1) Открытость

Открытость характеризуется обменом веществом, энергией и информацией с окружающей средой (т.о. реализуется процесс метаболизма).

N.B! По критерию взаимодействия со средой можно выделить три типа систем: изолированные, замкнутые и открытые. Изолированные системы никоим образом не взаимодействуют с окружающей средой (хотя это является лишь хорошо работающим приближением; ведь при рассмотрении конкретного явления нас интересует лишь вполне определенные свойства: если нас интересует динамика численности популяции живых организмов, мы, как правило, оставляем в стороне то, что, собственно, и делает их живыми – необходимость потреблять кислород, солнечную энергию, отводить продукты жизнедеятельности и т.д. так что взаимодействие, безусловно, есть).

Замкнутые, вообще говоря, тоже взаимодействуют со средой, но по экстенсивным переменным. Открытые – взаимодействуют, т.е. имеют интенсивные переменные – соответствующие определенным значениям в каждой точке системы (иногда одно и то же). Примерами открытой системы могут служить открытый проточный химический реактор, в который непрерывно вводятся реагирующие вещества и из которого непрерывно выводятся продукты реакции (или организм).

2) существенная неравновесность

В термодинамике постулируется, что изолированная макроскопическая система с течением времени приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда самопроизвольно из него выйти не может. В этом состоянии все термодинамические величины постоянны во времени, т.е. являются стационарными. Они описываются линейными лапласовскими (причинно-следственными) законами.

N.B! Термодинамика, по сути, есть наука, изучающая термодинамическое равновесие.

Пока система не достигла состояния динамического равновесия, она является неравновесной. Если некоторые параметры системы изменяются, мы говорим, что в такой изолированной системе происходит процесс. Очевидно, что в изолированной системе после установления термодинамического равновесия какие-либо процессы отсутствуют.

Открытая система не может быть равновесной, потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается.

N.B! Для реализации какого-либо процесса в изолированной системе мы должны воздействовать на систему извне, изменяя значения каких-нибудь переменных. Затем мы можем предоставить систему самой себе (т.е. вернуть ей изолированность). При этом возможны два случая: первый - это возвращение в равновесное состояние. Такой процесс называется обратимым. В результате обратимых процессов, происходящих внутри системы, внутренняя энергия системы измениться не может, для изолированной системы в случае термодинамического равновесия она есть величина постоянная, постулируемая первым началом термодинамики (в случае обратимого процесса изменение энергии системы возможно лишь за счет взаимодействия с окружающей средой).

Во втором случае мы будем иметь дело с неравновесным процессом – необратимым (например, мутация какого-либо организма). Все реальные процессы необратимы, поскольку приходится учитывать изменение систем во времени. Это говорит о том, что необратимые процессы эволюционируют в определенном направлении. Эта временная направленность конкретизируется во втором начале термодинамики.

Второе начало говорит о том, что все процессы, происходящие внутри системы, приводят к увеличению энтропии, и это увеличение будет происходить до тех пор, пока система не достигнет состояния, в котором энтропия имеет максимальное значение, поскольку внутренняя энергия системы рассеивается.

3) Диссипативность системы

Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо нее поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или даже уменьшаться. Характерное нарастание энтропии, связанное с диссипацией (рассеиванием энергии), говорит о том, что мы имеем дело с неравновесным необратимым процессом. При определенных значениях параметров, характеризующих систему, она перейдет в критическое состояние, сопровождаемое хаосом, потерей устойчивости. Критические точки, вблизи которых система ведет себя неустойчиво, называют точками бифуркации Хопфа. В этих точках система осуществляет смену режима развития или движения.

Выход из критического состояния осуществляется через скачок, т.е. резко, и система переходит в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности. Скачок – крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы вызывают очень сильное изменение состояние системы, и переход ее в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Нелинейные процессы зависят от свойств среды, поэтому их нельзя предсказать, они описываются вероятностными, т.е. статистическими законами.

