История синергетики

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

«Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический

университет им. Н.Г. Чернышевкого»

 

Физико-математический факультет

Кафедра теории и методики обучения информатики

 

 

 

 

СИНЕРГЕТИКА

курсовая работа

 

 

 

 

 

Исполнитель: Раздобреева Н.А.

магистрант ФМО, группа МИ-1

Научный руководитель: Бордонская Л.А.

профессор, д. пед. наук

 

 

 

Чита, 2009

 

Содержание

Введение 3

1. Синергетика 4

1.1.История синергетики 4

1.2.Биографические сведения и характеристика научной деятельности Г.Хакена 7

1.3.Биографические сведения и характеристика научной деятельности

И. Пригожина 10

2. Основные понятия 12

2.1. Порядок 12

2.2.Хаос 13

2.3.Самоорганизация и диссипативная самоорганизация 16

3.Фрактал 17

3.1.Термин, история 17

3.2.Классификация 20

3.3.Примеры 24

4.Процессы самоорганизации (примеры) 25

4.1. Реакция Белоусова—Жаботинского 25

4.2. Ячейки Бенара 28

Заключение 30

Список литературы 31

 

Введение

Мы живем в мире неустойчивости и необратимости, в мире эволюции и катастроф, где развитие и разрушение идут рядом бок о бок, и одно невозможно без другого. В европейской науке основные результаты были получены для закрытых устойчивых систем, находящихся в условиях, близких к равновесию. Такие системы однозначно реагируют на сильные возмущения, возвращаясь к состоянию равновесия. На этих основах и построена классическая европейская наука, начало которой можно условно отнести ко временам Галилея, т. е. к XVII веку. Сильный толчок в развитие естествознания привнесли работы Ньютона, небесная механика Лапласа, работы в области термодинамики и электромагнетизма в XIX веке, эволюционная теория Дарвина в биологии. Однако позже выяснилось, что при удалении таких систем от состояния равновесия, при обмене их с окружающей средой энергией, веществом и информацией (открытые системы) положение кардинально меняется, мы переходим в мир, где господствует неустойчивость, малейшие флуктуации не гасятся, а наоборот начинают расти, образуя качественно новые структуры, в результате чего возможна перестройка даже всей системы и ее поведения целиком, т. е. сценарии эволюции становятся неоднозначными.

Исследование таких систем проводится в сравнительно молодой науке, получившей название синергетика. Это направление носит интегрирующий характер, объединяя общими законами разные области наук: физику, химию, биологию, психологию, социальные науки, астрономию, философию и т. д..

Цель данной работы –на доступном  уровне определить существо синергетики, как нового направления современной научной мысли и очертить круг исследуемых ею вопросов, привести примеры явлений и процессов, описываемых синергетикой..

 

1. СИНЕРГЕТИКА

1.1. История синергетики

Синергетика (от греч. συν — «совместно» и греч. εργος — «действующий») — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «…наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…». [1]

Синергетика изначально заявлялась как  междисциплинарный подход, так как  принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же, безотносительно  природы систем и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда позиционируют, как «глобальный эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции», дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций подобно тому, как некогда кибернетика определялась, как «универсальная теория управления», одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т.п. и т.д. Время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды. Аналогично и расширительное толкование применимости методов синергетики подвергается критике.

Синергетика - определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В означенных системах не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному.

В отдельных случаях образование  новых структур имеет регулярный, волновой характер и тогда они  называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

Ч. Шеррингтон называл  синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной  системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.

Улам С., много работавший с ЭВМ, в 1964 году в своей книге «Нерешенные математические задачи» (М.: Наука) высоко оценил синергию — непрерывное сотрудничество между машиной и её оператором, осуществляемое за счёт вывода информации на дисплей.

Поняв ограниченные возможности как  аналитического, так и численного подхода к решению нелинейных задач, И. Забуский в 1967 году пришёл к выводу о необходимости единого синергетического подхода, понимая под этим «...совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений».

Определение термина  «синергетика», близкое к современному пониманию, ввёл Герман Хакен в 1977 году в своей книге «Синергетика».

Область исследований синергетики  чётко не определена и вряд ли может  быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания, общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций. Математический аппарат синергетики скомбинирован из разных отраслей теоретической физики: нелинейной неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп, тензорного анализа, дифференциальной топологии, неравновесной статистической физики.

Существуют несколько  школ, в рамках которых развивается  синергетический подход:

1. Школа нелинейной оптики, квантовой механики и статистической физики Германа Хакена, с 1960 года профессора Института теоретической физики в Штутгарте. В 1973 году он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет 69 томов с широким спектром теоретических, прикладных и научно-популярных работ, основанных на методологии синергетики: от физики твёрдого тела и лазерной техники и до биофизики и проблем искусственного интеллекта.
2. Физико-химическая и математико-физическая Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой формулировались первые теоремы (1947 г), разрабатывалась математическая теория поведения диссипативных структур (термин Пригожина), раскрывались исторические предпосылки и провозглашались мировоззренческие основания теории самоорганизации, как парадигмы универсального эволюционизма. Эта школа, основные представители которой работают теперь в США, не пользуется термином «синергетика», а предпочитает называть разработанную ими методологию «теорией диссипативных структур» или просто «неравновесной термодинамикой», подчёркивая преемственность своей школы пионерским работам Ларса Онзагера в области необратимых химических реакций (1931 г).

