Концепция самоорганизации в науке. Формирование идеи самоорганизации.

Самоорганизация – наблюдаемая способность материи к созданию все более сложных и упорядоченных структур в ходе эволюции.

Формирование идей самоорганизации.

1) Первые подходы к самоорганизации в отдельных науках обозначились в XVIII в. Они связаны с деятельностью основоположника классической политической экономии Адамом Смитом, который в своем труде «Исследование о природе и причинах богатства народов» ясно выразил идею о том, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей, интересов многочисленных его участников. Именно такое взаимодействие приводит к установлению никем непридуманного и незапланированного порядка на рынке, который выражается в равновесии спроса и предложения. Эту мысль А. Смит выразил в форме метафоры «невидимой руки», которая регулирует цены на рынке. «Каждый отдельный человек старается употреблять свой капитал так, чтобы продукт его обладал наибольшей стоимостью. Обычно он и не имеет в виду содействовать общественной пользе и не сознает насколько содействует ей. Он имеет ввиду лишь собственную выгоду, причем в этом случае он невидимой рукой направляется к цели, которая не входила в его намерения. Преследуя свои собственные интересы, он часто более действенным образом служит интересам общества, чем тогда, когда сознательно стремиться служить им».

«…Бранил Гомера, Феокрита, зато читал Адама Смита

И был глубокий эконом, то есть умел судить о том,

как государство богатеет и чем живет

и почему не нужно золота ему, когда простой продукт имеет…»

(А.С. Пушкин «Евгений Онегин»)

2) 18 век. Шотландские моралисты высказали аналогичные идеи относительно самоорганизации норм нравственности в обществе. Они подчеркивали, что принципы нравственного поведения людей не создаются правителями, политиками и иными общественными деятелями, а формируются медленно и постепенно в ходе самоорганизации людей под влиянием изменившихся условий их жизни.

3) XIX век. Идеи самоорганизации, самосовершенствования, улучшения деятельности социальных систем и общественных организаций ученые связывают с эволюционными процессами, которые происходят в жизнедеятельности людей, таким образом, оказалось, что идеи самоорганизации и эволюционной теории тесно связаны. Эволюционная теория Дарвина послужила мощным толчком для развертывания исследований о механизмах развития различных природных и социальных систем. Эволюционная концепция биологии заставила физиков и химиков по-новому взглянуть на объекты своих исследований и природу в целом. Они вынуждены были считаться с тем глубоким противоречием, которое существовало между их взглядами и достоверными фактами и теоретически обоснованными утверждениями дарвинской эволюционной теории. В самом деле, если теория Дарвина приводила к совершенствованию и усложнению живых систем в результате их адаптации к изменившимся условиям окружающей среды, то в классической физике она связывалась с разрушением системы и дезорганизацией. Такое представление вытекало из II начала термодинамики, возрастания энтропии, беспорядка, согласно которому закрытая система эволюционирует в сторону беспорядка и дезорганизации. Резкое противоречие между биологической эволюцией и физикой закрытых систем удалось разрешить только после того, когда физика обратилась к понятию открытой системы. Открытая система – система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией, информацией. При определенных условиях в открытых системах могут возникать процессы самоорганизации в результате получения новой энергии, вещества, заряда извне. Таким образом было установлено, что ключ к пониманию процессов самоорганизации лежит в исследовании процессов взаимодействия системы с окружающей средой. К установлению общего взгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли разными путями.

4) Физик Герман Хакен, работающий в лаборатории фирмы Белла, над новыми источниками света, исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердотельном лазере (Лазер – самый мощный источник света, мощность излучения 1012 – 1013 Вт с одного квадратного сантиметра). Мощность излучения Солнца с этой же площади только 7 х 103 Вт). Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. Между ними устанавливается согласованное взаимодействие, которое, в конечном итоге приводит к кооперативному или коллективному поведению. Г. Хакен вводит понятие синергетика в 70-е годы XX века. По Хакену процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны.

