Лекция 14 Тема: синергетика

1. Синергетика как новое научное направление.

2. Основные понятия синергетики.

3. Идеи синергетики в социальном познании и социальном управлении.

Вопрос 1. Синергетика как новое научное направление.

В конце ХХ века в науке стали происходить принципиальные концептуальные перестройки. Ведущими концепциями описания и объяснения природы в ее единстве и разнообразии, изменчивости и стабильности стали концепции синергетики и самоорганизации. Они же создали предпосылки для формирования концепции единой культуры как целостной динамичной структуры. Если классическая наука рождалась на волне модернизма как идеологии радикального обновления, ниспровержения старого, то постнеклассическая наука соотносится с культурой постмодерна. Постмодернизм принимает идею развития и непрерывной динамики во всем. Это идеология постоянного обновления, но не разрушения старого. Парадигма постмодернизма — динамичная устойчивость, устойчивость через движение и развитие.

Важнейшими особенностями постмодернистского стиля мышления являются открытая рациональность, плюрализм, допущение различных путей развития и объяснения, сосуществование и дополнение различных мнений (и даже миров). В философии науки эта парадигма постмодернизма нашла выражение в постпозитивизме, который рассматривает науку как обширный, динамичный поток. Постмодернистское мышление исходит из идеи единства культуры, непродуктивности размежевания ее по областям. Соответственно, научные исследования становятся все более многослойными, ориентируясь не на дисциплины, а на проблемы. В проблемно-ориентированных формах исследовательской деятельности выдвигаются сейчас комплексные исследовательские программы, в которых участвуют специалисты самых различных областей знания.

Постнеклассический стиль мышления науки делает естественным распространение результатов и принципов, полученных в одной области естествознания, на другие и даже далеко за пределы, которые традиционно предписывались естествознанию. В этом процессе постепенно стираются жесткие разграничительные линии между картинами реальности, определяющими видение предмета той или иной науки. Они становятся взаимозависимыми и предстают в качестве фрагментов целостной общенаучной картины мира. Формируясь всей культурой, улавливая ее ведущие (хотя подчас еще неощутимые) тенденции, общенаучная картина мира становится по существу общекультурной.

В настоящее время общепризнанно, что процесс самоорганизации является обязательным условием развития. Но так считалось не всегда. Длительное время в науке доминировало представление об отсутствии явления самоорганизации в неживой природе. Считалось, что объекты неорганического мира способны изменяться, но только в направлении дезорганизации. В соответствии со вторым законом термодинамики, системы неживой природы могут «эволюционировать» лишь в сторону возрастания их энтропии (мера неупорядоченности), а значит, хаоса. Считалось, что самоорганизующиеся процессы присущи только живым системам.

Первые усилия по научному исследованию вопросов самоорганизации были предприняты в кибернетике. Кибернетика — это наука об управлении и связи, о восприятии, хранении и переработке информации. Область применения кибернетики определил ее создатель Норберт Винер (1894 – 1964) – это машины, живые организмы и их объединения, т.е. сложные динамические системы любой природы (технические (ЭВМ), биологические (мозг), экономические, социальные, административные) с обратной связью. То есть кибернетика имела дело с системами, в которых самоорганизация заложена изначально. В рамках кибернетики были сформулированы: 1) принцип обратной связи (без обратной связи невозможно управление сложнодинамическими системами); 2) информационный принцип (система рассматривается как единое целое способное функционировать с помощью потоков информации). Но не был дан ответ на вопрос как возникают новые системы, причем не только в живой, но и в неорганической природе. То есть кибернетика фокусировала свое внимание на отрицательной обратной связи, обеспечивающей стабильность систем, их саморегуляцию, гомеостаз (относительное динамическое постоянство состава, свойств системы).

Синергетическое видение мира вовлекло в сферу науки положительную обратную связь, направляющую эволюцию и самоорганизацию динамических систем, переход их на новые уровни сложности. С 50-х гг. ХХ века в науке накапливались факты, свидетельствовавшие о возникновении упорядоченных структур и феномена самоорганизации в неживой природе. Наблюдения различного рода кристаллов, песчаных дюн, вихрей на воде свидетельствовали о том, что в неживой природе наряду с процессами дезорганизации, происходит самоорганизация. И она проявляется в возникновении новых материальных структур. В настоящее время доказано, что простейшая, элементарная форма самоорганизации имеет место уже в рамках физической и химической форм движения материи. Причем, чем сложнее форма движения материи, тем выше уровень ее самоорганизации.

Осмысление различных процессов самоорганизации привело к становлению нового междисциплинарного направления в науке — синергетики (термин ввел Герман Хакен). Синергетика изучает общие принципы, лежащие в основе всех явлений самоорганизации самых различных систем, сложных, открытых, неравновесных и нелинейных систем любой природы. Она также изучает возникновение, поддержание, устойчивость и распад самоорганизующихся структур, кооперативных эффектов в них.

