Модель самоорганизующейся системы

 

Любую физическую систему можно представить себе, как состоящую из отдельных информационных блоков. При этом устойчивость системы может характери­зоваться количеством связей между отдельными информационными бло­ками. Будем называть коэффициентом связности системы отношение имею­щихся связей к числу возможных связей между отдельными информацион­ными блоками.

 

 

Допустим, в системе имеется 5 блоков информации. Между ними существует 8 свя­зей из 10 возможных (рис.2). Тогда коэффи­циент связности будет равен 0,8.

Поскольку самоорганизующаяся сис­тема всегда является открытой, она посто­янно обменивается информацией с окру­жающей средой. Если в вышеуказанную сис­тему ввести шестой блок информации, в первый момент он не будет связан с другими информационными блоками. Но число возможных связей возрастет до 15 (рис.3). В результате коэффициент связности снизится до 0,53. Таким образом, вве­дение новой информации в первый момент ведет к уменьшению устой­чивости системы.

Дальнейшая судьба системы зависит от того, смогут ли образоваться связи между вновь введенным и имеющимися блоками информации. Если образуются связи между всеми пятью блоками, то коэффициент связно­сти будет равен 0,87 (рис.4). Более того, вновь образовавшиеся связи могут соз­дать взаимосвязь и между теми блоками, которые не были взаимосвязанными в начальном состоянии. Скажем, между вторым и четвертым. Тогда коэффици­ент связности будет еще больше. В этом случае можно сказать, что система перешла на качественно новый уровень устойчивости, то есть, произошла самоорганизация системы. Если же новые связи не образуются, система сни­жает свою устойчивость и может даже прекратить свое существование.

Таким образом, введение в систему нового блока информации, с одной стороны, может привести к развалу системы, а, с другой стороны, повысить уровень ее самоорганизации. Все зависит от того, впишется ли новая инфор­мация в имеющуюся информационную структуру или нет.

О синергетическом подходе в гуманитарных науках
(Является ли синергетика новой картиной мира?)

 

Трудно назвать другое направление в науке, которое вызвало бы такой энтузиазм в научном сообществе, какой произвела синергетика. Появившись в 70-х годах ХХ века в естествознании, она очень быстро перешла границы, в которых она родилась. Вскоре не только естествоиспытатели, но и многие гуманитарии, число которых все более возрастает, пришли к выводу о необычайной плодотворности синергетического подхода при разрешении самых разных проблем в различных областях науки.

Гуманитариями синергетика была воспринята как наука, которая благодаря так называемому «нелинейному подходу» позволяет якобы разрешать множество проблем социальной действительности, ранее не поддававшихся решению прежними «несинергетическими» способами. Сделаны заявки на появление новых научных направлений таких, как социосинергетика, синергетическая этика, психосинергетика, синергетическая экономика и др. Возникли такие понятии как «синергетический гуманизм», «линейное и нелинейное мышление», «синергетический человек» и пр.

Синергетики пришли к выводу о наступлении новой научной революции в связи с созданием «синергетической картины мира», «сравнимой по масштабам с открытием строения атома, созданием генетики и кибернетики».[11]

В связи с этим говорится о появлении новой синергетической парадигмы мира, которая призвана объяснить все явления мира и прежде всего процессы эволюции, появления все более сложных систем во всех действительности.

Так что же такое синергетика? Действительно ли она решает эти перечисленные и другие проблемы и является новой научной методологией, претендующей на роль новой парадигмы?

Говоря о синергетике, следует прежде всего обратиться к предмету и методу этого нового направления. Существует целый ряд определений синергетики. Их можно разделить на две группы.

В первой группе под синергетикой понимается термодинамика открытых систем вдали от равновесия (И. Пригожин и его школа).

Во второй группе синергетика – это наука о самоорганизации систем различной природы (физической, биологической, социальной) на основе кооперативного действия элементов системы (Г. Хакен).

