3. 2 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия

Цели и задачи раздела:

1. Познакомить обучающихся с элементами синергетики.

2. Сформировать представление о сценарии и механизмах самоорганизации сложных систем.

3. Помочь усвоить понятия: фазовое пространство, фазовая траектория, бифуркация, фрактал, аттрактор, универсальный эволюционизм.

4. Построить синергетическую картину мира.

План

1. Общие представления

2. Роль случайного в поведении сложных систем

3. Элементы теории самоорганизации

• Фазовое пространство и фазовые траектории

• Точка бифуркации

• Фракталы и аттракторы

• Сценарий самоорганизации сложной системы

4. Синергетическая картина мира и универсальный эволюционизм

3. 2. 1 Общие представления

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, стала синергетика 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.