Синергетика как междисциплинарное исследование сложных саморазвивающихся систем

Синергетика как наука о самоорганизации сложных систем возникает в 70-х годах XX в. Термин «синергетика», предложенный Г. Хакеном, происходит от понятия синергия (греч. synergоs от syn — вместе + ergos — действующий, действие), обозначающее сотрудничество, кооперацию, содружество.

Синергетика — междисциплинарное направление научных исследований, в рамках которого изучаются общие закономерности процессов перехода от хаоса к порядку и обратно (процессов самоорганизации и самопроизвольной дезорганизации) в открытых нелинейных системах самой различной природы. [29]

Под общим названием синергетики объединяются различные направления исследований в различных науках – в физике, биологии, химии, математике. В отличие от большинства новых наук, возникавших, как правило, на стыке двух ранее существовавших и характеризуемых проникновением метода одной науки в предмете другой, синергетика возникает, опираясь не на граничные, а на внутренние точки различных наук. В изучаемых наукой системах, режимах и состояниях физик, биолог, химик и математик видят свой материал, и каждый из них, применяя методы своей науки, обогащает общий запас идей и методов синергетики.

В математике развивается теория динамического хаоса, бельгийская школа И. Пригожина развивает термодинамический подход к самоорганизации с точки зрения диссипативных структур, а Г. Хакен акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого. В основе специфики трактовки синергетики российскими учеными во главе с С.П.Курдюмовым лежит особое отношение к проблеме детерминизма и акцентирование внимания на процессах, протекающих в режиме «с обострением».

Несмотря на расхождения, данные направления не являются ни альтернативными, ни, тем более, взаимоисключающими друг по отношению к другу. Единство фундаментальных оснований названных научных направлений позволяет говорить о синергетическом подходе в современном естествознании как о едином явлении.

Синергетика возникает в ответ на кризис исчерпавшего себя стереотипного линейного мышления, основными чертами которого являются:

· представление о хаосе как исключительно деструктивном начале мира;

· рассмотрение случайности как второстепенного, побочного фактора;

· взгляд на неравновесность и неустойчивость как на досадные факторы, которые должны быть преодолены, поскольку играют негативную, разрушительную роль;

· процессы, происходящие в мире, являются предсказуемыми на неограниченно большие промежутки времени;

· развитие линейно, поступательно, безальтернативно, а если альтернативы и есть, то они могут быть только случайными отклонениями от магистрального направления, подчинены ему и в конечном счёте поглощаются им;

· мир связан жёсткими причинно-следственными связями;

· причинные цепи носят линейный характер, а следствие пропорционально причине, то есть, чем больше вложено энергии, тем больше результат.

Предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру».[30]

Синергетика изучает механизмы самоорганизации определенного класса систем (открытых и нелинейных) самой различной природы, начиная с физики и кончая социологией и загадками человеческого Я, системой его сознания и подсознания.[31]

Самоорганизация представляет собой процесс спонтанного образования, упорядочивания и развития структур в открытых и нелинейных системах.

В синергетике создается новый язык описания со своими понятиями, в которых наиболее важным являются понятия:

· порядок и хаос;

· открытые системы;

· нелинейность;

· диссипативность;

· бифуркация.

Порядок и хаос. В результате протекания процессов в изолированных системах сами системы переходят в состояние равновесия, которое соответствует максимальному беспорядку системы, а именно тепловому хаосу, описываемому законом возрастания энтропии в классической термодинамике.

На бытовом уровне, энтропия - это мера беспорядка или мера неопределенности. В физике энтропия стоит в ряду таких фундаментальных понятий, как энергия или температура. Энтропия (от греч. entropía — поворот, превращение), функция состояния термодинамической системы, которая характеризует меру её упорядоченности. Чем выше энтропия, тем меньше упорядочена система. Эволюция в случае замкнутой системы приводит ее в состояние максимального беспорядка.

В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления.

Как в области живой, так и неживой природы, можно наблюдать процессы перехода от неупорядоченного к упорядоченному состоянию системы.

Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка А. Бенара.

Если в сковородку с гладким дном налить масло, подмешать для наглядности мелкие алюминиевые опилки и начать нагревать, мы получим довольно наглядную модель самоорганизующейся системы. При небольшом перепаде температур передача тепла от нижнего слоя масла к верхнему, идет только за счет теплопроводности, и масло является типичной открытой хаотической системой. Но при некотором критическом перепаде температур между нижним и верхним слоями масла в нем возникают упорядоченные структуры в виде шестигранных призм (конвективных ячеек). Миллиарды молекул при нагревании начинают вести себя согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом состоянии. Возникает структура, поддерживающая максимальную скорость тепловых потоков.

Можно привести и другие примеры спонтанного перехода от неупорядоченного к упорядоченному состоянию.

При определенном критическом значении мощности накачки лазера происходит скачкообразный переход работы от хаотического излучения к самосогласованному. Коллективное излучение атомов становится когерентным, т.е. упорядоченным.

В области живой природы, как свидетельствует эволюция, естественно протекающие процессы ведут к усложнению форм и структур, к увеличению порядка, избавлению от хаоса и удалению от равновесия. Самоорганизация в живой природе приводит систему к прямо противоположному состоянию, чем самоорганизация в неживых системах. Все это привело к появлению понятия открытой системы, которое и позволило устранить упомянутые противоречия.

