2.4.Синергетический подход и самоорганизация сложных систем
Источником развития является одно из фундаментальных свойств материи – самоорганизация. Например, элементарные частицы образуют атомы, атомы – молекулы, молекулы – супермолекулярные структуры [29], которые являются прародителями биологических структур (клеток) и т.д. Свойство самоорганизации особенно присуще сложным организационным и социальным системам.
Самоорганизация – процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих [9].
Основными особенностями самоорганизующихся систем с активными элементами являются способность противостоять энтропийным тенденциям и способность адаптироваться к изменяющимся условиям, преобразуя при необходимости свою структуру и т.п. В основе этих внешне проявляющихся способностей лежит более глубокая закономерность, базирующаяся на сочетании в любой реальной развивающейся системе двух противоречивых тенденций: с одной стороны, для всех явлений, в том числе и для развивающихся, открытых систем справедлив второй закон термодинамики («второе начало»), т.е. стремление к возрастанию энтропии; а с другой стороны, наблюдаются негэнтропийные (противоположные энтропийным) тенденции, лежащие в основе эволюции.
Важные результаты в понимании закономерности самоорганизации получены в исследованиях, которые относят к развивающейся науке, называемой синергетикой.
Синергетика – междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем) [9].
Её цель состоит в построении общей теории сложных систем, обладающих особыми свойствами.
Сложные системы имеют следующие основные характеристики:
множество неоднородных компонентов;
активность (целенаправленность) компонентов;
множество различных, параллельно проявляющихся взаимосвязей между компонентами;
плохо формализуемая природа взаимосвязей;
кооперативное поведение компонентов;
открытость;
распределенность;
динамичность, обучаемость, эволюционный потенциал;
неопределенность параметров среды.
Особое место в синергетике занимают вопросы спонтанного образования упорядоченных структур различной природы в процессах взаимодействия, когда исходные системы находятся в неустойчивых состояниях. Корни синергетики уходят в диалектику, основываясь на трёх её законах. Согласно синергетическим моделям, эволюция системы сводится к последовательности неравновесных фазовых переходов. Развитие можно представить как последовательное прохождение критических областей (точек бифуркаций). Вблизи точек бифуркации наблюдается резкое усиление флуктуации (от лат. fluctuatio – колебание, отклонение).
Точка бифуркации – точка, в которой происходит разветвление траекторий развития системы [15].
Выбор, по которому пойдет развитие после бифуркации, определяется в момент неустойчивости. Поэтому зона бифуркации характеризуется принципиальной непредсказуемостью – неизвестно, станет ли дальнейшее развитие системы хаотическим или родится новая, более упорядоченная структура. Здесь резко возрастает роль неопределенности: случайность на входе в неравновесной ситуации может дать на выходе катастрофические последствия. В то же время, сама возможность спонтанного возникновения порядка из хаоса – важнейший момент процесса самоорганизации в сложной системе.
Рис.20. Пример точки бифуркации
Главные принципы синергетического подхода в современной науке таковы.
Принцип дополнительности Н. Бора
В сложных системах возникает необходимость сочетания различных, ранее казавшихся несовместимыми, а ныне взаимодополняющих друг друга моделей и методов описания.
Принцип спонтанного возникновения И. Пригожина
В сложных системах возможны особые критические состояния, когда малейшие флуктуации могут внезапно привести к появлению новых структур, полностью отличающихся от обычных (например, упомянутые выше супермолекулярные структуры или взрывы различного происхождения).
Принцип несовместимости Л. Заде
При росте сложности системы уменьшается возможность ее точного описания вплоть до некоторого порога, за которым точность и релевантность (смысловая связанность) информации становятся несовместимыми, взаимно исключающими характеристиками.
Принцип управления неопределенностями
В сложных системах требуется переход от борьбы с неопределенностями к управлению неопределенностями. Различные виды неопределенности должны преднамеренно вводиться в модель исследуемой системы, поскольку они служат фактором, благоприятствующим инновациям.
Принцип незнания
Знания о сложных системах принципиально являются неполными, неточными и противоречивыми: они обычно формируются не на основе логически строгих понятий и суждений, а исходя из индивидуальных мнений и коллективных идей. Поэтому в подобных системах важную роль играет моделирование частичного знания и незнания.
Принцип соответствия
Язык описания сложной системы должен соответствовать характеру располагаемой о ней информации (уровню знаний или неопределенности). Точные логико-математические, синтаксические модели не являются универсальным языком, также важны нестрогие, приближенные, семиотические модели и неформальные методы. Один и тот же объект может описываться семейством языков различной жесткости.
Принцип разнообразия путей развития
Развитие сложной системы многовариантно и альтернативно, существует «спектр» путей ее эволюции. Переломный критический момент неопределенности будущего развития сложной системы связан с наличием зон бифуркации – «разветвления» возможных путей эволюции системы.
Принцип единства и взаимопереходов порядка и хаоса
Эволюция сложной системы проходит через неустойчивость; хаос не только разрушителен, но и конструктивен. Организационное развитие сложных систем предполагает своего рода конъюнкцию порядка и хаоса.
Принцип колебательной (пульсирующей) эволюции
Процесс эволюции сложной системы носит не поступательный, а циклический или волновой характер: он сочетает в себе дивергентные (рост разнообразия) и конвергентные (свертывание разнообразия) тенденции, фазы зарождения порядка и поддержания порядка. Открытые сложные системы пульсируют: дифференциация сменяется интеграцией, разбегание – сближением, ослабление связей – их усилением и т.п.
При этом система должна быть открытой, поскольку закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые эволюции. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия, поскольку в этой точке система обладает максимальной энтропией и не способна к какой-либо самоорганизации, а в положении, близком к равновесию и без достаточного притока энергии извне, любая система со временем ещё более приблизится к равновесию и перестанет изменять своё состояние.
Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение нового порядка и усложнение систем через флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и подсистем. Такие флуктуации обычно подавляются во всех динамически стабильных и адаптивных системах. Но в более сложных открытых системах, благодаря притоку энергии извне и усилению неравновесности, отклонения со временем могут приводить к изменению состояния. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то состояние системы после бифуркации обусловлено действием суммы случайных факторов.
Самоорганизация, в результате которой происходит образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может осуществиться только в сложных системах, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих достаточно высокие вероятности флуктуаций. Недостаточно сложные системы не способны ни к спонтанной адаптации ни к развитию и при получении извне чрезмерного количества энергии теряют свою структуру и необратимо разрушаются.
Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями. Функционирование динамически стабильных, неэволюционирующих, но адаптивных систем (например, гомеостаз в живых организмах или автоматические устройства) основывается на получении обратных сигналов от рецепторов или датчиков относительно положения системы и последующей корректировки этого положения к исходному состоянию исполнительными механизмами. В эволюционирующей системе такие изменения не подавляются, а накапливаются и усиливаются, что может привести к возникновению нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы. Например, механизмы образования новых социальных формаций или возникновения биологических видов.
Некоторые скачкообразные изменения могут быть настолько серьёзными, что могут приводить к полной перестройке системы, но прежде чем изучать эти явления рассмотрим принципы функционирования сложных систем.