Синергетика и самоорганизация

В этом смысле влияние системы на ее элементы качественно отличается от роли конструктора, поскольку элементы сами развиваются в силу механизмов самоорганизации. Система не конструирует элементы, а лишь отбраковывает негодные, т. е. служит фактором естественного отбора.

Н.Н. Моисеев полагал, что если станет возможным найти общий язык, годный для описания схемы процесса самоорганизации для всех трех этажей мироздания – неживой материи, живого вещества и общества, то синергетика, возможно, станет всеобщим принципом описания развития явлений, происходящих в природе.

Сегодня синергетика, охватывающая самые разные направления научного знания, представляет собой скорее не теорию, а научную парадигму, новое мировоззрение в рамках мироустройства и его самоорганизации5.

Самопроизвольное, не связанное с действием внешних регулярных полей, упорядоченное поведение в неравновесной системе есть следствие развития в ней определенного вида неустойчивости, когда движения отдельных подсистем системы становятся стохастическими (случайными). Возможность возникновения во всей системе упорядоченного движения зависит от характера коллективного взаимодействия подсистем. Система самоорганизуется, если стохастические и коллективные эффекты уравновесятся. В этом случае система попадает в состояние динамического равновесия, в котором стохастические, неустойчивые движения всех подсистем, согласованы между собой, благодаря их коллективному взаимодействию. Таким образом, явление самоорганизации следует рассматривать как коллективный процесс в неравновесной системе.

Основу научной концепции синергетики составляет представление о непрерывной изменчивости окружающего мира посредством его эволюции, ведущие силы которой заключены внутри самой Природы, внутри сущности явлений, движений, состояний, изменчивости объектов и т.д. Другими словами, каких либо внешних сил по отношению к Природе и явлениям, происходящим внутри её нет, а является следствием ее самоорганизации. И эта самоорганизация противостоит предельному состоянию систем достижения ими равновесного состояния или предельного хаоса. А носителем или внутренним фактом самоорганизация является непрерывная изменчивость через флуктуации, которые выражают направленность процессов, избегающих равновесность, упреждающих возможности достижения абсолютного хаоса.

Самоорганизация (термин введен английским кибернетиком У.Эшби в 1947 г) – процесс, в котором по каким-то причинам самопроизвольно создаётся, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Свойства самоорганизации известны в различных природных и социальных объектах.

Н. Моисеев дает свое понятие самоорганизации: «Условимся называть самоорганизацией системы такой процесс изменения ее состояния (или характеристик), который происходит без целенаправленного (может, лучше — целенаправляемого) начала, каковы бы ни были источники целеполагания. Можно говорить и о стихии самоорганизации – здесь мы ошибки не сделаем. Причины, побуждающие процесс самоорганизации, могут быть как внешними, так и внутренними. Если же речь идет об Универсуме как единой системе, то процесс ее изменения идёт только за счет внутренних взаимодействий, т. е. за счет факторов, принадлежащих Универсуму. Никаких внешних взаимодействий мы не наблюдаем, значит, согласно принципу дополнительности Бора, мы не имеем права говорить, что они существуют. И центральной проблемой теории систем является проблема описания этого процесса.

Механизмы самоорганизации Универсума, т. е. материального мира и многих подсистем, его составляющих, далеко не познаны. Последнее означает, что для многих из них еще не создано интерпретаций, имеющих смысл эмпирических обобщений, и мы вынуждены опираться на те или иные гипотезы. Я думаю, что познание механизмов самоорганизации и составляет суть фундаментальных наук»6.

По Г.Хакену самоорганизующейся называют систему, которую она без специфического воздействия извне обретает пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим воздействием понимается такое состояние, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем они испытывают извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки7.

При этом под изменчивостью понимается вечно присутствующие во внутреннем состоянии системы случайность и неопределенность, которые могут всегда подвернуться во времени и спровоцировать уход от достижения ею равновесия в непредсказуемое время, через непредсказуемость ситуации.

