Самоорганизация - СИНЕРГЕТИКА.

Открытие нового мира

необратимости

внутренней случайности

и сложности

И.Пригожин

В конце 19, начале 20 века думали, что есть два класса объектов. Одни - детерминированные. Прогноз их поведения может быть дан на любое желаемое время, для них применимы законы ньютоновской механики и они не зависят от времени. Другие - стохастические. Ими занимается теория вероятностей. Типичный пример - бросание костей или монетки. То, что выпадает в этот раз, никак не связано с предысторией. Здесь нельзя говорить о детерминированном прогнозе и можно иметь дело лишь со статистическими характеристиками - средними значениями, дисперсиями, распределениями вероятностей.

В последние двадцать лет было показано, что есть еще один важный класс объектов. Формально они являются детерминированными - точно зная их текущее состояние, можно установить, что произойдет с системой в сколь угодно далеком будущем. И вместе с тем предсказывать ее поведение можно лишь в течение ограниченного времени. Сколь угодно малая неточность в определении начального состояния системы нарастает со временем, и с некоторого времени мы теряем возможность что-либо предсказывать. В это время система ведет себя хаотически. Тут вновь приходится говорить лишь о статистическом описании. Такие системы были обнаружены в гидродинамике, физике лазеров, химической кинетике, астрофизике и физике плазмы, в геофизике и экологии. Поистине огромна область, в которой наши возможности предсказывать весьма ограничены. Однако в некоторых случаях осознанный барьер не только лишает иллюзий, но и помогает увидеть истинный масштаб стоящих проблем.

Суть идеи прекрасно сформулирована в рассказе Рея Брэдбери "И грянул гром". Одна из компаний устраивает с помощью машины времени для своих клиентов сафари - охоту на доисторических животных. Компания тщательно выбирает животных для отстрела и специальные маршруты передвижения охотников, чтобы происшедшее практически не имело последствий. Однако, по случайности, герой рассказа во время неудачной охоты сошел с маршрута и раздавил золотистую бабочку. Затем он возвращается в свое время и осознает, как драматически повлияла судьба бабочки на дальнейший ход событий. Неуловимо изменился химический состав воздуха, оттенки цветов, изменились правила правописания и, наконец, результаты последних выборов. К власти пришел режим, жестоко расправившийся со своими противниками. В свой последний миг герой рассказа понимает, что гибель бабочки нарушила хрупкое равновесие. Важнейшее свойство детерминированных систем с хаотическим поведением - чувствительность к начальным данным. Начальные отклонения с течением времени нарастают, малые причины приводят к большим следствиям. Это явление иногда называют эффектом бабочки, так объясняя название: взмах крыльев бабочки в неустойчивой системе может со временем вызвать бурю, изменить погоду в огромном регионе. Свойства и поведение хаотических неравновесных систем изучает наука, появившаяся в 70-х годах - синергетика.

Синергетика, как научное направление появилось из физических исследований, в настоящее время его считают междисциплинарным направлением науки. Как это часто бывает с новыми, революционными направлениями в науке (теория информации, кибернетики, экология и т.п.), сюда начинают сваливать все доселе неясное и труднообъяснимое, возникает с одной стороны иллюзия панацеи, с другой - забалтывание важных, работающих понятий. Исследователи склонны приносить и привносить в нелинейную науку все понравившееся им в своих научных дисциплинах. В последнее время в Интернете появились сообщения о постсинергетических направлениях, как попытка спасти физиками свое детище и углубить синергетику, как науку.

Так что же такое синергетика, откуда она появилась? Теория состояний, далеких от равновесия, возникла в результате синтеза трех направлений исследований:

1.Разработка методов описания существенно неравновесных процессов на основе статистической физики. В рамках этого направления создаются кинетические модели, определяются параметры, необходимые для описания, выявляются корреляции, крупномасштабные флуктуации, устанавливаются закономерности перехода в состояние равновесия.

2.Разработка термодинамики открытых систем, изучение стационарных состояний, сохраняющих устойчивость в определенном диапазоне внешних условий, поиск условий самоорганизации, т. е. возникновения упорядоченных структур из неупорядоченных. Было показано, что процессы диссипации* энергии являются необходимым условием самоорганизации, поэтому возникающие структуры получили название диссипативных.

