Синергетика или принципы системной динамики как основной подход современной экологии

 

Наше видение природы претерпевает радикальные изменения в сторону множественности, темпоральности и сложности. Долгое время в западной науке доминировала механистическая картина мироздания. Ныне мы сознаем, что живем в плюралистическом мире. Существуют явления, которые представляются нам детерминированными и обратимыми. Таковы, например, движения маятника без трения или Земли вокруг Солнца. Но существуют также и необратимые процессы, которые как бы несут в себе стрелу времени. Например, если слить две такие жидкости, как спирт и вода, то со временем они перемешаются. Обратный процесс — спонтанное разделение смеси на чистую воду и чистый спирт — никогда не наблюдается. Помимо детерминированных процессов, некоторые фундаментальные явления, такие, например, как биологическая эволюция или эволюция человеческих культур, содержат некий вероятностный элемент.

В научном наследии имеются два фундаментальных вопроса: вопрос об отношении хаоса и порядка; что такое необратимость и энтропия? Знаменитый закон возрастания энтропии описывает мир как непрестанно эволюционирующий от порядка к хаосу. Вместе с тем, как показывает биологическая или социальная эволюция, сложное возникает из простого. Известно, что неравновесность — поток вещества или энергии, может быть источником порядка. Всюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивости. Интересно отметить, что такая картина наблюдается на всех уровнях — в области элементарных частиц, в биологии и в астрофизике с ее расширяющейся Вселенной и образованием черных дыр.

Весьма примечательно, что неожиданная сложность, обнаруженная в природе, привела не к замедлению прогресса науки, а, наоборот, способствовала появлению новых концептуальных структур, которые ныне представляются существенными для нашего понимания физического мира — мира, частью которого мы являемся. Накопленный опыт позволяет утверждать, что в конце XX века выполняет некую универсальную миссию, затрагивающую взаимодействие не только человека и природы, но и человека с человеком.

Зарождение понятия о системе как о совокупности элементов, находящихся в структурной взаимосвязи друг с другом и образующих определенную целостность, произошло еще в Древней Греции (работы Платона, Аристотеля, Евклида). Термин «синергетика» происходит от греческого «синергена» - содействие, сотрудничество. Предложенный Г. Хакеном, этот термин акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого. XIX веке вопрос о научном подходе к управлению сложными системами поставил A.M.Ампер. Русский ученый А.А.Богданов (настоящая фамилия — Малиновский) в 1910-е гг. выдвинул идею создания науки об общих принципах организации — тектологии, предвосхитив некоторые положения кибернетики. Обобщенное осознание системности мира получило распространение после работ Н.Винера по кибернетике. Австрийский биолог-теоретик Л. фон Берта-ланфи в 1940-е гг. выдвинул первую в современной науке обобщенную системную концепцию («общую теорию систем»). В исследовании систем важны работы бельгийской школы во главе с И. Пригожиным.

Итак, главные смыслы, вносимые научным сообществом в термин «синергетика» состоят в следующем, это:

1) парадигма, система идей, принципов, образов, представлений, из которых, возможно, со временем вырастет фундаментальная научная теория, или общенаучная теория, или даже мировоззрение;

2) ряд частнонаучный теорий (в физике, химии, биохимии, биологии, социологии, психологии и других науках), объединяемых идеями нелинейности, открытости, переходности, неравновесности процессов, идущих в системах;

3) общенаучная теория (которая пока еще складывается), т.е. как теория диссипативных структур (в смысле Пригожина), либо теория самоорганизующихся систем (в смысле Хакена), либо теория переходных процессов, взаимопревращения хаоса и порядка и т. п.;

4) новое мировоззрение, преодолевающее господствующее пока в науке мышление «ставшими», неизменными понятиями (платонистская традиция) и утверждающее мышление, основанное на «становящихся», переходных, нестабильных, фрактальных формах, образах. Мы исходим из оптимистического представления о перспективах синергетической парадигмы (и как будущей общенаучной концепции, и как зачатка нового мировоззрения).