Такие неравновесные фазовые переходы осуществляются под воздействием малых флуктуаций (в переводе – ветвление, случайное отклонение величины от среднего значения).

N.B! Уходя все дальше от состояния термодинамического равновесия, у нас появляются новые стационарные состояния, доселе не существовавшие, – происходит так называемая бифуркация. По определению, это приобретение нового качества движения динамической системы. Математически это означает «ветвление» старого решения, возникновение нового.

Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения, как вероятностных представлений, так и классического лапласовского детерминизма (линейного и однозначного). Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль начинают играть флуктуации, которые и определяют, какой из путей дальнейшего развития выберет система.

Наиболее вероятностные варианты ситуации называются областью притяжения аттрактора, а сам конечный результат – аттрактором.

N.B! Если мы меняем начальные условия системы, по сравнению с контрольными параметрами, то система придет в тот аттрактор, в области притяжения которого она находится. Представим, что система – это шарик, находящийся на склоне ямы. Система попадет на дно той «ямы», на склоне которой она находится в начальный момент времени. Пока аттрактор один, система будет находиться в нем. Проблема возникнет в точке бифуркации, когда система находится как бы на водоразделе между многими «ямами». И то, в какую она скатится, определяется случайными факторами – флуктуациями. Куда систему качнет, туда она и скатится. Ситуация напоминает витязя на распутье – можно пойти прямо, налево или направо с одинаковыми по масштабу неприятностями, – и его решение во многом случайно.

Итак, если неравновесная, нелинейная, система достаточно удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации будут усиливаться и в конце концов приведут к разрушению прежнего порядка или структуры, а тем самым и к возникновению новой системы. Структуры и системы, возникающие в результате таких процессов, И.Р.Пригожин назвал диссипативными, поскольку они образуются за счет диссипации, или рассеивания энергии, использованной системой, и получения из окружающей среды новой, свежей энергии.

N.B! Существуют также случаи самоорганизации иного типа, в которых переход к новым структурам не связан с диссипацией. Например, увеличивая напор воды путем открытия водопроводного крана, мы можем наблюдать переход от плавного ламинарного течения течения жидкости к бурному турбулентному. Иногда даже наблюдаются случаи, когда возникновение новых структур происходит за счет увеличения энтропии самой системы. Так происходит, например, процесс образования кристаллов из жидкости, снежных хлопьев и биологических мембран.

Нелинейная неравновесная механика. Теория самоорганизации – синергетика – заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем и природы в целом. В этом процессе необходимо выделять две фазы: плавную эволюцию, ход которой достаточно закономерен и жестко детерминирован, и скачки бифуркации, протекающие случайным образом и поэтому случайно определяющие последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке.

Поведение системы до термодинамического равновесия остается строго детерминированным до точки бифуркации, в которой система должна выбрать новый аттрактор. Этот выбор случаен, и мы можем говорить лишь о вероятности возникновения той или иной структуры. Полностью детерминированный процесс сменяется стохастическим. У нас появляется горизонт событий – поведение системы между двумя точками бифуркации, когда поведение системы полностью предсказуемо. За его пределами точные предсказания уже невозможны. Поскольку большинство реальных систем, существующих в земных условиях, являются как раз теми, изучением которых занимается синергетика, можно сказать, что лапласов детерминизм оказывается ограниченным и полное описание процессов, которые произойдут в будущем или происходили в прошлом, оказывается невозможным. Таким образом, проявляется ситуация, принципиальная для нелинейных систем – возможность множественности состояний, множественности путей развития. Это создает совершенно новую парадигму, парадигму нелинейности, выразителем которой и является синергетика.

Тем самым можно сказать, что в начале эволюции мира были заданы основные законы, действующие в этом мире, а сама эволюция не следовала какому-то конкретному плану, а происходила во многом случайно, согласно стохастическим закономерностям.

