|
|
|
|
 Far |
| WinNavigator |
| Frigate |
| Norton
Commander |
| WinNC |
| Dos
Navigator |
| Servant
Salamander |
| Turbo
Browser |
|
|
| Winamp,
Skins, Plugins |
| Необходимые
Утилиты |
| Текстовые
редакторы |
| Юмор |
|
|
|
File managers and best utilites |
Реферат: Синергетика как универсальная научная парадигма:. Научная парадигма реферат
Реферат - Понятие парадигмы и логика научных революций в концепции Т.Куна
Контрольная работа по дисциплине «методы научного познания»
Нижневартовский государственный гуманитарный университет
Нижневартовск 2009
Введение
Прогресс науки и техники в XX веке выдвинул перед методологией и историей науки актуальную проблему анализа природы и структуры тех коренных, качественных изменений научного знания, которые принято называть революциями в науки. В западной философии и истории науки интерес к этой проблеме был вызван появлением нашумевшей в 70-х годах работы Томаса Куна «Структура научных революций». Книга Т.Куна вызвала огромный интерес не только историков науки, но также философов, социологов, психологов, изучающих научное творчество, и многих естествоиспытателей различных стран мира.
В книге излагается довольно-таки спорный взгляд на развитие науки. На первый взгляд Кун не открывает ничего нового, о наличии в развитии науки нормальных и революционных периодов говорили многие авторы. Но они не смогли найти аргументированного ответа на вопросы: «Чем отличаются небольшие, постепенные, количественные изменения от изменений коренных, качественных, в том числе революционных?», «Как эти коренные сдвиги назревают и подготавливаются в предшествующий период?». Не случайно поэтому история науки нередко излагается как простой перечень фактов и открытий. При таком подходе прогресс в науке сводится к простому накоплению и росту научного знания (кумуляции), вследствие чего не раскрываются внутренние закономерности происходящих в процессе познания изменений. Этот кумулятивистский подход и критикует Кун в своей книге, противопоставляя ему свою концепцию развития науки через периодически происходящие революции.
Кратко теория Куна состоит в следующем: периоды спокойного развития (периоды «нормальной науки») сменяются кризисом, который может разрешиться революцией, заменяющей господствующую парадигму. Под парадигмой Кун понимает общепризнанную совокупность понятий, теории и методов исследования, которая дает научному сообществу модель постановки проблем и их решений.
В качестве попытки наглядно представить рассматриваемую теорию читателю предлагается схематический график развития науки по Куну. Дальнейшее изложение идет по пути раскрытия понятий и процессов, изображенных на схеме.
Биография Т.Куна
Томас Сэмюэл Кун -18 июля 1922, Цинциннати, Огайо — 17 июня 1996, Кембридж, Массачусетс) — американский историк и философ науки, считавший, что научное знание развивается скачкообразно, посредством научных революций. Любой критерий имеет смысл только в рамках определённой парадигмы, исторически сложившейся системы воззрений. Научная революция — это смена научным сообществом психологических парадигм.
Томас Кун родился в Цинцинатти, Огайо в семье Самуэля Л. Куна, промышленного инженера, и Минетт Струк Кун.
1943 — окончил Гарвардский университет и получил степень бакалавра по физике.
В годы Второй мировой войны был определён для гражданской работы в Бюро научных исследований и развития.
1946 — в Гарварде получил степень магистра по физике.
1947 — начало формирования основных тезисов: «структура научных революций» и «парадигма».
1948—1956 — занимал различные преподавательские должности в Гарварде; преподавал историю науки.
1949 — в Гарварде защитил диссертацию по физике.
1957 — преподавал в Принстоне.
1961 — работал профессором истории науки на кафедре Калифорнийского университета в Беркли.
1964—1979 — работал на университетской кафедре в Принстоне, преподавал историю и философию науки.
1979—1991 — профессор Массачусетского технологического института.
1983—1991 — профессор философии Лоренса С. Рокфеллера в том же институте.
1991 — вышел на пенсию.
1994 — у Куна был диагностирован рак бронхов.
1996 — Томас Кун умер.
Кун был дважды женат. Первый раз на Катерине Мус (с которой у него было трое детей), а затем на Джиэн Бартон.
Научная деятельность:
Основная статья: Структура научных революций.
Наиболее известной работой Томаса Куна считается — «Структура научных революций» (1962 г.), в которой рассматривается теория, что науку следует воспринимать не как постепенно развивающуюся и накапливающую знания по направлению к истине, но как явление, проходящее через периодические революции, называемые в его терминологии «сменами парадигм». Изначально «Структура научных революций» была опубликована в виде статьи для «Международной энциклопедии унифицированной науки». Огромное влияние, которое оказало исследование Куна, можно оценить по той революции, которую она спровоцировала даже в тезаурусе истории науки: помимо концепции «смены парадигм», Кун придал более широкое значение слову «парадигма», использовавшемуся в лингвистике, ввёл термин «нормальная наука» для определения относительно рутинной ежедневной работы учёных, действующих в рамках какой-либо парадигмы, и во многом повлиял на использование термина «научные революции» как периодических событий, происходящих в различное время в различных научных дисциплинах, — в отличие от единой «Научной Революции» позднего Ренессанса.
Во Франции концепция Куна стала соотноситься с теориями Мишеля Фуко (соотносились термины «парадигма» Куна и «эпистема» Фуко) и Луи Альтюссера, хотя те скорее занимались историческими «условиями возможного» научного дискурса. (В действительности мировоззрение Фуко было сформировано под влиянием теорий Гастона Башляра, который независимо разработал точку зрения на историю развития науки, схожую с кунновской.) В отличие от Куна, рассматривающего различные парадигмы в качестве несопоставимых, по концепции Альтюссера, наука имеет кумулятивную природу, хоть данная кумулятивность и дискретна.
Работа Куна весьма широко используется в социальных науках — например, в постпозитивистско-позитивистской дискуссии в рамках теории международных отношений.
Этапы научной революции:
Основная статья: Смена парадигм
Ход научной революции по Куну:
нормальная наука — каждое новое открытие поддаётся объяснению с позиций господствующей теории;
экстраординарная наука. Кризис в науке. Появление аномалий — необъяснимых фактов. Увеличение количества аномалий приводит к появлению альтернативных теорий. В науке сосуществует множество противоборствующих научных школ;
научная революция — формирование новой парадигмы.
Общественная деятельность и награды:
Кун был членом Национальной академии наук, Американского философского общества, Американской академии наук и искусств.
В 1982 году профессор Кун удостоен медали Джорджа Сартона в области истории науки.
Имел почётные звания многих научных и учебных заведений, в том числе университета Нотр Дам, Колумбийского и Чикагского университетов, университета Падуи и Афинского университета.
2.Понятие парадигмы.
По определению Томаса Куна, данному в «Структуре научных революций», научная революция — эпистемологическая смена парадигмы.
«Под парадигмами я подразумеваю признанные всеми научные достижения, которые в течение определенного времени дают модель постановки проблем и их решений научному сообществу». (Т. Кун)
Согласно Куну, научная революция происходит тогда, когда учёные обнаруживают аномалии, которые невозможно объяснить при помощи универсально принятой парадигмы, в рамках которой до этого момента происходил научный прогресс. С точки зрения Куна, парадигму следует рассматривать не просто в качестве текущей теории, но в качестве целого мировоззрения, в котором она существует вместе со всеми выводами, совершаемыми благодаря ей.
Можно выделить, по меньшей мере, три аспекта парадигмы:
Парадигма — это наиболее общая картина рационального устройства природы, мировоззрение;
Парадигма — это дисциплинарная матрица, характеризующая совокупность убеждений, ценностей, технических средств и т. д., которые объединяют специалистов в данное научное сообщество;
Парадигма — это общепризнанный образец, шаблон для решения задач-головоломок. (Позднее, в связи с тем, что это понятие парадигмы вызвало толкование, неадекватное тому, какое ему придавал Кун, он заменил его термином «дисциплинарная матрица» и тем самым ещё более отдалил это понятие по содержанию от понятия теории и теснее связал его с механической работой ученого в соответствии с определенными правилами.)
3. Теория научных революций Т. Куна.
Работа Т. Куна «Структура научных революций», этой работе исследуются социокультурные и психологические факторы в деятельности как отдельных ученых, так и исследовательских коллективов.
Т.Кун считает, что развитие науки представляет собой процесс поочередной смены двух периодов — «нормальной науки» и «научных революций». Причем последние гораздо более редки в истории развития науки по сравнению с первыми. Социально-психологический характер концепции Т.Куна определяется его пониманием научного сообщества, члены которого разделяют определенную парадигму, приверженность к которой обуславливается положением его в данной социальной организации науки, принципами, воспринятыми при его обучении и становлении как ученого, симпатиями, эстетическими мотивами и вкусами. Именно эти факторы, по Т.Куну, и становятся основой научного сообщества.
