2.5. Синергетичний підхід в аналізі складних систем

Напевно, ми не раз замислювалися над разючою відмінністю сис­тем, що існують у природі, від тих, які створено людиною. Для пер­ших властиві стійкість щодо зовнішніх впливів, самооновленість, здат­ність до самоускладнення, розвитку, погодженість усіх складових частин. Для других – різке погіршення функціонування навіть при по­рівняно невеликій зміні зовнішніх впливів або помилках в управлінні. Назріває висновок: потрібно запозичити досвід побудови організації, накопичений природою, і використовувати його в нашій діяльності. З’ясування законів такої побудови, виникнення упорядкованості є од­ним із завдань синергетики – науки про відкриті системи, які само­організовуються.

При розв’язанні самих різних задач, від фізики і хімії до економіки й екології, створення та збереження організації, формування упоряд­кованості є або метою діяльності, або її важливим етапом.

Питання про оптимальну упорядкованість і організацію постає осо­б­ливо гостро при дослідженнях глобальних проблем – енергетичних, екологічних, багатьох інших, які потребують залучення величезних ресурсів. Маючи справу зі складними, життєво важливими для нас об’єктами, доводиться діяти дуже обережно. Тут немає можливості шукати відповідь методом проб і помилок, а нав’язати системі необ­хідну поведінку дуже важко. Успіх можливий тільки в тому випадку, якщо ми знаємо внутрішні властивості системи. Значно розумніше дія­ти, спираючи на знання цих внутрішніх властивостей та законів розвитку системи. Звідси стратегія – дія, що відповідає законам при­ро­ди, розумна відповідність із природним ритмом, з постійно мінли­вими умовами.

Інша причина, яка обумовлює створення синергетики, – необхід­ність при розв’язанні низки задач науки і техніки аналізувати складні процеси різної природи, застосовуючи при цьому нові математичні методи.

Широке використання ЕОМ показало, що ні швидкодія обчислю­вальних машин, ні зростання обсягу розрахунків не є панацеєю від усіх лих, – самі по собі вони не дають розуміння досліджуваних нелі­нійних задач. Потрібні поняття, підходи, узагальнення, які відобра­жають найважливіші загальні риси нелінійних явищ і допомагають побудувати їхні адекватні математичні моделі. Розуміння цього також стало могутнім стимулом розвитку синергетики.

Інтенсивний розвиток системних досліджень і кібернетики остан­ніх десятиліть привів до зміни в стилі наукового мислення. Новий, сис­темний стиль мислення доповнює ймовірнісне бачення світу таки­ми поняттями, як складність, системність, цілеспрямованість.

Класичний, панівний донині підхід до управління складно­орга­нізованими системами ґрунтується на лінійному уявленні про їхнє функ­ціонування. Згідно з цим уявленням, результат зовнішнього керу­ю­чого впливу є однозначним і передбачуваним наслідком прикла­де­них зусиль, що відповідає схемі: керуючий вплив – бажаний резуль­тат. Чим більше вкладаєш енергії, тим більшою начебто є й віддача. Такий підхід суперечить екологічним вимогам універсуму і людини. Багато зусиль виявляються марними або навіть завдають шкоду, якщо вони протистоять власним тенденціям саморозвитку складно­органі­зо­ваних систем.

Вченим усе частіше доводиться мати справу з явищами, де більш інтенсивні зовнішні впливи спричиняють якісно нову поведінку сис­теми. І сучасна наука щодалі частіше формулює свої закони, звер­таючись до різноманітного світу нелінійних математичних моделей.

Синергетика вивчає відкриті, нелінійні системи, спрямовані на вста­новлення універсальних механізмів самоорганізації; вона засно­вана на ідеях системності, цілісності світу і науковому знанні про нього, спільності закономірностей розвитку об’єктів усіх рівнів мате­ріальної та духовної організації, нелінійності, багатоваріантності, нео­боротності і т. ін.

Синергетика дає новий образ світу. Цей світ складно організо­ва­ний. Він відкритий, тобто він не сталий, а такий, який становлюється, він не просто існує, він є безупинно виникаючим світом. Він еволю­ціонує за нелінійними законами.

Синергетика використовує математичний апарат нерівноважної термодинаміки, але застосовує його для аналізу розвитку систем дуже різної природи.

