концепции современного естествознания / лекция 6

ЛЕКЦИЯ №6

сИНЕРГЕТИКА И САМООРГАНИЗУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

ПЛАН

1. Синергетика как новое направление в науке

2. Понятие и свойства самоорганизующих систем

3. Условия протекания самоорганизующих процессов

1. Синергетика как новое направление в науке

В конце ХХ в. ученые пришли к выводу, что все существующие в мире системы имеют сложную структуру, т.е. состоят из подсистем и отдельных элементов. Для того чтобы система работала, сложено, все подсистемы должны быть взаимосвязаны между собой. Изучением таких систем стала заниматься новая наука, которую назвали синергетикой.

Синергетика – слово греческого происхождения и означает кооперативить, согласованность и взаимность. Системами в природе является все объекты от атомов до Вселенной, от молекул до социальных систем.

Синергетика – это научное направление, в рамках которого изучается поведение систем и подсистем разных типов и уровней. Она основана на представлении о самоорганизации, т.е. спонтанном образовании систем, механизмах их перехода от хаоса к порядку. Синергетика раскрывает, каким образом и почему хаос может выступать в качестве созидающего начала. Как из хаоса может развиваться новая, более сложная организация. Она открывает новые принципы построения сложных развивающихся структур, как из простых появляются сложные более упорные системы. Также она показывает пути управления сложными системами и раскрывает закономерности эволюционных процессов.

Объекты синергетики должны удовлетворять следующим требованиям:

1) Системы должны быть открытыми

2) Они должны быть неравновесными

3) Выход системами из критического состояния в качественно новое состояние должно происходить «скачком»

Общий смысл синергетики состоит в том, что процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции имеют объективный характер и во всех системах они происходят одинаково, т.е. имеют единый алгоритм. Новизна синергетического подхода состоит в том, что хаос выступает и как разрушитель и как созидатель, потому что хаос считают, что хаос просто это нарушение порядка, поэтому через него может осуществляться конструктивное развитие систем, так как основополагающий системный фактор состоит не в хаотичности, а во взаимодействии и динамики, т.е. развитии.

2. Понятие и свойства самоорганизующих систем

Самоорганизующими называются системы, которые при изменении внешних или внутренних условий находят пути для своего сохранения или развития и эволюции. Примерами самоорганизационных систем могут служить живая клетка, популяция, человеческий коллектив, робот, машина, биосфера и т.д.

Самоорганизующие системы имеют следующие свойства:

• Они сохраняют состояние термодинамического равновесия

• Их упорядоченность обеспечивается использованием информации

• Системы реагируют на внешние условия

• Они обладают функциональной активностью, которая выражается в противодействии несоответствующими внешним условиям.

• Самоорганизационные системы обладают выбором поведения - им нельзя навязать путь развития, поведение их непредсказуемо случайно и зависит от предыстории.

• Порядок в системе поддерживается за счет потока энергии вещества и информации из вне.

• Они действуют целенаправленно и ведут себя как единое целое

• Самоорганизация выступает как источник эволюции систем, т.к. она служит началом процесса возникновения новых более качественных и более сложных структур.

3. Условия протекания самоорганизующих процессов

Для того чтобы в системе шла самоорганизация, должны выполняться следующие условия: Они должны быть открытыми, нелинейными и диссипативными.

Открытыми называются системы, которые постоянно обмениваются с окружающей средой энергией, веществом или информацией. Открытые системы всегда подвержены колебаниям т.к. изменения в окружающей среде могут вывести систему из состояния равновесия, которое и приводит систему в состояние хаоса. Хаос начинается если параметры системы достигают определенного критического значения. Далее хаос может быть началом формирования новых структур, но весь этот процесс носит случайный и неопределенный характер. Открытый характер большинства природных систем указывает на то, что в мире доминирует не равновесие и стабильность, а неустойчивость и неравновесность. Они и создают условия многовариантности путей выбора развития системы.

В связи с этим процессы в самоорганизующих системах носит нелинейный характер, нелинейные системы описываются уравнениями, которые имеют 2 и более качественно различных решения. Это означает, что множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей развития системы. Развитие осуществляется через случайный выбор, который происходит, в точке бифуркации.

Точка бифуркации - критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. Флуктуация (от лат. - колебание) - термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение.

Процесс происходит в нелинейных системах, и носит пороговый характер, т.е. при плавном изменении внешние условия поведения системы изменяются скачком, после которого система в прежнее состояние вернутся не может.

Нелинейные системы, являясь открытыми и неравновесными, сами создают и поддерживают неоднородность среды, при этом между системой и средой могут возникать отношения обратной положительной связи. Система влияет на среду, в среде появляются другие условия, которые в свою очередь вызывают изменения в системе, при этом системы начинают самоорганизацию. Таким образом, самоорганизационные системы путем многократного контроля настраиваются на внешние факторы, достигают равновесия с условиями среды существования и тем самым сохраняют себя.

Открытые неравновесные системы в процессе взаимодействия с внешней средой могут приобретать особое динамическое состояние, которое называют диссипацией. Диссипация - это рассеивание энергии, т.е. переход энергии упорядочного движения в энергию хаотического движения. Рассеивая энергию системы, производят энтропию. Для того чтобы её снизить, необходим дополнительный приток энергии из внешней среды, но в таком состоянии система поглощает только часть энергии, определенного качества. Если в данном случае при этом в системе возникает несколько структур, то реализуется, та при которой наблюдается минимальный рост энтропии и которая способна в максимальной форме поглощать энергию.

История развития природы - это история образования все более и более сложных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях её организации во Вселенной – от элементарных частиц до образования Галактики. В биологии – от низших и простейших к высшим и сложным вплоть до человека и общества.