Начало изучению процессов диссипации положила Школа Брюссельского лауреата Нобелевской премии 1977г Пригожина Ильи Романовича (1917). Уроженец Москвы, в 10 летнем возрасте эмигрировал с родителями в Бельгию. Работает в Брюссельском Свободном университете. Развивает теорию диссипативных структур. Исследуя процессы самоорганизации в физических и химических системах И.Р.Пригожин развивает и исторические предпосылки и мировозренческие основания теории самоорганизации. Концепция такого рода принесла И.Р.Пригожину Нобелевскую премию по химии: "странная Нобелевская премия, говорили некоторые, присвоенная за рабочую гипотезу!", "самая заслуженная из Нобелевских премий!" - возражали ученые, занимающиеся происхождением жизни.

Г.Хакен предложил называть эту область исследований синергетикой (от греческого “синергетикос” - совместный, согласованно действующий).

3.Определение качественных изменений решений нелинейных дифференциальных уравнений, определяющих состояния далекие от равновесия, в зависимости от входящих параметров. Этот раздел математики получил название теории катастроф. Сопоставляя жизненные формы с определенной дифференциальной типологией, математик Том находит " объединяющую концепцию" и формулирует свою теорию катастроф, которая претендует на объяснение процессов и которая применима безразлично к метеорологии, к семейным скандалам, к прибою, к росту деревьев. С ее помощью описываются качественные перестройки общей структуры решений - катастрофы, определяются границы устойчивости и изменения структуры состояний.

За последние тридцать лет физика сумела понять, что упорядоченность образуется в открытых системах, находящихся в неравновесном состоянии.

В цикле развития таких систем можно наблюдать две фазы:

1) Период плавного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, к ней приложимы законы механики, можно предсказать поведение системы в определенном интервале времени. Система способна выдерживать случайные воздействия, сохраняя свой гомеостаз*. В то же время, эти воздействия приводят систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию, к точке бифуркации*;

2) Точка бифуркации - скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, , под воздействием конструктивных случайностей. Вторая фаза характеризуется стохастическими процессами, здесь степень прогноза возможна с определенной долей вероятности, реализуется нелинейное развитие системы.

Нелинейность - (дифференциальные уравнения, описывающие явления, имеют несколько решений). Теория выявила свойства открытых систем, находящихся в точке бифуркаций: они оказываются неустойчивыми и возврат к начальному состоянию является необязательным. Можно сказать, что система “не помнит своего прошлого”, если она испытала в своем развитию бифуркацию, т.е. разветвление путей эволюции, при переходе через пороговое состояние своей организации. И окончательный выбор зависит от случайных возмущений.

“...даже слабое воздействие на нелинейную систему в точке бифуркации может определить ее дальнейшую судьбу, в то время как вдали от нее влияние этого воздействия не ощущается. Здесь мы сталкиваемся с резонансным возбуждением – возбуждением, согласованным с внутренними свойствами нелинейной системы и сильно влияющим на нее”.(Пригожин, Стенгерс, 1986).

При наличии неустойчивости изменяется роль внешних воздействий. В определенных условиях ничтожно малое воздействие на открытую систему может привести к значительным непредсказуемым последствиям (раскрытие неустойчивости). В открытых системах, далеких от равновесия, возникают эффекты согласования, когда элементы системы коррелируют свое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопические интервалы времени. Такое кооперативное, согласованное поведение характерно для систем различных типов: молекул, клеток, нейронов, отдельных особей и т.д. В результате согласованного взаимодействия происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса определенных структур, их преобразования и усложнения. Хаос - это особое состояние сверхчувствительной системы к самым слабым флуктуациям, это необходимое условие самоорганизации. Хаос есть конструктивное начало, основа для процесса развития. Процессы, протекающие в точке бифуркации системы, характеризуются самоорганизацией.

Самоорганизация- механизм самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения упорядоченных структур. То есть пространственно-временные структуры не накладываются, а возникают изнутри системы при переходе ее на новый уровень. При наличии нескольких вариантов путей развития системы, в соответствии с решением нелинейных дифференциальных уравнений состояния, у системы есть приоритетные пути развития, зависящие от свойств надсистем, так называемые аттракторы.

