Вопрос 2.Основные понятия синергетики.

Синергетика имеет свой собственный язык. Это – язык таких понятий, как «флуктуации», «аттракторы», «бифуркации», «детерминированный хаос». Чтобы эти понятия сделать доступными для каждого образованного человека, нужно представить их в виде образов культуры, соотнести с имеющимися знаниями и представлениями человека.

Понятие «аттрактор» близко к понятию «цель». Последнее можно рассматривать в самом широком, внечеловеческом смысле как целеподобность, направленность поведения нелинейной системы, «конечное состояние» (разумеется, относительно конечное, завершающее лишь некоторый этап эволюции) системы. Под аттрактором в синергетике понимают относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает (лат: attrahere – «притягивать») к себе все множество «траекторий» системы, определяемых разными начальными условиями. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию (структуре). Например, независимо от начального положения мяча он скатывается на дно ямы. Состояние покоя мяча на дне ямы – это аттрактор движения мяча.

На уровне математического описания бифуркация означает ветвление решений нелинейного дифференциального уравнения. Физический смысл бифуркации таков: точка бифуркации – это точка ветвления путей эволюции системы. На основе синергетических представлений о развитии ученые выделяют в истории нашей планеты, по меньшей мере, две фундаментальные бифуркации, изменившие направление общепланетарной эволюции — возникновение живого вещества и образование мозга (но механизмы этих изменений нам неведомы).

Как правило, всякий процесс развития сопровождается огромным фоном случайностей. Они имеют слабое, несоизмеримое с основным течением влияние, никак не сказываются, забываются, не определяют динамику развертывания процесса, его «судьбу». Когда же и какой случайности удается стать существенной, прорваться с микроуровня на макроуровень, с малого масштаба в масштаб системы в целом? Синергетика решает этот вопрос конкретно и конструктивно.

Обычно при анализе эволюционных процессов постепенные изменения, которые при этом происходят, характеризуют как случайные, а совокупный их результат — как необходимый. Хотя такое представление и подчёркивает существование связи между ними, тем не менее не раскрывает механизма взаимодействия между двумя взаимодополнительными сторонами единого процесса эволюции. Парадигма же самоорганизации позволяет это сделать. Действительно, на микроуровне при самоорганизации происходит процесс расширения или усиления флуктуаций вследствие увеличения неравновесности системы под воздействием среды. Этот процесс остаётся незаметным на макроуровне, пока изменения не достигнут некоторой критической точки, после которой спонтанно возникает новый порядок или структура.

Один из классических примеров процесса самоорганизации – возникновение шестигранных ячеек (ячеек Бенара) в жидкости, равномерно подогреваемой снизу. Можно, к примеру, наблюдать за маслом, налитым на равномерно подогреваемую сковородку. Из-за перепада температуры могут возникать видимые вихревые движения жидкости — так называемые конвективные потоки. Если перепад температуры не достигает некоторого критического значения, то жидкость остаётся практически однородной. Но если этот перепад превышает критическое значение, то жидкость самоструктурируется, причём вихревые потоки образуют регулярную структуру типа пчелиных сот. Эта структура и есть ячейки Бенара.

Как возникает правильная структура из первоначально неорганизованного, хаотического движения молекул? Как рождается порядок из беспорядка? Инициирующим началом самоструктурирования вихрей является малая флуктуация, одна из того фона флуктуаций, которым сопровождается любой процесс. Для объяснения этого перехода И. Пригожин вводит принцип «порядок через флуктуации». Структуры типа ячеек Бенара он называет диссипативными структурами. Что представляет собой диссипация? Это процессы рассеяния, превращения энергии в менее организованные формы: в тепловую энергию — из-за наличия вязкости, трения и т.п. По сути дела, это хаос на микроуровне. Парадоксально само существование таких структур, т.е. возможность локализации процессов в средах, где есть постоянный размывающий фактор — диссипация, где есть неравновесность, открытость – источники энергии (постоянный подвод тепла в данном случае) и стоки. За счёт чего образуется эта структура?