N.B! При этом, например, жизнь можно рассматривать как результат самоорганизации, а присущую биологическим молекулам (например, аминокислотам) хиральную асимметрию (т.е. выбор между «правой» и «левой» симметрией – молекулы ДНК имеют форму винтовой линии, закрученной влево) как переход на соответствующую ветвь в точке соответствующей бифуркации. Тем самым в процессе этого перехода у нас произошло нарушение хиральной симметрии. Если бы в этой точке была выбрана другая ветвь, другой аттрактор, биологические молекулы бы обладали бы другой хиральностью.

Аналогично можно предположить, что в процессе расширения Вселенной вещество, первоначально находившееся в симметричном состоянии, эту симметрию утратило – в результате неравновесного фазового перехода выбор был осуществлен между тем, что мы сейчас понимаем под веществом, и антивеществом в пользу первого. Антивещество проявляется сейчас лишь в виде флуктуаций.

Чтобы разобраться в современном понимании феномена хаоса и в происшедших с этим понятием за последнее время изменениях, необходимо вернуться в науку XVII – XIX вв., когда доминировала механистическая парадигма. В ней все процессы пытались объяснить путем сведения их к законам механического движения материальных частиц. Предполагалось, что эти частицы могут двигаться, не взаимодействуя друг с другом, а самое главное – их положение и скорость движения будут точно и однозначно определенными в любой момент в прошлом, настоящем и будущем, если заданы их начальное положение и скорость.

В таком механическом описании время не играет никакой роли, поэтому его знак можно менять на обратный. Вследствие этого подобные процессы стали называть обратимыми. Однако в большинстве случаев приходится учитывать изменение систем во времени, т.е. иметь дело с необратимыми процессами. Так впервые в физическую науку были введены понятия времени и эволюции, связанные с изменением систем.

N.B! Впервые такие процессы стали изучаться в термодинамике, которая начала исследовать принципиально отличные от механических тепловые явления. Тепло передается от нагретого тела к холодному, а не наоборот. С течением времени оно равномерно распределяется в теле или окружающем пространстве. Все эти явления нельзя было описывать без учета фактора времени. На такой феноменологической основе были сформулированы исходные начала, или законы, классической термодинамики, среди которых важнейшую роль играет закон энтропии.

Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы. Поэтому, в отличие от свободной энергии, она представляет собой деградированную, отработанную энергию.

Согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе постоянно возрастает и в конечном счете стремится к своему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы, а тем самым и о времени ее изменения.

Но понятие эволюции в классической термодинамике рассматривается совершенно иначе, чем в общепринятом смысле. Это стало очевидно после того, как немецкий ученый Л.Больцман стал интерпретировать энтропию как меру беспорядка (хаоса) в системе. Таким образом, второй закон термодинамики можно было сформулировать так: замкнутая система, предоставленная самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации. Хотя чисто формально дезорганизацию можно рассматривать как самоорганизацию с отрицательным знаком, или самодезорганизацию, тем не менее такой взгляд ничего общего не имеет с содержательной интерпретацией самоорганизации как процесса становления качественно нового, более высокого уровня развития системы. Но для этого необходимо было отказаться от таких далеко идущих абстракций, как изолированная система и равновесное состояние.

Очевидно, что для объяснения процессов самоорганизации необходимо было ввести новые понятия и принципы, которые адекватно описывали бы реальные процессы самоорганизации, происходящие в природе и обществе. Этим занимается нелинейная неравновесная механика.

В начале 60-х годов Е.Лоренц, изучая компьютерные модели предсказания погоды, пришел к важному открытию, что уравнения, описывающие метеопроцессы, при почти тех же самых начальных условиях приводят к совершенно разным результатам. А это свидетельствовало о том, что детерминистская система уравнений обнаруживает хаотическое поведение. Отсюда был сделан вывод, что хаос тоже характеризуется определенным порядком, который, однако, имеет более сложный характер. Его можно рассматривать как вид регулярной нерегулярности.