В России:

1. Концептуальный вклад в развитие синергетики внёс академик Н. Н. Моисеев — идеи универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.
2. Математический аппарат теории катастроф пригодный для описания многих процессов самоорганизации разработан российским математиком В. И. Арнольдом и французским математиком Рене Томом.
3. В рамках школы академика А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П. Курдюмова разработана теория самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента (включая теорию развития в режиме с обострением).
4. Синергетический подход в биофизике развивается в трудах членов-корреспондентов РАН М. В. Волькенштейна и Д. С. Чернавского.
5. Синергетический подход в теоретической истории развивается в работах Д. С. Чернавского, Г. Г. Малинецкого, Л. И. Бородкина, С. П. Капицы, С. Ю. Малкова, А. В. Коротаева, П. В. Турчина, В. Г. Буданова, А. П. Назаретяна и др.

Приложения синергетики  распределились между различными направлениями:

• теория динамического хаоса исследует сверхсложную упорядоченность, напр. явление турбулентности;
• теория детерминированного хаоса исследует хаотические явления, возникающие в результате детерминированных процессов (в отсутствие случайных шумов);
• теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации. Сам процесс самоорганизации также может быть фрактальным;
• теория катастроф исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркация, аттрактор, неустойчивость;
• лингвистическая синергетика и прогностика. [1]

1.2.Биографические сведения и характеристика

научной деятельности Г.Хакена

Хакен Герман (Hermann Haken, род. 12 июля 1927 г.)— немецкий физик-теоретик, основатель синергетики. Изучал физику и математику в университетах Галле (1946—1948) и Эрлангена (1948–1950), получив степени доктора философии и доктора естественных наук. С 1960 является профессором теоретической физики университета Штутгарта. До ноября 1997 был директором Института теоретической физики и синергетики университета Штутгарта. С декабря 1997 - почетный профессор и возглавляет Центр синергетики в этом Институте, а также ведет исследования в Центре по изучению сложных систем в университете Флориды, Бока Рэтон, США. Издатель шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени опубликовано уже 69 томов. [1]

Термин «синергетика», обозначающий новое направление междисциплинарных исследований в науке, Xакен впервые ввел в своих лекциях в университете Штутгарта в 1969 году. В своих мировоззренческих ориентациях Xакен  близок к Аристотелю. Убежден в существовании общих закономерностей, которые имеют силу не только для фундаментальных составных частей материи, но и для поведения сложных систем любой природы.

Xакен  внес вклад в разработку теории лазеров, предложив простейшую модель для описания когерентного лазерного излучения, которое по сей день рассматривается в качестве парадигмального примера структур самоорганизации. Ключевое слово для синергетики - «взаимодействие». Синергетика - учением о взаимодействии («die Lehre vom Zusammen-wirken») элементов внутри сложных систем, в результате которого возникают новые макроскопические свойства этих систем. Синергетическая модель Xакена для объяснения становления когерентного поведения элементов (самоорганизации) включает три важнейших представления: параметры порядка, принцип подчинения, циклическую причинность. В неравновесной открытой системе, в которую накачивается энергия, в результате флуктуации и конкуренции параметров порядка (мод) устанавливаются коллективные образцы поведения. Хотя система может состоять из огромного количества элементов, обладающих большим числом степеней свободы, ее макроскопическое поведение может быть описано небольшим количеством существенных мод (параметров порядка) или даже всего лишь одной модой. Параметры порядка определяют поведение всех элементов системы (принцип подчинения). Иными словами, принцип подчинения означает чудовищное сжатие информации: вместо того чтобы характеризовать систему посредством большого количества ее индивидуальных компонентов и их поведения, достаточно описать ее посредством параметров порядка. Здесь мы наблюдаем феномен циклической причинности: параметры порядка детерминируют поведение остальных элементов системы, которые, в свою очередь, обратно воздействуют на параметры порядка и определяют их.

Согласно Xакену, синергетика относится к направлению универсализма, занимающего промежуточное место между редукционизмом и холизмом. Синергетика не сводит поведение системы ни к ее поведению на микроскопическом уровне (редукционизм), ни к ее макроскопическому поведению (холизм), она скорее пытается понять, как устанавливается и функционирует связь между этими двумя уровнями. Это удается ей благодаря понятию параметров порядка и принципу подчинения.

В 1980-е гг. основная синергетическая модель Xакена была расширена для описания человеческого поведения. Близкий коллега Xакена американский ученый Дж.А.С. Келсо экспериментально исследовал движение пальцев рук человека. Контролируемое параллельное движение пальцев рук при его достаточном продолжении внезапно и самопроизвольно переключается на их антипараллельное движение. Выражаясь языком физики, происходит неравновесный фазовый переход. Теоретическое описание свойств этого феномена, таких, как мультистабильность, бифуркации и гистерезис, известно в литературе как модель Xакена — Келсо — Бунц и составляет ныне неотъемлемую часть синергетики.