Важно подчеркнуть — и это одно из новых, не укладывающихся в привычные рамки представлений, которые вводит в науку синергетика, — что диссипация есть необходимый процесс, способствующий выстраиванию регулярной структуры в нелинейной открытой среде. Диссипация (лат. dissipatio – рассеяние) гасит, уничтожает, «выжигает» все «лишние» вихревые потоки в жидкости и оставляет только те, которые и образуют структуру. Хаос, как это ни странно, конструктивен в самой своей разрушительности, через неё. Он строит структуру, убирая всё лишнее.

С. П. Курдюмов: «Диссипативные процессы, диссипация, — это не зло, не фактор разрушения, а важное свойство процессов самоорганизации, необходимое для выхода на аттрактор, для создания сложной диссипативной структуры в нелинейной открытой системе».

Синергетика разоблачает тот привычный взгляд, будто флуктуация, случайность всегда несущественна, маломасштабна, не может определять путь, эволюцию системы. В открытых нелинейных средах (а таковые типичны в мире, в котором мы живём) малое воздействие, флуктуация (от лат. fluctuatio - колебание, случайные отклонения физических величин от их средних значений), случайность могут приводить к существенному результату. Малая флуктуация может разрастаться в макроструктуру. Неустойчивость поэтому вопреки обыденному интуитивному ощущению не есть некая досадная неприятность. Она несёт в себе конструктивный момент. Неустойчивость приводит к коренным перестройкам нелинейной открытой среды. Вообще говоря, если нет неустойчивости, то и нет развития. Неустойчивость означает развитие. Или, иначе, развитие происходит через неустойчивость, через бифуркации, через случайность.

Философы издавна связывали природу случайности с возможностью возникновения нового в действительности. В существовании случайности они видели один из возможных выходов из парадокса развития, иначе говоря, ответ на вопрос, как вообще возможно возникновение нового в этом мире. Проблема возникновения нового развёртывается в целый «куст» сложных проблем. Здесь и проблема качественного скачка, и проблема эмерджентности, т.е. непредсказуемости и относительной необусловленности возникновения нового качества, рождение его сразу, вдруг и как некоего целого, а не по частям, не фрагментарно и т.п. Результаты синергетических исследований идут в одном русле с этими идеями. Как мы уже видели, в состоянии неустойчивости нелинейной среды или вблизи бифуркаций именно малые флуктуации, случайности могут определить направление её дальнейшей эволюции.

Случайность определяет возможные «блуждания» по полю путей развития. Она проявляет, высвечивает, обнаруживает эти возможные пути развития. В состоянии неустойчивости или вблизи бифуркаций случайность может обусловить то, какая из спектра возможных относительно устойчивых структур возникает в данный момент. Случайность может приводить к новому макроскопическому состоянию, к новой макроструктуре, т.е. к несоизмеримым с ней самой, даже катастрофическим последствиям.

Нетрадиционен, принципиально важен следующий взгляд на случайность, вытекающий из результатов синергетики. Случайность есть творческое, конструктивное начало. Она строит мир. Ибо она способна сыграть роль того механизма, той силы, которая выводит систему на аттрактор, на одну из собственных структур среды, на внутреннюю тенденцию её организации. Нелинейная среда (система) начнёт сама себя выстраивать, организовывать, но необходим хаос (случайности) для инициирования начального спускового механизма этого процесса.

Гигантские следствия малых флуктуаций (т.е. непропорциональность причины и действия), возможные «каскады» бифуркаций, приводящие к богатой «россыпи» структур неживой природы, растительных и животных видов, — всё это свидетельствует о нелинейной природе случайности (и, прежде всего, о случайности как спусковом механизме) в нашем сложном, нелинейно эволюционирующем мире.

Ю. В. Скачков: «Случайность есть существенно нелинейная характеристика, характеристика нелинейного мира».

Рождение нового в природе можно назвать, пожалуй, творчеством самой природы. Если синергетика поможет раскрыть механизмы творчества природы, механизмы рождения нового вообще, тогда возникнет доступ к пониманию способов функционирования и управления интеллектуальным и социальным творчеством человека.