Наследственность (как «память» системы) в синергетике понимается более широко, чем в теории эволюции. Она скорее означает то, что настоящее и будущее любой системы зависит от его прошлого. «Память» о прошлом не может быть абсолютной8, хотя, например, если мы говорим о действии единого закона Природы во вселенной, то он проявляются на любом уровне организации материи и вещества. Наука даже утверждает больше – единство окружающего действительного мира. И это единство понимается как предельная память о всеобщности. Даже в турбулентности, в которой, казалось бы, отсутствует всякая память о прошлом, именно благодаря ей, в водовороте хаоса течений возникают случайности, приводящие к организации упорядоченности (в газах, жидкостях, вакууме).

В теории эволюции на основе синергетики «принцип естественного отбора» может пониматься как отбор случаем через проявление его самого на основе флуктуаций. И хотя «отбор» в самоорганизующихся системах, как таковой, отсутствует, он может пониматься как проявление той же случайности, посредством законов сохранения, то есть являться принципом отбора соответствующим законам сохранения: в физике, химии, той же биологии и т.д.

В синергетике закреплено понятие бифуркации (от лат. слова bifurcus – раздвоенный, вилка), введенное А.Пуанкаре – как процесс внезапного и случайного (революционного) перехода системы из одного состояния в другое, из устойчивого – в неустойчивое.

В природе заложен этот универсальный механизм раздвоения (бифуркации) всего, что возникает в ней. Положительное – отрицательное, частица – античастица, мужчина – женщина, истина – ложь, хищник – жертва и т.д. При этом между ними не может существовать границы, которая бы отделила левое от правого, горячее от холодного, справедливость от несправедливости…

Такое состояние описано впервые Л.Эйлером на примере анализа поведения вертикальной колонны, находящейся под нагрузкой. Находясь длительное время в состоянии устойчивого (вертикального) равновесия, колонна Эйлера, под влиянием внешних воздействий, медленно накапливает возмущения до тех пор, пока она внезапно не потеряет свою устойчивость. Вместо одного устойчивого равновесия появляется множество положений равновесия, и предсказать какое из них окажется критическим в отношении ее разрушения предсказать невозможно. При этом разрушение произойдет внезапно, скачкообразно.

Таким образом, в синергетике ход эволюционного процесса реализуется по схеме:

• начальный этап характеризуется медленным развитием системы, элементы которого можно каким-то образом предсказать. Например, раствор находится в метастабильном состоянии;
• затем коллективные внутренние силы, как аддитивный или мультипликативный эффект, приводят систему в критическое состояние, провоцируют ее к хаотичности поведения. В этом случае стабильные параметры системы резко меняются. Возможны сценарии разного развития событий. Например, из раствора может выпасть осадок или, напротив, раствор может перейти в метастабильную фазу. Предсказать по какому сценарию пойдет реакция в тот или иной момент времени – невозможно;
• выход из критического состояния системы непредсказуем, он случаен, скачкообразен;
• новое состояние системы после бифуркации определяется периодом нового длительного ее развития, пока не наступят новые коллизии в ней по принципу самоорганизации и т.д.

В этом как раз и проявлена направленность эволюции через стадию стационарную, нестационарную, бифуркационную, новую стационарную и т.д. Подобное должно происходить и во вселенной.

Бифуркация играет главную роль в ее эволюции, приводя систему к новизне, новому уровню организации материи, новой сложности. Эволюция, таким образом, – это непрерывный процесс перехода к сложности, а сложность – к ускорению хода эволюции, поскольку в сложных системах процесс спокойного развития короче, чем у простых систем (больше параметров изменения как внутренних, так и внешних). В этом смысле эволюция по И.Пригожину 9 не может пойти вспять, она не обратима. Как необратима стрела времени. Направленность же эволюции связана с ее усложнением через самоорганизацию систем, структур, живого, неживого, самой вселенной.

Процесс самоорганизации универсален и может рассматриваться в качестве всеобщего закона эволюции Природы. Механизмы, которые управляют законом самоорганизации, относят к «механизмам сборки». Зная эти механизмы, можно вычленить управляющие параметры систем, чтобы предугадать направление их изменения или искусственно перевести их в новое состояние. Момент перевода старого состояния в новое, может определяться триггером (спусковым механизмом).

