Концепция самоорганизации и синергетика

Под самоорганизацией подразумевают процесс упорядочения системы, происходящий в силу внутренних факторов самой системы. В противоположность ему организация возникает под действием внешних причин.

Основоположники синергетики рассматривают ее как новое междисциплинарное направление исследований, как учение о сложноорганизованных системах. Г. Хакен подчеркивает, что все основные ее понятия «отражают различные аспекты особой области науки, занимающейся изучением сложных систем, — синергетики»¹. И. Пригожин и Г. Николис в совместном труде определяют синергетику как «познание сложного», которое возникло из исследования физики неравновесных состояний.

В настоящее время синергетика стала парадигмой исследования сложноорганизованных систем и не только находит широкое применение в естественных и технических науках, но и все активнее вторгается в социально-экономическое и гуманитарное познание. Прогресс в познании сложных систем способствовал преодолению противопоставления категорий простого и сложного, пониманию их относительности, а самое главное — раскрытию роли сложноорганизованных процессов в ходе эволюции и развития биологического и социального мира.

В этой главе мы рассмотрим, как изменились традиционные и классические научные представления о сложноорганизованных системах в связи с возникновением синергетики.

17.1. Формирование синергетики как нового направления в науке

Переходя к обсуждению вопроса о становлении парадигмы самоорганизации, необходимо прежде всего уточнить терминологию, которой

¹ Хакен Г. Основные понятия синергетики // Синергетическая парадигма. М., 2000. С. 29.

обычно пользуются при характеристике самоорганизации. В технике под самоорганизующимися системами обычно подразумевают саморегулирующиеся механизмы, к числу которых относят различные автоматические системы и регуляторы. По аналогии с ними в экономике саморегулирующимся считают механизм рынка свободной конкуренции. В физиологии самоорганизующимися называют механизмы гомеоста-за, которые регулируют жизненно важные функции организма: температуру тела, частоту дыхания, кровяное давление и др. В биологии стали исследовать механизм автопоэзиса, обеспечивающего самообновление живой системы. Один из основателей нового направления исследований и автор самого термина «синергетика» Г. Хакен связывает самоорганизацию с кооперативными процессами. В термодинамике многие авторы вслед за И. Пригожиным используют для этого термин «диссипативные структуры», поскольку диссипация, или рассеяние, энергии является необходимым условием функционирования открытых систем и возникновения самоорганизации. Нетрудно, однако, заметить, что эти термины охватываются общим, родовым термином «самоорганизация», исторически появившимся раньше остальных, которым мы также будем пользоваться в дальнейшем изложении.

Основополагающая идея синергетики под разными названиями и чаще всего под именем самоорганизации уходит своими корнями в глубокую древность. По крайней мере, она отчетливо осознавалась уже Аристотелем, а еще раньше играла существенную роль в космогонических представлениях древних греков, которые рассматривали процесс формирования мира как возникновение космоса, или порядка, из хаоса, или беспорядка. Однако эта общая идея имела скорее характер гениальной догадки, чем научно обоснованной гипотезы по той простой причине, что у античных греков не существовало экспериментального естествознания.

С возникновением конкретных наук, и прежде всего наук, входящих в состав естествознания, изучающих отдельные области и явления природы, идея об их общей связи и взаимодействии отходит на второй план. Постепенно в науке XVII—XVIII вв. складывается дисциплинарный стиль исследования, который ориентировал ученых на изучение природы по отдельным ее областям, классам и группам явлений. Такой подход в отличие от натурфилософских и умозрительных рассуждений Античности способствовал тщательному изучению природы с помощью систематических наблюдений и хорошо подготовленных экспериментов и был крупным шагом в развитии научного познания. Однако со временем ученые перестали замечать связь между явлениями, которые они непосредственно изучали, с явления-

ми, исследуемыми другими учеными, а тем более со всеми явлениями природы в целом. А это в конечном итоге привело к тому, что они начали рассматривать явления и процессы природы вне их связи и взаимодействия. Все это способствовало тому, что целостный взгляд на природу и ее развитие стал утрачиваться. В немалой степени сказалось здесь также господство механистического мировоззрения в науке и философии XVII—XVIII вв.

Принципы и методы изучения простейших механических и других систем оказались явно непригодными для исследования процессов и систем общественной жизни, которые отличаются особой динамичностью и перестройкой своих структурных и организационных форм. Неудивительно поэтому, что именно 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 право, политика, культура и остальные институты общества в результате деятельности идеологов, политиков или людей, стоящих у власти?

