Системотехника.

Другим вариантом системного исследования можно считать системотехнику. В рамках системотехники конструируются новейшие, сложнейшие технические системы, в которых учитываются не только работа механизмов, но и действие человека-оператора, управляющего механизмами. Системотехника – это внедрение человеко-машинных систем, компьютеров, работающих в системе диалога с исследователем.

Системный анализ.

В рамках системного анализа рассматриваются комплексные, многоуровневые системы, состоящие из элементов разной природы, но взаимосвязанные друг с другом в рамках единого целого.

Например, фабрика, где связаны воедино и подчинены единой цели элементы разной природы: производство товара, его сбыт, снабжение сырьем, конструкторские разработки, ремонтные службы, социальная сфера и т.д. Вуз, где соединяются вместе такие элементы, как процесс обучения, научные разработки, административно-хозяйственные службы, социально-культурная сфера и т.д.

Для физика, химика, социолога важно раскрыть конкретные, специфические связи и закономерности изучаемых систем. Задачей теоретика системного метода является выявление наиболее общие свойств и отношений таких систем, обнаружение в них общих принципов системного метода.

Были и проекты построения такой общей теории систем, принципы и утверждения которой были бы универсальными. Один из инициаторов создания такой теории систем - австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи (1901-1972). Он писал, что “мы можем задаться вопросом о принципах, применимых к системам вообще, независимо от их физической, биологической или социальной природы. Если мы поставим такую задачу и подходящим образом определим понятие системы, то обнаружим, что существуют модели, принципы и законы, которые применимы к обобщенным системам, независимо от их частного вида, элементов или сил, их составляющих”.

Сегодня ученые (в частности, И.Месарош) выделяют ряд общих принципов, присущих любым системам. К ним относятся:

1. Принцип целостности;

2. Принцип несводимости целого к частям;

3. Новое в системе рассматривается как эффект целостности. Изменяются связи между элементами – появляется новая целостность;

4. Основным законом системы является закон интеграции и дифференциации систем.

Одним из непосредственных предшественником Берталанфи является А. А. Богданов (1873-1928) с его оригинальным проектом «Тектологии», не утратившим теоретической ценности и значимости и в настоящее время. Предпринятая А. А. Богдановым попытка найти и обобщить общеорганизационные законы, проявления которых прослеживаются на неорганическом, органическом, психическом, социальном, культурном и пр. уровнях, привела его к весьма значительным методологическим обобщениям, открывшим пути к революционным открытиям в области философии, медицины, экономики и социологии.

Системный подход оказал большое влияние на развитие философского знания. Так, некоторые сторонники системного подхода на Западе стали рассматривать его в качестве новой философии, где упор делается на синтез, на целое, а не на редукцию и части. В связи с этим новое видение получила старая философская проблема соотношения целого и частей.

Системный подход избегает крайностей как одной, так и другой точек зрения. Он исходит из того, что система как целое возникает не каким-то мистическим, необъяснимым путем, а как результат конкретного взаимодействия вполне определенных реальных частей. Именно вследствие этого взаимодействия и образуются новые интегральные свойства системы. Вновь же возникшая целостность в свою очередь начинает оказывать воздействие на части, подчиняя их функционирование задачам и целям единой целостной системы.

Лекция № 13. Основные положения термодинамики. Возникновение синергетики.

Если классическая механика и астрономия описывали детерминированные обратимые процессы, то биология, геология, антропология, социальные науки описывали процессы необратимые, изменяющиеся во времени, и имеющие свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, оно, тем не менее, не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе.

Физики, изучавшие тепловые процессы в рамках физической науки термодинамики, тоже столкнулись с необратимыми процессами.

Классическая термодинамика возникла в середине 19 века. Ее создавали такие крупнейшие физики как С. Карно, Д.Джоуль, Д.Томсон, Р. Клаузиус, Л.Больцман и др.

Классическая термодинамика – это наука о передачи, распространении и соотношении и превращении теплоты и других форм энергии.

Самым очевидным являлся факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. К примеру, тепло, возникшее в результате трения или какой-либо механической работы невозможно снова превратить в энергию и использовать для производства работы.

Первый закон термодинамики - Р.Клаузиус (1822-1888): Если к системе подводится тепло (Q) и в ней производится работа (А), то внутренняя энергия всей системы возрастет до величины (U).

U = Q + A

Внутренняя энергия системы (U) показывает, что тепло полученное системой не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии. Величину внутренней энергии можно увеличить двумя эквивалентными способами: произведя над телом механическую работу (А) или сообщая телу количество теплоты (Q)

. ∆U = А + Q .

