Синергетика и самоорганизация

Не только результаты, а и условия, причины и движущие силы самоорганизации имеют альтернативы. Так, в рассмотрении И. Р. Пригожина применительно к диссипативным структурам речь идет о когерентной самоорганизации, альтернативой для которой является континуальная самоорганизация индивидуальных микросистем, разработанная и предложенная А. П. Руденко. Главным достоинством «континуальной» самоорганизации, предложенной А. П. Руденко, является то, что именно такой подход позволяет провести рассмотрение связи самоорганизации и саморазвития. В соответствии с развитыми взглядами сущность прогрессивной эволюции состоит в саморазвитии континуальной самоорганизации индивидуальных объектов. Показывается, что способностью к саморазвитию и прогрессивной эволюции с естественным отбором обладают только индивидуальные микрообъекты с континуальной самоорганизацией и что именно прогрессивная химическая эволюция способна быть основанием для возникновения жизни.

Итак, исходя из существующих традиций, опираясь на основополагающий замысел Г. Хакена и ранее приведенную мною формулировку, можно предложить следующее определение:

СИНЕРГЕТИКА — (от греч. synergetikos — совместный, согласованно действующий) — научное направление, изучающее процессы образования и массовых (коллективных) взаимодействий объектов (элементов, подсистем): (1) происходящие в открытых системах в неравновесных условиях; (2) сопровождающиеся интенсивным обменом веществом и энергией подсистем с системой и системы с окружающей средой; (3) характеризуемые самопроизвольностью (отсутствием жесткой детерминации извне) поведения объектов (подсистем), сочетающейся с их взаимосодействием и (4) имеющие результатом упорядочение, самоорганизацию, уменьшение энтропии, также эволюцию систем.

Расширенная формулировка, включающая «нефизическое» содержание:

Представляется целесообразным отклонится от стремления к определению именно синергетики и констатировать то, чем реально занимаются специалисты в связи с исследованиями по синергетике. В связи с этим предлагается следующее определение:

2.3 Синергетическая концепция самоорганизации

• Объектами исследования являются открытые системы в неравновесном состоянии, характеризуемые интенсивным (потоковым, множественно–дискретным) обменом веществом и энергией между подсистемами и между системой с ее окружением. Конкретная система погружена в среду, которая является также ее субстратом.
• Среда — совокупность составляющих ее (среду) объектов, находящихся в динамике. Взаимодействие исследуемых объектов в среде характеризуется как близкодействие — контактное взаимодействие. Среда объектов может быть реализована в физической, биологической и другой среде более низкого уровня, характеризуемой как газоподобная, однородная или сплошная. (В составе системы реализуется дальнодействие — полевое и опосредствованное (информационное) взаимодействие.)
• Различаются процессы организации и самоорганизации Общим признаком для них является возрастание порядка вследствие протекания процессов, противоположных установлению термодинамического равновесия независимо взаимодействующих элементов среды (также удаления от хаоса по другим критериям). (Организация, в отличие от самоорганизации, может характеризоваться, например, образованием однородных стабильных статических структур.)
• Результатом самоорганизации становится возникновение, взаимодействие, также взаимосодействие (например, кооперация) и, возможно, регенерация динамических объектов (подсистем) более сложных в информационном смысле, чем элементы (объекты) среды, из которых они возникают. Система и ее составляющие являются существенно динамическими образованиями.
• Направленность процессов самоорганизации обусловлена внутренними свойствами объектов (подсистем) в их индивидуальном и коллективном проявлении, а также воздействиями со стороны среды, в которую «погружена» система.
• Поведение элементов (подсистем) и системы в целом, существенным образом характеризуется спонтанностью — акты поведения не являются строго детерминированными.
• Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс). При этом система в целом может иметь устойчивую тенденцию или претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду.

Самоорганизация может иметь в своей основе процесс преобразования или распада структуры, возникшей ранее в результате процесса организации.

