4.2. Некоторые сведения о синергетике [8]

Синергетика междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации выделенного участка всей структуры. Основное понятие синергетики — определение структуры, как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур, или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В означенных системах не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложно составному и более совершенному. Область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания, Общим признаком синергетики является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций.

Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом:

1. Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые эволюции.

2. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия сколь угодно сложная система обладает максимальной энтропией и не способна к какой-либо самоорганизации. 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.

3. 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 за счёт отрицательных обратных связей, обеспечивающих сохранение структуры и близкого к равновесию состояния системы. Но в более сложных открытых системах, благодаря притоку энергии извне и усилению неравновесности, отклонения со временем возрастают, накапливаются и вызывают эффект коллективного поведения элементов и подсистем. В конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и через относительно кратковременное хаотическое состояние системы приводят либо к разрушению прежней структуры, либо к возникновению нового порядка. Самоорганизация, имеющая своим исходом образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может произойти лишь в системах достаточного уровня сложности, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры.

Переход к хаосу может быть представлен в виде бифуркаций (термин «бифуркация» употребляется для обозначения качественных перестроек системы c возникновением нового режима ее поведения). Вхождение системы в непредсказуемый режим описывается каскадом бифуркаций, следующих одна за другой. Каскад бифуркаций ведет последовательно к появлению выбора между двумя решениями, затем четырьмя и т. д.; система начинает колебаться в хаотическом, турбулентном режиме последовательного удвоения возможных критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации. Область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания, Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций. Анализ механизмов перехода от порядка к хаосу в реальных системах и различных значений.

Динами́ческий ха́ос — явление в теории динамических систем, при котором поведение нелинейной системы выглядит случайным, несмотря на то, что оно определяется детерминистическими законами. Причиной появления хаоса является неустойчивость по отношению к начальным условиям и параметрам: малое изменение начального условия со временем приводит к сколь угодно большим изменениям динамики системы.

Так как начальное состояние физической системы не может быть задано абсолютно точно (например, из-за ограничений измерительных инструментов), то всегда необходимо рассматривать некоторую (пусть и очень маленькую) область начальных условий. При движении в ограниченной области пространства экспоненциальная расходимость с течением времени близких орбит приводит к перемешиванию начальных точек по всей области. Для бифуркации рождения цикла возможно как мягкое возбуждение автоколебаний системы, сопровождающее потерю устойчивости стационарной точки системы, так и жесткое, когда фазовая точка, находившаяся в окрестности устойчивого начала координат, быстро "выбрасывается" из окрестности стационарной точки, например в окрестность имеющейся у системы удаленной устойчивой стационарной точки или удаленного устойчивого цикла.

Точка бифуркации — в общем случае момент времени или точка места, в котором происходит непрогнозируемый переход системы в одно из иных при малом изменении её параметров, топологически неэквивалентных исходному, состояний. дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. На рис. 4.8 показаны фазы развития бифуркации в зависимости от положения устойчивого точки бифуркации. На рис. 4.8 обозначены буквой ε: ε = 0 – вихрь в точке устойчивого положения точки бифуркации; ε < 0 - вихрь слева точки устойчивого положения бифуркации; ε > 0 - вихрь справа точки устойчивого положения бифуркации). В положении ε = 0 вихрь бифуркация имеет вид параболоида; в положениях ε > 0 и ε < 0 вихрь бифуркации – гиперболоид. При этом вихри вращения риска имеют зеркальное отражение (для параболоида – параболоид; для гиперболоида в точке ε < 0 - гиперболоид, и в положении ε > 0 – продолжение гиперболоида, начало которого в вещественной плоскости). Поэтому рассмотрение динамического риска С предпочтительно в комплексной плоскости, полагая, что периоды приработки и старения механизмов находятся на мнимой плоскости.

Критическое фазовое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций (возмущений) и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет в то или иное новое устойчивое состояние, например, на более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности - аттрактор.