3. Синергетична концепція самоорганізації

У певної частини свого сенсу синергетика і такі поняття як самоорганізація, саморозвиток і еволюція мають спільність, яка дозволяє вказати їх усі в якості результатів синергетичного процесу. Особливо самоорганізація стійко асоціюються сьогодні з синергетикою. Однак такі асоціації мають двояке значення. З одного боку, ефект самоорганізації є суттєвим, але, тим не менш, одним з компонентів, що характеризують синергетику, з іншого - саме цей компонент додає виділений сенсу всьому поняття синергетики і, як правило, є найбільш істотним і становлять найбільший інтерес.

1. Об'єктами дослідження є відкриті системи в нерівноважному стані, характеризуються інтенсивним (потоковим, множественно-дискретним) обміном речовиною і енергією між підсистемами і між системою з її оточенням.

Конкретна система занурена в середовище, яке є також її субстратом.

2. Середа - сукупність складових її (середу) об'єктів, що перебувають в динаміці. Взаємодія досліджуваних об'єктів в середовищі характеризується як блізкодействія - контактна взаємодія. Середа об'єктів може бути реалізована в фізичної, біологічної та іншої середовищі більш низького рівня, що характеризується як газоподобная, однорідна або суцільна. (У складі системи реалізується дальнодействующіх - польове і опосередковане (інформаційне) взаємодія.)

3. Розрізняються процеси організації та самоорганізації Загальною ознакою для них є зростання порядку внаслідок протікання процесів, протилежних встановлення термодинамічної рівноваги незалежно взаємодіючих елементів середовища (також віддалення від хаосу за іншими критеріями).

(Організація, на відміну від самоорганізації, може характеризуватися, наприклад, освітою однорідних стабільних статичних структур.)

4. Результатом самоорганізації стає виникнення, взаємодія, також взаімосодействіе (наприклад, кооперація) і, можливо, регенерація динамічних об'єктів (підсистем) складніших в інформаційному сенсі, ніж елементи (об'єкти) середовища, з яких вони виникають. Система та її складові є істотно динамічними утвореннями.

5. Спрямованість процесів самоорганізації обумовлена ​​внутрішніми властивостями об'єктів (підсистем) в їх індивідуальному і колективному прояві, а також впливами з боку середовища, в яке''занурена''система.

6. Поведінка елементів (підсистем) і системи в цілому, істотно характеризується спонтанністю - акти поведінки не є строго детермінованими.

7. Процеси самоорганізації відбуваються в середовищі поряд з іншими процесами, зокрема протилежної спрямованості, і можуть в окремі фази існування системи як переважати над останніми (прогрес), так і поступатися їм (регрес). При цьому система в цілому може мати стійку тенденцію або зазнавати коливання до еволюції або деградації і розпаду.

Самоорганізація може мати в своїй основі процес перетворення або розпаду структури, що виникла раніше в результаті процесу організації.

Наведене розгорнуте визначення є якщо і не цілком досконалим, то все-таки необхідним кроком на шляху конкретизації змісту, що відноситься до синергетики, і вироблення критеріїв для створення моделюючої самоорганізується середовища.

Про співвідношення синергетики і самоорганізації слід цілком виразно сказати, що зміст, на яке вони поширюються, і закладені в них ідеї невідривні один від одного. Вони, однак, мають і відмінності. Тому синергетику як концепцію самоорганізації слід розглядати в сенсі взаємного звуження цих понять на області їх перетину.

На сучасному постнекласичному етапі розвитку науки світоглядні, методологічні та епістемологічні орієнтири минулого багато в чому вже втрачають свій сенс, потребують корегування. Здобутки наукових досліджень останнього часу все частіше свідчать про кардинальну відсутність усталених істин, про зміщення акцентів і вирішальні зміни щодо відкриття нових перспектив. Криза основ, сумнів, невизначеність і непевність – усі ці порушення рівноваги, які останнім часом стали притаманними сучасній науці, епістемології і нашій культурі загалом, – аж ніяк не означають, що дослідження увійшли у фазу стагнації, або зовсім припинили свій розвиток.

