Тема 6. Теория самоорганизации (синергетика).

1. Теория самоорганизации: предпосылки возникновения, основные постулаты. Свойства самоорганизующихся систем.

2. Термодинамика неравновесных систем. Самоорганизация в неживой и живой природе.

3. Методологическое значение синергетики. Принцип универсального эволюционизма. Синергетические закономерности в социальных системах.

1.

Большинство реальных процессов в природе носит необратимый характер, и фактор времени играет существенную роль для их описания. Однако долгое время физика изучала только обратимые процессы. В классической механике достаточно было задать систему координат и скорость движущегося тела, для того чтобы определить характер его движения. С помощью математических вычислений, зная начальные условия, можно было определить положение тела в любой момент как в прошлом, так и в настоящем или будущем.

Впервые фактор времени был учтен при описании теп­ловых процессов в термодинамике. В науку было введено понятие энтропии – меры беспорядка в системе. Од­нако понимание необратимости процессов в термодинами­ке, связанных с повышением энтропии, дезорганизацией и разрушением системы, конфликтовало с явлениями само­организации и усложнения систем, которые наблюдались в живой природе. Эволюция живых систем, вопреки зако­нам возрастания энтропии, приводила к их усложнению и повышению степени самоорганизации. Окончательно про­тиворечие физических и биологических представлений было осознано в конце XIX в. после создания эволюционной тео­рии Ч. Дарвина.

Конфликт физических и биологических представлений удалось разрешить после того, как наука обратилась к по­нятию открытой системы. В закрытых системах, которые рассматривались классической физикой в качестве естест­венных, не происходит обмена энергией и веществом с вне­шним миром. В замкнутых системах вектор протекания про­цессов направлен от упорядоченности через равновесие к хаосу. Такие системы стремятся к состоянию максимальной неупорядоченности. Основными характеристика­ми процессов в замкнутых системах являются равновес­ность и линейность.

Открытые системы, напротив, обмениваются энерги­ей, веществом и информацией с внешним миром. В таких системах при определенных условиях могут самопроизволь­но возникать новые упорядоченные структуры, повышаю­щие степень самоорганизации системы. Ключ к пониманию процессов самоорганизации был найден в представлении о взаимодействии системы с окружающей средой. Основны­ми характеристиками процессов в открытых системах яв­ляются неравновесность и нелинейность.

Изучением открытых неравновесных систем занимается синергетика. Синергетика возникла на стыке физики и химии в 70-е гг. XX в., а затем приобрела статус междисциплинарного подхода. Основоположниками синергетики являют­ся бельгийский ученый русского происхождения Илья Пригожин и немецкий ученый Герман Хакен. Термин «синергетика» происходит от греч. «синергия» – сотрудничество, содействие.

Синергетика так же, как и кибернетика, изучает системы с обратной связью. Однако в отличие от кибернетики, изуча­ющей динамическое равновесие в самоорганизующихся системах, синергетика исследует механизмы возникновения но­вых структур за счет разрушения старых, а не процессы стабилизации. Синергетические системы функционируют в соответствии с принципом положительной обратной связи. Синергетика является наиболее общей на данный мо­мент теорией самоорганизации и изучает закономерности этих явлений во всех типах материальных систем. Как пишет Г. Хакен, принципы самоорганизации распространя­ется «от морфогенеза в биологии, некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики до космических масштабов эволю­ции звезд, от мышечного сокращения до вспучивания кон­струкций». Синергетика претендует на открытие универ­сальных механизмов самоорганизации как в живой, так и в неживой природе. Теоретической основой синергетики выступает термодинамика нелинейных систем, или нерав­новесная термодинамика.

Исходным принципом синергетической концепции является различие процессов в открытых и закрытых системах. В отличие от классической науки, рассматривавшей закрытые системы как абсолютный тип упорядоченности мира, синергетика в качестве предмета изучения выбирает откры­тые системы. По мнению ее создателей, именно открытые системы являются универсальными, а протекающие в них процессы способствуют самоорганизации мира. «Искусственное может быть детерминированным и обратимым, – пишут И. Пригожин и И. Стенгерс, – естественное же непременно содержит элементы случайности и необратимости».