N.B! Как мы уже отмечали, в состоянии теплового равновесия, или состояния теплового хаоса, мы имеем полностью однородное распределение, в котором частицы, составляющие систему, абсолютно нескоррелированы, т.е. поведение их абсолютно независимо. По мере удаления от равновесного состояния вследствие изменения эти корреляции появляются, и роль их будет тем больше, чем дальше мы от этого состояния. Это означает, что при любой флуктуации в нее будет вовлекаться все большее число частиц и корреляции будут носить все более дальнодействующий характер: можно сказать, что корреляции все более и более организуют систему. Роль флуктуаций по мере удаления от равновесия все возрастает. Тем не менее, вдали от точки бифуркации флуктуации будут подавляться. Жизнеспособными окажутся только те, симметрия которых соответствует симметрии возникающей структуры. Поскольку таких симметрий возможно несколько, то возникнет та структура, для которой первой возникнет соответствующая флуктуация. Поскольку флуктуации ассоциируются у нас с хаосом, беспорядком, можно сказать, что в точке перехода у нас из хаоса рождается порядок. В этом смысле в точке бифуркации хаос играет конструктивную роль.

Отсюда получается очень важное следствие. Как мы уже отмечали, вдали от точки перехода всякое внешнее воздействие будет подавляться, в этом смысле оно может быть приравнено к флуктуации, и поведение системы будет определяться ее внутренними свойствами. В точке же перехода такое воздействие, как и роль случайных факторов, приобретает решающую роль при определении режима, устанавливающегося в системе. Если мы хотим изменить поведение системы, делать это надо в точке неустойчивости. При этом надо помнить, что тем не менее наше воздействие окажется ограниченным – система выберет один из тех режимов, которые в ней уже заложены.

С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика вывела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для макроскопического уровня. Синергетика подтверждает вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались те макросистемы, в которых мы живем.

С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, но энергия сейчас может пониматься не только как механическая работа, но и как созидатель новых структур. Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества. Она характеризует результат. Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. И наконец, синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации.

В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее распространение не только в естествознании, но и в социально-гуманитарном познании. Поскольку большинство наук изучают процессы эволюции систем, они вынуждены анализировать и механизмы их самоорганизации.

N.B! И.Пригожин настаивает на необходимости нового диалога с природой. собственно, по его мнению, этот диалог уже идет и прежде всего в результате изучения механизмов эволюции неживых систем в рамках новой науки – синергетики. Человек ставит опыты, ищет объяснение их результатам, но сам себя частью изучаемой природы не считает. Он – вне ее, выше. Теперь же начинают изучать природу изнутри, учитывать и наше личное присутствие во Вселенной, принимать во внимание наши чувства и эмоции. И далее, говоря о сути синергетического взгляда на мир, пишет: «Будущее при нашем подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем».

Лекция 12. Кибернетика.

1. Предпосылки возникновения кибернетики.

2. Учение Н.Винера. Основные принципы кибернетики.

3. Многообразие направлений кибернетики.

Окружающий мир наполнен случайностями, но тем не менее он оказывается достаточно организованным и во многих отношениях упорядоченным. Дезорганизующему действию случайностей противостоит организующее действие процессов управления и самоуправления.

Под управлением в самом общем виде понимают совокупность действий, осуществляемых человеком, группой людей или автоматическим устройством. Эти действия направлены на поддержание или улучшение работы управляемого объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления.

Управлять – значит влиять на ход какого-либо процесса или состояние некоторого объекта и его положение в пространстве. Управление является всегда целенаправленным действием, и цель его задается наперед.

Взаимоотношения случайного (дезорганизации, разупорядочивания, рассогласования) и управления носят характер активного противоборства, и это обстоятельство требует от управления гибкости, способности перестраиваться по ходу дела. Для перестройки необходимо, чтобы управляющее устройство все время получало информацию о результатах управления и в соответствии с этим корректировало свои воздействия на систему.

