Вопрос 11. Синергетика и информатика

Синергетика — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «…Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…»

В самом общем виде синергетику можно рассматривать в качестве теории нелинейных динамик или, иными словами, теории самоорганизации нелинейных динамических сред. Классиками синергетического подхода считаются Г. Хакен, Г. Николис, И. Пригожин, П. Гленсдорф и др. Синергетика занимается изучением возникновения, развития и функционирования сложных систем, находящихся за пределами границ состояния термодинамического равновесия, и пытается установить универсальные аналогии, которые проявляются между совершенно различными системами при прохождении ими некоторых точек возникновения неустойчивости, неравновесности.

В последние годы синергетика находит все более активное применение при исследовании тех или иных компьютерных систем, а также различных информационных технологий. По самой своей сути информатика обладает синергетическим смыслом. Это можно заметить хотя бы в следующих ее характеристиках:

1) информатика рассматривает вообще реальность синергетически, т. е. как сложную систему органических и неорганических объектов. Соответственно органические объекты бывают животного или растительного происхождения, а неорганические делятся на естественные и искусственные. В глобальном смысле система реальности поддерживает определенную совокупность процессов. Процессы подразделяются на естественные (горение) и искусственные (обучение через образование) так, что все искусственные процессы состоят из естественных (в паровозе естественный процесс горения является частью искусственного процесса перевозки грузов и людей). В целом система реальности развивается путем чередования периодов стабильности и нестабильности и посредством взаимодействия случайных естественных и детерминированных искусственных процессов, тогда информатику можно представить себе в качестве искусственной подсистемы (в системе реальности), созданной для разработки других искусственных подсистем и основанной на естественном информационном процессе;

2) ключевое понятие информатики – «информация» – трактуется также синергетически, т. е. в качестве средства и источника описания системы реальности и всех ее подсистем, взятых как самоорганизующиеся из хаотичных, неопределенных, вероятностных состояний единицы. т.о. под «информацией» понимается некоторая совокупность сообщений, передача и распространение которых подчиняются исключительно статистическим закономерностям. Изучение данных закономерностей является одной из важнейших задач информатики;

3) информатика имеет дело с открытыми подсистемами в системе реальности, а точнее - с их знаковыми моделями, описывающими, помимо прочего, и поддерживаемые данными подсистемами информационные и информатические процессы (пример информационного процесса – передача информации, пример информатического процесса – обработка данных для получения информации), с моделями, рассмотренными в единстве с условиями и средой их функционирования.

В целом информатику можно определить в качестве науки о формализации любых задач и разработке алгоритмов их решения.

Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом:

• 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.

• 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.

• Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение нового порядка и усложнение систем через флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и подсистем.

• Самоорганизация может произойти лишь в системах, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций. Недостаточно сложные системы не способны ни к спонтанной адаптации, ни к развитию и при получении извне чрезмерного количества энергии теряют свою структуру и разрушаются.

• Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей над отрицательными. Функционирование динамически стабильных, неэволюционирующих, но адаптивных систем (гомеостаз в живых организмах, автоматические устройства) основывается на получении обратных сигналов от рецепторов или датчиков и последующей корректировки положения системы к исходному состоянию. В самоорганизующейся, в эволюционирующей системе возникшие изменения не устраняются, а накапливаются и усиливаются вследствие общей положительной реактивности системы, что может привести к возникновению нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы. Таковы, к примеру, механизмы фазовых переходов вещества или образования новых социальных формаций.

• Самоорганизация в сложных системах, переходы от одних структур к другим, возникновение новых уровней организации материи сопровождаются нарушением симметрии. При описании эволюционных процессов необходимо отказаться от симметрии времени, характерной для полностью детерминированных и обратимых процессов в классической механике. Самоорганизация в сложных и открытых — диссипативных системах, к которым относится и жизнь, и разум, приводят к необратимому разрушению старых и к возникновению новых структур и систем, что наряду с явлением неубывания энтропии в закрытых системах обуславливает наличие «стрелы времени» в Природе.

Существенным достижением синергетического подхода оказывается переход к исследованию сверхсложных саморазвивающихся информационных систем. К ним относятся: нейросистема головного мозга человека и ее модели в форме искусственного интеллекта (Г. Хакен), информационно-коммуникативные системы (Н. Луман), информационное общество в целом.