Приведенное развернутое определение является если и не вполне совершенным, то все–таки необходимым шагом на пути конкретизации содержания, которое относится к синергетике, и выработки критериев для создания моделирующей самоорганизующейся среды.

О соотношении синергетики и самоорганизации следует вполне определенно сказать, что содержание, на которое они распространяются, и заложенные в них идеи неотрывны друг от друга. Они, однако, имеют и различия. Поэтому синергетику как концепцию самоорганизации следует рассматривать в смысле взаимного сужения этих понятий на области их пересечения.

В настоящее время общая методология науки переживает период, который совмещает в себе черты эволюции и кризиса. Современная наука, значительно укрепив свою базу за прошедшее столетие, может позволить себе более либеральный подход к включению в сферу своего рассмотрения содержания, не имеющего строгой объективной основы. Позитивный смысл этого действия заключается во включении в поле внимания существующих фактов и практик, реально нуждающихся в интеллектуальном анализе. Однако ввиду фактической неготовности науки к исследованию этого содержания объективными методами, процесс сопровождается появлением «нетрадиционных» и «неклассических» наук, симбиозов научного и ненаучного знания и других явлений, которые естественны сами по себе для человеческой познавательной деятельности, но далеки от именно научного знания. Важно то, что при этом происходит наработка подходов к малоисследованному, реально существующему содержанию. Можно указать, например, на крайне актуальную задачу объективного исследовании субъективной реальности, на подступах к которой трудятся психологи, нейрофизиологи и разработчики систем виртуальной реальности и компьютерной анимации. Сама постановки задачи выглядит терминологически противоречивой. Однако это реальная, крайне важная задача, в основе решения которой лежит изучение и осмысление процессов самоорганизации в нейробиологической, информационной и понятийной средах.

Современная наука достаточно сильна накопленным потенциалом научного знания и имеет определенную устойчивость ввиду зависимости финансовых и интеллектуальных вложений в нее со стороны общества от практической полезности получаемых результатов. Тем не менее, смешение научного знания с элементами обывательского доверия и даже мистики может ослаблять в какой–то мере науку как форму общественного сознания. Сказанное имеет для синергетики значение, поскольку в нее более, чем в другие области происходит «слив» невостребованной обществом познавательной активности. Эта роль своеобразного отстойника имеет, очевидно, свои плюсы и минусы. Необходимо лишь отметить, что существующая ситуация должна ясно осознаваться авторитетными учеными, руководителями и спонсорами.

В заключении отметим следующее. Проблематика, содержание, методы исследований и результаты, относимые к синергетике характеризуются неоднозначными оценками и неопределенностью. Вместе с тем, синергетика как научное направление исследований является востребованной обществом. Значительное количество результатов исследований в разных областях знания соотносится исследователями с синергетикой. Контекст синергетики дает возможность плодотворно взаимодействовать ученым разных специализаций на языке системного осмысления и поиска новых решений. Приведенные определения синергетики, полученные преемственным образом, могут конструктивно применяться при решении конкретных задач. Можно предположить, что в связи с существующими и грядущими результатами в кинетической химии, нейробиологии, транспьютерном нейрокомпьютинге и в других областях сформируется более определенный теоретический и аксиоматический базис синергетики, благодаря чему, в частности, и критика в ее адрес станет более конструктивной и продуктивной. Несомненно, при всем том, что синергетика полноценно «работает» сегодня как категория научного знания.

2.4 Типы самоорганизации.

Одним из важных вкладов в науку о самоорганизации, который внесла теория эволюционного катализа [45], является установление существования двух типов самоорганизации: континуальной самоорганизации индивидуальных ЭОКС (микросистем) и когерентной самоорганизации коллективных систем, макроскопических множеств М–ЭОКС. В подходе Пригожина, развитого Хакеном в синергетику, рассматривается лишь второй тип когерентной самоорганизации в макроскопических системах, проявляющийся в образовании диссипативных структур, концентрационных автоволн и пр. Первый же тип самоорганизации, имеющий ведущее и фундаментальное значение, как в возникновении когерентной самоорганизации, так и в осуществлении прогрессивной эволюции, в работах последователей Пригожина не выделялся, не учитывался и его существование даже не предполагалось.