Подтвердить предположение о возможности общенаучной теории можно, выделив теоретическое ядро (принципы), показав наличие не только описательной, объяснительной, но и предсказательной функции, раскрыв области верификации и фальсификации для теории. С позиций «классической» (досинергетической) методологии науки в столь обширных областях как синергетическое знание можно выделить, по крайней мере, 3 уровня:

1) частнонаучный (опытное, объективное знание);

2) общенаучный (метатеоретический);

3) философский (мировоззренческий).

Частные теории сегодня возникли (или складываются) в физике лазеров, турбулентности, в области нелинейных феноменов химической динамики, в теории нелинейной биоэволюции, в теории генно-культурной коэволюции Ч. Ламсдена и Э. Уилсона, в культурной (социальной) синергетике, психологии, педагогике.

Общенаучная синергетика дает описание, объяснение и предсказание любого явления самоорганизации. Но такая теория имеет и метатеоретическую функцию, т.е. она объясняет и предсказывает (хотя бы в общих чертах) частные теории. Поэтому общенаучная синергетика одновременно и метатеория. Наконец, 3-й уровень синергетического знания - философский. Здесь элементы науки соединяются с элементами веры. Такое знание не может быть фальсифицировано. Однако линия-лестница, возносящая нас от частного к общему в духе Аристотеля, это линейное мышление. Для нелинейного синергетического мышления идея «все во всем», «наверху, как и внизу» представляется в виде кольца, где все уровни равны, где нет высшего и низшего. Это целая область различных мировоззренческих учений, образы которых созвучны даосизму, буддизму, индуизму, эзотерике, христианству, пифагореизму, платонизму, аристотелизму, а также в идеям Декарта, Лейбница, Канта, Гегеля, Соловьева, Флоренского, Хайдеггера и других мыслителей. В результате синергетическое знание (факты, закономерности, догадки, гипотезы, теории, философские учения) предстает как многомерная сеть.

В сети (системе) время от времени возникает волна возбуждения. Она движется по сети, активизирует (и даже рождает) одни элементы и тормозит другие. Сеть работает как дискретно-волновая структура, напоминающая мозг, в котором также частицы (нейроны) и волны дополняют друг друга в духе корпускулярно-волновой дополнительности [1, 8, 26].

Заглянув в энциклопедии последних изданий, мы с вероятностью, близкой к единице, обнаружим в них не синергетику, а «синергизм»:

1.Совместное и однородное функционирование органов, например, мышц и систем.

2. Комбинированное действие лекарственных веществ на организм, при котором суммарный эффект превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности.

Фигура умолчания объясняется не только новизной термина «синергетика», но и тем, что X - наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы, еще далека от завершения и единой общепринятой терминологий (в том числе и единого названия всей теории) пока не существует. Бурные темпы развития новой области, переживающей период «штурма и натиска», не оставляют времени на унификацию понятий и приведение в стройную систему всей суммы накопленных фактов. Кроме того, исследования в новой области ввиду ее специфики ведутся силами и средствами многих современных наук, каждая из которых обладает свойственными ей методами и сложившейся терминологией.

Параллелизм и разнобой в терминологии и системах основных понятий в значительной мере обусловлены также различием в подходе и взглядах отдельных научных школ и направлений и в акцентировании ими различных аспектов сложного и многообразного процесса самоорганизации.

