Формирование синергетики как нового направления в науке

В классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием классической физической дисциплины – равновесной термодинамики.Ею установлено, что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны. Первое начало (закон) термодинамики устанавливает, что работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность! Знаменитое второе начало термодинамики в формулировке немецкого физика Рудольфа Клаузиуса (1822 – 1888) звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему».

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, но в реальности такого никогда не происходит. Такая однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивается с помощью второго начала. Для отражения этого процесса в термодинамике служит понятие «энтропия» (от греч. entropia – поворот, превращение) как мера беспорядка системы. Формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц - состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Общий итог достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. всреднем равномерно распределится между всеми элементам и системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная – замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. На основе такого рода рассуждений Клаузиус сформулировал гипотезу «тепловой смерти Вселенной».

Возникает, правда, вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как же она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? В эпоху классической термодинамики единственным немым укором ей служила дарвиновская теория эволюции: процесс развития биологического мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием организации и порядка, иными словами, живая природа стремилась прочь от термодинамического равновесия. Такое «противоречие» законов развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.

Такое удивление возросло с появлением модели развивающейся Вселенной. Если принцип возрастания энтропии универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Стоит отметить, что постулат о способности материи к саморазвитию,к самоорганизации в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. В технике обычно под самоорганизующимися системами подразумевают саморегулирующиеся механизмы: различные автоматические системы и регуляторы, в экономике саморегулирующимся считают механизм рынка свободной конкуренции, в физиологии - механизмы гомеостаза. В биологии стали говорить о механизме автопоэзиса, обеспечивающего самообновление живой системы.

Термин «синергетика» (от греч. synergeticos – совместный, согласованно действующий процесс), введенный Германом Хакеном в 1973 г., как раз и предназначен для более точного понимания самоорганизации: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин»[12].

Синергетика возникла благодаря системным идеям современной науки несколько десятилетий назад. Иное название синергетики – неравновесная термодинамика – дано Ильей Романовичем Пригожиным (1917 2003) для того, чтобы подчеркнуть отличие от классической равновесной термодинамики. В свою очередь, идеи синергетики являются дальнейшим обобщением и развитием специфических понятий и принципов, найденных в конкретных дисциплинах.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе. Под самоорганизациейпри этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации.Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют следующим условиям:

во-первых, являются открытыми, то есть взаимодействуют с окружающей средой, обмениваясь с ней веществом, энергией, а нередко и информацией;

во-вторых, они находятся достаточно далеко от точки термодинамического равновесия, являются существенно неравновесными;

в-третьих, они должны состоять из достаточно большого числа элементов, которые взаимодействуют друг с другом специфическим образом, а тем самым быть системами сложноорганизованными и нелинейными.

Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики – это определенная идеализация, в реальности такие системы – исключение, а не правило.

Указанные условия минимально необходимы для возникновения самоорганизации на самых низших уровнях строения материи. Синергетика впервые установила возможность появления самоорганизации даже в системах неорганической природы, то есть в самом фундаменте здания материи. Она показала место самоорганизации в механизме эволюции, поставила и решила ряд мировоззренческих вопросов:

Состоит ли окружающий нас мир из разнообразных по содержанию и форме самоорганизующихся материальных систем?

Возникла ли живая природа в результате закономерного процесса самоорганизации, начавшегося в неорганической природе и завершившегося возникновением сначала живой материи, а затем и общества?

Самоорганизация в ряде сфер общества происходит стихийно, и результаты её заранее не сознаются людьми, однако определенные общественные и государственные организации формируются вполне сознательно и преследуют вполне конкретные цели и интересы отдельных сообществ людей, народов и государств. Отсюда возникает задача ясного разграничения самоорганизации и организации, их соотношения и взаимодействия между ними в процессе эволюции общества.

Действительно, социально-экономические и гуманитарные науки встретились с проблемой самоорганизации уже в самом начале своего возникновения:

Почему, несмотря на разнообразные, а часто прямо противоположные интересы и цели людей, на рынке возникает никем не запланированный, спонтанный порядок?

Устанавливаются ли нормы нравственности сверху или же они формируются постепенно в ходе длительного взаимодействия людей в ходе культурно-исторического развития под влиянием изменяющихся условий жизни?