Как показано в [45], оба типа самоорганизации могут иметь место не только на химическом, но и на всех других уровнях развития материи.

Оба типа самоорганизации имеют одну и ту же физическую сущность (yr; E?) активного неравновесного упорядочения, имеют одинаковые причины и движущие силы и описываются неравновесной термодинамикой рабочих процессов. Они различаются по масштабам потоков энергии, превращаемых во внутреннюю полезную работу, по механизму процесса самоорганизации, по морфологическим особенностям и природе самоорганизующихся объектов и по взаимной соподчиненности.

В континуальной самоорганизации индивидуальных ЭОКС на порядок больше мощность используемых на самоорганизацию Q и рассеиваемых бесполезно Q потоков энергии обменного процесса по сравнению с когерентной самоорганизацией множеств М–ЭОКС. Ибо в первом случае мощность соответствует всему энергетическому потенциалу базисной реакции, а во втором определяется лишь частью полезно рассеиваемой после континуальной самоорганизации энергии релаксационных излучений (2). Как показано в [45], поток полезно рассеиваемой релаксационной энергии

Q = QQ = QQT + QQX (26)

состоит из теплового излучения черного тела QQT и характеристических (люминесцентных) излучений QQX которые в сумме составляют поток фотонов

SQQX = Shvi (27)

Поток (27) и обеспечивает когерентную самоорганизацию в результате резонансного взаимодействия ЭОКС во множестве М–ЭОКС и синхронизации их внутренних процессов, приводящей к когерентному поведению всей системы (28)

ЭОКС1 ¬ ® ЭОКС2

hvi (28)

«САМООРГАНИЗАЦИЯ И СИНЕРГЕТИКА»  
А.П. РУДЕНКО

 

ЭОКС3 ¬ ® ЭОКС4

Континуальная и когерентная организация существенно различается по механизму. Механизм когерентной самоорганизации связан с кооперативным взаимодействием множества однородных компонентов, приводящим к синхронизации внутренних процессов и их когерентному поведению. Такой механизм Хакен [48] назвал синергетическим (от гр. Synergia — совместное кооперативное действие). Механизм континуальной самоорганизации связан с механизмом базисной реакции и образованием промежуточного неравновесного функционально неделимого объекта — кинетического континуума веществ и реакций — с системно–динамическими связями разнородных компонентов. Такой механизм следует назвать синкретическим (от гр. Synkretismos — слитное, нерасчлененное соединение разнородного). О различии механизмов двух типов самоорганизации говорит и А.С. Щербаков [44], называя континуальную самоорганизацию кибернетической, а когерентную — синергетической.

Поэтому, если науку о когерентной самоорганизации называть «синергетикой» как это предложил Хакен [48], то науку о континуальной самоорганизации следовало бы называть по другому — «синкретикой», как это обсуждалось в [45]. Если же принять термин «синергетика» за обозначение науки о самоорганизации вообще, то следует учитывать ограниченность хакеновского понимания синергетики.

Существуют принципиальные различия в морфологических особенностях, составе, структуре и свойствах неравновесных объектов двух типов самоорганизации. В [45] и в [57] приведена таблица с сопоставлением специфических признаков этих различий на примере индивидуальных ЭОКС и их множеств M–ЭОКС, относящихся к химическому уровню. Такие же различия должны иметь место для сопряженных индивидуальных (микро) и коллективных (макро–) объектов на других уровнях развития материи (ядерном, биологическом, психосоциальном) [45], [54], [56].