Работа (А) может быть определена как мера изменения энергии системы. Работа может быть произведена за счет приложения силы к телу или за счет уменьшения потенциальной энергии тела и перехода ее в кинетическую энергию .

Теплота (Q) есть проявление кинетического движения молекул. Поэтому понятие теплоты и работы рассматривают как эквивалентные и выражают в Джоулях (Дж). Единица измерения теплоты, дожившая с тех времен до наших дней – “калория”.

В 1827 году был сделан вывод о том, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую.

Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии Ю. Р.Майера (1814-1878): энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно; количество энергии в природе неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Первая формулировка второго закона термодинамики принадлежит Жозефу Фурье: количество теплоты переносится от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Обратный процесс невозможен. Это приводит к выравниванию температуры во всех точках пространства изолированной системы.

Было показано, что явление теплопроводности представляет собой необратимый процесс.

Так, нельзя произвести работу исключительно за счет изъятия тепла из одного замкнутого резервуара при постоянной температуре. Невозможно произвести работу за счет, например, охлаждения озера или моря при установившейся там температуре и с учетом того, что это замкнутые системы. Подобные факты и легли в основу формулировки второго закона термодинамики.

Вторую формулировку второго закона термодинамики предложил Р.Клаузиус:

Энтропия замкнутой системы (то есть системы, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией) при протекании в ней необратимых процессов постоянно возрастает.

Понятие энтропии было введено Р.Клаузиусом. В переводе с греческого энтропия означает “поворот”, “превращение”. Энтропия означает хаос, беспорядок, дезорганизацию в системе. Энтропия также означает постепенное «забвение» частицами первоначальной асимметрии и переход к состоянию симметрии и энергетического выравнивания.

Энтропия в замкнутой системе при протекании обратимых процессов (например, колебательных) постоянна (S = const), она то увеличивается, то уменьшается.

Л.Больцман (1844-1906) связал понятие энтропии с вероятностью состояния системы. Энтропия (S) есть логарифм вероятности состояния системы. М.Планк вывел следующую формулу определения энтропии:

S = k ln W

где S – энтропия, k – коэффициент пропорциональности или постоянная Больцмана (k = 1,380662 x 10^-23 Дж/К),k = (R- газовая постоянная, показывающая работу 1 моля вещества, а N_a – число Авагадро, отражающее количество молекул в одном моле вещества), W – статистический вес системы или термодинамическая вероятность макроскопического состояния системы.

Для пояснения приведу следующий пример. Пусть имеется сосуд с молекулами газа. Загоним все молекулы газа в сосуде при помощи перегородки в верхней части сосуда. Тогда остальные сосуда останутся пустыми. Далее уберем перегородку и увидим, что молекулы займут весь объем сосуда, то есть перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. Таким образом, процессы в системе идут только в одном направлении от некоторой структуры (порядка) к полному беспорядку, симметрии, когда молекулы могут занимать любые точки пространства. В данном примере статистический вес, то есть число способов, которым может быть реализовано это хаотическое состояние – максимальный.

Энтропия в замкнутой системе при протекании необратимых процессов (например, тепловых) постоянно возрастает, пока не достигнет точки термодинамического равновесия, то есть такой точки, в которой всякая работа становится невозможной.

Об изменении закрытых систем в классической термодинамике мы судим по увеличению их энтропии. Последняя таким образом, выступает в качестве своеобразной стрелы времени. Чем выше энтропия системы, тем больший промежуток времени прошла система в своей эволюции.

Третий закон термодинамики.

Третий закон термодинамики был сформулирован В.Нернстом (1864-1941) в 1906 году. Он больше известен как теорема Нернста, согласно которой никакие изменения состояния термодинамической системы при стремлении ее температуры к абсолютному нулю (0⁰К = - 273⁰С) не приводят к изменению энтропии.

Позднее М.Планк дополнил теорему Нернста своей гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при температуре равной абсолютному нулю равна нулю.

Тепловая смерть вселенной.

Попытку распространить законы термодинамики на Вселенную в целом предпринял Р.Клаузиус, выдвинувший следующие постулаты.

• Энергия Вселенной всегда постоянна, то есть Вселенная – это замкнутая система.

• Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если мы примем второй постулат, то нам надо признать, что все процессы во Вселенной направлены на достижение состояния термодинамического равновесия, характеризуемого максимумом энтропии, что означает наибольшую степень хаоса, дезорганизации, энергетическое уравновешивание. В этом случае во Вселенной наступает тепловая смерть и никакой полезной работы, никаких новых процессов или образований в ней производиться не будет (не будут светить звезды, образовываться новые звезды и планеты, остановится эволюция вселенной).

С этой мрачной перспективой были не согласны многие ученые, предполагавшие, что наряду с энтропийными процессами во Вселенной должны происходить и антиэнтропийные процессы, которые препятствуют тепловой смерти Вселенной.

Среди таких ученых был и Л.Больцман, который предположил, что для небольшого числа частиц второй закон термодинамики не должен применяться, ибо в этом случае нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом наша часть Вселенной должна рассматриваться как небольшая часть бесконечной Вселенной. А для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные (случайные) отклонения от общего равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция нашей части Вселенной в направлении к хаосу. Во Вселенной имеются относительно небольшие участки, порядка нашей звездной системы, которые в течение относительно небольших промежутков времени значительно отклоняются от теплового равновесия. В этих участках имеет место эволюция, то есть развитие, усовершенствование, нарушение симметрии.

В середине ХХ века новая неравновесная термодинамика, или термодинамика открытых систем, или синергетика где место закрытой изолированной системы заняло фундаментальное понятие открытой системы. Основателями этой новой науки было И.Р.Пригожин (1917-2004) и Г.Хакен (1927).

Открытая система – это система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией или информацией.

Открытая система тоже производит энтропию, как и закрытая, но в отличие от закрытой, эта энтропия не накапливается в открытой системе, а выводится в окружающую среду. Использованная отработанная энергия (энергия низшего качества – тепловая при низкой температуре) рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая энергия (высокого качества, способная переходить из одной формы в другою), способная производить полезную работу.

Возникающие для этих целей материальные структуры, способные рассеивать использованную энергию и поглощать свежую, называются диссипативными. В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды, одновременно внося беспорядок в эту среду. С поступлением новой энергии, вещества или информации неравновесность в системе возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяла ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, приводящие к кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах.

В качестве примера такой системы можно взять работу лазера, с помощью которого получают мощные оптические излучения. Хаотические колебательные движения частиц такого излучения, благодаря поступлению определенной порции энергии извне производят согласованные движения. Частицы излучения начинают колебаться в одинаковой фазе, вследствие чего мощность лазерного излучения много кратно увеличивается, несоизмеримо с количеством подкаченной энергии.

Изучая процессы, происходящие в лазере, немецкий физик Г.Хакен (р.1927) назвал новое направление синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает “совместное действие”, “взаимодействие”.

Еще одним известным примером самоорганизации могут служить химические реакции, которые изучал И.Пригожин. Самоорганизация в этих реакциях связана с поступлением в систему извне веществ, обеспечивающих эти реакции (реагентов), с одной стороны, и выведением в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне такая самоорганизация может проявиться в виде периодически появляющихся концентрических волн или в периодическом изменении цвета реагируемого раствора. Подобную химическую реакцию получил и исследовал известный бельгийский химик русского происхождения И.Р.Пригожин. Свою химическую реакцию Пригожин назвал «Брюсселятор» в честь города Брюсселя, где Пригожин жил и работал, и где была впервые поставлена эта реакция.

Вот как писал об этом сам Пригожин: “Предположим, что у нас имеются молекулы двух сортов: “красные” и “синие”. Из-за хаотического движения молекул можно было бы ожидать, что в какой-то момент в левой части сосуда окажется больше “красных” молекул, а в следующий момент больше станет “синих” молекул и т.д. Цвет смеси с трудом поддается описанию: фиолетовый с беспорядочными переходами в синий и красный. Иную картину мы увидим, разглядывая химические часы: вся реакционная смесь будет иметь синий цвет, затем ее цвет резко изменится на красный, потом снова на синий и т.д. Смена окраски происходит через правильные интервалы времени. Для того чтобы одновременно изменить свой цвет, молекулы должны каким-то образом поддерживать связь между собой. Система должна вести себя как единое целое” (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С.202-203).

Конечно же, никакого «сговора» между молекулами в прямом смысле этого слова нет и быть не могло. Дело в том, что в определенный момент времени все молекулы начинали колебаться в одной фазе – синего цвета, и тогда вся смесь приобретала синий цвет. Через определенный промежуток времени молекулы начинали колебаться в другой фазе – фазе красного цвета, и тогда вся смесь приобретала красный цвет и т.д., пока не заканчивалось действие реагента.