Центральное место в концепции Т.Куна занимает понятие парадигмы, или совокупности наиболее общих идей и методологических установок в науке, признаваемых данным научным сообществом. Парадигма обладает двумя свойствами: 1) она принята научным сообществом как основа для дальнейшей работы; 2) она содержит переменные вопросы, т. е. открывает простор для исследователей. Парадигма — это начало всякой науки, она обеспечивает возможность целенаправленного отбора фактов и их интерпретации. Парадигма, по Куну, или «дисциплинарная матрица», как он ее предложил называть в дальнейшем, включает в свой состав четыре типа наиболее важных компонентов: 1) «символические обобщения» — те выражения, которые используются членами научной группы без сомнений и разногласий, которые могут быть облечены в логическую форму, 2) «метафизические части парадигм» типа: «теплота представляет собой кинетическую энергию частей, составляющих тело», 3) ценности, например, касающиеся предсказаний, количественные предсказания должны быть предпочтительнее качественных, 4) общепризнанные образцы.
Все эти компоненты парадигмы воспринимаются членами научного сообщества в процессе их обучения, роль которого в формировании научного сообщества подчеркивается Куном, и становятся основой их деятельности в периоды «нормальной науки». В период «нормальной науки» ученые имеют дело с накоплением фактов, которые Кун делит на три типа: 1) клан фактов, которые особенно показательны для вскрытия сути вещей. Исследования в этом случае состоят в уточнении фактов и распознании их в более широком кругу ситуаций, 2) факты, которые хотя и не представляют большого интереса сами по себе, но могут непосредственно сопоставляться с предсказаниями парадигмальной теории, 3) эмпирическая работа, которая предпринимается для разработки парадигмальной теории.
Однако научная деятельность в целом этим не исчерпывается. Развитие «нормальной науки» в рамках принятой парадигмы длится до тех пор, пока существующая парадигма не утрачивает способности решать научные проблемы. На одном из этапов развития «нормальной науки» непременно возникает несоответствие наблюдений и предсказаний парадигмы, возникают аномалии. Когда таких аномалий накапливается достаточно много, прекращается нормальное течение науки и наступает состояние кризиса, которое разрешается научной революцией, приводящей к ломке старой и созданию новой научной теории — парадигмы.
Кун считает, что выбор теории на роль новой парадигмы не является логической проблемой: «Ни с помощью логики, ни с помощью теории вероятности невозможно переубедить тех, кто отказывается войти в круг. Логические посылки и ценности, общие для двух лагерей при спорах о парадигмах, недостаточно широки для этого. Как в политических революциях, так и в выборе парадигмы нет инстанции более высокой, чем согласие соответствующего сообщества». На роль парадигмы научное сообщество выбирает ту теорию, которая, как представляется, обеспечивает «нормальное» функционирование науки. Смена основополагающих теорий выглядит для ученого как вступление в новый мир, в котором находятся совсем иные объекты, понятийные системы, обнаруживаются иные проблемы и задачи: «Парадигмы вообще не могут быть исправлены в рамках нормальной науки. Вместо этого… нормальная наука в конце концов приводит только к осознанию аномалий и к кризисам. А последние разрешаются не в результате размышления и интерпретации, а благодаря в какой-то степени неожиданному и неструктурному событию, подобно переключению гештальта. После этого события ученые часто говорят о «пелене, спавшей с глаз», или об «озарении», которое освещает ранее запутанную головоломку, тем самым приспосабливая ее компоненты к тому, чтобы увидеть их в новом ракурсе, впервые позволяющем достигнуть ее решения». Таким образом, научная революция как смена парадигм не подлежит рационально-логическому объяснению, потому что суть дела в профессиональном самочувствии научного сообщества: либо сообщество обладает средствами решения головоломки, либо нет — тогда сообщество их создает.
Мнение о том, что новая парадигма включает старую как частный случай, Кун считает ошибочным. Кун выдвигает тезис о несоизмеримости парадигм. При изменении парадигмы меняется весь мир ученого, так как не существует объективного языка научного наблюдения. Восприятие ученого всегда будет подвержено влиянию парадигмы.
По-видимому, наибольшая заслуга Т. Куна состоит в том, что он нашел новый подход к раскрытию природы науки и ее прогресса. В отличие от К. Поппера, который считает, что развитие науки можно объяснить исходя только из логических правил, Кун вносит в эту проблему «человеческий» фактор, привлекая к ее решению новые, социальные и психологические мотивы.
Книга Т. Куна породила множество дискуссий, как в советской, так и западной литературе. Одна из них подробно анализируется в статье, которая будет использована для дальнейшего обсуждения. По мнению авторов статьи, острой критике подверглись как выдвинутое Т.Куном понятие «нормальной науки», так и его интерпретация научных революций.
В критике понимания Т.Куном «нормальной науки» выделяются три направления. Во-первых, это полное отрицание существования такого явления как «нормальная наука» в научной деятельности. Этой точки зрения придерживается Дж. Уоткинс. Он полагает, что наука не сдвинулась бы с места, если бы основной формой деятельности ученых была «нормальная наука». По его мнению, такой скучной и негероической деятельности, как «нормальная наука», не существует вообще, из «нормальной науки» Куна не может вырасти революции.
Второе направление в критике «нормальной науки» представлено Карлом Поппером. Он, в отличие от Уоткинса, не отрицает существования в науке периода «нормального исследования», но полагает, что между «нормальной наукой» и научной революцией нет такой существенной разницы, на которую указывает Кун. По его мнению, «нормальная наука» Куна не только не является нормальной, но и представляет опасность для самого существования науки. «Нормальный» ученый в представлении Куна вызывает у Поппера чувство жалости: его плохо обучали, он не привык к критическому мышлению, из него сделали догматика, он жертва доктринерства. Поппер полагает, что хотя ученый и работает обычно в рамках какой-то теории, при желании он может выйти из этих рамок. Правда при этом он окажется в других рамках, но они будут лучше и шире.
Третье направление критики нормальной науки Куна предполагает, что нормальное исследование существует, что оно не является основным для науки в целом, оно так же не представляет такого зла как считает Поппер. Вообще не следует приписывать нормальной науке слишком большого значения, ни положительного, ни отрицательного. Стивен Тулмин, например, полагает, что научные революции случаются в науке не так уж редко, и наука вообще не развивается лишь путем накопления знаний. Научные революции совсем не являются «драматическими» перерывами в «нормальном» непрерывном функционировании науки. Вместо этого она становится «единицей измерения» внутри самого процесса научного развития. Для Тулмина революция менее революционна, а «нормальная наука» — менее кумулятивна, чем для Куна.
Не меньшее возражение вызвало понимание Т.Куном научных революций. Критика в этом направлении сводится прежде всего к обвинениям в иррационализме. Наиболее активным оппонентом Т.Куна в этом направлении выступает последователь Карла Поппера И. Лакатос. Он утверждает, например, что Т.Кун «исключает всякую возможность рациональной реконструкции знания», что с точки зрения Т.Куна существует психология открытия, но не логика, что Т.Кун нарисовал «в высшей степени оригинальную картину иррациональной замены одного рационального авторитета другим».
Как видно из изложенного обсуждения, критики Т.Куна основное внимание уделили его пониманию «нормальной науки» и проблемы рационального, логического объяснения перехода от старых представлений к новым.
В результате обсуждения концепции Т.Куна большинство его оппонентов сформировали свои модели научного развития и свое понимание научных революций.
Заключение
Концепция научных революций Т.Куна представляет собой довольно-таки спорный взгляд на развитие науки. На первый взгляд, Т.Кун не открывает ничего нового, о наличии в развитии науки нормальных и революционных периодов говорили многие авторы. В чем же особенность философских взглядов Т.Куна на развитие научного знания?
Во-первых, Т.Кун представляет целостную концепцию развития науки, а не ограничивается описанием тех или иных событий из истории науки. Эта концепция решительно порывает с целым рядом старых традиций в философии науки.
Во-вторых, в своей концепции Т.Кун решительно отвергает позитивизм — господствующее в с конца XIX века течение в философии науки. В противоположность позитивисткой позиции в центре внимания Т.Куна не анализ готовых структур научного знания, а раскрытие механизма развития науки, т.е., по существу, исследование движения научного знания.
В-третьих, в отличие от широко распространенного кумулятивисткого взгляда на науку, Т.Кун не считает, что в наука развивается по пути наращивания знания. В его теории накопление знаний допускается лишь на стадии нормальной науки.
