13) Синергетика

Слово «синергетика» заимствовано из древнегреческого языка, где оно означало совместное действие или содействие. Немецкий физик Герман Хакен использовал его для названия нового междисциплинарного направления исследования систем, состоящих из большого числа элементов, взаимодействующих между собой.

В результате такого взаимодействия возникают кооперативные, или коллективные, процессы, которые приводят к самоорганизации системы.

Бельгийская школа во главе с Ильей Пригожиным предпочитает использовать для описания процессов самоорганизации термин «диссипативные структуры», которые требуют для своего функционирования затрат большей энергии, чем простые системы.

Необходимо обратить внимание на следующие особенности синергетики.

Во-первых, поскольку синергетика представляет собой междисциплинарное направление исследований, постольку она отличается от отдельных научных дисциплин тем, что изучает общие закономерности процесса самоорганизации в различных системах. В силу этого она вынуждена отвлекаться от рассмотрения особенностей конкретных способов самоорганизации, происходящих в различных по своему содержанию системах природы и общества.

Во-вторых, синергетика отличается от таких междисциплинарных исследований, в которых методы одной науки применяются для изучения явлений и процессов в другой науке, например, физических методов в химии или биологии. Синергетика выдвигает для исследования всех открытых, неравновесных систем единый, общий метод.

В-третьих, ключевая идея синергетики заключается в том, что в открытых системах, далеких от равновесия в результате самоорганизации происходит возникновение порядка из беспорядка.

Ничего подобного не встречается в замкнутых системах, в которых согласно второму началу термодинамики происходит непрерывное возрастание беспорядка и усиление дезорганизации системы.

В-четвертых, возможность перехода от беспорядка к порядку и организации в условиях неустойчивости, неравновесности и нестабильности создает предпосылки для общего понимания эволюции природных и социальных систем. В связи с этим можно говорить о необходимых, но недостаточных условиях для возникновения эволюции.

Формирование синергетики.

Основополагающая идея синергетики под разными названиями, а чаще всего, под именем самоорганизации, уходит в глубокую древность. По крайней мере, она отчетливо осознавалась уже Аристотелем, а еще раньше играла существенную роль в космогонических представлениях древних греков, которые рассматривали процесс формирования мира как возникновение космоса, или порядка, из хаоса, или беспорядка. Однако эта общая идея имела скорее характер гениальной догадки, чем научно обоснованной гипотезы по той простой причине, что у античных греков не существовало экспериментального естествознания.

Постепенно, однако, принцип самоорганизации в той или иной форме появлялся в разных науках при решении отдельных, конкретных проблем. Так, например, в физиологии У. Кеннон сформулировал свой знаменитый принцип гомеостаза, суть которого сводится к тому, что в процессе адаптации к изменяющимся условиям существования, живые организмы перестраиваются так, чтобы поддержать устойчивость важнейших параметров своей жизнедеятельности.

Значительный импульс исследованию процессов самоорганизации придало возникновение кибернетики, которая обобщила принцип отрицательной обратной связи. Благодаря этому принципу, как известно, удалось объяснить наличие устойчивых динамических систем, существование на рынке спонтанного порядка, выражающегося в установлении равновесия между спросом и предложением и многие другие явления и процессы. Однако этот принцип объясняет лишь сохранение и поддержание устойчивости динамических систем, но не раскрывает, каким образом такая устойчивость и порядок возникают.

Между тем подлинная самоорганизация по самому смыслу этого термина означает именно изменение прежней организации, порядка или структуры. Это приводит к возникновению новой организации и структуры в результате взаимодействия элементов системы. Точнее говоря, причины и движущие силы такого изменения поведения элементов, их самоорганизации следует искать в процессе взаимодействия элементов системы с внешней средой.

Самоорганизация и основанная на ней эволюция в живой природе и обществе не сводятся к сохранению динамического равновесия. Рано или поздно, эволюция систем всегда сопровождается теми или иными изменениями, будь то постепенные, количественные или коренные, качественные изменения их параметров и структур, которые сопровождаются появлением нового в развитии.

Долгое время оставалось неразрешимым противоречием между классической термодинамикой (для закрытых систем) и эволюционным учением Ч. Дарвина. Если теория Дарвина утверждала, что органическая эволюция в конечном итоге связана с усложнением и совершенствованием структур и свойств живых организмов, появлением новых видов растений и животных, то классическая термодинамика (для закрытых систем) признавала лишь движение физических (закрытых) систем в сторону увеличения их энтропии и, соответственно, усилению в них хаоса и беспорядка.

Заслуга синергетики состоит в том, что она впервые сумела приблизиться к разрешению этого противоречия. Она экспериментально и теоретически доказала, что самоорганизация при наличии вполне определенных условий может происходить уже в простейших физико-химических, гидродинамических и других системах. Но для этого необходимо, по крайней мере, чтобы системы были открытыми и находились достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Только тогда эволюция в них сопровождается изменением старых структур и динамических режимов функционирования. Следовательно, синергетика может объяснить то, что не удавалось понять с помощью принципа отрицательной обратной связи, ориентированного на сохранение динамического равновесия систем. Именно для раскрытия механизма возникновения новых структур и систем синергетика использует принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, происходящие в старой системе, не устраняются, а наоборот накапливаются и усиливаются. Как и всюду, постепенные количественные изменения в рамках прежних систем приводят к их коренным, качественным изменениям и, в итоге, к образованию систем с новыми структурными и целостными, системными свойствами.

Синергетический анализ систем.

В науке существуют способ объяснения сложного. Он заключается в редукции, или сведении, сложного к простому, и поэтому называется редукционизмом.