Подобно тому, как кибернетике Винера предшествовала кибернетика Ампера, имевшая, весьма косвенное, отношение к «науке об управлении, получении, передаче и преобразовании информации в кибернетических системах», синергетика Хакена имела своих «предшественниц» по названию: синергетику Ч. Шеррингтона, синергию С. Улана и синергетический подход И. Забуского. Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями. С. Улам был непосредственным участником одного из первых численных экспериментов на ЭВМ первого поколения (ЭНИВАКе).- проверке гипотезы равнораспределения энергия по степеням свободы. И. Забуский пришел к выводу о необходимости единого синтетического подхода. По его словам, «синергетический подход к нелинейным математическим и физическим задачам можно определить как совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений». Если учесть сложность систем и состояний, изучаемых синергетикой Хакена, то станет ясно, что синергетический подход Забуского (и как составная часть его - синергия Улама) займет достойное место среди прочих средств и методов Х-науки. Иначе говоря, уповать только на аналитику было бы чрезмерным оптимизмом. В отличие от большинства новых наук, возникавших, как правило, на стыке двух ранее существовавших и характеризуемых проникновением метода одной науки в предмете другой, Х-наука (синергетика) возникает, опираясь не на граничные, а на внутренние точки различных наук, с которыми она имеет ненулевые пересечения. В изучаемых Х-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 Х-науки. Эту особенность Х-науки подробно охарактеризовал Хакен по результатам конференции: «Данная конференция, как и все предыдущие, показала, что между поведением совершенно различных систем, изучаемых различными науками, существуют поистине удивительные аналоги. С этой точки зрения данная конференция служит еще одним примером существования новой области науки – синергетики».

Разумеется, Синергетика существует не сама по себе, а связана с другими науками, по крайней мере, двояко. Во-первых, изучаемые Синергетикой системы относятся к компетенции различных наук. Во-вторых, другие науки привносят в Синергетику свои идеи. Ученый, пытающийся проникнуть в новую область, естественно, рассматривает ее как продолжение своей собственной области науки. Чтобы убедиться в справедливости последнего замечания, достаточно взглянуть на заглавия докладов. Так, например «Лазер, как источник новых идей в синергетике». Математики, занимающиеся теорией бифуркаций, предпочли озаглавить доклад «Теория Бифуркаций и ее приложения». Физики, изучающие фазовые переходы, представили доклад под названием «Неравновесные фазовые переходы», а специалисты по статистической механике сочли более уместным назвать тот же подход «неравновесной нелинейной статистической механикой». Другие усматривали в новой области дальнейшее развитие «термодинамики необратимых процессов», третьи нашли рассматриваемый круг явлений особенно подходящим для применения теории катастроф (сохранив за ней поддающимися пока решению проблемами название «обобщенных катастроф»).

Некоторые математики склонны рассматривать весь круг проблем с точки зрения структурной устойчивости. Все перечисленные разделы науки весьма важны для понимания образования макроскопических структур образования в процессе самоорганизации, но каждый из них упускает из виду нечто одинаково существенное. Вот некоторые из пробелов. Мир - не лазер. В точках бифуркации решающее значение имеют флюктуации, т. е. стохастические процессы. Неравновесные фазовые переходы обладают некоторыми особенностями, отличными от обычных фазовых переходов, например чувствительны к конечным размерам образцов, форме границ и т. п. В равновесной статистической механике не существуют самоподдерживающиеся колебания. В равновесной термодинамике широко используются такие понятия, как энтропия, производство энтропии и т. д., неадекватные при рассмотрении неравновесных фазовых переходов. Теория катастроф основана на использовании некоторых потенциальных функций, не существующих для систем, находящихся в состояниях, далеких от теплового равновесия. Можно подчеркнуть то, что представляется особенно важным: в настоящее время назрела острая необходимость в создании особой науки, которая бы объединила все перечисленные аспекты. Для науки безразлично, будет ли она называться «Синергетикой». Важно, что она существует. Итак, Х-наука делает первые шаги, и существует сразу не в одном, а в нескольких вариантах, отличающихся не только названиями, но и степенью общности и акцентами в интересах.

Системная динамика как метод анализа динамического поведения сложных систембыл разработан в Массачусетском университете США в середине XX века группой под руководством Дж. Форрестера в виде трех моделей мира.

В модели World 3 основное условие развития промышленности — непрерывный экономический рост. Население прекратит увеличиваться только в том случае, если оно достигнет определенного уровня материального благосостояния. Мировые ресурсы ограниченны и подвержены разрушению.

Многие причинные связи в модели World 3 нелинейные и не строго пропорциональны во всей области существования функции.