В-четвертых, научная революция, по Т.Куну, сменяя взгляд на природу, не приводит к прогрессу, связанному с возрастанием объективной истинности научных знаний. Он опускает вопрос о качественном соотношении старой и новой парадигмы: является ли новая парадигма, пришедшая на смену старой, лучше с точки зрения прогресса в научном познании? Новая парадигма, с точки зрения Т.Куна, ничуть не лучше старой.
При изложении концепции научных революций опущены некоторые интересные рассуждения Т.Куна об учебниках и научных группах, не относящиеся непосредственно к теме реферата.
Список литературы
1. Т.Кун. Структура научных революций. М., Прогресс, 1975.
2. Г.И.Рузавин. Об особенностях научных революций в математике // В кн.: Методологический анализ закономерностей развития математики, М., 1989, с. 180-193.
3. Г.И.Рузавин. Диалектика математического познания и революции в его развитии // В кн: Методологический анализ математических теорий, М., 1987, с. 6-22.
4. И.С.Кузнецова. Гносеологические проблемы математического знания. Л., 1984.
www.ronl.ru
Реферат - Синергетика как универсальная научная парадигма
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРО_ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П.ГОРЯЧКИНА»
РЕФЕРАТ
на тему:
«СИНЕРГЕТИКА КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПАРАДИГМА»
Выполнил:
Студентка I курса ИЭФ
Луканина В. А.
Проверил:
Маслов Глеб Николаевич
1.ВВЕДЕНИЕ
В первой трети ХХ столетия механическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружилось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания – физике. «В классической науке ХIХ века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос)»1. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, физика изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. «К описанию объекта природы не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняются познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая науки»2. Классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций.
1 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр.231
2 Е.Н.Князева: Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -Наука, 1994, стр65
3 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр.125
Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. «Из хаоса, утверждали древние греки, Вселенная родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится»3 .
При подготовке этого реферата у меня возник любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика (как раздел физики) не задавалась, ибо сформировалась в эпоху, когда не стационарный характер Вселенной не обсуждался. «В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции»1. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Зарождаются, растут и усложняются организмы, появляются их новые виды, более приспособленные к среде обитания, возникают новые звездные системы и новые цивилизации; беспорядочная группа рыб почти мгновенно превращается в косяк, птицы собираются в стаю, при этом и птицы в стае, и рыбы в косяке действуют столь синхронно, как будто это единый целостный организм. Живая природа почему-то стремится прочь от хаоса. Налицо явная несостыковка законов развития живой и неживой природы.
«Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)?»2. Этими вопросами задавались ученые из разных областей естествознания, разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказались в тупике и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире, что в немалой степени способствовало возрастанию роли комплексных исследовательских программ в организации научных исследований. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники – проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования и т.д.
«Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств»1. В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. «Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования – процесс развития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса»2 .
Однако речь идет не только об утверждении какой-то новой концепции, претендующей на общенаучное значение, а о создании новой познавательной модели, о новом направлении исследовательской деятельности, о выработке новой системы принципов научного мышления и нового категориального аппарата, о необходимости разработки и использования нового комплексного подхода к исследованию объектов и явлений. Все это было объединено и получило термин, введенный Г. Хакеном, «синергетика». «Синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения»3 .
1 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.: ЛГУ, 1989, с.45
2 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1998, стр.92
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Характеристики самоорганизующихся систем
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру и функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки»1. Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присуще природе,- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.
Основные свойства самоорганизующихся систем, по мнению Г. Хакена являются:
«1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнообразных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом;
2) системы являются нелинейными;
3) речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия;
4)системы нестабильны;
5)в них происходят качественные изменения;
1 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986, стр.48
2 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр.36
3 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.84
6)в этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества;
7)системы подвержены внешним и внутренним колебаниям;
8)возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры;
9)структуры могут быть упорядоченными или хаотичными;
10)во многих случаях возможна математизация»2
Рассмотрим основные из этих свойств: открытость, линейность и диссипативность.
2.1.1 Открытость
Объект изучения классической термодинамики – закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. 1
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная приближается к «тепловой смерти».
И.Пригожин, И.Стенгерс: Порядок из хаоса.- М.,1986, стр.87
2 П.У.Эткинс: Порядок и беспорядок в природе.-М., 1986, стр.39
«Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии»1. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. «По мере того как иссякает запас энергии возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее»2 .
Вместе с тем, уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. «История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении – от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному»3. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии и информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному неравновесному состоянию.
1 Ю.Л.Климонтович: Статистическая теория открытых систем.-М., Наука, 1994, стр.82
2 Г.Хакен: Информация и самоорганизация.-М., 1993, стр.187
3 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр.113
«Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени»1.
Рисунок №1 Открытая система
В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым _ могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. «Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается»2 .
1 С.Курдюмов: Синергетика: начала нелинейного мышления.-2,1993, стр.145
2 Н.Н.Моисеев: Современный рационализми мировоззренческие парадигмы.-3,1994, стр.152
3 Н.Н.Моисеев: Алгоритмы развития.-М., 1987, стр.126
4 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.184
2.1.2 Нелинейность
«Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства»3.
Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. «Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды»4. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.
«Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде»1. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). «Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными»2 .
2.1.3 Диссипативность
«Открытия неравновесной системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне»3. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д.
1 Г.Г.Малинецкий: Синергетика-теория самоорганизации.-М.: Наука, 1983, стр.146
2 С.Х.Карпенков: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1998, стр.147
3 П.Девис: Случайная Вселенная.-М.: Мир, 1989, стр.165
2.2 Системная модель мира
«С точки зрения системного подхода Мироздание – это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность»1. Схематично она представлена на Рисунке №2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.
Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем». Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. «Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом»2. Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой – сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. «Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.)»1 .
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс: Время, хаос, квант.-М: Мир, 1994, стр.138
2 Р.Е.Реванский: Развивающаяся Вселенная.-М.:1995, стр.54
|
|
|
2.3 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия
Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. «Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй – порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее»2.
1 Г.Хакен: Синергетика.-М.: Мир, 1993, стр.201
2 М.Эйген: самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.: Мир, 1993, с.39
В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса зародышей новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (одновременного) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление и получило название самоорганизации. Самоупорядочивание системы связано с уменьшением ее энтропии. «Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое»1. «Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы»2.
Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XVIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита и т.д.). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (теория вероятностей, нелинейная динамика, теория катастроф, системный анализ, топология и т.д.) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Основы теории самоорганизации были разработаны в трудах химиков, получивших мировой признание – И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия.
1 П.Эткинс: Порядок и беспорядок в природе.-М.: Мир, 1987, стр.141
2 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1997, стр.68
Термин «синергетика», ставший с названием общенаучного направления, которое изучает общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития, в научный обиход ввел Г. Хакен. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А.П.Руденко, физик Ю.Л, Климонтович, математики А.Н.Колмогоров и Я.Г. Синая. Основные законы и принципы синергетики были установлены на основе наблюдения процессов самоорганизации и эволюции сложных систем и, прежде всего, установление закономерностей протекания физико-химических процессов. Сегодня это трансдисциплинарная научная теория, идеи которой, зародившись в химии и физике, с успехом используются в экологии, биологии, геологии, экономике, политике, медицине и т.д. «Она дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития»1 .
«В основе синергетической парадигмы лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций в развитии мира, при этом случайность и неопределенность выступают неотъемлемое свойство не только микромира, но и всего Мироздания, включая самого человека с его непредсказуемыми эмоциями и невероятным разнообразием вариантов поведения в идентичных условиях»2. Понятие хаоса в синергетике отлично от классического представления беспорядка. Хаос, связанный со случайным отклонением отдельных параметров системы от некоторого среднего значения, имеет активное начало. В подходящих условиях даже малая флуктуация одного из параметров может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку, к новому ее качеству.
Описывая процесс самоорганизации, Г.Хакен отмечает, что возникающая из хаоса упорядоченная структура является результатом конкуренции множества виртуальных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент к внешним и внутренним условиям. В рамках этих представлений Н.Н.Моисеев предложил концепция универсального эволюционизма. В ней дарвиновская триада, выдвинутая на основе эмпирических обобщений — изменчивость, наследственность и отбор, получила методологической обоснование. «Выведя эти термины за пределы биологического и расширив их смысл, можно использовать их для объяснения механизма развития систем любой природы»3.