Наш час, навпаки, – це час винаходів, час відкриття нових підходів та шляхів щодо подальших пошуків і пропозицій перспективних напрямків з великим евристичним потенціалом. Яскравим прикладом останнього є становлення та зміцнення позицій синергетики (або теорії самоорганізації), яка постулює, що співіснують порядок і хаос, самоорганізація і дисипація, еволюційні та біфуркаційні фази розвитку, що Всесвіт інтегрує в собі невпорядкованість, нестабільність, сталу нерівноважність, когерентність, кооперативність, фрактальність, індетермінізм, стохастичність, турбулентність, нелінійність, незворотність процесів та явищ різноманітної природи. Ці характеристики буття досить довго не враховувались та нехтувались науковцями, і поки що вони досконало не з'ясовані, та потребують фундаментального філософського та методологічного узагальнення та осмислення, їх подальшє вивчення дозволить відійти від суворої однозначної визначеності реальності, відмовитись від жорстких принципів класичної науки – простоти, лінійності, статичності, лапласівського принципу універсального детермінізму. Абсолютизація останніх, на наш погляд, а також панування до недавнього часу в наукових дослідженнях лише редукціоністсько-аналітичного підходу призвело до врахування лише однієї сторони дійсності, ігнорування неоднозначності і складності буття, що в купі з войовничим антропоцентризмом призвело, перш за все, до екологічної кризи. Таким чином, старі методологічні підходи класичної науки здатні сьогодні демонструвати лише свою неспроможність, обмеженість та недостатню ефективність щодо аналізу, насамперед, природних та соціальних процесів та явищ.

На цьому фоні і підвищується інтерес до сучасних інформаційних, системно-структурних, глобально еволюційних концепцій, які стають в змозі деконструювати наукові цінності минулого, радикальним чином перетворити та оновити панівні парадигми, видозмінити підвалини науки й вийти з загальної наукової кризи. Особливе місце серед них займає саме теорія самоорганізації, що інтенсивно розвивається останні 25-30 років.

Під впливом синергетики сьогодні здійснюється глибока та масштабна за своїм характером революція в науковому мисленні, яка поглиблює інтердисциплінарність та взаємопроникнення методів в усіх галузях наукового пошуку, від природознавчого до соціогуманітарного, що відображає сутність сучасного етапу постнекласичної науки. Вирішальну роль в цьому процессі відіграють ідеї глобального еволюціонізму та побудова на цій основі загальнонаукової картини світу. Створенню такої картини світу сприятимуть багато важливих наукових результатів нелінійного аналізу та синергетики, пов'язаних з виникненням нових уявлень про конструктивну роль хаосу в еволюції, про механізми самоорганізації, про зв'язок хаосу на мікрорівні з еволюцією структур на макрорівні, про засоби конструювання еволюційного цілого. Їх подальший детальний аналіз дозволить дослідити єдність еволюційних процесів на всіх рівнях організації матерії.

Сутність синергетичного (синергійного) підходу полягає в дослідженні процесів самоорганізації та становлення нових упорядкованих структур. Він реалізується в дослідженні систем різної природи: фізичних, біологічних, соціальних, когнітивних, інформаційних, екологічних та ін. Предметом синергетики є механізми спонтанного формування і збереження складних систем, зокрема тих, які перебувають у стані стійкої нерівноваги із зовнішнім середовищем. У сферу його вивчення потрапляють нелінійні ефекти еволюції систем будь-якого типу, кризи і біфукацїі - нестійкої фази існування, які передбачають множинність сценаріїв подальшого розвитку.

3 позицій синергетичного підходу неможливо традиційними детерміністськими методами вивчати розвиток складноорганізованих систем. Як відомо, нестійкість системи розглядається як перешкода, що потребує обов'язкового подолання. Жорсткі причинно-наслідкові зв'язки поступального розвитку мають лінійний характер. Сучасне визначається минулим, а майбутнє - сьогочасним. Синергетичний же підхід передбачає ймовірне бачення світу, базується на дослідженні нелінійних систем. Образ світу постає як сукупність нелінійних процесів. Ідея нелінійності включає багатоваріантність, альтернативність шляхів еволюції та її незворотність. 3а допомогою синергетичного підкоду вивчають дисипативні (нестійкі, слабоорганізовані) складні системи. Суть теорії нестабільності (теорії дисипативних структур) полягає в тому, що стан нерівноваги систем спричинює порядок та безпорядок, які тісно поєднані між собою. Нерівноважні системи забезпечують можливість виникнення унікальних подій, появу історії Універсуму. Час стає невід’ємною константою еволюції, оскільки в нелінійних системах у будь-який момент може виникнути новий тип рішення, який не зводиться до попереднього. Синергетичний підхід демонструє, яким чином і чому хаос може розглядатися як чинник творення, конструктивний механізм еволюції, як з хаосу власними силами може розвиватися нова організація.

У сучасній науці "порядок" і "хаос" - цілком певні поняття.