N.B! Под информацией обычно понимают сведения, знания, сигналы, сообщения – в общем, все то, что используется для управления.

Как правило, в процессе управления реализуется определенная схема. Орган управления получает информацию о цели управления и о состоянии объекта управления и формирует управляющие воздействия, подбирая их так, чтобы в результате свести к минимуму рассогласование между заданной целью и достигнутым на данном шаге результатом. Информация о состоянии объекта управления называется обратной связью, а каналы, по которым эта информация поступает в орган управления, называются каналами (или цепями) обратной связи. А сама схема носит название регулятора с обратной связью, или следящей системы.

По сути, любая реальная схема управления предполагает наличие обратной связи, т.е. канала (или каналов) передачи информации. Управление без обратной связи неэффективно и фактически всегда нежизнеспособно. В более сложных случаях, при многошаговом управлении критерий минимизации рассогласования достигается лишь после нескольких шагов управления.

Благодаря развитию науки и техники современный человек оказался в окружении огромного количества разнообразных управляемых систем, которые оказываются все более и более сложными, а их функциональные возможности становятся все более богатыми. Поэтому на первый план выдвигается исследование именно функциональных возможностей систем. Исследование же внутренней структуры отступает на второй план, тем более что во многих случаях подобное исследование в полном объеме оказывается практические невозможным из-за сложности систем.

Таким образом, главной задачей становится изучение общих закономерностей процессов управления, когда независимо от целей управления, от природы исполнительных и управляющих органов процесс управления всегда характеризуется наличием одного или нескольких замкнутых контуров (прямой или обратной связи), когда по цепям прямой связи к объекту поступает управляющая информация, а по цепям обратной связи – информация о состоянии объекта управления и о том, в какой степени достигнуты (или не достигнуты) цели управления, привела к возникновению кибернетики – научного направления, изучающего общие свойства управления.

Создание кибернетики обычно связывают с именем Норберта Винера.

N.B! В 1948 г. в США и Европе вышла его книга «Управление и связь в животном и машине», ознаменовавшая свои появлением рождение этого нового научного направления. В СССР разработками в этой области занимались И.Полетаев, М.Цетлин, В.Глушков, А.Берг, И.Петровский, А.Колмогоров и др.

Надо сказать, что термин «кибернетика» встречается уже у Платона, где означает искусство управления кораблем (в переводе с греческого кибернетика – «кормчий»). Французский физик А.М.Ампер, занимаясь классификацией наук, поместил в своей системе в рубрике за номером 83 науку, назвав ее кибернетикой, которая должна исследовать способы управления государством. Сегодня термин используется только в том смысле, какой был дан ему Н.Винером.

Кибернетика есть наука об общих закономерностях процессов управления и связи в сложных системах, включая как машины, так и живые организмы. Основными в данной научной дисциплине являются понятия управления и информации.

Н.Винер впервые выдвинул идею о том, что системы управления в живых и искусственных системах обладают многими общими чертами. Установление аналогий обещало создание «общей теории управления», результаты которой могли бы использоваться в самых разнообразных системах. Такая общность позволяет успешно описывать функционирование различных систем едиными формальными средствами и использовать системы одной природы для моделирования и изучения других систем, формальные описания которых оказываются идентичными. Это объясняет большое значение моделирования, которое является одним из основных методов исследования в кибернетике.

С появлением компьютеров, способных единообразно решать самые разные задачи, эта идея получила подкрепление. Универсальность компьютерных вычислений наталкивала на справедливость гипотезы о существовании универсальных систем управления. Эта гипотеза не выдержала проверку временем, тем не менее, накопленные в кибернетике сведения о самых разных системах управления, общие принципы, которые частично удалось обнаружить, замена узкопрофессиональной точки зрения на взгляд с позиции общности внешне разнородных объектов и систем принесли большую пользу.