1 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.: Юнити,1997, стр.138
2 Г.Хакен: Синергетика.-М.: Мир, 1993, стр 184
3 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр 162
Случайность и неопределенность – это фундаментальное свойство материи обуславливает изменчивость окружающего мира. «Наследственность означает зависимость настоящего и будущего от прошлого. Степень этой зависимости определяется «памятью» системы, которая в пределе может принимать значения от нуля (хаотические образования, лишенные памяти) до бесконечности (жестко детерминированные системы)»1. Но реальные системы имеют некоторый «коридор» памяти; ширина которого зависит от уровня организации. «Изменчивость создает возможность реализации множества возможных вариантов развития системы»2. Однако наследственность ограничивает их число. Из множества допустимых вариантов «отбираются» те, которые не противоречат фундаментальным законам природы, в результате отбора «выживают» наиболее целесообразные и устойчивые в сложившихся условиях структуры.
«В системе под влиянием поступающих извне ресурсов идет медленное количественное накопление несущественных изменений, что приводит к ослаблению гомеостаза»3. Это происходит до определенного предела, за которым наблюдается кардинальное изменение ее состояния, которое осуществляется практически мгновенно, скачком. Система временно оказывается в неустойчивом состоянии, «теряет память», и характер ее последующего развития определяется только теми случайными факторами, которые в этот момент действуют на систему. Для выхода из него у системы есть две возможности: деградация, разрушение, инволюция либо самоорганизация, усложнение, эволюция. Весь процесс развития системы можно представить как череду сменяющих друг друга медленных и скачкообразных изменений.
Становление идей синергетики связано с формированием нового миропонимания. «Мир сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся сложно организованная иерархическая система»4. Это представление стало основой сближения традиционной европейской мысли о структурных уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального. Это попытка сближения традиционного естественнонаучного мышления с гуманитарным.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 179
2 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.: ЛГУ, 1989, стр.54
3 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1998, стр 93
4 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр. 138
2.4 Основы теории самоорганизации систем
Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра – координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)
Для описания развития более сложных систем необходимо знать большее число параметров. Например, для описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров – фазовыми траекториями.
В результате обмена ресурсами с другими системами, а также случайных флуктуаций с течением времени параметры системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.
«Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами»1. В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.
В общем случае решение таких уравнений графически может быть представлено семейством фазовых траекторий.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 174
Фазовое пространство
Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации – точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации – особые точки – точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.
В таких состояниях чрезвычайно важны случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. Однако при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.
«В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов путей развития»1. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур – прообразов будущих состояний системы – фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.
При благоприятных условиях такой фрактал «разрастается» и перерождается в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации.1
Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 142
Бифуркационный характер эволюции системы.
«Поведение системы в этом состоянии подобно блужданию по лабиринту со множеством тупиков»1. ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»2. Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.
В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы периодически повторяется и может продолжаться бесконечно долго1
В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.: ЛГУ, 1989, с158
2 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 97
. При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые образовывают новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»1. Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.
В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела – состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс: Время, хаос, квант.-М: Мир, 1994, стр 54
«Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс – определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой» 1.
Поступательное движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки качественно новых адаптивных механизмов. «Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается»2. В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества – около четырех, эволюция человека – около двух миллионов, а общества – несколько десятков тысяч лет.
«Процесс усложнения бесконечен, нет предела совершенству»3. Но при этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера – благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления ее характером и потоками.
1 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1997, стр 139
2 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.: Юнити,1997, стр. 59
3 Г.Хакен: Синергетика.-М.: Мир, 1993, стр 184
2.5 Синергетическая картина мира
Общие закономерности протекания процессов самоорганизации социоприродных систем, выявленные синергетикой, позволяют наиболее полно проиллюстрировать единство всего сущего, построить Катину мира, в которой все – жизнь живой и неживой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества – связано со всем и подчинено единым вселенским фундаментальным законам природы. Это обобщенная синергетическая картина мира.
Ее ядро составляют идеи:
— Мир представляет суперсистему, состоящую из иерархии взаимосвязанных подсистем разного уровня сложности, в которой системы более низкого иерархического уровня являются элементами систем более высокого уровня. Для описания их состояния необходимо знать огромное число параметров, характеризующих всю суперсистему и каждую подсистему в отдельности.
— Мир находится в постоянном изменении. Это глобальный процесс представляет периодическую смену разрушений старого и созиданий нового на пути самоорганизации и эволюции.
— Самоорганизация и усложнение возможны лишь в открытых системах, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией и находятся вдали от термодинамического равновесия.
— Закономерности развития систем носят вероятностный стохастический характер; случайность и неопределенность выступают как фундаментальное свойство всего сущего. Случайное изменение отдельных внешних или внутренних параметров системы, отклонение их от равновесного значения (флуктуации) могут вызвать неустойчивость состояния всей системы или ее частей и послужить конструктивным началом для усложнения и перехода на качественно новую ступень развития.
— Процесс самоорганизации происходит в результате взаимодействия случайности и необходимости и всегда связан с переходом на качественно новую ступень развития.
— Самоорганизация обусловлена кооперативными процессами, коллективным согласованным резонансным взаимодействием элементов системы; интеграцией их совместных усилий на пути развития системы; именно благодаря этому зарождаются новообразования, которые при благоприятных условиях могут перерасти в новую структуру.
— Развитие происходит по нелинейным законам. Нелинейность означает
— многовариантность путей выбора и альтернатив выхода из неустойчивых состояний.
Глобальный процесс самоорганизации материи, бесконечный в пространстве и времени просматривается в трех уровнях:
1. Самоорганизация и эволюция косной (неживой) материи. В этом процессе можно выделить два направления:
— химическая эволюция: элементарные частицы→ атомы→ неорганические молекулы→ простые органические молекулы→ биополимеры.
— структура эволюции Вселенной: газопылевая туманность→ звездная система→ галактика→ метагалактика→ Вселенная.
Процесс самоорганизации косного вещества происходит благодаря примитивным способам отражения косной материи и обмену физической информацией (взаимодействию), носителем которой являются гравитационное, электромагнитное, слабой и сильной поля. Это этап предбиологической эволюции.
2. Самоорганизация и эволюция живого вещества. «На определенном этапе эволюции косной материи, в какой-то момент времени, в какой-то точке Вселенной создались условия, при которых органическое вещество сгруппировалось в системы, способные к саморегуляции и самовоспроизведению»1. Последовательное усложнение этих систем в течение миллиардов лет привело к появлению высокоорганизованных животных.
3. На определенном этапе эволюции от высших животных к человеку возникают сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. «В процессе самоорганизации сообществ в течение нескольких миллионов лет происходила социальная и психическая эволюция человека»2. В этот период усложняются коммуникативные отношения, техническая оснащенность, уровень познания и использования природы. Человек изменяет характер энергетических, вещественных и информационных потоков, активно вторгается в биохимические циклы, создает искусственные системы и управляет ими.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 89
2 М.Эйген: самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.: Мир, 1993, с93
2.6 Самоорганизация Вселенной
До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательное преобразование вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального обхвата всей Вселенной как целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. Прежде всего, Вселенная как система должна быть открытой. Но что можно читать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем перетекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюс магнита.
Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. «Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов»1. Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость. Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития характеризовалось температурой около 3000К и плотностью вещества 3*10-22 г/см3. При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.
1 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 94
Между тем, наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная «горячей». Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой в тысячу раз больше, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Вместе с веществом ушла огромная энергия. Нагрев газа в облаке остановил бурное звездообразование, затем начался процесс образования звезд следующего поколения, растянувшийся на миллиард и более лет.
«Горячая» модель образования галактик объясняет основные наблюдаемые их особенности. В ее пользу говорят данные, полученные с помощью спутников.
1 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 147
2 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986, стр 82
2.7 Самоорганизация и эволюция живого вещества.
На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. «С точки зрения материалистической философии жизнь – это особая форма движения материи»1. С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь – это «форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению»2. По моему мнению, это определения является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь – это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой – способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.
Необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.
Элементарная единица такого организма – клетка. «Ей присущи все признаки живого – обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, неспособна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде»1.
Важное проявление жизни биологической системы – деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого – деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. После нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток организма. Сбой этой зависимости ведет к появлению раковых клеток. В энерго-энтропийном плане более выгодным является объединение клеток в более сложные структурные образования – многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование появляются механизмы управления.
1 Г.Г.Малинецкий: Синергетика-теория самоорганизации.-М.: Наука, 1983, стр 164
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В общем понимании самоорганизация – это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития. Конкретное проявление этой способности зависит от уровня сложности системы и условий ее развития. В узком понимании термина – это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. При более подробном рассмотрении этого явления отмечалось, что алгоритм скачка имеет общие черты у систем самой различной природы.
Чем выше уровень сложности системы, тем сложнее проявление сил объединения и фракционирования. Что же касается поиска истоков самоорганизации, то он уводит нас вглубь строения вещества, определяющего способность его элементов взаимодействовать друг с другом.
