Основы синергетики

Под синергетикой понимает междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основании принципа самоорганизации систем. Термин возник от двух греческих слов син = значение совместности и аргон = деятельность, действие => совместное действие. В последнее время синергетика получила широкое распространение и изучает самоорганизацию систем различного характера (электроны, молекулы, клетки, механические элементы, органы людей и животных, люди, транспортные средства и т.д.).

Появление синергетических представлений можно встретить, например, в работах Гете, который восхищался «подвижным порядком» природы и рассматривал форму, как модель взаимоотношений внутри организованного целого. Однако формальное рождение синергетики связано с именем бельгийского физика-химика Ильи Пригожина.

Основное понятие синергетики это определение структуры как состояния, которое возникает в результате многовариантного и неоднозначного поведения многоэлементных структур, развивающихся вследствие притока энергии извне.

По определению Пригожина диссипативная структура представляет собой открытую систему, поддерживающую себя в неравновесном состоянии. Все диссипативные структуры могут не только поддерживать свое существование в далеком от равновесия устойчивом состоянии при условии получения энергии извне, но и развиваться через новое состояние неустойчивости, трансформируясь в новые структуры повышенной сложности. В неравновесных средах потери энергии компенсируются ее притоком извне. При удалении диссипативных систем от равновесия на определенное критическое расстояние (градиент), в них создаются условия для возникновения и сохранения структурного порядка.

Под открытой системой в синергетике понимается система обменивающегося с внешней средой вещества и энергии.

Примером такой системы может служить тонкий слой жидкости, заключенный без воздушного зазора между двумя параллельными стеклянными пластинками, которые медленно нагреваются снизу. При малом градиенте температуры для рассеивания поступающей энергии бывает достаточно тепловой диффузии, поэтому жидкость остается в покое. Однако при достижении определенного градиента температуры возникает макроскопическое коллективное движение жидкости, по форме напоминающее шестиугольники пчелиных сот. Точка, в которой это происходит, называется точкой бифуркации. Сам этот опыт называют «ячейки Релея Бенара» или «опыт Релея Бенара».

В отличие от кибернетики, занимающейся разработкой алгоритмов и методов, позволяющих управлять системой так, чтобы та функционировала заданным образом, синергетика изучает самоорганизацию системы при произвольном изменении управляющих параметров. Т.е. в рамках синергетики формируется не жесткое управление системой, а создаются условия для ее эволюции. Синергетика также рассматривает различные флуктуации (случайные колебания или отклонения системы в точке бифуркации от стандартного значения), а также исследует стохастические (непредсказуемые) процессы. Непредсказуемость поведения крупных синергетических систем связана не только с неполнотой информации о состоянии их многочисленных подсистем, но и с неизбежными флуктуациями. Даже небольшое различие в начальных условиях может в корне изменить последующую эволюцию системы.