Синергетический анализ сложноорганизованных систем

Синергетика стремится понять связь и взаимодействие между сложными и простыми явлениями. Поэтому она рассматривает, например, изменения, которые происходят на макроскопическом, наблюдаемом уровне как результат взаимодействия огромного числа элементов и частиц системы на ненаблюдаемом микро уровне.

Механизм такого взаимодействия на примере образования шестиугольных ячеек впервые наблюдал французский физик Бенар на поверхности подогреваемой жидкости. Если разница температуры жидкости между нижней частью Т₂ и верхней поверхностью Т₁ будет ниже некоторого критического значения a_с, т.е. Т₂ – Т₁ < a_c, тогда нагревание жидкости будет происходить путем теплопроводности и оно не отразится внешне на её поведении. Но как только эта разница превысит критическое значение, огромное число частиц как бы по команде начнут участвовать в этом движении. Результатом такого движения будет образование шестиугольных ячеек на поверхности жидкости. Появление ячеек Бенара обязано обмену энергией между рассматриваемой системой жидкости и окружающей средой.

Другим примером являются так называемые «химические» часы, которые представляют собой периодический процесс изменения цвета раствора, например, с красного на голубой и обратно (опыты Б. П. Белоусова и А. М. Жаботинского).

Третьим примером может служить самоорганизация, которая происходит в процессе лазерного излучения. Под воздействием электрического заряда возбужденные атомы газового лазера начинают колебаться в одной фазе. Когда критическая точка будет достигнута, лазер начинает излучать мощный поток электромагнитных волн с высокой энергией.

Все эти примеры можно описать с помощью единой схемы.

· Любая открытая система, взаимодействуя с окружающей средой, испытывает определенные флуктуации.

· Под воздействием энергии или веществ, поступающих извне, эти флуктуации усиливаются и начинают «расшатывать» старые связи между элементами или компонентами системы.

· Возникает неустойчивость, которая со временем усиливается, и когда она достигает определенного критического значения, система резко меняет свое макроскопическое состояние. Между её элементами возникает новое взаимодействие и они начинают двигаться когерентно, или согласованно, образуя кооперативные процессы. Возникающая при этом энтропия в системе диссипируется (от лат. dissipatio – рассеяние), или рассеивается в окружающей среде.

Герман Хакен самоорганизацию связывает именно с кооперативными процессами, а И.Р. Пригожин– с возникновением диссипативных структур. Он предложил назвать вновь возникающие структуры диссипативными.

Основная идея синергетики заключается, таким образом, в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне. Последние изменения можно рассматривать как количественные, описываемые управляющим параметром системы. При критическом значении этого параметра система переходит в новое макроскопическое состояние. Так, в опыте Бенара управляющим параметром является градиент температуры подогреваемой жидкости, в реакции Белоусова - Жаботинского - концентрация химических веществ, в лазере - напряженность электромагнитного поля внутри него. Изменяя управляющий параметр, можно достичь критического значения, когда система резко и спонтанно переходит в качественно новое состояние.

Таким образом, синергетика показывает, что развитие открытых и существенно неравновесных системпротекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:

1. Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.

2. Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний (такое состояние обозначается как аттрактор). В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана – решает случай! Но после того как «выбор сделан», и система перешла в качественно новое устойчивое состояние — назад возврата нет. Процесс этот необратим. Развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем – однозначно спрогнозировать нельзя.

В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями:

· Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

· Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а, скорее, исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

· Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Следовательно, случайность – не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. Благодаря случайности возникает множество различных конфигураций состояний и их будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются параметрами порядка. Принцип подчинения параметрам порядка Г. Хакен сравнивает с действиями кукловода: «В определенном смысле параметры порядка действуют как кукловоды, заставляющие марионеток двигаться. Однако между наивным представлением о параметрах порядка как о кукловодах и тем, что происходит в действительности, имеется одно важное различие. Оказывается, что, совершая коллективное действие, индивидуальные части системы, или «куклы», сами воздействуют на параметры порядка, т.е. на «кукловодов»[13].

· Если традиционное понимание линейной причинности предполагает, что только причина вызывает или порождает действие, то в процессах самоорганизации действия также могут оказывать влияние на породившую их причину. Действительно, поведение компонентов системы подчиняется и управляется параметрами порядка, но в то же время сами параметры порядка возникают в результате взаимодействия компонентов системы. Так возникает представление о циклической причинности, включающее признание обратного влияния действия на породившую его причину.

Синергетика родом из физических дисциплин — термодинамики, радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной научной картины мира.

Литература

Обязательная:

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. Курс лекций. - М.: Гардарики, 2012. Гл. 17 – 18.

2. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – 4-е изд., доп. и перераб. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2012. Гл. 2.

3. Хакен Г. Основные понятия синергетики // Синергетическая парадигма. М., 2000.

Дополнительная:

1. Аверьянов А.Н. Системное описание мира. – М.: Политиздат, 1995.

2. Блауберг И. В. Юдин Э. Г. Становление и сущность системного метода. М., 1973.

3. Моисеев Н.Н. Расставание с простотой. – М.: Аграф, 1998.

4. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика: от тепловых двигателей до диссипативных структур. – М.: Мир, 2002.

5. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. – М.: Едиториал УРСС, 2003.

6. Рузавин Г.И. Самоорганизация и организация в развитии общества // Вопросы философии. 1995. № 8.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем состоит специфика системного исследования?

2. Чем отличается система от агрегата?

3. Какое различие существует между строением и структурой системы?

4. В чем состоят преимущества системного метода исследования?

5. Можно ли применить системный метод к отдельному предмету?

6. Чем отличается системотехника от системного анализа?

7. Какое мировоззренческое значение имеет системный подход?

8. Что изучает синергетика?

9. Какие системы называются сложноорганизованными?

10.Чем отличается синергетический подход от кибернетического?

11.Какую роль играют флуктуации в синергетике?

12.Какие процессы называются кооперативными, и какую роль они играют в образовании новых структур?

13.Что характеризуют бифуркации?

14.Какую роль играют параметры порядка в синергетике?

15.Что такое циклическая причинность?

16.Где возникают критические точки?

17.Как рассматривает синергетика связь случайности и детерминизма?