По-моему, с появлением синергетики как науки, в свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо. «В критических точках, достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность»1 .
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны и т.д.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) сможет послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
В предисловии к своей книге «Синергетика» Г.Хакен пишет: «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 П.Эткинс: Порядок и беспорядок в природе.-М.: Мир, 1987, стр 59
1 Г.Хакен: Синергетика.-М.: Мир, 1993, стр 13
www.ronl.ru
Синергетика как универсальная научная парадигма
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРО_ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П.ГОРЯЧКИНА»
РЕФЕРАТ
на тему:
«СИНЕРГЕТИКА КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПАРАДИГМА»
Выполнил:
СтуденткаIкурса ИЭФ
Луканина В. А.
Проверил:
Маслов Глеб Николаевич
1.ВВЕДЕНИЕ
В первой трети ХХ столетия механическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружилось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания – физике. «В классической науке ХIХ века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос)»1. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, физика изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. «К описанию объекта природы не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняются познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая науки»2. Классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций.
1Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр.231
2Е.Н.Князева: Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -Наука, 1994,стр65
3В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр.125
Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. «Из хаоса, утверждали древние греки, Вселенная родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится»3.
При подготовке этого реферата у меня возник любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика (как раздел физики) не задавалась, ибо сформировалась в эпоху, когда не стационарный характер Вселенной не обсуждался. «В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции»1. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Зарождаются, растут и усложняются организмы, появляются их новые виды, более приспособленные к среде обитания, возникают новые звездные системы и новые цивилизации; беспорядочная группа рыб почти мгновенно превращается в косяк, птицы собираются в стаю, при этом и птицы в стае, и рыбы в косяке действуют столь синхронно, как будто это единый целостный организм. Живая природа почему-то стремится прочь от хаоса. Налицо явная несостыковка законов развития живой и неживой природы.
«Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)?»2. Этими вопросами задавались ученые из разных областей естествознания, разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказались в тупике и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире, что в немалой степени способствовало возрастанию роли комплексных исследовательских программ в организации научных исследований. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники – проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования и т.д.
«Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств»1. В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. «Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования – процесс развития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса»2.
Однако речь идет не только об утверждении какой-то новой концепции, претендующей на общенаучное значение, а о создании новой познавательной модели, о новом направлении исследовательской деятельности, о выработке новой системы принципов научного мышления и нового категориального аппарата, о необходимости разработки и использования нового комплексного подхода к исследованию объектов и явлений. Все это было объединено и получило термин, введенный Г. Хакеном, «синергетика». «Синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения»3.
1В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с.45
2Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр.92
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Характеристики самоорганизующихся систем
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру и функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки»1. Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присуще природе,- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.
Основные свойства самоорганизующихся систем, по мнению Г. Хакена являются:
«1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнообразных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом;
2) системы являются нелинейными;
3) речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия;
4)системы нестабильны;
5)в них происходят качественные изменения;
1Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр.48
2Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр.36
3Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.84
6)в этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества;
7)системы подвержены внешним и внутренним колебаниям;
8)возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры;
9)структуры могут быть упорядоченными или хаотичными;
10)во многих случаях возможна математизация»2
Рассмотрим основные из этих свойств: открытость, линейность и диссипативность.
2.1.1 Открытость
Объект изучения классической термодинамики – закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.1
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная приближается к «тепловой смерти».
И.Пригожин, И.Стенгерс: Порядок из хаоса.- М.,1986, стр.87
2П.У.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М., 1986, стр.39
«Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии»1. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. «По мере того как иссякает запас энергии возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее»2.
Вместе с тем, уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. «История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении – от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному»3. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии и информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному неравновесному состоянию.
1Ю.Л.Климонтович:Статистическая теория открытых систем.-М., Наука, 1994, стр.82
2Г.Хакен:Информация и самоорганизация.-М., 1993, стр.187
3Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр.113
«Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени»1.
Рисунок №1 Открытая система
В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым _ могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. «Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается»2.
1С.Курдюмов:Синергетика:начала нелинейного мышления.-2,1993, стр.145
2Н.Н.Моисеев:Современный рационализми мировоззренческие парадигмы.-3,1994, стр.152
3Н.Н.Моисеев:Алгоритмы развития.-М., 1987, стр.126
4Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр.184
2.1.2 Нелинейность
«Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства»3.
Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. «Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды»4. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.
«Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде»1. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). «Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными»2.
2.1.3 Диссипативность
«Открытия неравновесной системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне»3. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д.
1Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр.146
2С.Х.Карпенков: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998, стр.147
3П.Девис:Случайная Вселенная.-М.:Мир, 1989, стр.165
2.2 Системная модель мира
«С точки зрения системного подхода Мироздание – это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность»1. Схематично она представлена на Рисунке №2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.
Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем». Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. «Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом»2. Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой – сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. «Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.)»1.
1Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр.138
2Р.Е.Реванский: Развивающаяся Вселенная.-М.:1995, стр.54
|
|
|
2.3 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия
Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. «Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй – порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее»2.
1Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр.201
2М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с.39
В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса зародышей новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (одновременного) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление и получило название самоорганизации. Самоупорядочивание системы связано с уменьшением ее энтропии. «Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое»1. «Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы»2.
Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XVIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита и т.д.). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (теория вероятностей, нелинейная динамика, теория катастроф, системный анализ, топология и т.д.) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Основы теории самоорганизации были разработаны в трудах химиков, получивших мировой признание – И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия.
1П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр.141
2Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр.68
Термин «синергетика», ставший с названием общенаучного направления, которое изучает общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития, в научный обиход ввел Г. Хакен. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А.П.Руденко, физик Ю.Л, Климонтович, математики А.Н.Колмогоров и Я.Г. Синая. Основные законы и принципы синергетики были установлены на основе наблюдения процессов самоорганизации и эволюции сложных систем и, прежде всего, установление закономерностей протекания физико-химических процессов. Сегодня это трансдисциплинарная научная теория, идеи которой, зародившись в химии и физике, с успехом используются в экологии, биологии, геологии, экономике, политике, медицине и т.д. «Она дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития»1.
«В основе синергетической парадигмы лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций в развитии мира, при этом случайность и неопределенность выступают неотъемлемое свойство не только микромира, но и всего Мироздания, включая самого человека с его непредсказуемыми эмоциями и невероятным разнообразием вариантов поведения в идентичных условиях»2. Понятие хаоса в синергетике отлично от классического представления беспорядка. Хаос, связанный со случайным отклонением отдельных параметров системы от некоторого среднего значения, имеет активное начало. В подходящих условиях даже малая флуктуация одного из параметров может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку, к новому ее качеству.
Описывая процесс самоорганизации, Г.Хакен отмечает, что возникающая из хаоса упорядоченная структура является результатом конкуренции множества виртуальных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент к внешним и внутренним условиям. В рамках этих представлений Н.Н.Моисеев предложил концепция универсального эволюционизма. В ней дарвиновская триада, выдвинутая на основе эмпирических обобщений - изменчивость, наследственность и отбор, получила методологической обоснование. «Выведя эти термины за пределы биологического и расширив их смысл, можно использовать их для объяснения механизма развития систем любой природы»3.
1КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр.138
2Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
3Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр 162
Случайность и неопределенность – это фундаментальное свойство материи обуславливает изменчивость окружающего мира. «Наследственность означает зависимость настоящего и будущего от прошлого. Степень этой зависимости определяется «памятью» системы, которая в пределе может принимать значения от нуля (хаотические образования, лишенные памяти) до бесконечности (жестко детерминированные системы)»1. Но реальные системы имеют некоторый «коридор» памяти; ширина которого зависит от уровня организации. «Изменчивость создает возможность реализации множества возможных вариантов развития системы»2. Однако наследственность ограничивает их число. Из множества допустимых вариантов «отбираются» те, которые не противоречат фундаментальным законам природы, в результате отбора «выживают» наиболее целесообразные и устойчивые в сложившихся условиях структуры.
«В системе под влиянием поступающих извне ресурсов идет медленное количественное накопление несущественных изменений, что приводит к ослаблению гомеостаза»3. Это происходит до определенного предела, за которым наблюдается кардинальное изменение ее состояния, которое осуществляется практически мгновенно, скачком. Система временно оказывается в неустойчивом состоянии, «теряет память», и характер ее последующего развития определяется только теми случайными факторами, которые в этот момент действуют на систему. Для выхода из него у системы есть две возможности: деградация, разрушение, инволюция либо самоорганизация, усложнение, эволюция. Весь процесс развития системы можно представить как череду сменяющих друг друга медленных и скачкообразных изменений.
