3. Предмет синергетики

Синергетика (от греч. synergetikos – совместный, согласованно действующий) – направление в науке, связанное с изучением закономерностей пространственно-временного упорядочения в разнообразных системах.

Термин «синергетика», введённый немецким физиком Г. Хакеном (Н. Haken) в начале 1970-х гг., отражает тот факт, что процессы упорядочения в макроскопической системе возникают благодаря взаимодействию большого числа элементарных подсистем. Возникновение синергетики как самостоятельного направления связано с тем, что поведение разнообразных физических, химических, биологических и др. систем описывается сходными математическими моделями и для таких систем характерны одни и те же явления самоорганизации. Это позволяет широко использовать результаты исследования одних объектов при анализе других.

Г. Хакен: «Синергетика занимается изучением систем, состоящих из множества подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, механические элементы, фотоны, органы, животные и даже люди.

Основной вопрос синергетики – вопрос о том, существуют ли общие принципы, управляющие возникновением самоорганизующихся структур и (или) функций (самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне).

Когда я дал на этот вопрос утвердительный ответ … и предложил рассматривать проблемы самоорганизации в рамках междисциплинарного направления, названного мною «синергетикой», многим ученым это могло показаться абсурдным.

Почему системы, состоящие из столь различных по своей природе компонентов, как электроны, атомы, молекулы, клетки, животные и даже люди, должны, когда они самоорганизуются подчиняться одними и тем же принципам …?

Но время принесло множество подтверждений тому, что самые разнообразные явления самоорганизации подчиняются одним и тем же принципам...»

Выдающийся вклад в становление и развитие синергетики внес Илья Пригожин – бельгийский физико-химик, выходец из России (диссипативные системы и диссипативные структуры).

4. Основные понятия и идеи синергетики

Основные понятия синергетики: диссипативная структура (пространственно упорядоченное состояние системы, обычно с симметрией, более низкой, чем симметрия исходного состояния), волна переключения (бегущий фронт фазового перехода), ведущий центр (локализованный автогенератор бегущих импульсов), вращающаяся спиральная структура, называемая в синергетике ревербератором, и др.

Эти понятия позволяют в универсальных наглядных образах объяснять особенности поведения конкретных систем.

Наряду с термином «синергетика» для обозначения данного направления широко употребляются такие названия, как нелинейная неравновесная термодинамика, теория самоорганизации, теория автоволн, подчеркивающие выбор объекта или метода исследования.

Наряду с проблемой самоорганизации синергетика рассматривает также и вопросы «самодезорганизации» - возникновения хаоса (сложного поведения) в динамических системах.

Как правило, исследуемые системы являются диссипативными открытыми системами.

Примером самоорганизации в гидродинамике служит образование в подогреваемой жидкости (начиная с некоторых градиентов температуры) шестиугольных ячеек Бенара или возникновение тороидальных вихрей (вихрей Тейлора) между вращающимися цилиндрами.

Пример вынужденной организации - синхронизация мод в многомодовом лазере с помощью внешнего периодического воздействия.

Модели синергетики - это модели нелинейных неравновесных систем, подвергающихся действию флуктуаций. В момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно несколько устойчивых состояний, то флуктуации отбирают лишь одно из них.

При анализе сложных систем, например в биологии или экологии, синергетика исследует простейшие основные модели, позволяющие понять и выделить наиболее существ. механизмы «организации порядка» (избирательную неустойчивость, вероятностный отбор, конкуренцию или синхронизацию подсистем и др.).

Понятия и образы синергетики связаны, в первую очередь, с оценкой упорядоченности поведения. Это пространственная корреляция, параметр порядка, взаимная координация (синхронизация) подсистем, энтропия и др.

Методы синергетики в значительной степени перекрываются с методами колебаний и теории волн, термодинамики неравновесных процессов, теории фазовых переходов, статистической механики и др.

Для многих задач синергетики построение теории сводится к созданию и анализу вероятностной модели; здесь синергетика заимствует методы из математической теории стохастических процессов.