Упорядкованість і хаос ... Дві крайності, що спостерігаються в реальному світі. З одного боку, чітка, підкоряється певному порядку зміна подій: рух планет, обертання Землі, поява комет, розмірений стукіт маятників, потяги, що йдуть за розкладом. З іншого боку, хаотичне метання кульки в рулетці, броунівський рух частинок під випадковими ударами "сусідів", безладні вихори турбулентності, що утворюються при течії рідини з досить великою швидкістю.

У природі протікає безліч хаотичних процесів, але далеко не завжди вони сприймаються як хаос. Тому спостережуваний світ здається нам цілком стабільним. Наша свідомість, як правило, інтегрує, узагальнює інформацію, сприйняту органами почуттів, і тому ми не бачимо дрібних "тремтіння" - флуктуацій - в навколишній нас природі, наприклад: літак надійно тримається в повітряних турбулентних вихори, хоча невпорядковано пульсує.

Порядок у фізичних, екологічних, економічних та будь-яких інших системах може бути двох видів: рівноважний і нерівноважний. При рівноважному порядку система знаходиться в рівновазі зі своїм оточенням; параметри які її характеризують, однакові з тими, які характеризують навколишнє середовище. При нерівноважному порядку ці параметри різні.

На перший погляд, рівноважний порядок більш стабільний, ніж нерівноважний. У самій природі рівноважного порядку закладено протидія будь-яким збурень стану системи. В термодинаміці це властивість систем називається принципом Ле Шательє-Брауна, т. е якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, впливати ззовні, змінюючи яке-небудь з умов (температура, тиск, концентрація), то рівновага зміщується таким чином, щоб компенсувати зміну.

В особі рівноважної і нерівноважної синергетики сучасна наука висловлює ідею свого роду двох станів матерії. Матерія може знаходитися в більш інертному, рівноважному стані, описуваної засобами рівноважної термодинаміки, і матерія здатна досягати деякого "порушеної", або "активованого", стану, що виражається засобами нерівноважної нелінійної термодинаміки і синергетики.

Здатність повертатися до вихідного стану - неодмінна властивість так званих саморегулівних систем.

Природа нерівноважного порядку має штучне походження і існує тільки за умови подачі енергії ззовні. Тому для підтримки порядку потрібно компенсація втрат, до яких призводять незворотні "вирівнюючі" потоки, і, отже, для цього потрібні певні енергетичні витрати. Так як перетікання тепла чи маси пов'язано з розсіюванням енергії (диссипацией), то втрати енергії, що виникають при цьому, називаються дисипативних. У відкритих системах, які обмінюються з навколишнім середовищем потоками речовини або енергії, однорідне стан рівноваги може втрачати стійкість і необоротно переходити в неоднорідне стаціонарний стан, стійкий щодо малих збурень. Такі стаціонарні стани отримали назву дисипативних структур. Наприклад: виникнення когерентного випромінювання в лазері, коли, після первісного хаотичного випромінювання і починаючи з деякою потужності накачування, атоми речовини починають випромінювати фотони однієї фази, що виражається у виникненні потужного пучка лазерного випромінювання. В умовах дисипації часто виникає порядок.

Катастрофи і біфуркації синергетичної системи

Найскладніше і, мабуть, цікаве в поведінці синергетичної системи - це наявність різного роду стрибків, або "катастроф", коли система, при безперервному зміну керуючих параметрів різко і стрибком змінює значення керованих параметрів. Виявилося, що такого роду катастрофи вдається описувати як процеси перетину особливостей на поверхні станів системи. У цьому випадку керуючі параметри належать площині проекції поверхні, а керовані параметри відчувають "біфуркацію" (роздвоєння або розмноження), вибираючи один з безлічі прообразів, створюючи нову структуру. Лише вивільнені з-під гніту старої структури елементи можуть скластися в нову впорядкованість, а проте якісна визначеність нової впорядкованості складається випадково і лише випадковим чином. Для того, щоб адекватно відобразити випадковий характер переходу від безладу до порядку, фізика становлення і вводить поняття біфуркації. Вихідними поняттями в синергетики є поняття точок біфуркацій і аттракторов.

Під точкою біфуркацій розуміється стан даної системи, після якого можливе деяке безліч варіантів її подальшого розвитку. Прикладами біфуркацій є: стан вибору людиною варіанту вступу до вищого навчального закладу, стан популяції при виборі під впливом зовнішнього середовища варіанти подальшого розвитку у боротьбі за існування, точки розгалуження на генеалогічному древі; точки переходу до різних варіантів продовженням діалогу "студент - комп'ютер" у процесі тестування знань студента з використанням закритих тестів (коли пропонується вибрати правильний і повну відповідь із серії запропонованих); стан боротьби двох фронтів в атмосфері з можливими варіантами зміни погодних умов.