Ответы на эти вопросы, связанные с интуитивно понимаемой самоорганизацией, впервые высказывались именно в социально-экономических и гуманитарных науках, хотя и в недостаточно ясных и точных терминах. Поэтому они носили скорее интуитивный, чем рационально-аналитический характер, но это отнюдь не снижает их ценности и значения для последующего научного развития. Не случайно некоторые современные ученые называли, например, основоположника классической политической экономии А. Смита предтечей кибернетики на том основании, что у него в неявном виде встречается апелляция к принципу отрицательной обратной связи.

В философско-мировоззренческом плане проблема самоорганизации затрагивалась И. Кантом в «Критике суждения» в связи с внутренней целесообразностью в природе, где он рассматривает отличие искусственных объектов от естественных. По его мнению, в естественном образовании каждая его часть мыслится как обязанная своим существованием действию всех остальных частей и, в свою очередь, существует ради других и целого. Только при этих условиях они могут стать самоорганизованным бытием и, как таковые, называться целесообразными естественными образованиями.

К сожалению, новые радикальные идеи о характере функционирования и эволюции живых и социальных систем в период эпохи Просвещения и тесно связанного с ней рационализма не получили дальнейшего развития. Известно, что догма рационалистов — «разум правит миром» — надолго задержала формирование верных представлений об обществе и объективных законах его развития.

Осознанию глубины и общности значения принципа самоорганизации мешала также разобщенность исследователей, работавших в различных отраслях естественных и общественных наук. Нередко этому способствовало и прямое противопоставление методов естествознания методам общественных наук, а также попытка позитивистов непосредственно перенести естественнонаучные методы познания в социальные и гуманитарные науки. Это наталкивалось на серьезное противодействие представителей социально-гуманитарных наук и вызывало, отчуждение естествоиспытателей от гуманитариев.

Постепенно, однако, принцип самоорганизации в той или иной форме появлялся в разных науках при решении конкретных проблем. Так, например, в физиологии У. Кеннон сформулировал свой знаменитый принцип гомеостаза, суть которого сводится к тому, что в процессе адаптации к изменяющимся условиям существования живые организмы перестраиваются, чтобы поддержать устойчивость важнейших параметров своей жизнедеятельности.

Значительный импульс исследованию процессов самоорганизации придало возникновение кибернетики, которая обобщила принцип отрицательной обратной связи. Благодаря этому удалось объяснить существование устойчивых динамических систем, явления гомеостаза, существование на рынке спонтанного порядка, выражающегося в установлении равновесия между спросом и предложением, и многие другие явления и процессы. Однако этот принцип объясняет лишь сохранение и поддержание устойчивости динамических систем, но не раскрывает, каким образом такая устойчивость и порядок возникают. Между тем подлинная самоорганизация по самому смыслу этого термина означает именно изменение прежней организации, порядка или структуры и появление новой организации и структуры в результате взаимодействия элементов системы. Но большинство автоматов и технических устройств, сконструированных в кибернетике, опираются, по сути дела, на внешнюю организацию, т.е. «самоорганизация» в них заранее запланирована и организована человеком-конструктором. В отличие от этого самоорганизация и основанная на ней эволюция в живой природе и обществе отнюдь не сводятся к сохранению динамического равновесия. Рано или поздно, эволюция систем всегда сопро-

вождается теми или иными изменениями, будь то постепенные, количественные, или коренные, качественные, изменения их параметров и структур, которые сопровождаются появлением нового в развитии. Именно это глубокое различие между неживой и живой природой долгое время оставалось неразрешимым противоречием между классической термодинамикой и эволюционным учением Ч. Дарвина.

Важнейшая заслуга синергетики состоит в том, что она впервые сумела приблизиться к разрешению этого противоречия. Она экспериментально и теоретически доказала, что самоорганизация при наличии вполне определенных условий может происходить уже в простейших физико-химических и других системах неорганической природы.

К формулировке основной идеи новой парадигмы самоорганизации разные ученые подходили, опираясь на свои конкретные исследования в разных областях науки. Исследования Г. Хакеном механизма работы лазеров, начатые в 1960 г., убедили его в том, что в них процесс самоорганизации начинается с возникновения когерентного, кооперативного движения образующих его молекул или атомов. Поэтому в своем определении синергетики он подчеркивает именно кооперативный характер процессов самоорганизации. Как признается он сам, в то время он решал частную проблему и не пытался распространить полученные выводы на другие самоорганизующиеся системы.

