Синергетика и самоорганизация

Аналогично тому, как динамическое существование ЭОКС в ходе базисного процесса в форме устойчивого неравновесия, обусловленное сочетанием и сопряжением противоположно направленных процессов самоорганизации (yr) и организации (yr?), можно представить в виде двух устойчивых траекторий (аттракторов) см. рис. 2, аттракторы процессов yr и yr? в прогрессивной эволюции будут иметь вид (рис. 4). Из рис. 2 и 4 видно, что как процесс стационарного существования и самоорганизации ЭОКС, так и процесс саморазвития континуальной самоорганизации в ходе прогрессивной химической эволюции представляют собой с учетом обеспечивающей эти процессы энергией базисной реакции Е сложные явления, в которых сочетаются и сопрягаются процессы организации и самоорганизации противоположной направленности. Источником энергии (движущей силой) как в механизме самоорганизации ЭОКС и их прогрессивной эволюции, так и в механизме первичного естественного отбора на существование ЭОКС, и вторичного естественного отбора на максимальную прогрессивность качеств в ходе эволюции (см. [30–31], [45], [57]), является ход базисной реакции, потенциал обменного процесса (22).

2.5 Самоорганизация как наука

Существование особого природного явления — самоорганизации, характеризуемого параметрами yr и Е?, т. е. ростом степени неравновесия и затратой энергии, должно быть предметом изучения специальной научной области. Большинство ученых эту область науки называют сейчас синергетикой, хотя и есть сомнения в строгости применения такого термина. Сомнения возникли в связи с тем, что как показано выше (гл. II) существуют два типа самоорганизации: для индивидуальных систем (континуальный с синкретическим механизмом) и для коллективных макросистем (когерентный с синергетическим механизмом). При этом термин синергетика, отражающий кооперативные взаимодействия в макросистеме, предложен Хакеном [48] для второго типа и непригоден для первого. Более того оказалось, что когерентная самоорганизация является производной от континуальной и может не проявиться без исходной континуальной самоорганизации составляющих множество компонентов, т. е. синкретический механизм самоорганизации индивидуальных систем может породить синергетический механизм самоорганизации множества, но не наоборот. Еще большую подчиненность всех проявлений самоорганизации ее первому типу мы видим в случае прогрессивной эволюции с естественным отбором, которая возможна только как саморазвитие континуальной (синкретической) самоорганизации и не имеет места для макросистем с когерентной (синергетической) самоорганизацией.

Поэтому, если уж выбирать из двух терминов наиболее строгое название для науки о самоорганизации, охватывающее все ее проявления в разных типах самоорганизации и ее связях с прогрессивной эволюцией, то такую науку надо было бы называть синкретикой. Однако, учитывая современный синергетический бум в науке и стремление связывать с синергетикой все проявления самоорганизации, включая и эволюцию (см., например. [40], с. 37), можно было бы договориться о расширении хакеновского определения синергетики до понятия, охватывающего все проявления самоорганизации и называть науку о самоорганизации «синергетикой» в обобщенном расширенном понимании, которое имеет синкретика. Тем более, что в таком расширенном понимании термин синергетика уже все чаще применяется.

К сожалению, в работах по современной синергетике наблюдается нежелательная тенденция к превращению названия науки синергетики в название явления, подменяющего самоорганизацию. С такой путаницей и размыванием понятий согласиться нельзя. Это не просто ошибка, связанная с непониманием сути явления самоорганизации, но и шаг к утрате предмета науки о самоорганизации и выхолащивания ее научного статуса. К такому же нежелательному эффекту приводит и расширительное понимание синергетики на основе общих свойств фундаментальных процессов организации и самоорганизации в сложных явлениях без выделения физической сути самоорганизации о чем речь ниже.

http://spkurdyumov.ru/what/samoorganizaciya-i-sinergetika-a-p-rudenko/3/

ПОНЯТИЕ САМООРГАНИЗАЦИИ 

В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип Природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. 
Прежде чем привести примеры самоорганизации, необходимо уточнить, что же считать усложнением элементов и систем, их переходом от более простых к более сложным формам. 
Понятия «простой» и «сложный» всегда относительны, их смысл выявляется только при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, протон сложен относительно кварков, но прост относительно атома водорода; атом сложен относительно протона и электрона, но прост относительно молекулы и т.д. При этом мы видим, что сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Таким образом, Природу можно представить как цепочку нарастающих по сложности элементов. 
Процессы объединения «простых» элементов с образованием «сложных» систем протекают лишь при выполнении определенных условий. Например, если температура (энергия) окружающей среды превышает энергию связи двух частиц, то они не смогут удерживаться вместе. При снижении температуры до значений, при которых энергия среды и энергия связи частиц окажутся равными, наступает критический момент, и дальнейшее снижение температуры делает возможным процесс фиксирования частиц (например, протона и электрона) в атоме водорода. 
Намного сложнее обстоит дело при соединении атомов в молекулы. Здесь также существуют пороговые значения параметров (температуры, плотности), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен. 
Затем идут новые уровни сложности и упорядоченности вещества. Наиболее высокий уровень упорядоченности, известный науке, демонстрирует феномен жизни и порождаемый им разум. Долгое время считалось, что феномен жизни противоречит господствовавшим физическим представлениям о стремлении материи к хаосу. Жизнь представлялась упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не только на тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Эта проблема впервые была четко сформулирована в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Анализ, проделанный им, показывал, что феномен жизни разрушает постулат о единственной тенденции развития вещества - от случайно возникшей упорядоченности к неупорядоченности, рожденный классической термодинамикой. Живые системы оказались способны поддерживать упорядоченность вопреки «естественной» тенденции. 
После выхода книги Шредингера создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция - неизбежно разрушать любую упорядоченность, возникшую в результате случайных отклонений от равновесия. И лишь сравнительно недавно стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Нужны лишь подходящие условия для ее проявления. 
Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и пространстве. Разработка теории самоорганизации началась буквально в последние годы, причем по нескольким, сходящимся направлениям. Это синергетика (Г. Хакен), термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин), теория катастроф (Р. Том). Изложим кратко сущность этих теорий, практическое значение которых теперь уже никто из ученых не отрицает.

ОСНОВЫ СИНЕРГЕТИКИ 

Синергетика (это понятие означает кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы) -по определению ее создателя Г. Хакена - занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди... Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок. 
В синергетике возникновение упорядоченных сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир. 
Объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим требованиям: 
1) открытость - обязательный обмен энергией и (или) веществом с окружающей средой; 
2) существенная неравновесность - достигается при определенных состояниях и при определенных значениях параметров, характеризующих систему, которые переводят ее в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости; 
3) выход из критического состояния скачком, в процессе типа фазового перехода, в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности. 
Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело. 
Первоначально сферой приложения синергетики была квантовая электроника и радиофизика. Примером самоорганизации может служить система, изучаемая в разделах квантовой электроники,- лазер. Этот прибор создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники света - лампы накаливания, газоразрядные лампы - создают оптические излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Так, в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы и ионы спонтанно излучают кванты света с различными длинами волн во всех направлениях. Только малую часть из них мы воспринимаем как видимый свет. Уровень организации подобной среды крайне низок, упорядоченность мала. Для лазерной активной среды, которая должна в принципе находиться в сильно неравновесном состоянии, характерна высокая упорядоченность атомных, ионных или молекулярных избирательно возбуждаемых состояний, что достигается направленным введением в среду организованного потока энергии (накачка). При выполнении определенного условия в среде лавинообразно нарастает вынужденное излучение почти монохроматических квантов света, движущихся в одном направлении. Лазерная генерация возникает скачком после того, как плотность вводимой в среду энергии накачки превысит пороговое значение, зависящее от свойств активной среды, характера накачки и параметров оптического резонатора, в который помещают активную среду для усиления эффекта. Излучение выходит в виде узконаправленного луча. 
Подобные же процессы есть в химии - смешивание жидкостей разных цветов, когда попеременно получается жидкость то красного, то синего цвета; в биологии - мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга, явление морфогенеза (отдельные клетки бывают только недифференцированными, специализация развивается в соответствующем окружении других клеток), динамика популяций (временные колебания численности видов) и т.д. 
Самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно эти системы состоят из большого числа подсистем. При изменении определенных условий, которые называются управляющими параметрами, в системе образуются качественно новые структуры. Эти системы обладают способностью переходить из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний. 
Этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии или вещества уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т.д., мы можем управлять системами извне. 
Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Грушевицкая Т., Садохин А. Концепции современного естествознания

2.5.3 Синергетика и самоорганизация

Синергетика – от слова sinergus – совместно действующий. Изучает связи между элементами структуры, а также поведение открытых диссипативных нелинейных систем, далеких от состояния равновесия. Такие состояния исследует неравновесная термодинамика. В ХХ в над ней работали Л.Онсагер, И.Пригожин, С. Грот, П. Мазур и др. В таких системах иногда наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень их упорядоченности, то есть приводит к уменьшению энтропии. В неравновесной термодинамике и самоорганизации в основе лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций (колебаний относительно равновесного состояния).

Понятие синергетики введено профессором Штудгартского университета Г.Хакеном в его известном докладе «Кооперативные явления в сильно неравновесных и нефизических системах» в 1973 г. В 1977 г выходит его труд под названием «Синергетика»1. С тех пор эта наука интегрировалась в самые различные отрасли научного знания. В результате были созданы различные научные школы, среди которых ведущее значение принадлежит брюссельской школе лауреата Нобелевской премии И. Пригожина2. Именно И.Пригожиным разработана теория диссипативных структур, на сущности эволюции которых базируется синергетика. Он же стоял у истоков учения о детерминированном хаосе.

Математический аппарат для описания неравновесных процессов, включая теорию катастроф, создается российским математиком В.И.Арнольдом и французским математиком Р.Тома. Идеи универсального эволюционизма в России разрабатываются Н.Н.Моисеевым, В.Волкенштейном, Д.Чернавским.

Важнейшим понятием синергетики является представление о системе. Н.Н.Моисеев вкладывает в ее понятие любую совокупность взаимодействующих элементов. Несмотря на тривиальность такого подхода к понятию системы, оно предполагает нетривиальные следствия.

Общепринятое понятие системы (от греч. сỳstema– целое, составленное из частей; соединение) связано с представлением о множестве элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенное единство. Выделяют материальные и абстрактные системы.

Материальные системы. Подразделяются на неживые (физические, химические, геологические и т.д.) и живые системы (простейшие биологические системы, организмы, популяции, виды, экосистемы). В особый класс живых систем относят социальное общество.

Абстрактные системы – это понятия, гипотезы, теории, научное знание о системах, лингвистические, антропологические, логические и другие.

В современной науке исследование систем разного рода производится в рамках системного анализа.

Любой объект изучения представляет собой систему. Этот факт имеет глубокое значение для научного познания. И он был понят еще в античные времена и являлся объектом изучения классического рационализма.

Однако это направление научной мысли связывало представления о свойствах системы со свойствами ее элементов. Более того, молчаливо предполагалось, что свойства системы можно вывести (изучить) на основе изучения свойств элементов, ее составляющих. Такой подход к изучению свойств системы получил название редукционизма. Он сыграл важную роль в развитии естествознания. Но всё оказалось гораздо сложнее.

Прежде всего, обнаружилось, что изучение далеко не всех свойств системы может быть сведено к изучению свойств ее отдельных элементов. Н.Н. Моисеев приводит простейший пример аномальной зависимости плотности воды от температуры. Она не выводима из свойств ее элементов –кислорода и водорода. Другими словами, система обладает особыми свойствами. Их изучение представляется важнейшим направлением современной науки по изучению свойств кооперативных взаимодействий, происходящих в системе3.

Но имеют место и гораздо более глубокие связи между свойствами системы и свойствами ее элементов. Некоторые системы как бы определяют свойства своих элементов, исключают некоторые из них, если эти элементы оказываются неспособными выполнять некоторые функции, необходимые для стабильного существования системы.

Многие системы напоминают инженера, управляющего сложной машиной. Если какая-либо деталь не удовлетворяет его требованиям, он не исправляет её, а просто выбрасывает и подбирает новую, лучше соответствующую требованиям к работе системы. Это обстоятельство особенно хорошо просматривается на уровне систем, характеризующих общество.

Другими словами, взаимосвязь свойств системы и ее элементов гораздо глубже, чем это принято думать: не только свойства системы зависят от свойств элементов, но и обратно — свойства элементов, составляющих систему, могут зависеть от ее свойств.

Иногда говорят о «целях» системы4, какой бы природы она ни была. В неживых системах это стабильность и развитие, т. е. непрерывное усложнение организационной структуры и многообразия элементов. В системах, принадлежащих миру живого, цель элемента — стабильность, которую принято называть гомеостазом. В общественных системах возникает множество разнообразных целей.

В целеполагании систем Н.Н.Моисеев видит другой важный аспект явлений в природе взаимодействующих систем. Поскольку элементы подсистемы в свою очередь также являются системами, но другого уровня организации, можно говорить и о целях элементов (подсистем). И они, эти цели подсистем, далеко не всегда совпадают с целями самой системы. Поэтому возникает представление о их соразвитии, или коэволюции. Это понятие означает такое развитие подсистем (систем нижнего уровня), которое не нарушает развития исходной системы.