5) В химии И.Р. Пригожин приходит к сходным выводам. Из хаоса может возникать порядок. Он анализировал специфические химические реакции, которые приводят к образованию определенных пространственных структур с течением времени при изменении концентрации реагирующих веществ. Была построена математическая модель таких реакций. Теоретической основой модели стала термодинамика, изучающая процессы в неравновесных системах под воздействием флуктуаций. Флуктуации – случайные отклонения системы от некоторого среднего положения. Если система удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации будут усиливаться в результате взаимодействия со средой и в конце концов приведут к разрушению структуры и тем самым к возникновению новой структуры. Например: 1. происходят флуктуации, 2. они усиливаются в результате взаимодействия со средой, 3. происходит разрушение старой структуры, 4. возникает новая, более сложная. Такие системы, структуры Пригожин назвал диссипативными, поскольку они образуются за счет диссипации или рассеивания энергии, используемой системой, и получения новой свежей энергии. Таким образом диссипация – это рассеивание энергии в неравновесной системе, а диссипативная структура – неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации. За исследование в термодинамики по диссипативным структурам Пригожин получил Нобелевскую премию. Он создает направление в синергетике – неравновесная термодинамика.

6) Аналогичные примеры самоорганизации были открыты и в других классах открытых неравновесных систем, систем разной природы. Самый наглядный и популярный пример образования структур нарастающей сложности явление в гидродинамике, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, которая находится в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним слоями возникает разность (градиент) температур. Если эта разность мала, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Если градиент достигает критического значения в жидкости скачком (внезапно) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики невероятно. Ведь оно свидетельствует, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости, как по команде, начинают вести себя скоординировано, согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом движении. Создается впечатление, будто каждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. Классические статистические законы здесь не работают, это явление иного порядка. Ведь если бы даже случайно такая правильная и кооперативная структура образовалась она тут же бы и распалась. Но она не распадается при соответствующих условиях (приток энергии извне), а наоборот устойчиво сохраняется. Значит, возникновение структур нарастающей сложности – не случайность, а закономерность.

7) Примеры самоорганизации: химические часы (реакция Белоусова – Жаботинского, спиральные волны). Белоусов – Жаботинский открыл «автокаталитические» (самоповторяющиеся) химические реакции.

8) Другой видный теоретик самоорганизации немецкий ученый Эйген показал, что открытый Ч. Дарвиным принцип отбора сохраняет свое значение на микроуровне Он утверждал, что развитие жизни есть результат процессов отбора, происходящего на молекулярном уровне «атомы, молекулы», их накопление приводит к новым адаптациям.

Таким образом в природных и социальных системах происходит самопроизвольное возникновение неравновесных структур в силу объективных законов природы и общества.

В 60-х годах XX столетия исследование процессов самоорганизации ограничивалось отдельными естественно-научными и инженерными дисциплинами. Сами исследователи не придавали им обобщающего характера. 70 – е годы стали периодом перехода от исследования отдельных предметов и процессов к изучению их целостных систем. Возникают такие науки как кибернетика и синергетика. Кибернетика – наука об управлении сложными системами с обратной связью. Кибернетика исследует не состав систем, не их структуру, а результат работы данного класса систем. Синергетика имеет в настоящее время междисциплинарный характер, хотя она вышла из физики, из термодинамики.

Таким образом синергетика исследует механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранение старых форм. Она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения, возникшие в системе (флуктуации) не подавляются, а постепенно накапливаются, и в конце концов приводят к разрушению старой и возникновению новой системы. Речь идет о сложноорганизованных системах, являющимися неравновесными открытыми системами, находящимися вдали от точки термодинамического равновесия (табл. 4).

Каковы же условия возникновения новых структур, условия самоорганизации:

1. Открытость системы. Везде, где создаются новые структуры необходим приток энергии. Именно энергия творит более высокие уровни организаций. «Дайте мне энергию и я создам мир», перефразируя фразу Архимеда.

2. Нахождение ее вдали от термодинамического равновесия (неравновесные системы).

3. Наличие флуктуаций.

4. Нелинейность системы.

Таблица 4.