Все природные системы являются открытыми системами, обменивающимися с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Процессы обмена происходят в каждой точке данной системы: постоянно притекают какие-то необходимые вещества и отводятся продукты распада.

Приведем примеры.

Кора головного мозга, пронизанная кровеносными сосудами, питающими мозг – только благодаря этой универсальной подложке становятся возможными сложные нейродинамические процессы в сети нейронов головного мозга.

Живой организм может существовать на основе процессов ассимиляции и диссимиляции.

Космические объекты существуют на основе взаимодействия и обмена веществом и энергией с космосом в целом.

Открытость системы – необходимое, но не достаточное условие для ее самоорганизации. То есть всякая самоорганизующаяся система открыта. Но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Создание эволюционирующих структур открытой системы осуществляется за счет нелинейных источников энергии.

Нелинейность. Нелинейность в математическом смысле означает определенный вид математических уравнений, которые могут иметь несколько (более одного) качественно различных решений.

Физический смысл нелинейности состоит в том, что множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции системы, описываемой этими уравнениями.

В работах по синергетике отмечается, что в мировоззренческом плане идея нелинейности может быть раскрыта посредством:

· идеи многовариантности, альтернативности путей эволюции;

· идеи выбора из данных альтернатив;

· идеи темпа эволюции;

· идеи необратимости эволюции.

Нелинейность означает, что нет однозначно запрограммированного пути развития системы, развитие осуществляется через случайность выбора пути в момент неустойчивости системы, а сама случайность не повторяется вновь.

Нелинейные динамические системы имеют устойчивые и неустойчивые стационарные состояния. Это создает феномен сложного и разнообразного поведения. Иллюстрировать разницу между состоянием устойчивого равновесия и состоянием динамического равновесия можно таким наглядным примером, как устойчивость лежащего в лузе бильярдного шара и устойчивость движущегося велосипеда. Велосипед легче удержать в равновесии, когда он едет.

В случае равновесного состояния или в состояниях, близких к равновесию, развитие системы невозможно. Примеры живых систем, т.е. систем, активно взаимодействующих со средой, позволили предположить, что источником порядка может быть не только равновесие, но и неравновесие. В ходе исследований было установлено, что вдали от равновесия могут самопроизвольно возникать и неорганические структуры, которые также поддерживают устойчивость за счет взаимодействия со средой. Такие структуры по своему динамическому состоянию существенно отличаются от равновесных, они образуются вдали от равновесия и обязательно термодинамически открыты (нелинейны), их называют диссипативными (от англ. «dissipate» - рассеивать).

Диссипативность. Великий русский математик А.М.Ляпунов разработал общую теорию устойчивости состояний систем. Очень кратко ее идею можно выразить следующим образом: устойчивые состояния системы не теряют своей устойчивости при флуктуациях (от лат. fluctuatio — колебание) т.е. случайных отклонений от среднего значения физических величин.

Неустойчивые системы, наоборот, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и в результате такого нарастания амплитуд возмущений система уходит из стационарного состояния.

При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые последовательно начнут переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление и получило название самоорганизации. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами.

Диссипативные структуры, уникальны в том смысле, что могут возникать в самых различных процессах природы, и только они способны к развитию.

На макроуровне диссипативность проявляется как хаос. На микроуровне хаос – это не разрушающий фактор, а сила, выводящая систему путь образования новых структур.

Бифуркация. Нелинейная система уравнений, которой описывается практически любая реальная сложная система, имеет не одно, а подчас целый спектр решений. Усложнение структуры и поведения системы тесно связано с появлением новых путей развития системы в результате бифуркаций (от лат. bifurcus – раздвоенный).

Точка бифуркации — критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности.

Поведение системы в точке бифуркации характеризуется непредсказуемостью, то есть невозможностью заранее предсказать, по которому из возможных путей развития пойдёт система. Точка бифуркации носит кратковременный характер и разделяет более длительные устойчивые режимы системы.

В сильно неравновесных условиях процессы самоорганизации соответствуют «тонкому взаимодействию» между случайностью и необходимостью, флуктуациями и детерминистскими законами. Вблизи бифуркаций, т.е. резких, «взрывных» изменений системы, основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между бифуркациями преобладает детерминизм. Ситуацию, возникающую после воздействия флуктуации на систему и возникновения новой структуры, И. Пригожин назвал порядком через флуктуацию или «порядком из хаоса».

Происходящие в точке бифуркации процессы самоорганизации – возникновения порядка из хаоса, порождаемого флуктуациями, - заставляет иначе взглянуть на роль, исполняемую хаосом. Энтропия может не только разрушить систему, но и вывести её на новый уровень самоорганизации, так как за периодом неустойчивости и распада старой структуры может сформироваться новая диссипативная структура системы, в том числе и более упорядоченная.

Итак, синергетика может быть определена как наука о нестабильности. Мир синергетики - это процессы становления порядка из хаоса. Синергетика становится источником нового взгляда на мир, нового эволюционного и холистического, то есть целостного видения мира. Становится понятным, что самоорганизация возможна среди хаоса, хаос может играть организующую роль. Только противоположения порядка и хаоса, их периодическая смена и непрестанная борьба друг с другом дают системе возможность развития.