Аттрактор - близок к понятию цель. Относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает все множество траекторий движения системы. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию.

Как это часто бывает при рождении новых, поворотных теорий, оказывается, что сама идея витала в воздухе. Особенно показательна в этом плане синергетика. Начиная с мифов, где у большинства народов начало мира есть нечто бесформенное, хаос или пустота. Затем философские изыскания древних греков и восточная мысль о взаимосвязи всего со всем, о равновеликости малого и большого. Именно как подтверждение интуитивного знания и прозрений воспринимается синергетика гуманитарными направлениями науки.

Синергетика дает новый образ мира. Этот мир самоорганизован. Он открыт, т.е. является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим миром. Он эволюционирует по нелинейным законам. Последнее означает, что этот мир полон неожиданных поворотов, связанных с выбором путей дальнейшего развития.

Хаос, беспорядок, случайности необходимы для рождения нового. Фридрих Ницше выразил эту мысль, по-своему преломив ее через человеческую душу: “ Нужно носит в себе еще хаос, чтобы быть в состоянии родить танцующую звезду”. “Переоткрытие” хаоса в современном точном естествознании - это открытие временного горизонта принципиальной непредсказуемости многих будущих событий, которые, если произойдут, то просто напросто будут иметь место в качестве уникальных и неповторимых, но не закономерных, как сказал бы приверженец декартово-ньютоновой парадигмы научного познания, верой и правдой служившей ему фактически вплоть до самого недавнего времени.

Однако именно потому, что будущее скрыто от нас, а потому не может быть ни светлым, ни черным, человечество, собственно говоря, существует, становится. Открытие динамического хаоса наполняет антропный принцип новым синергетическим, постнеклассическим содержанием, придает точному естествознанию новое качество открытости знанию гуманитарному.

Всякий процес развития сопровождается огромным фоном случайностей. “Человек предполагает, а бог располагает.” Какой случайности удастся стать существенной? Какие флуктуации приведут к новой пространственно-временной макроструктуре? Однако для того, чтобы случайность могла прорваться на макроуровень, необходимо особое состояние нелинейной системы (среды). Неустойчивость поэтому вопреки обыденному интуитивному ощущению не есть некая досадная неприятность. Она несет в себе конструктивный момент. Вообще говоря, если нет неустойчивости, то нет и развития.

От Запада синергетика берет традиции анализа, опору на эксперимент, общезначимость научных выводов и их транслируемость (от одной школы науки к другой, от науки к обществу в целом), через научные тексты, особый математический аппарат и даже запись на дискете компьютера.

От Востока синергетика воспринимает идею целостности (все во всем) и идею общего закона - единого пути Дао - которому следуют и мир в целом, и человек в нем. Отдельно хотелось бы остановится именно на этом видении синергетики. В книгах Фритьофа Капры “Дао физики” и "Уроки мудрости", даосизм представляется как философия синергетики. Весьма близко перекликается с ней работа Т.П.Григорьевой “Синергетика и восток”. Чтобы у читателя появилось чувство сопричастности к этому взгляду на синергетику, мы приводим довольно большие фрагменты из статьи Т.П. Григорьевой "Синергетика и Восток" без изменений:

В основе духа и материи, по представлениям древних китайцев, лежит энергия, которая постоянно видоизменяется, принимает разные формы. Все есть “ци” - вселенская энергия, она то сгущается и образует “вещи”, то разрежается, переходит в чистую энергию. “Единое ци пронизывает все, поэтому мудрый ценит Единое” - говорит даосский мудрец Чжуан-цзы. Изначальная энергия светоносна, вечна, подчиняется своим законам, - включает в себя все положительные потенции (по нашим понятиям, это божественная энергия); лишь в процессе неправедной жизни людей омрачается, теряет равновесие. Начинает преобладать один из двух видов энергии - инь-ци (темное, холодное, стремление к сжатию, покою) или ян-ци (светлое, теплое, стремление к расширению, движению). Потрясения XX века свидетельствуют о том, что преобладает низшее ян, не уравновешенное инь: огненная стихия, вышедшая из под контроля Разума, неразумная активность, которая оборачивается разрушениями невиданного масштаба в процессе войн и революций.