В синергетической литературе отмечается, что все определения синергетики эквивалентны между собой. Но это явно не так. Прежде всего, обращает на себя внимание то, что понимание синергетики как термодинамики открытых систем, ограничивает ее применение только физическими системами и некоторыми объектами живой природы. Обратимся к этому несколько подробнее.

Использование термодинамики правомерно при изучении физико-химических явлений. При этом получены существенные результаты при исследовании самоорганизующихся физических систем. Здесь следует отметить важный критерий, разработанный И. Пригожиным и П. Гленсдорфом, о том, что в процессе самоорганизации физической системы происходит уменьшение скорости производства термодинамической энтропии в этой системе.

Когда же речь идет об объектах биологической природы, то здесь использование термодинамических методов крайне ограничено. И хотя эти методы при исследовании живых объектах дают некоторую дополнительную информацию о протекающих биологических процессах, тем не менее сами по себе эти исследования не могут выявить сущности живых систем, отличия живого от неживого.

Между тем, многие сторонники термодинамического подхода полагают, что важнейшими отличиями живых организмов от неживых объектов являются, во-первых, низкая величина энтропии биологических систем, и, во-вторых, поддержание энтропии на стационарном уровне. Однако малая величина энтропии системы не может быть показателем того, что эта система является живой. Биологическая система может иметь энтропию разного уровня – меньшего, большего или равного энтропии неживого объекта такого же объема и массы. Такой вывод довольно убедительно сделан многими авторами. Так, памятник ил замерзший труп обладают гораздо меньшей энтропией, чем живой организм.[12]

Ряд авторов, занимающихся термодинамикой биологических систем (Зотин и др.) пришел к выводу, что для живых организмов существует модифицированный критерий эволюции Гленсдорфа-Пригожина, согласно которому можно утверждать, что любой орган живого организма и живой организм в целом претерпевают процесс развития, если в нем наблюдается уменьшение скорости производства энтропии. Экспериментально этот показатель оценивается по выделенной организмом теплоте. Однако, последовательное применение этого критерия показывает, что на его основе нельзя отличить процессы развития от процессов деградации. Так, рост количества нормальных и злокачественных клеток характеризуется одной и той же величиной выделенной теплоты.

Что касается второго свойства живых систем о стабильности энтропии, то действительно, живые организмы сохраняют величину энтропии в определенных пределах. Но и огромное множество неживых объектов также имеют в течение длительного времени постоянный уровень энтропии.

Хотя сущность живых систем и не сводится к энергетическим явлениям, тем не менее, их изучение дает важную информацию для понимания феномена жизни.

Однако следует иметь в виду, что не любые биологические явления можно исследовать термодинамическими методами. Если на организменном, органо-тканевом и клеточном уровнях эти методы вполне обоснованы, то при описании высших функций животных (поведение, общение, научение и т. п.) эти методы не применимы.

В то же время некоторые авторы полагают, что не существует никаких принципиальных запретов для описания любых систем, в том числе таких, как популяция, кроны деревьев, состоящие из ветвей и пр. Единственное условие при этом – должно быть наличие большого числа элементов, из которых состоит система. Для описания таких систем считается правомерным введение не только понятия термодинамической энтропии, но и таких, как внутренняя энергия и температура биосистемы (например, популяции).

Ошибочность таких представлений вытекает уже из того, что понятие энтропии в термодинамике трактуется как мера физического движения материи, температура – как характеристика (мера) интенсивности теплового движения, а энтропия измеряется в тепловых единицах.

Еще более очевидна неприменимость термодинамических методов, которые считаются синергетическими, к явлениям жизни общества. Как известно, во всех сферах действительности (в живой и неживой природе, а также в обществе) происходят процессы эволюции, самоорганизации. В синергетике сделан верный вывод, что только те системы могут развиваться, которые обладают определенными свойствами.

К таким свойствам относятся:

- открытость системы;

- ее неравновесность;

- нелинейность процессов внутри системы

и некоторые другие.