Система называется самоорганизующейся, если она без специального воздействия извне обретает новую пространственную, временную или иную структуру. Главные свойства открытых самоорганизующихся систем – неустойчивость и нелинейность. Опираясь на это знание, синергетика предлагает следующее объяснение механизма возникновения порядка из хаоса: пока система находится в состоянии термодинамического равновесия, все ее элементы ведут себя независимо друг от друга и на создание упорядоченных структур не­способны. В какой-то момент поведение открытой системы становится неоднозначным. Та точка, в которой проявляет­ся неоднозначность процессов, называется точкой бифурка­ции (разветвления). В точке бифуркации изменяется роль внешних для системы влияний: ничтожно малое воздей­ствие приводит к значительным и даже непредсказуемым последствиям. Между системой и средой устанавливается отношение положительной обратной связи, т.е. система на­чинает влиять на окружающую среду таким образом, что формирует условия, способствующие изменениям в ней са­мой. Таким образом, система противостоит разрушительным влияниям среды, меняя условия своего существования.

Под влиянием энергетических взаимодействий с окру­жающей средой в открытых системах возникают так на­зываемые эффекты согласования и кооперации, когда раз­личные элементы начинают действовать в унисон. Такое согласованное поведение синергетика называет когерент­ным. Как следствие, происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса новых структур. После возникно­вения новая структура, называемая диссипативной, вклю­чается в дальнейший процесс самоорганизации материи. Диссипативные структуры возникают за счет рассеяния (диссипации) энергии, использованной системой, и полу­чения новой энергии из окружающей среды. Диссипативная структура как бы извлекает порядок из окружающей среды, повышая собственную внутреннюю упорядочен­ность и увеличивая хаос и беспорядок во внешнем мире.

Таким образом, внешние взаимодействия оказывают­ся фактором внутренней самоорганизации систем, кото­рые в свою очередь способствуют самоорганизации других систем и т.д. Взаимодействие системы со средой оказывается существенным условием ее эволюции. Процессы самоорга­низации характеризуются нелинейностью, наличием обрат­ных связей, открывающих большие возможности управля­ющего воздействия.

Направление развития системы после прохождения точ­ки бифуркации оказывается непредсказуемым. Однозначно спрогнозировать будущее открытой неравновесной систе­мы оказывается невозможным. Таким образом, ключевую роль в процессах самоорганизации играют случайные факторы. «Будущее при нашем подходе, – пишут И. Пригожин и И. Стенгерс, – перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеа­ла всеведения». Представление об объективности случай­ных факторов становится фундаментальным принципом современной науки.

Основой синергетики служит единство явлений, методов и моделей, с которыми приходится сталкиваться при исследовании возникновения порядка из беспорядка или хаоса – в космологии (спиральные галактики), экологии (организация животных и растительных сообществ, экосистем) и т.д. Примером самоорганизации в гидродинамике служит образование в подогреваемой жидкости (начиная с некоторой температуры) шестиугольных ячеек. Самоорганизующиеся системы возникли исторически в период возникновения жизни на Земле.

В XX веке современной физике удалось окончательно опровергнуть идею предопределенности (детерминизм). Отсутствие предопределенности свидетельствовало о возможности выбора системой абсолютно любого состояния, причем, совершенно случайно. Следовательно, и реализация любого выбранного системой состояния может быть рассмотрена как процесс случайного перехода от хаоса к порядку.

В переносном смысле хаос означает отсутствие порядка, неразбериху, беспорядок. С точки зрения древнегреческой философии, из хаоса сформировалась первобытная масса и все существующее. С точки же зрения современной физики (классической термодинамики), хаотизация систем приводит к установлению в системах устойчивого равновесия. Так, например, брошенный в воду камень вызывает на ее поверхности расходящиеся и угасающие круги (т.е. нарушает равновесие – хаос – водной системы), которые через некоторое время исчезают (когда система вновь приходит в равновесие). Энергия, переданная камнем водной поверхности в процессе диссипации (рассеивания) превращается в тепло, частицы воды вновь становятся хаотизированы. Следовательно – ровная поверхность воды в пруду – признак того, что она находится в равновесии, т.е. хаотизирована. Возбуждение, переданное камнем воде, приводит к установлению некоторого порядка – состояния, при котором существуют затухающие колебания на поверхности воды. Можно утверждать, что внешнее воздействие на короткий промежуток времени привело хаос в порядок.