Становление идей синергетики связано с формированием нового миропонимания. «Мир сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся сложно организованная иерархическая система»4. Это представление стало основой сближения традиционной европейской мысли о структурных уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального. Это попытка сближения традиционного естественнонаучного мышления с гуманитарным.
1В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 179
2В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,стр.54
3Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр 93
4Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998,стр. 138
2.4 Основы теории самоорганизации систем
Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра – координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)
Для описания развития более сложных систем необходимо знать большее число параметров. Например, для описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров – фазовыми траекториями.
В результате обмена ресурсами с другими системами, а также случайных флуктуаций с течением времени параметры системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.
«Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами»1. В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.
В общем случае решение таких уравнений графически может быть представлено семейством фазовых траекторий.
1В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 174
Фазовое пространство
Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации – точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации – особые точки – точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.
В таких состояниях чрезвычайно важны случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. Однако при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.
«В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов путей развития»1. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур – прообразов будущих состояний системы – фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.
При благоприятных условиях такой фрактал «разрастается» и перерождается в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации.1
Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 142
Бифуркационный характер эволюции системы.
«Поведение системы в этом состоянии подобно блужданию по лабиринту со множеством тупиков»1. ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»2. Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.
В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы периодически повторяется и может продолжаться бесконечно долго1
В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с158
2Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 97
. При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые образовывают новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»1. Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.
В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела – состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.
1Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр 54
«Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс – определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой»1.
Поступательное движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки качественно новых адаптивных механизмов. «Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается»2. В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества – около четырех, эволюция человека – около двух миллионов, а общества – несколько десятков тысяч лет.
«Процесс усложнения бесконечен, нет предела совершенству»3. Но при этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера – благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления ее характером и потоками.
1Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр 139
2КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр. 59
3Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
2.5 Синергетическая картина мира
Общие закономерности протекания процессов самоорганизации социоприродных систем, выявленные синергетикой, позволяют наиболее полно проиллюстрировать единство всего сущего, построить Катину мира, в которой все – жизнь живой и неживой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества – связано со всем и подчинено единым вселенским фундаментальным законам природы. Это обобщенная синергетическая картина мира.
Ее ядро составляют идеи:
- Мир представляет суперсистему, состоящую из иерархии взаимосвязанных подсистем разного уровня сложности, в которой системы более низкого иерархического уровня являются элементами систем более высокого уровня. Для описания их состояния необходимо знать огромное число параметров, характеризующих всю суперсистему и каждую подсистему в отдельности.
- Мир находится в постоянном изменении. Это глобальный процесс представляет периодическую смену разрушений старого и созиданий нового на пути самоорганизации и эволюции.
- Самоорганизация и усложнение возможны лишь в открытых системах, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией и находятся вдали от термодинамического равновесия.
- Закономерности развития систем носят вероятностный стохастический характер; случайность и неопределенность выступают как фундаментальное свойство всего сущего. Случайное изменение отдельных внешних или внутренних параметров системы, отклонение их от равновесного значения (флуктуации) могут вызвать неустойчивость состояния всей системы или ее частей и послужить конструктивным началом для усложнения и перехода на качественно новую ступень развития.
- Процесс самоорганизации происходит в результате взаимодействия случайности и необходимости и всегда связан с переходом на качественно новую ступень развития.
- Самоорганизация обусловлена кооперативными процессами, коллективным согласованным резонансным взаимодействием элементов системы; интеграцией их совместных усилий на пути развития системы; именно благодаря этому зарождаются новообразования, которые при благоприятных условиях могут перерасти в новую структуру.
- Развитие происходит по нелинейным законам. Нелинейность означает
- многовариантность путей выбора и альтернатив выхода из неустойчивых состояний.
Глобальный процесс самоорганизации материи, бесконечный в пространстве и времени просматривается в трех уровнях:
1. Самоорганизация и эволюция косной (неживой) материи. В этом процессе можно выделить два направления:
- химическая эволюция: элементарные частицы→ атомы→ неорганические молекулы→ простые органические молекулы→ биополимеры.
- структура эволюции Вселенной: газопылевая туманность→ звездная система→ галактика→ метагалактика→ Вселенная.
Процесс самоорганизации косного вещества происходит благодаря примитивным способам отражения косной материи и обмену физической информацией (взаимодействию), носителем которой являются гравитационное, электромагнитное, слабой и сильной поля. Это этап предбиологической эволюции.
2. Самоорганизация и эволюция живого вещества. «На определенном этапе эволюции косной материи, в какой-то момент времени, в какой-то точке Вселенной создались условия, при которых органическое вещество сгруппировалось в системы, способные к саморегуляции и самовоспроизведению»1. Последовательное усложнение этих систем в течение миллиардов лет привело к появлению высокоорганизованных животных.
3. На определенном этапе эволюции от высших животных к человеку возникают сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. «В процессе самоорганизации сообществ в течение нескольких миллионов лет происходила социальная и психическая эволюция человека»2. В этот период усложняются коммуникативные отношения, техническая оснащенность, уровень познания и использования природы. Человек изменяет характер энергетических, вещественных и информационных потоков, активно вторгается в биохимические циклы, создает искусственные системы и управляет ими.
1В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 89
2М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с93
2.6 Самоорганизация Вселенной
До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательное преобразование вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального обхвата всей Вселенной как целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. Прежде всего, Вселенная как система должна быть открытой. Но что можно читать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем перетекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюс магнита.
Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. «Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов»1. Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость. Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития характеризовалось температурой около 3000К и плотностью вещества 3*10-22г/см3. При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.
1Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр 94
Между тем, наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная «горячей». Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой в тысячу раз больше, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Вместе с веществом ушла огромная энергия. Нагрев газа в облаке остановил бурное звездообразование, затем начался процесс образования звезд следующего поколения, растянувшийся на миллиард и более лет.
«Горячая» модель образования галактик объясняет основные наблюдаемые их особенности. В ее пользу говорят данные, полученные с помощью спутников.
1Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 147
2Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр 82
2.7 Самоорганизация и эволюция живого вещества.
На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. «С точки зрения материалистической философии жизнь – это особая форма движения материи»1. С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь – это «форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению»2. По моему мнению, это определения является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь – это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой – способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.
Необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.
Элементарная единица такого организма – клетка. «Ей присущи все признаки живого – обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, неспособна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде»1.
Важное проявление жизни биологической системы – деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого – деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. После нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток организма. Сбой этой зависимости ведет к появлению раковых клеток. В энерго-энтропийном плане более выгодным является объединение клеток в более сложные структурные образования – многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование появляются механизмы управления.
1Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр 164
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В общем понимании самоорганизация – это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития. Конкретное проявление этой способности зависит от уровня сложности системы и условий ее развития. В узком понимании термина – это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. При более подробном рассмотрении этого явления отмечалось, что алгоритм скачка имеет общие черты у систем самой различной природы.
Чем выше уровень сложности системы, тем сложнее проявление сил объединения и фракционирования. Что же касается поиска истоков самоорганизации, то он уводит нас вглубь строения вещества, определяющего способность его элементов взаимодействовать друг с другом.
По-моему, с появлением синергетики как науки, в свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо. «В критических точках, достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность»1.
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны и т.д.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) сможет послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
В предисловии к своей книге «Синергетика» Г.Хакен пишет: «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.
1П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр 59
1Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 13
superbotanik.net
Синергетика как универсальная научная парадигма
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРО_ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П.ГОРЯЧКИНА»
РЕФЕРАТ
на тему:
«СИНЕРГЕТИКА КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПАРАДИГМА»
Выполнил:
Студентка I курса ИЭФ
Луканина В. А.
Проверил:
Маслов Глеб Николаевич
1.ВВЕДЕНИЕ
В первой трети ХХ столетия механическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружилось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания - физике. «В классической науке ХIХ века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос)»1. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, физика изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. При этом объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. «К описанию объекта природы не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняются познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая науки»2. Классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций.
1 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр.231
2 Е.Н.Князева: Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -Наука, 1994,стр65
3 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр.125
Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. «Из хаоса, утверждали древние греки, Вселенная родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится»3.
При подготовке этого реферата у меня возник любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика (как раздел физики) не задавалась, ибо сформировалась в эпоху, когда не стационарный характер Вселенной не обсуждался. «В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции»1. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Зарождаются, растут и усложняются организмы, появляются их новые виды, более приспособленные к среде обитания, возникают новые звездные системы и новые цивилизации; беспорядочная группа рыб почти мгновенно превращается в косяк, птицы собираются в стаю, при всём этом и птицы в стае, и рыбы в косяке действуют столь синхронно, как будто это единый целостный организм. Живая природа почему-то стремится прочь от хаоса. Налицо явная несостыковка законов развития живой и неживой природы.
«Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)?»2.Этими вопросами задавались ученые из разных областей естествознания, разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказались в тупике и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире, что в немалой степени способствовало возрастанию роли комплексных исследовательских программ в организации научных исследований. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники - проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования и т.д.
«Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств»1. В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. «Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования - процесс развития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса»2.
При этом речь идет не только об утверждении какой-то новой концепции, претендующей на общенаучное значение, а о создании новой познавательной модели, о новом направлении исследовательской деятельности, о выработке новой системы принципов научного мышления и нового категориального аппарата, о необходимости разработки и использования нового комплексного подхода к исследованию объектов и явлений. Все это было объединено и получило термин, введенный Г. Хакеном, «синергетика». «Синергетика - это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения»3.
1 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с.45
2 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр.92
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Характеристики самоорганизующихся систем
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру и функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки»1. Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присуще природе,- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.
Основные свойства самоорганизующихся систем, по мнению Г. Хакена являются:
«1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнообразных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом;
2) системы являются нелинейными;
3) речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия;
4)системы нестабильны;
5)в них происходят качественные изменения;
1 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр.48
2 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр.36
3 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.84
6)в этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества;
7)системы подвержены внешним и внутренним колебаниям;
8)возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры;
9)структуры могут быть упорядоченными или хаотичными;
10)во многих случаях возможна математизация»2
Рассмотрим основные из этих свойств: открытость, линейность и диссипативность.
2.1.1 Открытость
Объект изучения классической термодинамики - закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. 1
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная приближается к «тепловой смерти».
И.Пригожин, И.Стенгерс: Порядок из хаоса.- М.,1986, стр.87
2 П.У.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М., 1986, стр.39
«Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии»1. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. «По мере того как иссякает запас энергии возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее»2.
Вместе с тем, уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. «История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении - от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному»3. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.
Открытые системы - это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии и информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному неравновесному состоянию.
1 Ю.Л.Климонтович:Статистическая теория открытых систем.-М., Наука, 1994, стр.82
2 Г.Хакен:Информация и самоорганизация.-М., 1993, стр.187
3 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр.113
«Открытые системы - это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени»1.
Рисунок №1 Открытая система
В открытых системах ключевую роль - наряду с закономерным и необходимым могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. «Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается»2.
1 С.Курдюмов:Синергетика:начала нелинейного мышления.-2,1993, стр.145
2 Н.Н.Моисеев:Современный рационализми мировоззренческие парадигмы.-3,1994, стр.152
3 Н.Н.Моисеев:Алгоритмы развития.-М., 1987, стр.126
4 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр.184
2.1.2 Нелинейность
«Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства»3.
Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. «Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды»4. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер - при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.
«Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде»1. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). «Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными»2.
2.1.3 Диссипативность
«Открытия неравновесной системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние - диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне»3. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д.
1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр.146
2 С.Х.Карпенков: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998, стр.147
3 П.Девис:Случайная Вселенная.-М.:Мир, 1989, стр.165
2.2 Системная модель мира
«С точки зрения системного подхода Мироздание - это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность»1. Схематично она представлена на Рисунке №2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.
Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем». При этом окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. «Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом»2. Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой - сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. «Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.)»1.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр.138
2 Р.Е.Реванский: Развивающаяся Вселенная.-М.:1995, стр.54
2.3 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия
Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. «Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй - порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее»2.
1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр.201
2 М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с.39
В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса зародышей новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (одновременного) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление и получило название самоорганизации. Самоупорядочивание системы связано с уменьшением ее энтропии. «Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое»1. «Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы»2.
Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XVIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита и т.д.). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (теория вероятностей, нелинейная динамика, теория катастроф, системный анализ, топология и т.д.) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Основы теории самоорганизации были разработаны в трудах химиков, получивших мировой признание - И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия.
1 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр.141
2 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр.68
Термин «синергетика», ставший с названием общенаучного направления, которое изучает общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития, в научный обиход ввел Г. Хакен. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А.П.Руденко, физик Ю.Л, Климонтович, математики А.Н.Колмогоров и Я.Г. Синая. Основные законы и принципы синергетики были установлены на основе наблюдения процессов самоорганизации и эволюции сложных систем и, прежде всего, установление закономерностей протекания физико-химических процессов. Сегодня это трансдисциплинарная научная теория, идеи которой, зародившись в химии и физике, с успехом используются в экологии, биологии, геологии, экономике, политике, медицине и т.д. «Она дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития»1.
«В основе синергетической парадигмы лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций в развитии мира, при всём этом случайность и неопределенность выступают неотъемлемое свойство не только микромира, но и всего Мироздания, включая самого человека с его непредсказуемыми эмоциями и невероятным разнообразием вариантов поведения в идентичных условиях»2. Понятие хаоса в синергетике отлично от классического представления беспорядка. Хаос, связанный со случайным отклонением отдельных параметров системы от некоторого среднего значения, имеет активное начало. В подходящих условиях даже малая флуктуация одного из параметров может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку, к новому ее качеству.
Описывая процесс самоорганизации, Г.Хакен отмечает, что возникающая из хаоса упорядоченная структура является результатом конкуренции множества виртуальных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент к внешним и внутренним условиям. В рамках этих представлений Н.Н.Моисеев предложил концепция универсального эволюционизма. В ней дарвиновская триада, выдвинутая на основе эмпирических обобщений - изменчивость, наследственность и отбор, получила методологической обоснование. «Выведя эти термины за пределы биологического и расширив их смысл, можно использовать их для объяснения механизма развития систем любой природы»3.
1 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр.138
2 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
3 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр 162
Случайность и неопределенность - это фундаментальное свойство материи обуславливает изменчивость окружающего мира. «Наследственность означает зависимость настоящего и будущего от прошлого. Степень этой зависимости определяется «памятью» системы, которая в пределе может принимать значения от нуля (хаотические образования, лишенные памяти) до бесконечности (жестко детерминированные системы)»1. Но реальные системы имеют некоторый «коридор» памяти; ширина которого зависит от уровня организации. «Изменчивость создает возможность реализации множества возможных вариантов развития системы»2. При этом наследственность ограничивает их число. Из множества допустимых вариантов «отбираются» те, которые не противоречат фундаментальным законам природы, в результате отбора «выживают» наиболее целесообразные и устойчивые в сложившихся условиях структуры.
«В системе под влиянием поступающих извне ресурсов идет медленное количественное накопление несущественных изменений, что приводит к ослаблению гомеостаза»3. Это происходит до определенного предела, за которым наблюдается кардинальное изменение ее состояния, которое осуществляется практически мгновенно, скачком. Система временно оказывается в неустойчивом состоянии, «теряет память», и характер ее последующего развития определяется только теми случайными факторами, которые в этот момент действуют на систему. Для выхода из него у системы есть две возможности: деградация, разрушение, инволюция либо самоорганизация, усложнение, эволюция. Весь процесс развития системы можно представить как череду сменяющих друг друга медленных и скачкообразных изменений.
Становление идей синергетики связано с формированием нового миропонимания. «Мир сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся сложно организованная иерархическая система»4. Это представление стало основой сближения традиционной европейской мысли о структурных уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального. Это попытка сближения традиционного естественнонаучного мышления с гуманитарным.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 179
2 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,стр.54
3 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр 93
4 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998,стр. 138
2.4 Основы теории самоорганизации систем
Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра - координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)
Для описания развития более сложных систем необходимо знать большее число параметров. Например, для описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров - фазовыми траекториями.
В результате обмена ресурсами с другими системами, а также случайных флуктуаций с течением времени параметры системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.
«Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами»1. В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.
В общем случае решение таких уравнений графически может быть представлено семейством фазовых траекторий.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 174
Фазовое пространство
Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации - точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации - особые точки - точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.
В таких состояниях чрезвычайно важны случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. При этом при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.
«В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов путей развития»1. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур - прообразов будущих состояний системы - фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.
При благоприятных условиях такой фрактал «разрастается» и перерождается в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации. 1
Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 142
Бифуркационный характер эволюции системы.
«Поведение системы в этом состоянии подобно блужданию по лабиринту со множеством тупиков»1. ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»2. Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.
В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы периодически повторяется и может продолжаться бесконечно долго1
В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с158
2 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 97
. При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые образовывают новые устойчивые макросостояния - аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»1. Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.
В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела - состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр 54
«Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс - определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой»1.
Поступательное движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки качественно новых адаптивных механизмов. «Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается»2. В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества - около четырех, эволюция человека - около двух миллионов, а общества - несколько десятков тысяч лет.