От традиционных научных дисциплин синергетику отличают несколько вариантов форм существования, множественность предметов исследования. Важнейшим из вариантов синергетики можно считать неравновесную термодинамику (теория диссипативных структур), а также математическую теорию бифуркаций, теорию хаоса, теорию нелинейных колебаний и волн, нелинейную динамику, теорию фазовых переходов. Широко используется математический аппарат, компьютерное моделирование.

Синергетика вводит принципиально новое видение мира и новое понимание процессов развития. Оно ново в сравнении с тем преобладающим способом видения, который господствовал на протяжении предшествующих столетий в классической науке — науке Ньютона и Лапласа: случайность исключалась как нечто внешнее и несущественное; процессы в мире представлялись как обратимые во времени, предсказуемые, ретросказуемые на неограниченно большие промежутки времени; эволюция — как процесс, лишенный отклонений, возвратов, побочных линий. Синергетика дает новый образ мира. Этот мир сложно организован. Он открыт, т.е. является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим миром. Он эволюционирует по нелинейным законам. Это означает, что наш мир полон неожиданных поворотов, связанных с выбором путей дальнейшего развития. Синергетика окончательно разбивает миф о жестко детерминированной и безвременной Вселенной. Понятия «бытие» и «становление» объединяются Ильей Пригожиным, творцом синергетики, в одни понятийные рамки.

Илья Пригожин: «Наш мир – это не молчаливый и однообразный мир часового механизма, покинутый старыми домовыми... Мы живем в «открытом – технологическом и творческом – мире».

Синергетика изучает открытые (обменивающиеся веществом и энергией с внешним миром, иными словами, имеющие источники и стоки энергии), нелинейные (описывающиеся нелинейными уравнениями, т.е. такими, которые имеют несколько решений) системы. Предмет синергетики – механизмы самоорганизации, т.е. механизмы самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения макроскопических упорядоченных структур, имеющие место в такого рода системах. Механизмы образования и разрушения структур, механизмы перехода от хаоса к порядку и обратно не зависят от конкретной природы элементов или подсистем. Они присущи и миру природных (живых и неживых), и миру человеческих, социальных процессов. Синергетика есть междисциплинарное направление научных исследований. Это именно направление, которое интенсивно развивается, а не какая-то сложившаяся наука, уже оформившаяся сфера научного знания. Неудивительно поэтому, что синергетику развивают представители самых разных дисциплинарных областей.

Предоставленная самой себе система, не обменивающаяся энергией с окружающей средой (закрытая система), стремится к состоянию равновесия как наиболее вероятному, соответствующему нулевой энергии (например, кристалл). В классическом естествознании такое состояние считалось своеобразным идеалом — идеалом устойчивости, надежности. Однако по современным представлениям, это скорее мертвая, безжизненная устойчивость, идеал каменного цветка, гранитного памятника вместо живого существа. В действительности всякая эволюция происходит в открытых системах, обменивающихся со средой энергией и информацией (для общества это экономические, политические, культурные связи).

В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счёт заимствования порядка из внешней среды.

Использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен её из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу. Такого рода материальные структуры, способные диссипиировать, или рассеивать, энергию, называются диссипативными. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что её функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает Э. Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счёте прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет её структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению её элементов. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощные оптические излучения (хаотические колебательные движения составляющих его частиц благодаря поступлению энергии извне приводятся в согласованное движение, они начинают колебаться в одинаковой фазе, и вследствие этого мощность лазерного излучения многократно увеличивается). Получается, что в результате взаимодействия со средой за счёт поступления дополнительной энергии прежние случайные колебания элементов такой системы, как лазер, превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы и происходит самоорганизация системы. Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен (р. 1927) назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает «совместное действие», или взаимодействие, и хорошо передаёт смысл и цель нового подхода к изучению явлений. Другим примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях.

Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого «здания материи», и тем самым проливает свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением, как об этом говорили многие учёные раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Раскрытие механизмов самоорганизации лежит в основе синергетического подхода, в рамках которого использованы новейшие идеи и результаты из физики, химии, биологии. Для всех изученных явлений найден ряд принципиально важных признаков:

1. Для процессов самоорганизации система должна быть открытой (неравновесной, нелинейной), потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум её самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и, в конце концов, придёт в состояние полной дезорганизации. Т.е. при увеличении неравновесности системы выше определенного предела она переходит в неустойчивое состояние.

3. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер (а именно – с них начинается возникновение нового порядка и структуры), то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. В этом выводе находит своё конкретное подтверждение гениальная догадка античных философов Эпикура (341 – 270 до н.э.) и Лукреция Кара (99 – 45 до н.э.), требовавших допущения случайности для объяснения появления нового в развитии мира.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировке этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. При описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизующаяся система является сложной, состоит из большого числа элементов (единство в многообразии). Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации. В результате требуется построение гибких сценариев исследовательской и преобразовательной деятельности, позволяющих сделать ответственный выбор, определяемый не соображениями абстрактной объективности, а как раз человеческим фактором. Теперь субъект познания не выводится за пределы познания, не только является частью научной картины мира и результата исследования, а, наоборот, становится режиссером сценариев, заложенных в них.