9 Роль флуктуаций в поведении сложных систем

Флуктуа́ция (от лат. fluctuatio — колебание) — термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение. В квантовой механике — случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц; вызываются тепловым движением частиц или квантовомеханическими эффектами.

Примером термодинамических флуктуаций являются флуктуации плотности вещества в окрестностях критических точек, приводящих, в частности, к сильному рассеянию света веществом и потере прозрачности.

Флуктуации, вызванные квантовомеханическими эффектами, присутствуют даже при температуре абсолютного нуля. Они принципиально неустранимы. Пример проявления квантовомеханических флуктуаций — эффект Казимира, а также силы Ван-дер-Ваальса. Непосредственно наблюдаемы квантовомеханические флуктуации для заряда, прошедшего через квантовый точечный контакт — квантовый дробовой шум.

В фантастической повести А. и Б. Стругацких «Стажёры» флуктуация определяется как отклонение от наиболее вероятного состояния, причём вероятность этого отклонения ничтожно мала. Персонаж повести Жилин описывает свою встречу с человеком, называющим себя «Гигантской флюктуацией». Этот человек так себя называл, потому что на события, происходящие с ним, не распространялась теория вероятностей. С ним происходили невероятные события столь часто, что это ломало всю теорию.

Окружающий нас мир находится в постоянном движении. В нем нет ничего неизменного. Каждое мгновение что-то меняется в этой гигантской лаборатории: из хаоса рождается упорядоченная целостность или наоборот целостность превращается в хаос. Одной из познавательных моделей современной науки, раскрывающей механизмы самоорганизации и эволюции систем и позволяющей объяснить, как из хаоса рождается порядок, сталасинергетика или теория самоорганизации. Она изучает поведение открытых диссипативных нелинейных систем разного уровня сложности и разной природы, общие принципы их самоорганизации и эволюции, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития.  Особую роль в функционировании таких систем играют случайность, случайные флуктуации параметров. При этом необходимо различать два типа случайностей. Первый — дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй — порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее. Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое. В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса «зародышей» новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (греч. synchronos — одновременный) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление получило название самоорганизации.Самоупорядочивание системы связано со снижением ее энтропии. Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы.  Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XYIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита, эволюционная теория Дарвина, теория Максвелла-Больцмана, описывающая поведение термодинамических систем и т. д. ). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (системный анализ, топология, теория бифуркаций, нелинейная динамика, теория катастроф и др. ) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Это и нашло отражение работах И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена.  В семидесятых годах ХХ столетия термин «синергетика» стал названием общенаучного направления, которое дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития.  Описывая процесс самоорганизации Г. Хакен, отмечает, что возникающая из хаоса упорядоченная структура является результатом конкуренции множества виртуальных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент как внешним, так и внутренним условиям.  В системе под влиянием поступающих извне ресурсов идет медленное количественное накопление несущественных изменений, что приводит к ослаблению гомеостаза. Это происходит до определенного предела, за которым наблюдается кардинальное изменение ее состояния, которое осуществляется практически мгновенно, скачком. Система временно оказывается в неустойчивом состоянии, «теряет память», и характер ее последующего развития определяется только теми случайными факторами, которые в этот момент действуют на систему. Для выхода из него у системы есть две возможности: деградация, разрушение, инволюция либо самоорганизация, усложнение, эволюция. Количественные изменения переходят в качественные и весь процесс развития системы можно представить как череду сменяющих друг друга медленных и скачкообразных изменений.