Наука не может не отвечать на вызов действительности и не искать выхода из тупиковой ситуации. Так появилась СИНЕРГЕТИКА, принципиально отличная от классической науки, антропоцентрической по сути: противопоставив человека, субъекта, всему остальному миру, наука нарушила закон Целого, онтологическую Справедливость. Синергетика же опирается не на волю человека, его представления, а на волю Вселенной. В ее лице наука выходит на ту позицию, которую на буддийско-даосском Востоке называют Срединным Путем. Это значит, - следовать Пути мирового становления, не расходиться с предустановленным порядком, небесным ритмом, не отклоняясь ни вправо, ни влево, ибо Истина в Центре (Чжун); крайности же ведут к самопогибели. "В Срединности (Чжун) - великий Корень Поднебесной. В Равновесии (Хэ) - Путь Поднебесной" - сказано в древнем трактате "Постоянство в Середине" (Чжун-юн, 1,2,4). Не преодолевать, тем более, не уничтожать прошлое ради созидания будущего: разрушать прошлое, значит, разрушать будущее, ибо время едино, одно переходит в другое. Сохранять прошлое ради созидания будущего, ибо строить можно, лишь имея Основу.

Следовали так же закону Естественности (Цзыжань): не навязывая Природе своего образца, а беря ее за образец, не поучали Природу, а учились у нее. В синергетике это называется законом самоорганизации. В устах Лаоцзы он звучит, как: "Человек следует Земле. Земля - Небу. Небо - Дао, а Дао самому себе [Цзыжань, можно перевести как самоорганизуется” Т.Г.]" (Даодэцзин, §25).

Новизна наступающей ситуации в том, что изжила себя система тотального противостояния, дуализма, пройдя через искус отрицания отрицания, существования одного за счет другого, - силовой вариант Истории. И, надо думать, кто этого не понимает, останется вне Эволюции или за пределами Божественного промысла. Высшее сознание пришло к выводу, что есть нечто третье, основа того и другого, духа и материи, - это Энергия, и что односторонность, принцип мышления “или то, или это”, не может объять истинную картину мира, дать ответ на запросы действительности. Ученые заняты поиском “нового понятия, отвечающего реальности” (Вернадский).

Если все самоорганизуется, т.е. выбирает наиболее удобный для себя путь, то человек своим вмешательством может помешать этому процессу, но может и помочь, угадав характер изменений, воздействуя кропотливо на тонкую материю. Потому синергетики и видят главное - не в силе, а в правильной топологической конфигурации, архитектуре, резонансном воздействии на сложную среду (С.П.Курдюмов). Т.е. самоорганизующаяся Вселенная или Эволюция предоставляет свободу выбора, рассчитывает на поддержку разумного человека. Попадая в поле притяжения определенного аттрактора, система притягивается к намеченной структуре, как к наиболее устойчивому состоянию."

Суммируя вышесказанное о процессах самоорганизации сложных систем, не хотелось бы возводить в абсолют саму идею синергетики. Как отмечают сторонники синергетики ”по всей вероятности, пока еще рано говорить о философии синергетики, а равным образом и о синергетике познания, т.е. о синергетическом видении когнитивных процессов, как об общепринятых и в достаточной мере разработанных” (Князева, 1995). Впрочем, последнее лишь свидетельствует в пользу последнего из перечисленных свойств современного естествознания, его историчности.

Историчность- В нем заключена еще одна особенность современной научной картины мира, отличающая ее от прежних вариантов. Признание историчности, а следовательно, незавершенности настоящей, как и любой прошлой и будущей научной картины мира. Современная научная картина мира является продуктом как прошлых изысканий, так и специфических социокультурных особенностей современности. Научные изыскания увеличивают информационную насыщенность общества, приводят к новому видению мира. Развивается и само общество, изменяются его ценностные ориентиры. Так осознания важности и приоритетности экологических проблем после 70-х годов 20 столетия, изменили стратегию научного поиска, само отношение человека к миру.

Но развивается и Вселенная. Развитие Вселенной и общества, безусловно, происходит в разных временных интервалах, но их взаимное наложение отрицает саму возможность создания окончательной, завершенной, абсолютно истинной научной картины мира. «Все течет, все изменяется.» Гераклит Эфесский.