Остановимся на рассмотрении этих свойств. Сущность их вполне ясна и определенна, когда речь идет о системах неживой природы и некоторых объектах живой. Но эта определенность исчезает, когда речь заходит о более сложных системах, например, о системах общественной жизни.

1. Что означает открытость системы? В термодинамике открытые системы определяются как системы, которые обмениваются с внешней средой веществом и энергией. Именно вещественный и энергетический обмен является условием применимости термодинамических методов при изучении физических систем. Что касается систем, изучаемых гуманитарными науками, например, политической системы общества, систем религиозных и нравственных отношений и др., то открытость системы здесь может означать только взаимное воздействие среды и системы друг на друга. Ни о каком вещественном или энергетическом обмене здесь не может быть и речи.

2. Второе свойство (условие) развивающихся систем – их неравновесность. Применительно к физическим системам это свойство заключается в том, что система находится вдали от состояния термодинамического равновесия. Термодинамическое равновесие означает состояние максимальной хаотичности движения микрочастиц системы.

Такому состоянию соответствует максимальное значение термодинамической энтропии системы. В таком состоянии физическая система не может эволюционировать и находится в стационарном состоянии. Если же система в результате внешних воздействий оказалась вдали от состояния термодинамического равновесия, то такая система обладает возможностью для развития, появления внутри нее новых образований и процессов. Переход к такому неравновесному состоянию характеризуется уменьшением производства энтропии внутри этой физической системы.

Если же речь идет о системах общественной жизни, то ни о каких термодинамических (энергетических) характеристиках не может идти речи. В этих случаях под неравновесностью можно понимать неустойчивость того состояния, в котором находится, например, система религиозных отношений. Разумеется, какие-либо энергетические характеристики (энтропия, температура, теплота) здесь совершенно неуместны. Если для физических систем разработаны математические критерии устойчивости (критерий устойчивости Ляпунова), то для систем, изучаемых гуманитарными науками, таких математических критериев нет.

3. Обратимся к следующему свойству самоорганизующихся систем – их нелинейности.

Синергетика утверждает, что только нелинейные системы способны к эволюции. Понятие нелинейности пришло в синергетику из математики. В математике под нелинейностью системы понимается то, что переменные величины в уравнениях, описывающих процессы внутри системы, содержат показатели степени, больше единицы. Именно нелинейные процессы приводят к качественному скачку физической системы из одного состояния в другое.

Что же касается систем, являющихся предметом изучения гуманитарных наук (например, политической системы, системы моральных принципов и пр.) то нет и, вероятно, в принципе невозможно написать математические уравнения, которые описывали бы политические, нравственные и другие процессы жизни общества, с тем, чтобы показать являются ли эти системы линейными или нелинейными.

Это позволяет сделать вывод, что привлечение рассмотренных понятий синергетики и использование методов термодинамики совершенно непригодно при рассмотрении явлений общественной жизни. Мы видим явное противоречие между декларируемым предметом синергетики (явлениями самоорганизации во всех сферах действительности) и термодинамическим методом, лежащим в основе термодинамики неравновесных систем физико-химической природы.

Но не все понимают под синергетикой только термодинамику неравновесных процессов. Существует большое количество исследователей, у которых изучение самоорганизующихся систем происходит не термодинамическими методами, а на основе различного рода математических теорий – теорий нелинейных колебаний и волн, теории хаоса, теории фазовых переходов, теории фракталов, теории катастроф и др. Эти теории используются при построении математических моделей в физической и в геометрической оптике, в геологии, в экологии, в нейрофизиологии и в психологии при изучении некоторых функций мозга и психических расстройств, некоторых общественных явлениях, например, в демографии и пр.

Главным способом изучения эволюционных процессов, как мы отметили, является составление математических моделей. При этом не существует универсального, так называемого синергетического подхода, который в качестве ключа позволял бы раскрывать процессы эволюции любой системы. Одно понимание того, что изучаемая система находится в состоянии эволюции явно недостаточно, чтобы полагать, что при помощи общего, так называемого синергетического подхода, можно раскрыть процесс эволюции той или иной рассматриваемой системы.