В эти же годы другой немецкий ученый, М. Эйген, выдвинул и достаточно убедительно обосновал гипотезу, что возникновение жизни является результатом процесса естественного отбора, происходящего на молекулярном уровне. Благодаря этому дарвиновская теория естественного отбора была распространена на молекулярный уровень, т. е. генезис самой основы жизни. Этой основой стали высокомолекулярные органические структуры с адаптивными свойствами. Такие адаптивные свойства возникали при взаимодействии органических структур с окружающей средой в процессе естественного отбора в ходе эволюции. Предпосылками осуществления самоорганизации макромолекул были, по мнению Эйгена, их открытость для обмена веществом и энергией, автокатализ и мутации. Следовательно, заслуга Эйгена заключается не столько в раскрытии механизма самоорганизации, сколько в том, что он впервые ясно указал на тесную связь процессов самоорганизации с возникновением и эволюцией живых систем. Распространив принцип естественного отбора на органические макромолекулы с адаптивными характеристиками, он сумел по-новому взглянуть на процесс возникновения жизни. Эйген решал, несомненно, хотя и важную, но также специальную проблему биофизической на-

уки. Судя по всему, он не придавал своим исследованиям общенаучный характер и не рассматривал их в качестве новой парадигмы.

Другое направление исследований было связано с изучением кинетики химических процессов в теории необратимых процессов неравновесной термодинамики. Как показали эксперименты российских ученых Б.П. Белоусова и А.М. Жаботинского, в физико-химических системах в процессе самоорганизации к энергетическому обмену добавляется обмен веществами, участвующими в химической реакции. Использованные вещества удаляются из реактора, и вместо них поступают новые реагенты. Кроме того, для поддержания и ускорения процесса самоорганизации здесь применяются различные виды катализа, а именно автокатализ и кросс-катализ. В первом случае само реагирующее вещество ускоряет процесс получения нового продукта, во втором — происходит перекрестная поддержка реакции участвующими в ней веществами. В математической модели, описывающей эти эксперименты, названной брюсселятором (в честь г. Брюссель), И. Пригожин подчеркивает особое значение именно неравновесности и удаленности системы от точки термодинамического равновесия как исходных условий для начала ее самоорганизации. Системы и структуры такого рода он называет диссипативными именно потому, что они возникают за счет диссипации, или рассеяния, в окружающую среду использованной, деградированной энергии и вещества. Взамен этого система получает из окружающей среды новое вещество и энергию. Поскольку диссипация энергии ассоциируется с выведением беспорядка в среду, а получение новой энергии — с приобретением порядка, то вслед за Э. Шрёдингером взаимодействие между системой и ее средой стали рассматривать как обмен беспорядка на порядок. Вместе со своими сотрудниками И. Пригожин значительно продвинул разработку теории самоорганизующихся физико-химических процессов, за что был удостоен Нобелевской премии по химии за 1977 г.

Выводы теории Пригожина, по-видимому, имели более глубокий и общий характер, чем заключения Хакена, но тем не менее они также не превратились в 1960-х гг. в единую, общую парадигму исследования. В эти же годы Э. Лоренц, разрабатывая глобальную компьютерную модель для предсказания погоды, пришел к удивительному открытию. Используя ту же самую систему уравнений, с почти одинаковыми начальными условиями, он обнаружил, что они приводят к разным результатам. Детерминистическая система уравнений оказывалась «чувствительной» к начальным условиям, и ее «поведение» оказывалось хаотическим. Но этот хаос обладал сложным, внутренним порядком или регулярностью, так что понятия порядка и ре-

гулярности, с одной стороны, и беспорядка и иррегулярности, с другой, оказывались относительными. Их нельзя было поэтому противопоставлять друг другу в абсолютном смысле. Хаос оказывался специфической системой, обладающей весьма сложным порядком.

Таким образом, все рассмотренные выше подходы к самоорганизации были связаны с решением специальных проблем конкретных наук и вплоть до второй половины 1970-х гг. сами ученые ясно не сознавали, что исследуемые ими проблемы представляют собой частные случаи общего процесса самоорганизации. Отдельные ученые и их группы были заняты поиском решения конкретных проблем своей науки и не задумывались о существовании общей парадигмы исследования, хотя некоторые попытки ее поиска уже предпринимались, например в рамках теории диссипативных структур. Тем не менее все такие исследования носили скорее дисциплинарный, чем междисциплинарный характер, ибо они ориентировались на решение конкретных задач и проблем самых различных научных дисциплин.

Осознание общности и аналогии этих конкретных процессов как процессов самоорганизации в сложных системах возникло во второй половине 1970-х гг. Еще раньше было замечено, что вопреки различию отдельных научных дисциплин, изучавших сложноорга-низованные системы, они пользовались аналогичным математическим аппаратом, сходными, хотя и разными по названию, понятиями и принципами. Такие понятия, как структура, спонтанный порядок, устойчивость, флуктуация, бифуркация, отбор и другие, имели явно выраженный междисциплинарный характер. Все перечисленные понятия, термины и принципы описывают общий процесс изменения характера взаимодействия компонентов, или элементов, открытых систем и необратимых процессов, хотя называются по-разному в конкретных различных исследованиях.

17.2. Синергетика как парадигма междисциплинарных исследований

В предисловии к первому изданию своей книги «Синергетика» Г. Ха-кен писал: «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»¹.

¹ Хакен Г. Синергетика. М., 1980. С. 1.

В приведенной цитате Хакен подчеркивает тот факт, что синергетика возникла благодаря системным идеям современной науки, а именно из необходимости интеграции различных родственных дисциплин для определения их общих понятий и установления единых принципов и методов исследования. Таким образом, идеи синергетики являются дальнейшим обобщением и развитием специфических понятий и принципов, найденных в конкретных дисциплинах, поскольку именно там впервые было установлено, что самоорганизация в различных явлениях возникает в результате взаимодействия достаточно большого числа элементов, составляющих единую, целостную систему. Поэтому парадигма самоорганизации должна представлять собой обобщение основных идей и принципов, которые используют конкретные науки при исследовании сложноорганизованных систем. В связи с этим синергетику справедливо рассматривают как парадигму междисциплинарных исследований. Независимо от конкретного содержания исследуемых систем, она выделяет наиболее общие их свойства и принципы, которые необходимы для возникновения самоорганизации.

Широкое использование парадигмы самоорганизации в естественных науках и технике, а также постепенное проникновение ее идей и принципов в экономические и социально-гуманитарные науки выдвигают ряд важнейших мировоззренческих проблем. Одна из них относится к установлению места и роли самоорганизации в современной научной картине мира и раскрытии механизмов процесса глобальной эволюции мира.

Состоит ли окружающий нас мир из разнообразных по содержанию и форме самоорганизующихся систем? Возникла ли живая природа в результате случайного стечения чрезвычайно невероятных обстоятельств, условий и факторов, как на этом настаивали некоторые известные биологи, или же она является результатом закономерного процесса самоорганизации, начавшегося в неорганической природе и завершившегося возникновением сначала живой материи, а затем и общества?

На все эти вопросы синергетика помогает найти общий правильный ответ, наметить верную стратегию поиска, хотя они требуют, конечно, конкретных дальнейших исследований. С возникновением общества и целесообразной трудовой деятельности появляется новый способ взаимодействия и организации, связанный с сознательным, целенаправленным участием людей в производстве материальных благ и организации всей общественной системы. В то время как самоорганизация в ряде сфер общества происходит стихийно и результаты ее заранее не осознаются людьми, определенные общественные и государственные организации формируются вполне сознательно и пре-

следуют вполне конкретные цели и интересы отдельных сообществ людей, народов и государств. Отсюда возникает задача ясного разграничения самоорганизации и организации, их соотношения и взаимодействия в процессе развития общества.

Исследование самоорганизации проливает дополнительный свет на механизмы эволюции различных природных и социальных систем. Интуитивно мы хорошо представляем, что уровень развития систем связан с их сложностью, которая, в свою очередь, существенно определяется воздействием условий окружающей среды. Дарвиновская теория эволюции главное внимание обращала именно на влияние внешних условий на эволюцию живых организмов. Между тем современная концепция открытых систем ясно указывает на обратное воздействие системы на среду и поэтому позволяет шире взглянуть на общие условия протекания эволюции. Такой взгляд имеет первостепенное значение для решения проблем экологии, поскольку указывает на взаимосвязь системы и среды, общества и окружающей природы. Для адекватного понимания и глубокого объяснения процессов формирования и развития социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных систем, а также соответствующих институтов общества чрезвычайно актуальным является правильное решение проблемы взаимодействия самоорганизации, происходящей в отдельных группах, общественных и производственных коллективах, а также таких общественных институтов, как право, мораль и культура.

Как свидетельствует история, эти институты формируются также путем самоорганизации в ходе длительной эволюции человечества. Однако, раз возникнув, они в дальнейшем начинают оказывать свое организующее влияние на общество. Но наиболее значительное воздействие на экономическую, политическую и социальную жизнь осуществляется государством и его органами управления. В связи с этим возникают проблемы взаимодействия самоорганизации и организации в развитии общества, которые играют решающую роль в социально-экономических и гуманитарных науках. Все эти проблемы должны решаться поэтому в рамках теории сложноорганизованных систем синергетики.

Наконец, с проблемами синергетики непосредственно связаны многие познавательные, философские и общемировоззренческие вопросы развития научного знания. Как происходит взаимодействие дифференциации и интеграции научного знания в процессе его роста и развития? Как соотносятся дисциплинарные и междисциплинарные средства и методы исследования? Какой наиболее оптимальный путь следует выбрать при решении комплексных проблем современной науки — на все эти вопросы синергетика может пролить дополни-

тельный свет. В процессе ее становления стали наиболее заметны современные формы взаимодействия и интеграции отдельных наук для решения такой фундаментальной проблемы, как исследование эволюции и развития сложноорганизованных систем, а также тех специфических категорий, которые их характеризуют.

Важнейшим условием возникновения самоорганизации является наличие открытой системы, которое противоположно понятию закрытой системы классической термодинамики. Одно из первых определений этого понятия принадлежит выдающемуся австрийскому физику Э. Шрёдингеру, который сформулировал его в своей книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика». В ней он ясно указал, что законы физики лежат в основе образования биологических структур, и подчеркнул, что характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. В своей книге он дал следующее определение организма как открытой системы.

Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество, либо свежую энергию и одновременно выводить в окружающую среду использованное вещество и отработанную энергию, т.е. то, что в термодинамике характеризуют термином «энтропия». В открытых системах эта энтропия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу.

Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает Шрёдингер, извлекает порядок из окружающей среды и вместе с тем вносит в нее беспорядок. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, со временем разрушается. Между элементами системы возникают кооперативные процессы, которые приводят к коллективному поведению элементов системы. Именно кооперативные процессы ведут к возникновению новых динамических структур. Так

схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощные оптические излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения составляющих его частиц, скажем газа, приводятся в согласованное коллективное движение благодаря поступлению энергии извне, например электрическому разряду. Частицы газа начинают колебаться в одинаковой фазе, и вследствие интерференции мощность лазерного излучения многократно увеличивается. Этот пример свидетельствует о том, что в результате взаимодействия системы со средой за счет поступления дополнительной энергии прежние флуктуации, или случайные колебания, ее элементов превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы, и в результате происходит самоорганизация системы.

Другим примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых химических реагентов, т.е. веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и удаление в окружающую среду продуктов реакции — с другой. Самоорганизация обнаруживается здесь в появлении на поверхности раствора концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора. Например, раствор может строго периодически менять свою окраску с синего цвета на красный и обратно — явление, которое впоследствии было названо «химическими часами». Эти реакции впервые экспериментально были изучены нашими отечественными учеными Б.П. Белоусовым и А.М. Жаботинским.

На экспериментальной основе российских исследователей бельгийскими учеными во главе с И.Р. Пригожиным, русским по происхождению (1917—2003), была построена, как мы уже указывали выше, теоретическая модель, названная брюсселятором. Эта модель легла в основу исследований неравновесной термодинамики. Как отмечает Пригожин, переход от термодинамики (правильнее термостатики) равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.

18-

В-четвертых, если в классическом естествознании хаос играл чисто негативную роль, являясь символом дезорганизации и разрушения порядка, то в синергетике он выступает в качестве конструктивного фактора. С одной стороны, из хаоса, или беспорядка, возникает порядок, а с другой — сам хаос представляет собой весьма сложную форму упорядоченности.

Наконец, в-пятых, в синергетике становится возможным говорить о категории времени, отображающем реальные процессы изменения систем не только в направлении их дезорганизации и разрушения, но и самоорганизации и становления.