Существуют два вида случайности. Согласно классической формуле Ф. Энгельса, случайность есть дополнение и форма проявления необходимости. Исследование процессов самоорганизации открытых нелинейных систем позволяет углубить понимание взаимосвязи случайности и необходимости. Не только случайность может выступать как дополнение необходимости, но и необходимость – как дополнение случайности. Синергетика вкладывает в это утверждение следующий смысл. Однозначное направление эволюции системы, когда пройдена точка бифуркации (т.е. осуществлён «выбор» направления) до следующей бифуркации, складывается, проявляется как итог корреляции, согласования и взаимного усиления флуктуаций). Необходимость и случайность взаимодополняют друг друга. В плане их укоренённости в бытии они равноправны.

О каких же двух видах случайности может идти речь?

Первый вид – это случайности, которые богаты возможностями и дают начало направленной эволюции системных объектов. Они лежат в истоках процессов развития, возникновения нового в действительности. Здесь необходимость рождается из случайности, на базе неё, выступает как следствие, итог первоначальной «игры случая». Данный вид случайностей характеризует развитие как «появление-вдруг», самые критически-революционные, качественно-переломные моменты, поворотные пункты развития.

Второй вид составляют случайности, которыми облекается, сопровождается всякий направленный процесс изменений, когда направленность уже сложилась, выявилась, обнаружилась. Это случайности, которые дополняют необходимость и представляют собой форму её проявления, т.е. случайности, понимаемые, казалось бы, в чисто обычном, традиционном смысле этого слова. Однако синергетика вносит новый, выходящий за пределы классических традиций элемент и в представление о втором виде случайности. Мы уже видели, что детерминизм, притяжение к аттрактору обусловлены процессами диссипации, стало быть, хаосом (случайностями) на микроуровне, которые «выедают», отсекают всё лишнее. Хаос строит, разрушая, причём он есть нечто конструктивное и в момент выхода на аттрактор, и после выхода на него. Если случайность первого вида «порождает» необходимость, то случайность второго вида добавляет элемент неопределённости, неоднозначности и тем самым способствует самовыстраиванию необходимости, диссипативной структуры в конкретном её виде. Разделение на эти два вида случайности определяется не «изнутри» их самих, а «извне» — системой, вернее, этапом процесса самоорганизации системы. Одно и то же сходное событие в одном случае, при определённых состояниях системы, а именно вблизи точек бифуркации, представляет случайность первого вида. А в другом случае, между точками бифуркации, — это случайность второго вида. «Порождающая», или «воспламеняющаяся», случайность сменяется случайностью «выжигающей», избирательно «гасящей», конструктивной благодаря самой своей разрушительности.

Для того чтобы случайность могла прорваться на макроуровень, необходимо особое состояние нелинейной системы (среды). Это состояние называют неустойчивостью. Состояние неустойчивости нелинейной среды означает ее чувствительность к малым флуктуациям (случайным отклонениям). В неустойчивости фактически всегда заключено нечто, указывающее на связь микро- и макромасштабов. Простейшие примеры неустойчивости движения: неустойчиво состояние мяча, находящегося на вершине горки, любое малое отклонение может привести к его падению с горы; неустойчиво состояние коллектива в момент голосования.

Итак, чтобы в среде могли развиться катастрофические, лавинообразные процессы, чтобы случайность могла развертывать цепи значительных событий, сама среда должна быть особым образом подготовлена. Среда должна находиться в каком-то возбужденном, критическом, предреволюционном состоянии, именно в таких условиях, к примеру, мельчайшая пылинка может привести к закипанию воды во всем котле. Незначительный повод (скажем, гнилое мясо в борще) может вызвать социальную катастрофу, сметающую все и вся (броненосец «Потемкин»). Научное сообщество находится в таком неустойчивом состоянии, когда, к примеру, говорят, что идея витает в воздухе.

Исследования процессов самоорганизации в начале 1960-х гг. ограничивались отдельными естественнонаучными и инженерными дисциплинами. Сами исследователи не придавали им обобщающего характера, и потому никто тогда не предвидел, что из них в 70-х гг. сформируется единая парадигма междисциплинарного исследования. Однако постепенно учёные в своих исследованиях стали выходить за рамки своих дисциплин, начали замечать аналогию между понятиями и уравнениями, которые применялись для анализа разных по конкретному содержанию процессов. Таким образом, медленно, но неуклонно формировалось убеждение, что во всех этих исследованиях существует единое концептуальное ядро, которое служит общей их основой. В сущности, именно это ядро и составляет парадигму исследования процессов самоорганизации.