Если прозвучало слово «синергетика», то это совершенно не означает, как говорит Губин В.Б.[13], что дело решено. Наоборот, предстоит очень трудная работа по составлению дифференциальных уравнений и последующих сложных расчетов. Произнесенное же слово «синергетика» никак не может заменить или облегчить эту работу.

Каждая математическая модель строится для изучения вполне конкретного процесса самоорганизации. Для разных систем в каждом случае определяются математические теории, которые могут быть использованы при моделировании эволюционного процесса.

Можно сказать, что сейчас синергетика – это круг общих идей (общих принципов) самоорганизации систем и совокупность различных математических теорий для их описания.

Если о предмете синергетики можно сказать вполне определенно, что этим предметом являются процессы самоорганизации во всех сферах действительности, то о методе нельзя сказать ничего определенного. В сущности, он еще не определен. Уже поэтому синергетику в настоящее время нельзя назвать наукой.

Но кроме этого существует еще одна причина, по которой синергетика не может претендовать на статус научной дисциплины. Речь идет о центральной и важнейшей проблеме синергетики, для решения которой нет даже отдаленных шагов. Этой проблемой является природа кооперативности (совместности), когерентности (согласованности) процессов самоорганизующейся системы. До сих пор совершенно таинственным остается ответ на вопрос, почему при наличии некоторых условий (свойств) в системе на определенном этапе хаотическое движение вдруг как по команде превращается в совместное, совершенно согласованное движение миллионов и миллиардов атомов и других составных частей самоорганизующейся системы. Другими словами непонятно, что побуждает хаос превращаться в упорядоченное движение. Исследователи, составляющие математические модели для изучения различных процессов самоорганизации, исходят из кооперативности, когерентности процессов лишь как из факта и не ставят перед собой задачу определения природы этого согласования.

Между тем уже основоположники синергетики обращали внимание на это загадочное явление. И. Пригожин и И. Стенгерс высказывали большое удивление в связи с этим. Создается впечатление, отмечали они, что как будто бы существует некая «коммуникация», при которой молекулы обмениваются информацией между собой.[14] Как и почему это происходит, они не смогли ответить. Нет ответа на этот вопрос и в настоящее время. Но без ответа на него синергетика не может быть названа наукой и не может стать новой научной картиной мира, как об этом верно говорят некоторые авторы.

Какие же выводы можно сделать из вышесказанного? Действительно ли синергетика – это блеф, лженаука, как об этом вполне определенно говорят некоторые ученые (В.Б.Губин, М.И. Штеренберг и др.) или синергетика действительно имеет позитивное содержание?

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы.

1. Синергетика имеет некоторое позитивное содержание. Не являясь научной дисциплиной, тем не менее она на основе обобщения физических, химических, биологических, экологических, демографических и других теоретических исследований сформулировала ряд принципов, справедливых для самоорганизующихся систем любой природы. К таким принципам относятся:

а) процессы самоорганизации могут претерпевать только системы, которые являются открытыми, нелинейными, находящимися вдали о равновесия, состоят из огромного множества элементов;

б) в результате воздействия со стороны внешней среды самоорганизующаяся система достигает точки нестабильности (точки бифуркации), которая открывает несколько возможных путей дальнейшего развития системы;

в) незначительные изменения внешней среды (флуктуации) приводят к кардинальному изменению состояния системы. Это происходит в результате неожиданно появившегося эффекта кооперативности и когерентности действия частиц системы.

Указанные принципы составляют методологическую основу синергетики и обладают определенной эвристической ролью. Однако эти принципы не представляют собой метода исследования при изучении конкретных самоорганизующихся систем.

2. Для описания процессов эволюции разных систем используются различные модели, построенные на основе теорий разных областей математики. Неравновесная термодинамика, которая некоторыми синергетиками провозглашается как общая теория самоорганизующихся систем, является методом исследования лишь физико-химических систем и некоторых биологических объектов.