Создаются ли язык, культура и остальные институты общества в результате деятельности идеологов, политиков или людей, стоящих у власти?

Ответы на эти вопросы впервые высказывались именно в социально-экономических и гуманитарных науках, хотя и в недостаточно ясных и точных терминах. Не случайно поэтому некоторые современные ученые называли, например, основоположника классической политической экономии Адама Смита (1723 – 1790) предтечей кибернетики на том основании, что у него в неявном виде встречается апелляция к принципу отрицательной обратной связи.

Осознанию глубины и общности значения принципа самоорганизации мешала разобщенность исследователей, работавших в различных отраслях естественных и общественных наук. Постепенно принцип самоорганизации в той или иной форме появлялся в разных науках при решении конкретных отдельных проблем. Так, в физиологии Уолтер Кеннон (1871 – 1946) сформулировал свой знаменитый принцип гомеостаза:в процессе адаптации к изменяющимся условиям существования живые организмы перестраиваются так, чтобы поддержать устойчивость важнейших параметров своей жизнедеятельности.

Значительный импульс исследованию процессов самоорганизации придало возникновение кибернетики (от греч. kybernetike — искусство управления) – науки об управлении, связи и переработке информации. Кибернетика обобщила принцип отрицательной обратной связи. Однако этот принцип объясняет лишь сохранение и поддержание устойчивости динамических систем, но не раскрывает, каким образом такая устойчивость и порядок возникают. Большинство автоматов и технических устройств, сконструированных в кибернетике, опираются, по сути дела, на внешнюю организацию, то есть «самоорганизация» в них заранее запланирована и организована человеком - конструктором. В отличие от этого самоорганизация и основанная на ней эволюция в живой природе и обществе всегда сопровождается теми или иными изменениями.

Синергетика стремится объяснить то, что не удавалось понять с помощью принципа отрицательной обратной связи. Именно для раскрытия механизма возникновения новых структур и систем синергетика использует принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, происходящие в старой системе, не устраняются, а наоборот накапливаются и усиливаются. Количественные изменения в рамках систем приводят к их коренным, качественным изменениям и, в итоге, к образованию систем с новыми структурами и новыми системными свойствами.

Диалектика простого и сложного.В классической науке тенденция исследования сложного и объяснения его на основе простых, элементарных частей, сформировалась в метод редукции, то есть сведения сложного к простому. Так, сначала редукция применялась для объяснения сложных явлений и процессов посредством понятий и законов механики, после открытия атомно-молекулярного строения вещества ее использовали для объяснения макроскопических свойств тел посредством простейших свойств составляющих их мельчайших частиц – атомов и молекул. По сути дела, все качественные различия тел в природе на основе редукционизма сводятся к количественной комбинации простейших её элементов.

Редукционизм оправдан, когда речь идет о поиске взаимосвязи и единства между кажущимися на первый взгляд разнообразными явлениями и процессами природы. Так, открытие законов земной и небесной механики позволило раскрыть единство между перемещениями тел на земной поверхности и движениями небесных тел; с помощью спектрального анализа было доказано, что химический состав небесных тел содержит те же самые элементы, которые встречаются на Земле.

Со временем стало ясным, что подобный подход является ограниченным: он не учитывает коренного, качественного различия между разными уровнями строения материи.

Системный метод обосновал глубокую внутреннюю связь не только между целым (системой) и её частями (элементами), но и простым и сложным. Вопреки редукционизму, свойства целого не могут быть сведены к свойствам частей. Свойства системы как целого имеют эмерджентный (от англ. emergent – внезапно возникающий) характер, ибо они возникают в результате взаимодействия частей, а не простого суммирования их свойств. Иными словами эмерджентные свойства – это такие свойства, которых нет ни у одного элемента системы, взятого в отдельности.

Однако до возникновения синергетики механизм такого взаимодействия оставался неясным. На основе теоретического анализа таких процессов, как образование снежинок при кристаллизации воды, образование ячеек на поверхности жидкости (опыт Бенара), самоорганизация структур в химических реакциях («химические часы» Белоусова – Жаботинского), в лазерном излучении, – сформировались первые теоретические представления и модели сложноорганизованных процессов.