еще одним источником идей синергетики стали работы немецкого ученого М. Эйгена, который показал, что при благоприятных условиях среды сложные органические молекулы способны к самовоспроизводству и усложнению организации на предбиологическом уровне.

Таким образом, исследование процессов самоорганизации в начале 60-х гг. ограничилось отдельными естественнонаучными дисциплинами. Но в 70-х гг. ученые все же начали выходит за рамки своих дисциплин и заметили, что их идеи аналогичны. В 70-80-х гг. стали проводиться совместные научные конференции представителей разных дисциплин и стало оформляться новое научное направление – синергетика, или общая теория самоорганизации систем различной природы. Одновременно с этим обнаружили ее системный характер.

Нужно заметить, что формирование синергетики как общенаучного направления не завершено и еще продолжается. В синергетике до сих пор не получил адекватного решения главный вопрос – об истинных источниках самоорганизации. А без этого само понятие самоорганизации остается условным и недостаточно осмысленным, имеющим лишь рабочее значение. В этом отношении более гибкую позицию занял сам Хакен, когда во введении к своей работе дал обоснование термину «синергетика»: « Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин»*.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что имеющиеся в синергетике наработки не должны волевым образом распространяться на другие дисциплины. Напротив, изучение специфических потребностей разных дисциплин должно служить стимулом для развития самой синергетики.

 

3. Заключение

 

Сделаем некоторые выводы.

Под синергетикой следует понимать теорию самоорганизации сложных систем, характерными чертами которых являются взаимодействие их частей, открытость, нелинейность, наличие колебаний, качественных изменений, вновь возникших (эмерджентных) качеств, структур-аттракторов, той или иной степени упорядоченности, наличие нестабильностей.

В отличие от рационализма прошлых столетий, идея нестабильности ведет к осуществлению «новой рациональности», которая подобна деятельности художника. Например, в фуге Баха заданная композитором тема допускает множество продолжений, из которых истинный художник выбирает (сразу, мгновенно) необходимое ему, оправданное логикой саморазвития темы.

Мир, природа и общество с имманентной организацией также «выбирают» из множества альтернатив, которые может навязать человек, лишь ту, которая отвечает их законам. Естественно, такие системы требуют новых принципов управления: раз система сама себя «строит», то необходимо правильно инициировать в ней желательные тенденции, ибо количество путей эволюции не бесконечно. Необходимо создавать сценарии «потребного будущего» с тем, чтобы в нужный момент воздействовать на среду. Следует изучать не только способы воздействия, но и его последствия. Желаемый эффект получается только в том случае, если воздействие созвучно внутренним свойствам системы (эффект резонанса). 

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, потому что оказался в состоянии неравновесности и в итоге «скатился» к определенному аттракторному состоянию, сопровождавшемуся расширением и охлаждением физической Вселенной.

Во-вторых, мало удивительного в том, что живые организмы способны сохранять свою устойчивость, это происходит благодаря обратным отрицательным связям.

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

В-пятых, возникновение и обновление экономических, эстетических, политических 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.

Исходя их всего вышесказанного следует заметить, что хаос – один из результатов действия динамических факторов, а отнюдь не деструктивное начало.

Синергетика позволяет с новых позиций понять время и необратимость: время необратимо, а необратимость играет при случае конструктивную роль.

Синергетика имеет междисциплинарный характер, она позволяет осмыслить эволюцию как природных, так и социальных систем, представить картину всепланетарного эволюционизма.

Стратегия человечества должна предполагать его коэволюцию с природой, сочетание экологического и этического императивов. Синергетика очерчивает возможности человечества по познанию нелинейных открытых систем и выработке в этой связи новой стратегии поведения, адекватной реалиям XX1 в.

Синергетика дает представление о возможностях и ограничениях нашего познания нелинейных систем природы и общества. «Мы не должны ни «пережимать», ни отступать, ибо пережим, как и отказ от воздействия, могут толкнуть систему из одного хаотического состояния в другое. Мы должны быть осторожными и храбрыми – в соответствии с условиями нелинейности и сложности эволюции»*.* Майнцер К. Сложность и самоорганизация. Возникновение новой науки и культуры на рубеже века // Вопросы философии. 1997. №3. С. 48-60.

 

Словарь терминов

 

Автоволны – один из видов самоподдерживающихся волн в активных средах, содержащих внутренние источники энергии. Автоволны представляют собой процессы распространения автоколебаний в распределенных колебательных системах.

Аттрактор – (от лат. attrahere) отрезок эволюционного пути от точки бифуркации до необходимого финала.

Билатеральный - ( от би… и лат. lateralis – боковой) двусторонний, двубокий, относящийся к обеим сторонам, частям чего-то.