3. При исследовании высших форм жизни и социальных явлений термодинамика совершенно неприменима. Использование других математических теорий при описании общественных процессов является крайне ограниченным.

4. В целом можно сказать, что не существует так называемого синергетического подхода, который как ключ раскрывал бы механизм эволюции любой самоорганизующейся системы.

Мода на синергетику в России порождает «обильную пену». Множество публикаций по сути «забалтывают» синергетику. Применение синергетики особенно в гуманитарных и социальных областях часто сводится к навешиванию синергетических ярлыков, к простому использованию синергетической терминологии. Синергетика возводится ныне чуть ли не в новую философию –философию природы.

Эти слова недавно были сказаны за круглым столом в журнале «Вопросы философии» одним из ведущих философов-методологов в области синергетики Е.Н. Князевой. Именно она автор многочисленных публикаций по философским проблемам синергетики, немного лет назад сверхоптимистично говорила о неограниченных возможностях синергетики во всех областях научного знания. Теперь мы видим в значительной мере сбалансированную, реалистическую позицию.

Можно с одобрением отнестись к тому, что и другие методологи синергетики (Мамчур, Буданов, Аршинов и др.), как это видно из заседания Круглого стола Вопросов философии в 2006 году дали задний ход в оценке, как ранее они считали, неограниченных возможностей синергетики. И действительно, движение в направлении, ранее заданном этими авторами, в сущности попадало в трясину, которая возникла из-за безбрежного, произвольного толкования ряда естественнонаучных принципов и категорий на области, где они не применимы (экстраполяция).

Сейчас кажется, возникает понимание всей сложности, связанной с синергетикой.

Литература

 

1. Блауберг И.В. Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода / И.В. Блауберг. М.: Наука, 1973.

2. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. ИЛ., 1961.

3. Бом Д. Квантовая теория. М.: Наука, 1965.

4. Гернек Ф. Альберт Эйнштейн. М., Мир, 1979.

5. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания – М.,2003.

6. Губин В.Б. Синергетика как новый пирог для «постнеклассических ученых» или отзыв на автореферат доктороской диссертации / Философские науки, 2003, № 2, с. 121-155.

7. Кол­чинский И.Г. и др. Астрономы. - Киев: Наукова думка. 1986.

8. Лесков Л.В. Космос Ньютона \\ Земля и Вселенная, № 2, 1990.

9. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1996.

10. Табачинский В.Ф. Расширяющаяся Вселенная и космическое время. Л., Знание, 1987. С.6.

11. Философия естествознания. М., Политиздат, 1966.

12. М.И. Штеренберг Философские науки, № 6, 2004.

 

[1] Лесков Л.В. Космос Ньютона \\ Земля и Вселенная, N 2, 1990. - C.55-56.

[2] Кол­чинский И.Г. и др. Астрономы. - Киев: Наукова думка. 1986. – С. 141.

[3] Блауберг И.В. Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода / И.В. Блауберг. М.: Наука, 1973. – С. 20.

[4] Философия естествознания. М., Политиздат, 1966. – C. 157.

[5] Гернек Ф. Альберт Эйнштейн. М., Мир, 1979. С. 40

[6] Табачинский В.Ф. Расширяющаяся Вселенная и космическое время. Л., Знание, 1987. С.6.

[7] Философия естествознания. М., Политиздат, 1966. – С.165.

[8] Философия естествознания. М., Политиздат, 1966. – С. 168.

[9] Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. ИЛ, 1961. – С. 142.

[10] Бом Д. Квантовая теория. М.: Наука, 1965. – С. 176.

[11] Горбачев В.В. Концепции современного естествознания – М.,2003. – С. 215.

[12] Штеренберг М.И. Философские науки, №6, 2004.

[13] Губин В.Б. Синергетика как новый пирог для «постнеклассических ученых» или отзыв на автореферат доктороской диссертации / Философские науки, 2003, № 2.

[14] Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1996., с 60.