Статус синергетики певною мірою аналогічний статусу матема­тики, логіки або інформатики. Це науковий напрямок про універсальні структури самоорганізації і паттерни (зразки, моделі) поведінки. А для широкого кола вчених, які досить далекі від природознавства, синер­гетика може бути цінною передусім як спосіб мислення.

Синергетику можна розглядати як сучасний етап розвитку ідей кібернетики і системних досліджень. Існує логіко-понятійна і методо­логічна наступність між цими галузями знань, однак синергетика несе в собі щось істотно нове.

На відміну від кібернетики, тут акцент ставиться не на процесах управління та обміну інформацією, а на принципах побудови органі­зації, її виникненні, розвитку та самоускладненні. Розглядаючи кібер­нетику як предтечу синергетики, Ю. А. Данилов і Б. Б. Кадомцев роз­кри­вають і якісні розходження між цими науковими напрямками. Ос­новне з них полягає в тому, що «кібернетичний підхід абстрагується від конкретних матеріальних форм», тоді як синергетика займається дослідженням «фізичних основ формування структур». Йдеться про те, що кібернетика більшою мірою має абстрактно-математичний і формалізований характер, ніж синергетика.

Основними для кібернетики і загальних теорій систем є поняття «інформації» та «інформаційного підходу», а в центрі уваги синер­гетики – уявлення про організацію, самоорганізацію та їхні механізми.

Кібернетика і різні варіанти загальної теорії систем вивчають в основному процеси гомеостазу, тобто процеси підтримки рівноваги в системах за допомогою зворотного зв’язку. Кібернетика намагається звести складні нелінійні процеси еволюції систем до лінійного (при­наймні, на окремих етапах, там, де це можливо). Вона розглядає ті випадки, коли, за висловом Н. Вінера, «нелінійна система може до­слід­жуватися так, ніби це є лінійна система з параметрами, що по­вільно змінюються».

У синергетиці досліджуються істотно нерівноважні системи, тобто системи, які далекі від станів рівноваги, істотно нелінійні процеси ево­люції систем, такі процеси, коли за певних умов внутрішні або зов­нішні збурення можуть привести систему до спрямованих змін, до ви­никнення різних нових структур, відносно стійких до стану рівноваги. Процеси гомеостатичного характеру охоплюються синергетикою як один з окремих випадків у сфері її дослідження.

Основними елементами синергетичного бачення світу є також нові принципи формування цілого з частин, побудова різного типу склад­них структур із простих.

У нелінійному світі порушується звичайний принцип суперпозиції: ціле вже дорівнює сумі складових його частин. Воно не більше і не менше частин, з яких складається. Воно якісно інше порівняно з час­тинами, які увійшли до його складу. І, крім того, ціле, яке виникає, видозмінює частини.

Синергетика має справу з процесами еволюційного характеру. У складній структурі об’єднано структури різні за віком та стадіями роз­витку. З’ясовуються принципи об’єднання таких різновікових струк­тур у більш складну.

Синергетичне світобачення дозволяє по-новому підійти до проб­ле­ми ефективного управління розвитком складних систем (когнітивних, соціоприродних, екологічних, географічних, економічних і т. ін.).

З погляду синергетики, неефективне управління такою системою полягає в нав’язуванні системі якоїсь форми організації, їй не влас­тивої. Таке управління в кращому разі робить усі людські зусилля марними, «зникаючими у піску», а в гіршому – заподіює дійсну шко­ду, призводить до небажаних і важковиправних кризових станів. Схо­жий «ефект бумеранга» отримує людина, якщо не бере до уваги не­однозначні, нелінійні зворотні впливи на неї складноорганізованих ієрар­хічних систем.

Знання принципів самоорганізації складних систем дає нові мож­ли­вості. Хоча шляхів розвитку може бути дуже багато, але їхня кількість не нескінченна. Отже, в даній нелінійній системі реалізовані далеко не всі ті напрямки розвитку, що є бажаними для суб’єктів управління. Знання обмежень, того, що в принципі не можна здійснити в даному середовищі, знання еволюційних принципів заборони – це саме по собі дуже цінне для людини знання. Воно дозволяє їй раціонально використовувати матеріальні ресурси, час і свої власні зусилля.