Категория «управление» является базисной категорией кибернетики. Все другие категории субординированы ею. Смысл категории «управление» в кибернетике может быть раскрыт только через более общие категории структуры и функции, причинности и целесообразности и других «невнутренних» категорий кибернетики. В общем случае управление в кибернетической системе представляет собой цикл, совершаемый в контуре информационных обменов, состоящего из органа управления, каналов прямой и обратной связи.

N.B! Управляющие воздействия представляют собой информацию управления (информацию о дальнейших надлежащих действиях объекта управления). Сведения о состоянии объекта и другие данные, поступающие от объекта органу управления, являются информацией состояния. Фактически управление - это совокупность процесса сбора, обработки, преобразования и передачи информации для осуществления целенаправленного функционирования любой кибернетической системы, которая должна осуществлять такие процессы и включать в себя исполнителя, источник-накопитель энергии, источник и приемник сигналов, систему передачи сигналов от источника к исполнителю.

В предельном состоянии кибернетическая система полностью неопределенна с максимумом энтропии. В процессе функционирования системы, при потреблении ею энергии она потребляет информацию, уменьшающую разнообразие (неопределенность) и делающая поведение системы предсказуемым; энтропия уменьшается.

N.B! Поступление информации позволяет управлять кибернетическими системами. Информация уменьшает разнообразие, а это - главный метод регулирования. Наличие в кибернетической системе помех в каналах информационных обменов («шума») ведет к увеличению разнообразия (энтропии), не увеличивая содержания информации. Если энтропия кибернетической системы возрастает, то система деградирует. Для противодействия деградации в кибернетическую систему за счет затрат энергии вводят негэнтропию (дополнительную информацию), т.к. естественным состоянием любой системы, обладающей способностью изменять свои стохастические характеристики, является рост энтропии (потеря информации).

Для кибернетики центральное значение имеет понятие «информация», является обозначением «содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств». Т.е. для Винера информация - это знание, имеющее одну ценностную меру по отношению к внешней среде (семантика) и другую ценностную меру по отношению к накопленным получателем знаниям, целям познания (прагматика).

N.B! При этом Винер интерпретировал любую информацию, вне зависимости от ее конкретного содержания и назначения, как выбор между двумя или более значениями, наделенными известными вероятностями (селективная концепция информации), что позволило начать исследования всех процессов, при помощи разработанного им единого аппарата математической статистики (откуда берет начало идея о кибернетике как общей теории управления и связи).

В кибернетике связь - это процессы восприятия информации, ее хранения и передачи; управление - это процессы переработки воспринятой информации в сигналы, корректирующие функционирование кибернетической системы. Если система в состоянии самостоятельно воспринимать и применять информацию о результатах своего функционирования, то такая система обладает средствами обратной связи, причем переработку такого рода информации в сигналы, корректирующие функционирование системы, называют контролем (регулированием). Осуществляющие связь, управление или контроль элементы кибернетической системы рассматриваются в К. исключительно как носители (преобразователи) информации. Определяющее значение имеет в кибернетике понятие «количество информации» (количество выбора), введенное в явной форме основоположником теории информации К.Э.Шенноном. Количество информации (по Винеру - отрицательная энтропия) является, как и количество вещества, и количество энергии, одной из фундаментальных характеристик явлений природы.

В кибернетике постулирован принцип единства информации и управления (базисно важный для анализа сущности процессов, протекающих в самоорганизующихся технических и биосоциальных системах). Винер полагал, что процесс управления в таких системах является процессом переработки некоторым центральным устройством информации, получаемой от сенсор-рецепторов (источников первичной информации) и передачи ее туда, где она будет восприниматься как требование выполнения определенного действия.

Второе основание кибернетики - интерпретация ее Винером как теории организации, теории борьбы с мировым Хаосом, с возрастанием энтропии.

N.B! В процессе эволюции живых организмов возникли тончайшие механизмы хранения огромного количества информации в ничтожных объемах памяти (например, механизм наследственности, сохраняющий в одной клетке весь запас видовых признаков взрослого организма), а также механизмы, способные воспринимать и перерабатывать огромное количество новой информации с ничтожной затратой энергии (например, механизмы памяти и мышления в коре головного мозга) ...". Функционирующий элемент кибернетической системы воспринимает информацию из внешней среды и применяет ее для выбора адекватного поведения. По Винеру, информация никогда не создается, она только передается и принимается, но при этом искажается "шумом" (помехами) на пути к объекту и внутри его; и для этого объекта может быть потеряна. Борьба с энтропией - это борьба с "шумом", искажением информации (выступающим как бы "семантической сущностью" материи, которая при этом отождествляется с одновременно взаимодействующими веществом, энергией, информацией и знаниями, которые все находятся во взаимопереходах из одного в другой в соответствии с законами сохранения; причем в этих взаимодействиях вещество выступает "носителем" знания, а энергия выступает "носителем" информации).

На современном этапе развития кибернетики в состоявшихся как научное направление работах по созданию искусственного интеллекта (кибернетического разума), обнаруживается спектр самых разнообразных взглядов на возможность построения рассуждающих систем, основанных на знаниях. Рассматривая возможность создания искусственного интеллекта (кибернетического разума) на основе кибернетического моделирования, необходимо отметить то, что в К. моделируются только функции мозга, поддающиеся логической обработке (т.е. связанные с получением, обработкой и выдачей информации). Все остальные самые разнообразные функции человеческого мозга остаются за рамками кибернетики. Например, многие понятия К. антропоморфны: на кибернетические системы перенесены (правомерно или нет) понятия цели, выбора, решения, условного рефлекса, памяти и др. Однако существуют такие функции человека, которые не могут выполняться компьютерами.

Основные направления кибернетики. В кибернетике можно выделить ряд научных направлений. В современном обществе кибернетика уступила лидирующие позиции информатике, решающей многие задачи, впервые поставленные кибернетикой. Тем не менее, значение кибернетики сохраняется и поныне.

Теоретическая кибернетика занимается общими проблемами теории управления, теории информации, вопросами передачи, защиты, хранения и использования информации в системах управления. Многие проблемы теоретической кибернетики изучаются в теоретической информатике. Кибернетика может рассматриваться как прикладная информатика в области создания и использования автоматических или автоматизированных систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом до сложнейших систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом до сложнейших систем управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, системами связи и даже сообществами людей.

Техническая кибернетика – другое наиболее активно развивающееся направление. В ее состав входит теория автоматического управления, исследующая проблемы автоматизации процессов, и в частности проблемы самоуправления в сложных системах. Сложные объекты управления требуют специальных приемов и методов, опирающихся на идеи технической диагностики, распознавания образов, ситуационного управления, коллективного поведения автоматов.

Еще одно направление тесно связывает кибернетику с биологией. Биологическая кибернетика применяет идеи и методы кибернетики в биологии и медицине. Аналогии между живыми и неживыми системами многие столетия волнуют ученых.

Особое место в этом направлении исследований играет нейрокибернетика, изучающая проблемы переработки информации в нервной ткани животных и человека, а также бионика – наука о том, как находки живой природы, реализованные в живых организмах, можно переносить в искусственные системы, создаваемые человеком. Важнейшим моментом в развитии бионики стали идеи американских нейрофизиологов У.Маккалока и Питса.

N.B! Информационно-кибернетический подход к биологическим объектам стимулировал исследования процессов управления, передачи и переработки информации в биологических объектах, исследования по управлению движениями, по переработке информации в рецепторных и анализаторных проблемах, воспринимающих и распознающих информацию, исследования нейронов и нервных сетей, изучение поведения живых организмов и их сообществ, ориентацию животных.

Еще одна наука – гомеостатика – наука о достижении равновесных состояний – при наличии многих действующих факторов связывает модели биологической кибернетики и технической кибернетики. Свое название гомеостатика получила от греческих слов «homeo» - постоянство и «statis» - состояние. Понятие «гомеостаз» применительно к физиологии было введено американским физиологом У.Кенноном задолго до появления кибернетики. Позже американский кибернетик У.Эшби создал самоорганизующийся регулятор, способный поддерживать постоянство выходного параметра при больших изменениях входных параметров, характеризующих внешнюю среду. Он назвал этот регулятор гомеостатом. С тех пор понятие гомеостата стало широко использоваться в теории автоматического регулирования, а потом и в других науках. Гомеостатика – новая ветвь кибернетики, изучающая системы с внутренними противоречиями.

N.B! Противоречие, как диалектическая причина развития систем всех уровней организации, кроме этой эволюционной функции, позволяет системе быть не только весьма чувствительной к изменениям внутренней и внешней среды, но и ультрастабильной, в том числе, по отношению к проникающим помехам. Стабильность возникает за счет такого регулирования противоречием, когда в системах по всем жизненно важным параметрам возникают так называемые широкие зоны компенсаторного и адаптивного регулирования под изменившиеся условия ― норма реакции, а также структурно обусловленной компенсации помех. Такое явление в биологии получило название гомеостаза ― явление динамического поддержания постоянства внутренней среды.

Таким образом, в отличие от технических систем, развиваемых человеком, Природа не избегает противоречий, а использует их как конструктивный принцип многомерной гармонизации на всех иерархических уровнях своего строения.

Гомеостатика сумела построить модель, наиболее близко отражающую общие принципы природной регуляции в системах. Так как гомеостатический принцип управления един для всех иерархических уровней природных систем, не зависимо от конструктивных материальных элементов и энергетических носителей, он формирует функциональные фракталы.

Не только живые организмы, но и т.н. сложные системы (экологические, социальные, производственные) в той или иной мере гомеостатичны – и у каждой есть свои жизненно важные параметры, которые необходимо поддерживать в определенных границах при допустимых изменениях внешней среды.

N.B! Кибернетика интересуется общими принципами управления в объектах различной природы. Поэтому ее весьма интересуют равновесные состояния в таких системах и способы их достижения. Равновесие тесно связано с идеей устойчивости, а именно устойчивость и способность сохранять длительное время свою форму, структуру и жизнедеятельность – характерное свойство не только живых, но и целесообразных искусственных систем. Теория автоматического управления в своей значительной части есть наука о достижении устойчивых состояний и способах их сохранения. Особенно сложен случай, когда равновесие достигается путем взаимодействия многих систем. Модели поведения автоматов в случайных средах и коллективного поведения оказываются по своим идеям во многом близкими для гомеостатических моделей.

Экономическая кибернетика – также одна из развивающихся областей кибернетики. В 20-е гг. ХХ столетия впервые были предложены математические соотношения для описания глобальных экономических процессов. С этих пор начала развиваться математическая экономика, которая при появлении компьютеров стала наукой, где расчеты и модели экономических процессов столь же привычны, как и в ранее формализованных науках.

И наконец, социальная кибернетика изучает процессы управления, протекающие в человеческом обществе (модели распространения слухов, модели возникновения лидерства и т.п.). Это направление тесно смыкается с социальной психологией.

Концепции современного естествознания

Автор-составитель: Емельянова С.И.

Редактор: Д.ф.н. С. Н. Некрасов

Подписано в печать ____2010г. Формат 60/80 1/16

Объем п.л. тираж 300 экз. Заказ

Уральская государственная сельскохозяйственная академия 620219 г.Екатеринбург, ул.К.Либкнехта, 42.

ТОО «ИРА УТК» 620219 г.Екатеринбург, ул.К.Либкнехта, 42.