Приведем другой пример. Если взять цирковой прозрачный барабан с синими и красными шариками и начать его вращать с определенной частотой – частотой красного цвета, то мы, как и в случае с молекулами, обнаружим, что все шарики стали красными. Если мы сменим частоту вращения барабана на соответствующую синей длине волны, то увидим, что шарики посинели и т.д.

Наиболее показательным примером самоорганизации могут служить ячейки Бенара. Это маленькие шестигранные структуры, которые могут, к примеру, образоваться в слое масла на сковородке при соответствующем перепаде температур. Как только температурный режим меняется ячейки распадаются.

Таким образом, чтобы самопроизвольно выстроилась новая структура, необходимо задать соответствующие параметры среды.

Управляющие параметры – это параметры среды, которые создают граничные условия, в рамках которых существует данная открытая система (это может быть температурный режим, соответствующая концентрация веществ, частота вращения и т.п.).

Параметры порядка – это «ответ» системы на изменение управляющих параметров (перестройка системы).

Очевидно, что процесс самоорганизации может начаться не в любой системе и не при любых условиях. Рассмотрим условия, при которых может начаться процесс самоорганизации.

Необходимыми условиями для возникновения самоорганизации в различных системах являются следующие:

1. Система должна быть открытой, потому что закрытая система, в конечном счете, должна прийти в состояние максимального беспорядка, хаоса, дезорганизации в соответствии со 2 законом термодинамики;

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система уже находится вблизи от этой точки, то она неизбежно приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полного хаоса и дезорганизации. Ибо точка термодинамического равновесия является сильным аттрактором;

3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит «возникновение порядка через флуктуации» (И.Пригожин). Флуктуации или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения в начале подавляются и ликвидируются системой. Однако, в открытых системах, благодаря усилению неравновесности, эти отклонения со временем возрастают, усиливаются и, в конце концов, приводят к “расшатыванию” прежнего порядка, к хаотизации системы. В состоянии неустойчивости, нестабильности система будет особенно чувствительна к начальным условиям, чувствительна к флуктуациям. В этот момент какая-то флуктуация прорывается с макроуровня системы на ее микроуровень и осуществляет выбор дальнейшего пути развития системы, дальнейшей ее перестройки. Предсказать, как поведет себя система в состоянии нестабильности, какой выбор будет ей сделан в принципе невозможно. Этот процесс характеризуется как принцип «возникновения порядка через флуктуации». Флуктуации носят случайный характер. Поэтому становится ясным, что появление нового в мире связано с действием случайных факторов.

Например, тоталитарное общество в Советском Союзе являлось прочной социальной структурой. Однако, поступающая из-за рубежа информация о жизни других обществ, торговля (обмен товарами) и т.п. стали вызывать в тоталитарном обществе отклонения в виде свободомыслия, недовольства, диссидентства и т.п. Вначале структура тоталитарного общества была в состоянии подавлять эти флуктуации, но их становилось все больше, и сила их нарастала, что привело к расшатыванию и развалу старой тоталитарной структуры и замене ее новой.

И еще один шуточный пример: Сказка про репку. Посадил дед репку. Выросла репка большая пребольшая. Настало время ее вытаскивать из земли. Дед тащил, тащил репку, но вытащить ее так и не смог. Слишком еще устойчивая система наша репка. Позвал дед на помощь бабку. Тащили они, тащили репку вместе, но вытащить так и не смогли. Флуктуации, расшатывающие репку усиливаются, но их пока еще не достаточно, чтобы разрушить систему (репку). Позвали они внучку, но тоже репку не вытащили. Затем позвали собаку Жучку, и, наконец, позвали мышку. Казалось бы, какое усилие могла сделать мышка, но она явилась «последней каплей», которая привела к качественно новому изменению системы – ее развалу (репка была вытащена из земли). Мышку можно назвать непредсказуемой случайностью, которая сыграла решающую роль, или «малой причиной больших событий»;

4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь. Согласно принципу положительной обратной связи, изменения, появляющиеся в системе не устраняются, а усиливаются, накапливаются, что приводит, в конце концов, к дестабилизации, расшатыванию старой структуры и замене ее на новую;

5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии. Симметрия означает устойчивость, неизменность. Самоорганизация же предполагает асимметрию, то есть развитие, эволюцию;

6. Самоорганизация может начаться лишь в больших системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов (10¹⁰-10¹⁴ элементов), то есть в системах, имеющих некоторые критические параметры. Для каждой конкретной самоорганизующейся системы эти критические параметры свои.

