Тема 6. Самоорганізація (2, 2’ год) Лекція №13 – Самоорганізація (2, 2’ год)

План

1. Природно-наукові засади та сутність синергетики і ентропії.

2. Самоорганізація як ґрунтовний процес природи та її антиентропійна спрямованість.

3. Синергитична концепція самоорганізації. Основні положення синергитичної концепції самоорганізації. Аттрактори, біфуркація, фрактали, детермінований хаос. Процеси самоорганізації. Необерненість і неповторюваність самоорганізації. Принципи самоорга­нізації: принцип від'ємного зворотного зв'язку; принцип позитивного зворотного зв'язку. Спонтанність і випадковість.

4. Гнучкість організації, процесу (гнучкість орієнтації й реалізації), та системи (фактори й результати гнучкості системи). Виробнича гнучкість (фактори та функціональні й структурні ознаки виробничої гнучкості).

5. Сталість організації (Статична й динамічна сталість. Типи сталості: внутрішня, зовнішня й спадкова сталості; кількісна й структурна сталості).

КЛЮЧОВІ СЛОВА: синергетики, ентропія, самоорганізація, аттрактори, біфуркація, хаос, упорядкованість.

1. Природно-наукові засади та сутність синергетики та ентропії

Питання про виникнення з простого складного вважається в науці одним з найскладніших. Лише у другій половині XX ст. наука стала освоювати складні системи теоретично. У зв'язку з цим з'явилася особлива наука, синергетика, теорія самоорганізації складних систем. Слово «синергетика» давньогрецького походження, в перекладі на російську мову означає «співпраця, спільна дія».

Термін «синергетика» ввів у науковий обіг англійський фізіолог Ч.С. Шеррінгтон більше ста років тому.

На відміну від більшості нових наук, що виникали, як правило, на стику двох раніше існуючих і характеризуються проникненням методу однієї науки в предметі іншої, синергетика виникає, спираючись не на граничні, а на внутрішні точки різних наук, з якими вона має ненульові перетину: в вивчаються синергетикою системах, режимах і станах фізик, біолог, хімік і математик бачать свій матеріал, і кожен з них, застосовуючи методи своєї науки, збагачує загальний запас ідей і методів даної науки.

Цю особливість синергетики детально охарактеризував Хакен: «Дана конференція, як і всі попередні, показала, що між поведінкою абсолютно різних систем, що вивчаються різними науками, існують справді дивовижні аналоги. З цієї точки зору дана конференція служить ще одним прикладом існування нової галузі науки - синергетики. Зрозуміло, Синергетика існує не сама по собі, а пов'язана з іншими науками принаймні двояко.

По-перше, вивчаються синергетикою системи відносяться до компетенції різних наук. По-друге, інші науки привносять в Синергетика свої ідеї ».

Професор Г.Н. Дульнев наводить кілька варіантів визначень цього нового наукового напрямку:

синергетика - наука про самоорганізацію фізичних, біологічних та соціальних систем;

синергетика - наука про колективне, когерентном поведінці систем різної природи;

синергетика - наука про нестійких станах, що передують катастрофи, та їх подальшому розвитку (теорія катастроф);

синергетика - наука про універсальні закони еволюції в природі і суспільстві.

Область досліджень синергетики чітко не визначена і навряд чи може бути обмежена, оскільки її інтереси поширюються на всі галузі природознавства, загальною ознакою є розгляд динаміки будь-яких необоротних процесів і виникнення принципових новацій.

Поняття ентропії було вперше введено в науку Клаузиусом в 1865 р. як логічний розвиток термодинаміки Карно.

Ентропія знаходиться у всьому. У природі, в людині, в різних науках. Навіть зародження людини в утробі матері починається з хаосу. Ентропію також можна пов'язати з утворенням планети, тому що до появи Бога на Землі всі природні явища і все, що було на планеті, перебувало у високому ступені ентропії. Але по закінченню семи днів, планета придбала впорядкований вигляд, тобто є все встало на свої місця.

Сьогодні в літературі зустрічається, щонайменше, чотири форми ентропії:

По-перше, ентропія як міра невизначеності стану будь цілком впорядкованої фізичної системи, або поведінки будь-якої системи, включаючи, живі й неживі об'єкти та їх функції. Саме ця форма ентропії, пов'язана з невизначеністю стану системи, знаходить останнім часом найбільшого поширення при дослідженні, як живих, так і неживих об'єктів і процесів.