По результатам работы авторы сделали следующие выводы:

1. Если существующие на настоящий момент времени тенденции роста населения мира, индустриализации, загрязнения окружающей среды, производства продуктов питания и истощения ресурсов сохранятся неизменными, то уже в течение следующего столетия человечество подойдет к пределам роста.

2. Наиболее вероятным результатом будет довольно резкое и неуправляемое падение, как численности населения, так и промышленного производства.

3. Имеется возможность изменить эти тенденции роста и установить экологически и экономически стабильное состояние, которое может поддерживаться в далеком будущем. Состояние глобального равновесия можно спроектировать таким образом, чтобы для каждого человека на Земле удовлетворялись основные материальные потребности и реализовался его индивидуальный потенциал.

Если люди всего мира решат бороться не за первый, а за второй вариант развития, то чем скорее они возьмутся за его воплощение, тем больше шансов на успех будут иметь.

13 марта 1972 г. в Вашингтоне группой Д. Медоуза был представлен доклад «Пределы роста», содержащий результаты их исследовательской работы. Полное научное описание всех данных и математических зависимостей, включенных в модель мира, можно найти в заключительном техническом отчете по проекту.

Через 20 лет авторы опубликовали результаты продолжения своих исследований — появилась книга «За пределами роста».

Произошло преобразование версии модели World 3 в версию World 3/91; первоначальную систему уравнений DYNAMO авторы перевели в систему STELLA; было внесено семь изменений в константы и табличные функции модели World 3. Последние отразили количественные перемены, произошедшие в мире за 20 лет; по-новому было представлено влияние технического прогресса на величины коэффициентов в модели.

По результатам этого исследования авторы сделали следующие выводы:

1. Экспоненциальный рост численности населения планеты, капитала, потребления ресурсов и загрязнения окружающей среды продолжается. Он подстегивается стремлением решить насущные проблемы человечества, начиная от безработицы и нищеты и кончая борьбой за достойное положение в обществе, свои права, самоутверждение.

2. Экспоненциальный рост может быстро выйти за любой фиксированный предел. Если один предел отодвинут, экспоненциальный рост скоро сталкивается с другим.

3. Вероятно, из-за запаздывания обратных связей мировая экономическая система выходит за пределы устойчивости и разрушает их. Действительно, для многих источников и стоков, важных для мировой экономики, выход за пределы уже произошел.

4. Технология и рынок всегда функционируют с запаздыванием и используют лишь искаженную информацию. Они сами состоят из процессов с отрицательными обратными связями, реакция которых запаздывает. Это усиливает тенденцию экономики к выходу за пределы.

5. Технология и рынок служат ценностям либо всего общества, либо его наиболее могущественной части. Если основная цель — рост, то они, по мере возможностей, будут обеспечивать рост. Если основная цель — справедливость и устойчивость, они могут служить и этим целям.

6. Когда численность населения и экономика вышли за физические пределы Земли, есть только два пути назад: неизбежный коллапс, обусловленный ростом дефицита и кризисами, либо добровольное контролируемое снижение обществом объемов потребления.

По мнению авторов модели, она уже доведена до такого уровня, что может быть полезной людям, занятым в сфере управления. Более того, основные типы поведения системы, генерируемые моделью, настолько фундаментальные и общие, что даже после внесения в модель последующих усовершенствований полученные с ее помощью крупномасштабные выводы вряд ли существенно изменятся.

Рассмотрев достижения, полученные при помощи данной модели, следует отметить, что, по мнению некоторых исследователей, в ней нет ряда важных секторов и региональной разбивки; а отсутствие достоверной статистической информации не позволяет делать достоверных оценок на длительный период. Кроме того, за столь длительный интервал времени (до 2100 г.) в моделируемой системе могут произойти значительные структурные изменения, которые приведут к изменению динамики системы. С другой стороны, некоторыми авторами было показано, что, даже оставаясь в рамках основных предположений данной модели, можно избежать глобального кризиса путем введения необходимых управляющих воздействий.

При обсуждении возможностей решения какой-либо проблемы важно понимать ее причину. После определения причины возникновения проблемы необходимо выстроить причинные связи. Например, при увеличении рождаемости возрастает численность населении: