Второе свойство информации – способность передаваться на расстоянии).

Третье – способность информации подвергаться переработке. Четвертое – способность сохраняться в течение любых промежутков

времени и изменяться во времени.

Кибернетика ввела в современную науку понятие самоорганизации. Под самоорганизацией понимают самопроизвольное повышение упорядоченности уровней сложности различных систем, т.е. качественное изменение систем.

Процесс самоорганизации систем обусловлен таким неэнтропийным процессом, как управление. Энтропия и информация, как правило, рассматриваются совместно. Информация – это то, что устраняет неопределенность. Тенденция к определенности, к повышению информативности – процесс негэнтропийный (процесс с обратным знаком).

Термин "самоорганизующаяся система" ввел кибернетик У. Росс Эшби для описания кибернетических систем. Для самоорганизующихся систем характерны:

1)способность активно взаимодействовать со средой, изменять ее в направлении, обеспечивающем более успешное функционирование системы;

2)наличие определенной гибкости структуры или адаптивного механизма, выработанного в ходе эволюции;

3)непредсказуемость поведения самоорганизующихся систем;

4)способность учитывать прошлый опыт или возможность учения. Одним из первых объектов, к которым были применены принципы са-

моорганизации, был головной мозг.

Кибернетика поставила в центр внимания такие понятия, как информа-

ция, обратная связь, управление и др. В кибернетике были предприняты первые серьезные усилия по научному исследованию феномена самоорганизации.

Кибернетика имела дело как с живыми, так и с техническими (построенными из неживого вещества) управляемыми и саморегулирующимися системами, т.е. с системами, в которых самоорганизация заложена изначально. Нет никакого сомнения в том, что XXI век и прогресс всей науки будет протекать по напралени изучения закономерностей управляющих процессов в сложноорганизованных системах.

8.3. Синергетика. Рождение порядка из хаоса

Начиная с 70-х годов нашего века бурно развивается направление, называемое «синергетикой», в фокусе внимания которого оказываются сложные

180

системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии к все возрастающей сложности.

Возникновение синергетики связано, в основном, с именами И. Пригожина – бельгийского физика и химика, лауреата Нобелевской премии 1977 г., немецкого физика Г. Хакена, другого немецкого ученого М. Эйгена, а также наших отечественных ученых Б. Белоусова и Жаботинского. И.Пригожин, разрабатывая современную термодинамику необратимых процессов (неравновесную термодинамику) открыл явление образования упорядоченных структур из хаотического, неупорядоченного состояния системы, т.е. самоор-

ганизацию и сформулировал теорему о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии. К своим идеям он пришел, анали-

зируя специфические химические реакции, которые впервые экспериментально были изучены Б. Белоусовым и А. Жаботинским. И. Пригожин со своими сотрудниками И. Стенгерс, Г. Николисом построили математическую модель таких реакций, а также показали, что в сильно неравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса к порядку, организованности. Г. Хакен, изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с греческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.

Синергетика – наука, выявляющая изучающая общие закономерности в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченности временных и пространственных структур различной природы (физической, химической, биологической, экологической и т.д.) при сложных неравновесных условиях.

Синергетику, как новую систему взглядов (парадигма), можно предельно кратко охарактеризовать четырьмя ключевыми идеями: самоорганиза-

ция, открытые системы, диссипативные системы, нелинейность.

В настоящее время считается установленным, что процессы самоорганизации (так же как, разумеется, и дезорганизации) могут происходить в сравнительно простых физических и химических средах неорганической природы. А это означает, что простейшая, элементарная форма самоорганизации имеет место уже в рамках физической и химической форм движения материи. Причем, чем сложнее форма движения материи, тем выше уровень ее самоорганизации. В простых системах самоорганизация направлена на достижение оптимальной структуры ее элементов, что позволяет понять и объяснить факт устойчивости и сохранения систем (в том числе живых).

181

Нелинейность. Сложные системы являются нелинейными. Для их описания используются нелинейные математические уравнения, т.е. уравнения, в которых искомые величины входят в степенях больше единицы, в составе математических функций (тригонометрических, логарифмических и т.п.) или коэффициенты зависят от свойств среды и особенностей протекания процесса. Нелинейные уравнения могут иметь несколько качественно различных решений. Физически это означает возможность различных путей эволюции системы.