Синергетика стремится понять связь и взаимодействие между простым и сложным. Она рассматривает, например, изменения, которые происходят на макроскопическом, наблюдаемом уровне, как результат взаимодействия огромного числа элементов и частиц системы, на ненаблюдаемом микроуровне. Например, такое макроявление как сверхпроводимость объясняется коллективизацией (синхронизацией поведения) свободных электронов (микроуровень) в металлах. В результате мы имеем новую структуру в веществе (согласованный коллектив электронов) и, как следствие, новые свойства металлов. В рассмотренном примере мы имеем дело с самоорганизацией системы.

Флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого устойчивого состояния, в открытых системах не подавляются, а напротив, по мере возрастания неравновесности между системой и окружающей средой усиливаются. Возникающая при этом энтропия в системе диссипитируется, или рассеивается, в окружающей среде. На этом основании И. Пригожий предложил назвать вновь возникающие структуры диссипативными (от англ. dissipate — рассеивать, растрачивать).

Самоорганизацию можно описать с помощью единой схемы. Любая открытая система, взаимодействуя с окружающей средой, испытывает определенные флуктуации. Под воздействием энергии или вещества, поступающих извне, эти флуктуации усиливаются и начинают «расшатывать» старые связи между элементами или компонентами системы. Возникает неустойчивость, которая со временем усиливается, и когда она достигает определенного критического значения, система резко меняет свое макроскопическое состояние. Между ее элементами возникает новое, взаимодействие и они начинают двигаться когерентно, или согласованно, образуя кооперативные процессы. Г. Хакен самоорганизацию связывает именно с кооперативными процессами, а И. Пригожин — с возникновением диссипативных структур.

Основная идея, выдвигаемая синергетикой, заключается, таким образом, в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне. Такие изменения можно количественно описывать управляющими параметрами системы. При критическом значении этих параметров система переходит в новое макроскопическое состояние.

Установить связь между невидимыми количественными изменениями на микроуровне и видимыми качественными изменениями на макроуровне, как и определить критическое значение управляющих параметров из чисто абстрактных, теоретических соображений не представляется возможным. Поэтому здесь прибегают к конкретному исследованию сложноорганизованных систем с помощью наблюдений, или экспериментов. Для явления сверхпроводимости таким управляющим параметром является температура.

Изменяя управляющий параметр или параметры, можно достичь критического значения, когда система резко и спонтанно переходит в качественно новое состояние. Поэтому анализ поведения системы при переходе от прежнего состояния к новому состоянию в критической точке имеет решающее значение для понимания процесса самоорганизации.

Во-первых, именно здесь ясно прослеживается взаимосвязь между случайностью и необходимостью в процессе самоорганизации системы. Флуктуации, представляющие собой случайные отклонения от равновесия в ходе взаимодействия со средой и возрастания неравновесности системы, постепенно усиливаются, пока не достигнут определенной критической точки, в которой и происходит переход системы от случайного поведения в детерминированное, вполне определенное поведение.

Однако какое направление дальнейшего движения вблизи критической точки «выберет» при этом система, зависит в свою очередь от ряда случайных обстоятельств. Используя заимствованный из математики термин бифуркация (от англ. bifurcate — раздвоение, разветвление), система может выбрать по крайней два возможных направления будущего движения. Во-первых, она может перейти в хаотическое, беспорядочное состояние, грозящее дезорганизацией и разрушением системы. Во-вторых, она может выбрать детерминистический режим поведения, соответствующий росту ее упорядоченности и самоорганизации системы.

В процессе постепенного изменения состояний на микроуровне обычно возникает множество различных конфигураций или состояний, которых будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются параметрами порядка.

Принцип подчинения параметрам порядка играет важнейшую роль в понимании процессов самоорганизации. В каждом таком процессе параметров порядка существует сравнительно немного, в то время как система может состоять из большого числа компонентов, которые могут создавать огромное количество состояний. Наличие параметров значительно облегчает анализ самоорганизующихся процессов и проливает дополнительный свет на понимание категории причинности в современном научном познании.

Если традиционное понимание линейной причинности предполагает, что только причина вызывает или порождает действие, то процессы самоорганизации ясно показывают, что действие также может оказывать влияние на породившую его причину или причины. Действительно, поведение компонентов системы подчиняется и управляется параметрами порядка, но в то же время сами параметры порядка возникают в результате взаимодействия компонентов системы. Так возникает представление о циклической причинности, включающее признание обратного влияния действия на породившую его причину.

В-третьих, существенная особенность самоорганизующихся процессов и систем заключается в том, что взаимодействие между элементами системы имеет нелинейный характер, Поэтому отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что для их описания используются нелинейные дифференциальные уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). С подобными нелинейными системами и процессами имеет дело новая термодинамика, и поэтому ее нередко называют нелинейной.

В-четвертых, если в классическом естествознании хаос играл чисто негативную роль, являясь признаком дезорганизации и разрушения п орядка, то в синергетике он выступает в качестве конструктивного фактора. С одной стороны, из хаоса или беспорядка возникает порядок, а с другой — сам хаос представляет собой весьма сложную форму упорядоченности.

Наконец, в-пятых, в синергетике становится возможным говорить о понятии времени, отображающем реальные процессы изменения систем не только в направлении их дезорганизации и разрушения, но и самоорганизации и становления порядка.

Классическая термодинамика хотя и ввела понятие необратимости и «стрелы» времени, но эта «стрела» была направлена в сторону увеличения энтропии системы, а тем самым возрастания в ней беспорядка и дезорганизации. Однако такое понимание времени не согласуется как с представлениями здравого смысла, так и теориями биологической эволюции и социального развития.