Таким чином прикладом точки біфуркацій можна назвати поширене в російських казках роздоріжжі доріг: на право підеш - коня втратиш, на ліво підеш - себе втратиш, а прямо підеш - голова з плечей - весь сенс в обранні дороги, а що буде в кінці, ніхто не знає.

Відповідно до теорії біфуркації, минулий стан системи зникає стрибком в силу накопичення в системі флуктуацій, порушених мною у другому розділі роботи. У будь-якій системі мають місце флуктуації, пов'язані зі збоями в функціонуванні її елементів, з поломками в структурних утвореннях. розвиток системи після точки біфуркацій і які відрізняються від інших відносну стійкість, тобто є найбільш реальними, називаються аттракторами.

Іншими словами, аттрактор - це відносно стійкий стан системи, яке ніби притягує до себе все безліч траєкторій розвитку, можливих після точки біфуркацій.

Флуктуації означають порушення в способі існування системи: відхилення від статистично середнього. Прикладами аттракторов є група гуманітарних вузів і спеціальностей для абітурієнта, який хоче отримати ту чи іншу спеціальність; популяція морозостійких особин у разі настання глобального похолодання; юридична стезя для нащадка сімей-юристів; погода, відповідна пори року і т.д. .

Досягаючи певного критичного значення, флуктуації стають джерелом біфуркації, корінний ломки попереднього тотожності самого себе. У результаті біфуркації випадкові і неузгоджені мікроскопічні зміни захоплюють весь обсяг раніше існуючої системи без залишку.

Структура системи висловлює максимальну адаптацію цієї системи до нових умов середовища, представленим як керуючі параметри системи або характеристичні параметри її динаміки (описують цю динаміку диференціальних рівнянь). Тут в міру віддалення від рівноваги підвищується чутливість системи до зовнішнього середовища, виникає свого роду розрізнення системи по відношенню до потрібних флуктуацій, які відбираються і посилюються у формі різного роду когерентних (кооперативних) ефектів.

Такий образ синергетичної системи вже багато в чому нагадує образ живого організму, також далекого від рівноваги, чутливого до середовища, що володіє виборчої помітні і здатного до формування системної активності. А методологія синергетики починає багато в чому нагадувати свого роду "узагальнений дарвінізм", що оперує поняттями "мінливості", "відбору" і "адаптації" на універсальному рівні синергетичних узагальнень, що виходять далеко за межі тільки біологічного знання.

Біфуркації можна розділити на "м'які" і "жорсткі". М'які біфуркації характеризуються невеликою відмінністю режимів функціонування, наприклад, достатньої близькістю нових аттракторов по відношенню до старих. Жорсткі біфуркації, які після робіт французького математика Рене Фредеріка Тома (1923-2002) на початку 70-х років стали називати "катастрофами", характеризуються значною відмінністю старого і нового режимів функціонування, наприклад, значним видаленням нових атракторів від старих у фазовому просторі системи. У цьому випадку якісний стрибок у зміні поведінки системи може бути особливо значним - "катастрофічним". У роботах Р.Ф. Тома всі катастрофи були зведені до 7 елементарним, які носять досить своєрідні назви: складка, складання, ластівчин хвіст, метелик, гіперболічна омбіліка, еліптична і параболічна омбіліка.

Однією з головних задач теорії катастроф є отримання так званої нормальної форми досліджуваного об'єкта в околиці "точки катастрофи" та побудова на цій основі класифікації об'єктів.

Головний світоглядний зсув, вироблений синергетикою, можна виразити таким чином:

- процеси руйнування і творення, деградації і впорядкованості, щонайменше, рівноправні;

- процеси творення (наростання складності і впорядкованості) мають єдиний алгоритм незалежно від природи систем, в яких ні здійснюються.

Таким чином, синергетика претендує на відкриття якогось універсального механізму, за допомогою якого здійснюється самоорганізація, як у живій, так і неживій природі.

Отже - об'єктом синергетики можуть бути аж ніяк не будь-які системи, а тільки, які задовольняють, щонайменше, двом умовам:

вони повинні бути відкритими, тобто обмінюватися речовиною або енергією з зовнішнім середовищем;

вони повинні бути істотно нерівноважних, тобто перебувати в стані, далекому від термодинамічної рівноваги.

І саме такими є більшість відомих систем. Ізольовані системи класичної термодинаміки - це певна ідеалізація, в реальності такі системи виняток, а не правило. Втім складніше, зі всього Всесвіту в цілому: якщо вважати її відкритою системою, то що може служити її зовнішнім середовищем? Сучасна фізика вважає, що таким середовищем для нашої речовій Всесвіту є вакуум.