Открытые системы. Физика XIX века ввела понятие о необратимых процессах. Провозглашая необратимый характер физических изменений, классическая термодинамика считала, что эти изменения могут происходить лишь в сторону увеличения энтропии, а, следовательно, усиления хаоса, дезорганизации материальных систем. В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления.

Уже теория Канта и Лапласа об образовании упорядоченной Солнечной системы из хаотических туманностей противоречила II началу термодинамики. Но особенно ярко проявилось противоречие II начала термодинамики с эволюционной теорией Дарвина. Ведь согласно ей, в мире живого естественно протекающие процессы ведут к усложнению форм и структур, к увеличению порядка, избавлению от хаоса и удалению от равновесия. Другими словами, самоорганизация в живой природе приводит систему к прямо противоположному состоянию, чем самоорганизация в неживых системах. Все это привело к появлению понятия открытой системы, которое и позволило устранить упомянутые противоречия.

Проблема заключается в том, классическая термодинамика рассматривала лишь закрытые, изолированные от окружающей среды системы, в которых энтропия действительно имеет тенденцию к возрастанию. Такие системы «эволюционируют» в сторону термодинамического равновесия, в сторону дезорганизации.

Однако в наше время считается установленным, что представление прежней физики о закрытых системах является весьма сильной идеализацией, которая реально в природе не встречается. Во второй половине XX века в науке утвердилось представление, согласно которому открытость системы является непременным условием самоорганизации. Оказалось, что принцип Больцмана (второе начало термодинамики) в буквальном смысле не применим к системам открытого типа.

182

Открытая система заимствует энергию и вещество из окружающей его среды и одновременно выводит в окружающую среду отработанное вещество и отработанную энергию. Вырабатывая и заимствуя энергию, открытая система производит энтропию, но она не накапливается в ней, а выводится в окружающую среду. В такого рода системах, грубо говоря, использованная, «обесцененная» энергия рассеивается в окружающей среде (а взамен поступает новая энергия из среды). Поэтому подобные системы, или структуры, получили наименование «диссипативные», что в переводе с английского означает «рассеивающие». Данное понятие сыграло важную роль в становлении синергетики.

Разработка теории диссипативных структур показала, что диссипация – это не фактор разрушения, а необходимое и важное свойство процессов самоорганизации. Именно диссипация есть необходимый процесс, способствующий выстраиванию упорядоченной структуры в нелинейной открытой среде.

Великий русский математик А.М.Ляпунов разработал общую теорию устойчивости состояний систем. Очень кратко ее идею можно выразить следующим образом. Устойчивые состояния систем не теряют своей устойчивости при флуктуациях физических параметров, поскольку система за счет внутренних взаимодействий способна погасить возникающие флуктуации. Неустойчивые системы, наоборот, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и, в результате такого нарастания амплитуд возмущений система уходит из стационарного состояния.

Таким образом процессы, протекающие в различных явлениях природы, следует разделять на два класса. К первому классу относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системах.

Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В соответствующие моменты — моменты неустойчивости — в них могут возникать малые возмущения, флуктуации, способные разрастаться в макроструктуры. Таким образом, хаос и случайности в нем могут выступать в качестве активного начала, приводящего к развитию новых самоорганизаций.

Бифуркации. Выше было сказано, что нелинейная система уравнений, которой описывается практически любая реальная сложная система, имеет не одно, а подчас целый спектр решений. Ответвления от известного решения

183

появляются при изменении значения параметров системы. Изменения управляющих параметров способны вызвать катастрофические, т.е. большие скачки переменных системы, и эти скачки осуществляются практически мгно-

венно, т.е. малая флуктуация управляющего параметра может иметь огромное значение для системы. Такие критические моменты или точки называются точкой бифуркации. В этот момент на дальнейший ход эволюции системы могут оказывать воздействия даже ничтожно малые флуктуации, которые в равновесном состоянии системы попросту неразличимы. По-

этому невозможно точно предсказать, какой путь эволюции выберет система за порогом бифуркации. Такой путь развития И.Р.Пригожин назвал «возникновение порядка через флуктуации или порядка из хаоса».