2.

Классическая термодинамика – это раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем – температуру, давление, объем. Термодинамическое равновесие обычно рассматривают в закрытых системах, т.е. не обменивающихся с другими системами ни энергией, ни веществом (например, идеальный газ в изолированном объеме – молекулы газа хаотизированы – не имеют выраженного направления движения). В реальном мире подобных систем не существует, любая система предстает термодинамически открытой, т.е. обменивающейся с внешним окружением, как минимум – теплом. В этом случае равновесие системы, ее устойчивость зависит от флуктуации (случайного отклонения) какого-либо параметра (например, при откачке газа из колбы плотность молекул при входе в насос значительно меньше по объему, чем в самой колбе).

В неустойчивом состоянии – в синергетике это динамическое состояние системы называется бифуркацией – система может перейти в произвольное непредсказуемое состояние, которое устойчиво до времени возникновения новой бифуркации (например, переход спокойного течения газа или жидкости в турбулентное – беспорядочное состояние; при исследовании внешне беспорядочного турбулентного течения, не имеющего определенных линий течения, с завихрениями, колебаниями вихрей, оказалось, оно обладает очень сложной упорядоченной структурой внутри завихрений). В открытых системах возникает энтропия (стремление системы к хаосу, беспорядку), происходят необратимые процессы, но за счет получения материальных ресурсов, энергии и информации система сохраняется, а энтропию выводит в окружающую среду.

Открытые системы характеризуются неравновесной структурой. Неравновесность связана с адаптацией к внешней среде (система вынуждена изменять свою структуру), система может претерпевать много различных состояний. Переход от термодинамики равновесных процессов к анализу открытых систем ознаменовал крупный поворот в науке, многих отраслях научных знаний. В открытых системах был обнаружен эффект самоорганизации, эффект движения от хаоса к порядку.

Таким образом, хаос – это система в равновесном состоянии (характерно для замкнутой термодинамической системы); порядок – система в неравновесном состоянии (характерно для открытой термодинамической системы, изучаемой наукой синергетикой).

В рассмотренном ранее варианте с брошенным в воду камнем произошла диссипация (рассеивание) внешней энергии; неустойчивые системы переходят из состояния хаоса к порядку через бифуркации с развитием неравновесия, где элементы системы начинают действовать совместно – синергетически и образуют новые структуры.

Особое значение синергетический подход приобретает при изучении биологических систем, для которых их открытость в термодинамическом смысле имеет принципиальное значение. Если при изучении в физике можно приближенно использовать идеализацию изолированной системы, то в биологии это невозможно, т.к. всякий биологически живой организм функционирует во взаимодействии со средой обитания, т.е. является термодинамически открытой системой.

При установлении эволюционной связи между органической и неорганической природой, вопрос перехода от «первичного хаоса» к «организованному порядку» является главным. Порожденные хаосом упорядоченные структуры обязательно имеют качественный переход – революционный скачок в точках бифуркаций, которые приходят на смену равновесным процессам при эволюции хаоса. Также как у живых организмов – система способна к непредсказуемому изменению даже тогда, когда исходные условия ее существования строго детерминированы.

Процесс самоорганизации в синергетике можно представить так:

1. Система должна быть открытой.

2. Фундаментальным условием самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации.

3. В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. В точке бифуркации система может начать развитие в новом направлении, изменить свое поведение. Примером бифуркаций могут служить «выбор спутника жизни», «ситуации выбора учебного заведения». Наглядный образ бифуркации дает картина В.М. Васнецова «Витязь на распутье».

4. Новые структуры, возникающие в результате эффекта взаимодействия многих систем, называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых, на смену которым они приходят. В точке бифуркации система встает на новый путь развития. Те траектории или направления, по которым возможно развитие системы после точки бифуркации и которые отличаются от других относительной устойчивостью, иными словами, являются более реальными, называются аттракторами. По мере движения по аттрактору множество возможных траекторий движения сокращается и, в конечном счёте, процесс с необходимостью завершается единственным результатом.

5. Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию, а, следовательно, производит энтропию. Из энтропии возникает порядок с увеличением общей энтропии. Таким образом, энтропия не просто является соскальзыванием системы к дезорганизации, она становится прародительницей порядка, нового. Так из хаоса (неустойчивости) в соответствии с определенной информационной матрицей рождается Космос.

Важная особенность синергетических систем состоит в том, что ими можно управлять извне, изменяя действующие на системы факторы.

3.

Синергетический подход позволяет ответить на вопрос: почему вопреки действию закона энтропии мир демонст­рирует высокую степень организованности и порядка? Синергетика последовательно опровергает теорию тепловой смерти Вселенной. Хаос понимается как особый вид регулярной нерегулярности и более не рассматривается как разрушительное состояние. Хаос созидателен, поскольку развитие и самоорганизация систем осуществляются че­рез хаотичность и неустойчивость. Синергетика утверж­дает, что законы самоорганизации действуют на всех уров­нях материи, поэтому синергетический подход позволяет преодолеть разрыв между живой и неживой природой и объяснить происхождение жизни через самоорганизацию неорганических систем. И. Пригожин считает, что синергетический взгляд на мир меняет наше представление о случайности и необходимости, нео­братимости материальных процессов, трансформирует при­вычное представление о времени, позволяет иначе понять характер и сущность энтропийных процессов.

В настоящее время синергетический подход получил признание не толь­ко в естествознании, но и в гуманитарных и социальных науках. Более того, синергетика постепенно преодолевает границы междисциплинарных научных исследований, пре­вращаясь в новую мировоззренческую парадигму.

Концептуальный аппарат синергетики сегодня всё шире используется для изучения, проникновения вглубь самых разнообразных явлений: физических, химических, биологических, социальных, психических и др. Мало того, синергетика позволяет на единой основе выстроить общую картину эволюции мироздания, выявить важнейшие фундаментальные закономерности развития Вселенной.

Действительно, если посмотреть на историю Вселенной, то мы увидим неуклонный рост сложности всех её подсистем: сначала появляются элементарные частицы, затем атомы, причём только самые простые – атомы водорода и гелия, и только через миллионы лет после них – более сложные атомы «тяжёлых элементов», которые, в свою очередь, оказываются необходимыми «кирпичиками» для строительства первых живых клеток, последним же словом в эволюции живого является человек. Иными словами, история Вселенной – это история борьбы порядка с хаосом, добра со злом. И пока эта борьба оказывается достаточно успешной – процессы самоорганизации порождают всё более сложные и сложные структуры.

Графически синергетическую модель эволюции можно представить так:

Из схемы видно, что саморазвивающаяся система проходит несколько точек бифуркации, в каждой из которых появляются альтернативные пути развития. Их всегда больше одного, но их число далеко не бесконечно. Какой именно путь выберет система, зависит от случайных факторов в этих точках неустойчивости. Например, в сфере социального развития точкам бифуркации соответствуют революционные периоды, когда общество становится неустойчивым и в то же время восприимчивым к «малым силовым воздействиям», которые и могут вывести её на определённый путь развития. Например, для России последняя такая точка – август 1991 года – когда общество стояло перед альтернативой – либо оставаться там, где оно было, либо идти назад, к командному, тоталитарному социализму, либо взять курс на медленное врастание в капитализм (китайский вариант), либо «шоковая терапия», этот последний вариант и был избран. Выбор же его был во многом случаен – окажись у Ельцина другие, более осмотрительное советники, не исключено, что Россия избрала бы «китайский путь».

Вопросы для повторения:

1. В чем состоит принципиальное отличие открытых систем от закрытых? С какими системами имеет дело синергетика?

2. Какие структуры называют диссипативными?

3. Охарактеризуйте основные особенности процессов самоорганизации.

4. Как связаны между собой принципы самоорганизации и принципы эволюционизма?

5. В чем состоит методологическая новизна синергетического подхода?