В некоторых случаях свойства развивающихся систем можно предугадать, опираясь на принцип минимума диссипации энергии. Но в природе много явлений, которые еще не могут быть объяснены с позиции свойств частиц, атомов и т.д. Тогда прибегают к таким понятиям, как аномальные свойства. До недавнего времени, например, не могли объяснить аномальные свойства воды, но выявление ее структуры и полиморфизма позволило не только понять, но и использовать эти свойства в познании, например, геологических процессов, да и не только их. Постепенно будет разгадана самая интересная загадка – жизни и разума. И хотя эти загадки невозможно разгадать, опираясь только на свойства органического вещества или свойства нейронов мозга, но поиск новых знаний в эволюции систем позволит подступиться и к этим сложным проблемам на основе того же механизма универсального эволюционизма.

В своих работах 1980–1990-х гг Моисеев Н.Н. высказывал предположение, что дарвиновские принципы эволюции есть лишь частное проявление более общих закономерностей развития, свойственные всем процессам в Универсуме, в том числе и процессам самоорганизации10. Поиск более общих законов развития Природы привел ученого к необходимости создания учения об универсальном эволюционизме, основанном на современных подходах синергетики.

Непрерывность же изменения структуры определяется разрушением (уничтожением) старых и возникновением новых структур. А многообразие расхождения ветвей событий в ходе эволюции не дает возможности обмена информацией между канувших в лету событий, разделивших эти ветви. Например, в биологии запрещено межвидовое скрещивание, мы никогда не поймем язык верветки, хотя можем строить свои версии о том, что вокруг и с ней происходит. Мы никогда не найдем общего языка со своими братьями меньшими, поскольку они не обладают им в том виде общения, которым обладаем мы.

Новое, возникающее из старого, обладает неповторимыми свойствами и качествами. И даже эффект памяти формы в металлургии является новой, постепенно теряющей связь со старой формой. Связь новых и новейших событий проявляется лишь в действии единых законов в Природе, которые одинаковы в любых пространственно-временных и материальных связях – законах сохранения.

Режим детерминированного хаоса связан с определением предельной траектории в ограниченной области физического пространства, к которому стремится процесс (колебание маятника) или система.

В этой связи, можно говорить о том, что динамический хаос состоит из структур, которые сменяют друг друга по истечении времени перемешивания, и тогда явление самоорганизации следует рассматривать как рождение структуры из хаоса структур. Структуры динамического хаоса могут отличаться не только разнообразием, но и симметрией форм.

То есть в динамическом хаосе есть определенная гармония, что существенно отличает его от истинного хаоса, который не связан с какими – либо динамическими процессами.

Динамическая неустойчивость движения выражается в сильной расходимости близких в начальный момент траекторий. Следствием ее является перемешивание траекторий, наличие которых и позволяет перейти от полного описания на основе уравнений движения всех частиц к более простым уравнениям для функций, сглаженных по объему перемешивания. В этом случае система частиц заменяется сплошной средой.

Решение задач турбулентности представляет собой другой этап развития динамической системы, которая весьма сложна, например, для описания явлений при долгосрочном прогнозе погоды.

Д.Рюэлем и Ф.Такенсом в 1971 году был введен особый термин для описания сложных движений в нелинейных диссипативных динамических системах – странный аттрактор.

Слово «странный» подчеркивает два его свойства: необычность его геометрической структуры (она может быть представлена в виде кривых или плоскостей, т.е. геометрических элементов целой размерности) и размерность странного аттрактора, которая является дробной или, как принято говорить, фрактальной.

Странный аттрактор – это притягивающая область для траекторий из окрестных областей. При этом все траектории внутри странного аттрактора динамически неустойчивы.

Понятие хаоса относится к так называемой теории динамических систем.

Динамическая система состоит из двух частей: понятия состояния (существенной информации о системе) и динамики (правила, описывающего эволюцию системы во времени).

Эволюцию можно наблюдать в пространстве состояний, или фазовом абстрактном пространстве, в котором координатами служат компоненты состояния. При этом координаты выбираются в зависимости от контекста. В случае механической системы это могут быть положение и скорость, в случае экологической модели – популяции различных биологических видов. Примером динамической системы может служить маятник.