Вблизи бифуркаций, т.е. резких, «взрывных» изменений системы, основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между бифуркациями преобладает детерминизм. В точке бифуркации система встает на новый путь развития. Те траектории или направления, по которым возможно развитие системы после точки бифуркации и которое отличается от других относительной устойчивостью, иными словами, является более реальным, называется аттрактором. Аттракторэто относительно устойчивое состояние системы, притягивающее к себе множество "линий" развития, возможных после точки бифуркации.

В биологической эволюции флуктуации проявляются в мутациях, изменчивости, в то время как устойчивость обусловлена естественным отбором.

Примеры самоорганизации в неживой природе

Ячейки Х. Бенара. Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка Бенара. Если в сковородку с гладким дном налить минеральное масло, подмешать для наглядности мелкие алюминиевые опилки и начать нагревать, мы получим довольно наглядную модель самоорганизующейся открытой системы. При небольшом перепаде температур передача тепла от нижнего слоя масла к верхнему идет только за счет теплопроводности, и масло является типичной открытой хаотической системой. Но при некотором критическом перепаде температур между нижним и верхним слоями масла в нем возникают упорядоченные структуры в виде шестигранных призм (конвективных ячеек). В центре ячейки масло поднимается вверх, а по краям опускается вниз. В верхнем слое шестигранной призмы оно движется от центра призмы к ее краям, в нижнем – от краев к центру. Важно отметить, что для устойчивости потоков жидкости необходима регулировка подогрева, и она происходит самосогласованно. Возникает структура, поддерживающая максимальную скорость тепловых потоков. Подобные конвективные ячейки образуются в атмосфере, если отсутствует горизонтальный перепад давления.

184

Работа лазера. Рабочей средой твердотельного лазера является рубиновый стержень, на концах которого устанавливаются два качественных зеркала (резонатор). С помощью мощной лампы накачки атомы рубина приходят в возбужденное состояние и начинают излучать. Вначале их излучение является хаотическим, независимым друг от друга, и лазер работает как обычная лампа. Но при определенном (критическом) значении мощности накачки происходит скачкообразный переход работы лазера от хаотического излучения к самосогласованному. Коллективное излучение атомов становится когерентным, т.е. упорядоченным.

Химические часы. Самоорганизация в химических системах связана с поступлением извне новых веществ, которые обеспечивают продолжение реакции, и выведением в окружающую среду отработанных. Такие реакции были получены в 50-х годах 20-го века советскими учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. Однако полученные ими результаты были настолько необычными, что ученые долго не могли опубликовать их. Лишь в 80-х годах они получили признание. Суть реакции Белоусова - Жаботинского состоит в окислении органической (малоновой) кислоты бромидом калия. При добавлении индикатора окислительно-восстановительных реакций (ферроина) можно наблюдать за ходом реакции по периодическому изменению цвета раствора. Внешне самоорганизация проявляется появлением в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора с синего на красный и наоборот. Этот колебательный процесс идет без всякого вмешательства извне в точение нескольких десятков минут и получил название «химических часов».

Самоорганизация в социальных системах

Попытки объяснить механизмы самоорганизации, которые начались, по существу, еще в 18-м веке, не обошли стороной и общественные науки. Основоположник классической политической экономии А.Смит (1723-1790) в своем главном труде «Исследование о природе и причинах богатства народов» показал, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей и интересов его участников. Такое взаимодействие приводит к установлению никем не запланированного порядка, который выражается в равновесии спроса и предложения.

Социальные системы так же как и природные – столь же сложные и нелинейные. В них возможны изменения структурных связей, кризисы и катастрофы, в том числе экологические и экономические. И здесь большое значение имеет возможность, опираясь на методы синергетики, определить условия нарушения прежней устойчивости и возможность перехода в новое состояние, сопровождаемое структурными изменениями.

Стохастическая модель процесса формирования общественного мнения была построена Г.Хакеном в его работе «Синергетика». Здесь главной трудностью был выбор макроскопических переменных, описывающих общество. Г. Хакен взял довольно простой пример. Он использовал в качестве параметров число индивидуумов с соответствующими мнениями – за (+) и против (-). Тогда формирование общественного мнения описывалось изменением этих чисел. При отсутствии внешних воздействий оказались возможными два результата. Вследствие частых перемен точек зрения получается одноцентровое распределение мнений в коллективе, а при значительной устойчивости связей между индивидуумами формируются два противоположных мнения, соответствующих состоянию поляри-

185