Людина може розраховувати оптимальні для себе і, що є не менш важливо, здійсненні сценарії розгортання подій. Знаючи спектр до­сяж­них станів розвитку, вона може описати, яким чином має буду­ва­тися ця майбутня бажана для неї організація елементів світу, вона зна­ходить можливість правильно ініціювати бажані напрямки само­ор­га­нізації систем, не чекаючи на здійснення тривалого процесу їхнього власного виходу на потрібні стани.

Суть нового підходу до управління полягає в тому, що він орієн­то­ваний не на зовнішнє, а на внутрішнє, на щось властиве саме сере­довищу. Іншими словами, він орієнтований не на бажання і проекти суб’єкта управляючої діяльності, а на власні закони еволюції та само­організації складної системи.

При цьому головне – не сила (величина, інтенсивність, тривалість, всеохоплення і т. ін.) керуючого впливу, а його погодженість із влас­ними тенденціями самоструктурування нелінійного середовища, тобто правильна топологія (просторова і часова погодженість) цього впливу. Наприклад, для природних систем важлива не величина впливу, а належна форма просторового розподілу енергії, тобто «архітектура» енергетичного впливу. Слабкий, але топологічно правильно організо­ваний резонансний вплив може виявитися дуже ефективним. Якщо ми будемо «колоти» середовище в потрібний час і в потрібному місці, конфігураційно узгоджено з її власними структурами, збурювати, тоді воно буде розгортати перед нами свої потенційні багаті форми, сховані (найчастіше неочікувано могутні) сили.

Термін «синергетика» походить від грецького слова «синергена» – сприяння, співпраця. Запропонований Германом Хакеном, цей термін акцентує увагу на погодженості взаємодії частин при утворенні струк­тури як єдиного цілого.

Синергетика знаходиться на стику багатьох наук, наукових теорій і впливів, що є однією з причин існування безлічі шкіл і напрямків у самій синергетиці. Брюссельська школа лауреата Нобелівської премії І. Р. Пригожина розробила теорію дисипативних структур. Інтенсивно працює школа одного із засновників синергетики Г. Хакена, профе­со­ра Інституту синергетики і теоретичної фізики в Штутгарті.

Класичні праці, в яких розвивається математичний апарат для опи­су катастрофічних синергетичних процесів, належать перу російсько­го математика, академіка В. І. Арнольда і французького його колеги Р. Тома. Цю теорію називають по-різному: теорія катастроф, особли­востей або біфуркацій.

У Росії діють школи академіка О. А. Самарського і члена-корес­пон­дента РАН С. П. Курдюмова. Біофізик, член-кореспондент РАН М. В. Волькенштейн і Д. С. Чернавський розвивають синергетику в ін­формаційних термінах (генерація інформації в еволюційних проце­сах). Широко відомі роботи академіка М. М. Моїсеєва, Ю. А. Дани­ло­ва, академіка Б. Б. Кадомцева, Ю. Л. Клімонтовича, члена-кореспон­ден­та РАН Г. Р. Іваніцького, С. В. Пєтухова і Ю. М. Романовського.

Висновки. Синергетика – теорія самоорганізації, напрямок між­дис­циплінарних наукових досліджень. Основні ідеї синергетичного під­ходу: принципова незамкнутість систем, нелінійність розвитку, само­організація систем.

Синергетичні поняття дозволяють пояснити раптове виникнення макроскопічних властивостей на основі взаємодії елементів на мікро­скопічному рівні. Синергетика, маючи природничо-наукову основу, поставши з нерівновагої термодинаміки і нелінійного аналізу, здій­снює експансію в різні галузі знань. Вона вивчає питання само­орга­нізації, і тому повинна давати картину розвитку і принципи само­ор­ганізації складних систем, щоб застосовувати їх в управлінні. Уперше здійснюється спроба описати саморозвиток світу відповідно до його внутрішніх законів, спираючись на результати цілого комплексу точ­них наук. Це завдання має величезне значення, і успіхи у відповідних дослідженнях будуть означати просування вперед у розвязанні гло­бальних проблем: проблеми керованого термоядерного синтезу, еко­ло­гічних проблем, задач управління та ін.