По-друге, термодинамічна ентропія мікрочастинок, або молекулярного (мікроскопічного) множини.

По-третє, інформаційна ентропія, або невизначеність інформації, тобто відомостей про деяку інформаційній системі. Відомо, що збіг по виду формул для ентропії та інформації послужило підставою для твердження, що ентропія є відсутня інформація про стан системи. Було запропоновано використовувати термін негентропії як тотожної пов'язаної інформації про стан системи. Негентропії не є негативною ентропією, або антиентропія, як іноді помилково вважають деякі вчені.

Різниця масштабів ентропії та інформації пов'язана з їх принциповою відмінністю, а саме: ентропія - це міра безлічі тих станів системи, про перебування в яких система повинна забути, а інформація - це міра безлічі тих станів, про перебування в яких система повинна пам'ятати.

По-четверте, ентропія, або невизначеність поведінки, будь-який не цілком впорядкованої системи аж до макроскопічних множин.

Очевидним прикладом ентропії може являти інформації та логічне мислення, яку поглинає людина. Логічне судження людини не може здійснюватися без підведення негативної ентропії. Чим людина менше знає про будь-який предмет, тим більше хаосу і плутанини в його голові, але в міру того як інформація наростає і її стає більше, тим більше людина починає розуміти і усвідомлювати. І цей приклад також призводить ентропію в нульовий стан.

І ще одним наочним прикладом можна розглянути харчування людини. У кожному куточку країни люди різняться між собою національністю, місцем проживання і, звичайно ж, харчуванням. Якщо подивитися середній рівень життя людей в горах і на забруднених вулицях США, де завжди стовпотворіння людей і людині нема чим дихати, як тільки газами, то можна побачити суттєві відмінності. Якщо в горах людина п'є чисту гірську воду, в США воду, в якій достатньо бактерій, які можуть з лишком заразити або навіть вбити людину, ну а в кращому випадку, несприятливо позначитися на здоров'ї людини. Також, якщо поставити поруч людину з гір і людини з США, то природно знайдуться очевидні відмінності у зовнішності цих людей. Людина з гір набагато молодше буде виглядати і красивіше.

Цей приклад, також був показу відомим вченим на щурах. Одні з яких, пили чисту джерельну воду, а інші пили алкоголь. І ті, які пили алкоголь, через деякий час з'явилися проблеми зі здоров'я. А ті, які пили чисту джерельну воду, були бадьорі, веселі, грайливі і вони ніколи не підходили до алкоголю.

Ще один приклад, пов'язаний з ентропією вже з фізики. Всім відомо, що в рідині частинки рухаються в хаотичному порядку, тобто точка ентропії на межі. У міру того, як рідке тіло починає замерзати, ентропія стає все менше і менше. Так як частинки починають рухатися повільніше, і коли рідина замерзає, ентропія дорівнює 0. Бо між частинками утворюються нерозривні зв'язки.

Фізична ентропія є мірою енергетичної упорядкованості об'єкта і являє собою функцію від числа їх можливих станів.

Будь-яке підвищення впорядкованості об'єктів веде до зниження їхньої сукупної ентропії, і навпаки.

Розуміння фізичного змісту ентропії ускладнене тим обставиною, що її значення не може бути виміряна ніяким приладом, але зате обчислюється. Твердження про існування ентропії зазвичай відносять до другого закону термодинаміки. Більш ніж 100-річний досвід використання поняття ентропії в термодинаміці підтверджує правильність уявлення про неї як про фізичний величиною, зміна якої (в рівноважних процесах) однозначно пов'язане з наявністю обміну енергією у формі теплоти.

Відомо, що абсолютне значення ентропії різних речовин, при різних температурах, можна визначити на основі третього закону термодинаміки. Цей закон встановлює також початок відліку ентропії і тим самим дозволяє обчислити абсолютне значення ентропії.

Таким чином, виявилося, що поняття ентропії є одним з фундаментальних властивостей будь-яких систем з імовірнісним поведінкою. У теорії інформації ентропія як міра невизначеності результату експерименту була введена американським ученим К. Шенноном в 1949 р.

Поняття узагальненої ентропії представляє такі найбільш загальні властивості дійсності, як невпорядкованість і впорядкованість, невизначеність і визначеність, хаос і порядок.

Будь-яке явище двояко, і воно одночасно містить в собі деяку хаотичну, броунівський складову і впорядковану складову, як складову хаосу, так і порядку.