Указанные объекты в сопряженных микро–макропарах различаются по всем аналогичным признакам. Если одни (микрообъекты) обладают корпускулярными свойствами и функционально неделимы, целостны, то другие состоят из качественно однородных функционально заменимых компонентов, составляющих множество. Если механизм самоорганизации одних объектов синкретический, то другой — синергетический и т. д. Одним из наиболее существенных различий объектов с разным типом самоорганизации, составляющих сопряженные микро– макропары, является способность первых и неспособность вторых к прогрессивной эволюции с естественным отбором новых качеств. В случае макроскопических объектов возможна лишь линейная эволюция к равновесию без формирования новых качеств.

Указанные различия между типами самоорганизации закладывают основу конкретного понимания подразделения материальных объектов на микро– и макромиры. Такое подразделение имеет смысл только для сопряженных микро– макропар родственных объектов и не имеет такого всеобщего значения, как подразделение мира на равновесные и неравновесные объекты.

Из сказанного ясно, что любая прогрессивная эволюция с естественным отбором новых качеств может осуществляться только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных эволюционирующих объектов. Это подробно рассмотрено в работах по теории эволюционного катализа и происхождения жизни [30–31], [45], [53], [57].

Ниже остановимся лишь на некоторых моментах, характеризующих связь прогрессивной эволюции с самоорганизацией.

Согласно теории, системы типа (18) при взаимодействии со случайными факторами внешней среды способны претерпевать эволюционные изменения природы и континуальной самоорганизации ЭОКС в целом

ЭОКСo ® ЭОКС1 ® ЭОКС2 ®…® ЭОКСq (29)

в результате эволюционных превращений природы катализаторов Ki ® Ki+1

Ko ® K1 ® K2 ® K3 ®…® Kq (30)

и изменений их каталитической (21) ai ® ai+1 и функциональной (22) xi ® xi+1 активности. Первичный естественный отбор эволюционных изменений от неэволюционных осуществляется по критерию

ai ® ai+1 > 0; xi ® xi+1 > 0; Ii ® Ii+1 > 0 (31)

Ибо при равенстве этих параметров нулю прекращается обмен веществ и энергии неравновесной системы и ЭОКС распадается на равновесные компоненты.

Химическая эволюция в виде цепей последовательных изменений (29), (30) возможна при выполнении четырех феноменологических принципов развития (вероятностного, кинетического, знергодинамического и информационного) (см. [30–31], [45], [57]), определяющих граничные условия осуществления эволюции, связанные с температурой, природой катализатора и факторов внешней среды.

Направленность химической эволюции, ее причины, движущие силы и механизм естественного отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений определяется основным законом химической эволюции. Согласно этому закону [30], с наибольшей скоростью или вероятностью осуществляются те цепи эволюционных изменений (29, 30) которые приводят к возрастанию абсолютной каталитической активности (21) или энергетической мощности обменного процесса (22). В прогрессивной химической эволюции имеет место приращение энергетической мощности

yI/yt > 0 [Дж/с2], (32)

в нулевой эволюции, когда нет эволюции из–за достижения пределов развития, но ЭОКС могут динамически существовать при Кi = const, мощность не изменяется

yI/yt = 0, (33)

а в регрессивной эволюции, приводящей к деградации каталитической и функциональной активности систем

yI/yt < 0 (34)

При этом теория эволюционного катализа устанавливает не только количественную меру самоорганизации (2), (3), но и количественную меру прогресса в эволюционных изменениях (32). Из (32) видно также, что прогресс связан с постоянными затратами энергии Е?, направленными на полезную работу Q против равновесия, что сама прогрессивная эволюция — сугубо антиэнтропийный процесс с направленностью изменений неравновесия (yr) в сторону его возрастания, т. е. вопреки второму закону термодинамики. Другими словами, саморазвитие континуальной самоорганизации, чем и является прогрессивная эволюция, приводит ко все более и более неравновесным состояниям, связанным с ростом коэффициента полезного использования энергии на внутреннюю полезную работу (12) и является особым процессом самоорганизации более высокого ранга, чем самоорганизация каждой индивидуальной ЭОКС.