Лекция № 14. Основные понятия синергетики. Возможность управления синергетическими системами.

Взрывные, катастрофические процессы были известны человечеству издавна. Скажем, человек, путешествующий по горам знал, на основе своего эмпирического опыта, что горная лавина может обрушиться внезапно, чуть ли не от дуновения ветра или неудачно сделанного шага.

Революции и катаклизмы часто представляли собой следствия последней капли народного недовольства, последнего случайного события переполнившего чашу весов. Это были типичные малые причины больших событий.

Каждый из нас может вспомнить определенные ситуации выбора, которые стояли на жизненном пути, и в решающие жизненные моменты перед нами открывалось несколько возможностей. Все мы включены в механизмы, где в критический момент, момент перелома решающий выбор определяет случайное событие. Итак, лавинообразные процессы, социальные катаклизмы и потрясения, критические ситуации выбора на жизненном пути каждого человека.. . Можно ли подвести единую научную основу под все эти, казалось бы различные, факты? Последние 30 лет закладывается фундамент такой универсальной научной модели, которая получила название синергетики.

Как мы уже видели, синергетика основана на идеях системности, целостного подхода к миру, нелинейности (то есть много вариантности), необратимости, глубинной взаимосвязи хаоса и порядка. Синергетика дает нам образ сложноорганизованного мира, который является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим. Этот мир развивается по нелинейным законам, он полон неожиданных, непредсказуемых поворотов, связанных с выбором дальнейшего пути развития.

Предметом синергетики являются механизмы самоорганизации. Это механизмы образования и разрушения структур, механизмы, обеспечивающие переход от хаоса к порядку и обратно. Эти механизмы не зависят от конкретной природы элементов систем. Они присущи неживому миру и природе, человеку и социуму. Синергетику поэтому считают междисциплинарным направлением научного исследования.

Синергетика, как и любая другая наука, имеет свой собственный язык, свою систему понятий. Это такие понятия как “аттрактор”, “бифуркация”, “фрактальный объект”, “детерминированный хаос” и другие. Понятия эти должны стать доступными для каждого образованного человека, тем более что им можно найти соответствующие аналоги в науке и культуре.

Основными понятиями синергетики являются понятия «хаоса» и «порядка».

Порядок – это множество элементов любой природы, между которыми существуют устойчивые (регулярные) отношения, повторяющиеся в пространстве и во времени. Например, строй солдат, марширующих на параде.

Хаос – множество элементов, между которыми нет устойчивых повторяющихся отношений. Например, бегущая в панике толпа людей.

Понятие “аттрактор” близко к понятию цели. Это понятие можно раскрыть как целеподобность, как направленность поведения системы, как устойчивое относительно конечное ее состояние. В синергетике под аттрактором понимают относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает к себе все многообразие траекторий системы, определяемых разными начальными условиями. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию. Например, независимо от начального положения мяча, он скатится на дно ямы. Состояние покоя мяча на дне ямы – это аттрактор движения мяча.

Аттракторы подразделяются на простые и странные.

Простой аттрактор (аттрактор)- это предельное состояние порядка. Система выстраивает порядок и совершенствует его не до бесконечности, а до уровня, определяемой простым аттрактором.

Странный аттрактор – это предельное состояние хаотизации системы. Система хаотизируется, разваливается тоже не до бесконечности, а до уровня, определяемого странным аттрактором.

Понятие бифуркация в переводе с английского означает вилку с двумя зубцами – befork. Говорят обычно не о самой бифуркации, а о точки бифуркации. Синергетический смысл точки бифуркации таков – это точка ветвления возможных путей эволюции системы. Прохождение через точки ветвления, совершенный выбор закрывает иные пути и делает тем самым эволюционный процесс необратимым.

Нелинейную систему можно определить как систему, таящую в себе бифуркации.

Очень важным для синергетики является нелинейность. Под нелинейностью понимают:

1. Возможность выбора пути развития системы (подразумевается, что у системы существует не один путь развития, а несколько);

2. Несоизмеримость нашего воздействия на систему и получаемого в ней результата. По пословице «мышь родит гору».

То, что в синергетике называют “бифуркацией” имеет глубокие аналоги в культуре. Когда сказочный рыцарь стоит, задумавшись у придорожного камня на развилке дорог и выбор пути определит его дальнейшую судьбу, то это и является по существу наглядно-образным представлением бифуркации в жизни человека. Эволюция биологических видов, представленная в виде эволюционного дерева, наглядно иллюстрирует ветвящиеся пути эволюции живой природы.