«Процесс усложнения бесконечен, нет предела совершенству»3. Но при всём этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера - благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления ее характером и потоками.
1 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр 139
2 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр. 59
3 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
2.5 Синергетическая картина мира
Общие закономерности протекания процессов самоорганизации социоприродных систем, выявленные синергетикой, позволяют наиболее полно проиллюстрировать единство всего сущего, построить Катину мира, в которой все - жизнь живой и неживой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества - связано со всем и подчинено единым вселенским фундаментальным законам природы. Это обобщенная синергетическая картина мира.
Ее ядро составляют идеи:
v Мир представляет суперсистему, состоящую из иерархии взаимосвязанных подсистем разного уровня сложности, в которой системы более низкого иерархического уровня являются элементами систем более высокого уровня. Для описания их состояния необходимо знать огромное число параметров, характеризующих всю суперсистему и каждую подсистему в отдельности.
v Мир находится в постоянном изменении. Это глобальный процесс представляет периодическую смену разрушений старого и созиданий нового на пути самоорганизации и эволюции.
v Самоорганизация и усложнение возможны лишь в открытых системах, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией и находятся вдали от термодинамического равновесия.
v Закономерности развития систем носят вероятностный стохастический характер; случайность и неопределенность выступают как фундаментальное свойство всего сущего. Случайное изменение отдельных внешних или внутренних параметров системы, отклонение их от равновесного значения (флуктуации) могут вызвать неустойчивость состояния всей системы или ее частей и послужить конструктивным началом для усложнения и перехода на качественно новую ступень развития.
v Процесс самоорганизации происходит в результате взаимодействия случайности и необходимости и всегда связан с переходом на качественно новую ступень развития.
v Самоорганизация обусловлена кооперативными процессами, коллективным согласованным резонансным взаимодействием элементов системы; интеграцией их совместных усилий на пути развития системы; именно благодаря этому зарождаются новообразования, которые при благоприятных условиях могут перерасти в новую структуру.
v Развитие происходит по нелинейным законам. Нелинейность означает
v многовариантность путей выбора и альтернатив выхода из неустойчивых состояний.
Глобальный процесс самоорганизации материи, бесконечный в пространстве и времени просматривается в трех уровнях:
1. Самоорганизация и эволюция косной (неживой) материи. В этом процессе можно выделить два направления:
- химическая эволюция: элементарные частицы> атомы> неорганические молекулы> простые органические молекулы> биополимеры.
- структура эволюции Вселенной: газопылевая туманность> звездная система> галактика> метагалактика> Вселенная.
Процесс самоорганизации косного вещества происходит благодаря примитивным способам отражения косной материи и обмену физической информацией (взаимодействию), носителем которой являются гравитационное, электромагнитное, слабой и сильной поля. Это этап предбиологической эволюции.
2. Самоорганизация и эволюция живого вещества. «На определенном этапе эволюции косной материи, в какой-то момент времени, в какой-то точке Вселенной создались условия, при которых органическое вещество сгруппировалось в системы, способные к саморегуляции и самовоспроизведению»1. Последовательное усложнение этих систем в течение миллиардов лет привело к появлению высокоорганизованных животных.
3. На определенном этапе эволюции от высших животных к человеку возникают сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. «В процессе самоорганизации сообществ в течение нескольких миллионов лет происходила социальная и психическая эволюция человека»2. В этот период усложняются коммуникативные отношения, техническая оснащенность, уровень познания и использования природы. Человек изменяет характер энергетических, вещественных и информационных потоков, активно вторгается в биохимические циклы, создает искусственные системы и управляет ими.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 89
2М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с93
2.6 Самоорганизация Вселенной
До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательное преобразование вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального обхвата всей Вселенной как целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. Прежде всего, Вселенная как система должна быть открытой. Но что можно читать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем перетекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюс магнита.
Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. «Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов»1. Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость. Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития характеризовалось температурой около 3000К и плотностью вещества 3*10-22г/см3. При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.
1 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр 94
Между тем, наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная «горячей». Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой в тысячу раз больше, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Вместе с веществом ушла огромная энергия. Нагрев газа в облаке остановил бурное звездообразование, затем начался процесс образования звезд следующего поколения, растянувшийся на миллиард и более лет.
«Горячая» модель образования галактик объясняет основные наблюдаемые их особенности. В ее пользу говорят данные, полученные с помощью спутников.
1 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 147
2 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр 82
2.7 Самоорганизация и эволюция живого вещества.
На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. «С точки зрения материалистической философии жизнь - это особая форма движения материи»1. С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь - это «форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению»2. По моему мнению, это определения является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь - это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой - способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.
Необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.
Элементарная единица такого организма - клетка. «Ей присущи все признаки живого - обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, неспособна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде»1.
Важное проявление жизни биологической системы - деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого - деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при всём этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. После нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток организма. Сбой этой зависимости ведет к появлению раковых клеток. В энерго-энтропийном плане более выгодным является объединение клеток в более сложные структурные образования - многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование появляются механизмы управления.
1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр 164
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В общем понимании самоорганизация - это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития. Конкретное проявление этой способности зависит от уровня сложности системы и условий ее развития. В узком понимании термина - это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. При более подробном рассмотрении этого явления отмечалось, что алгоритм скачка имеет общие черты у систем самой различной природы.
Чем выше уровень сложности системы, тем сложнее проявление сил объединения и фракционирования. Что же касается поиска истоков самоорганизации, то он уводит нас вглубь строения вещества, определяющего способность его элементов взаимодействовать друг с другом.
По-моему, с появлением синергетики как науки, в свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо. «В критических точках, достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность»1.
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры - лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны и т.д.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) сможет послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при всём этом возможности развития в других направлениях.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы - это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации - от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
В предисловии к своей книге «Синергетика» Г.Хакен пишет: «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 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр 59
1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 13
referatwork.ru
Синергетика как универсальная научная парадигма
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРО_ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П.ГОРЯЧКИНА»
РЕФЕРАТ
на тему:
«СИНЕРГЕТИКА КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПАРАДИГМА»
Выполнил:
Студентка I курса ИЭФ
Луканина В. А.
Проверил:
Маслов Глеб Николаевич
1.ВВЕДЕНИЕ
В первой трети ХХ столетия механическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружилось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания – физике. «В классической науке ХIХ века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос)»1 . Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, физика изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. «К описанию объекта природы не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняются познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая науки»2 . Классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций.
1 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр.231
2 Е.Н.Князева: Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -Наука, 1994,стр65
3 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр.125
Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. «Из хаоса, утверждали древние греки, Вселенная родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится»3 .
При подготовке этого реферата у меня возник любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика (как раздел физики) не задавалась, ибо сформировалась в эпоху, когда не стационарный характер Вселенной не обсуждался. «В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции»1 . Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Зарождаются, растут и усложняются организмы, появляются их новые виды, более приспособленные к среде обитания, возникают новые звездные системы и новые цивилизации; беспорядочная группа рыб почти мгновенно превращается в косяк, птицы собираются в стаю, при этом и птицы в стае, и рыбы в косяке действуют столь синхронно, как будто это единый целостный организм. Живая природа почему-то стремится прочь от хаоса. Налицо явная несостыковка законов развития живой и неживой природы.
«Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)?»2 . Этими вопросами задавались ученые из разных областей естествознания, разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказались в тупике и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире, что в немалой степени способствовало возрастанию роли комплексных исследовательских программ в организации научных исследований. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники – проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования и т.д.
«Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств»1 . В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. «Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования – процесс развития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса»2 .
Однако речь идет не только об утверждении какой-то новой концепции, претендующей на общенаучное значение, а о создании новой познавательной модели, о новом направлении исследовательской деятельности, о выработке новой системы принципов научного мышления и нового категориального аппарата, о необходимости разработки и использования нового комплексного подхода к исследованию объектов и явлений. Все это было объединено и получило термин, введенный Г. Хакеном, «синергетика». «Синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения»3 .
1 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с.45
2 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр.92
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Характеристики самоорганизующихся систем
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру и функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки»1 . Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присуще природе,- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.
Основные свойства самоорганизующихся систем, по мнению Г. Хакена являются:
«1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнообразных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом;
2) системы являются нелинейными;
3) речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия;
4)системы нестабильны;
5)в них происходят качественные изменения;
1 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр.48
2 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр.36
3 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.84
6)в этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества;
7)системы подвержены внешним и внутренним колебаниям;
8)возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры;
9)структуры могут быть упорядоченными или хаотичными;
10)во многих случаях возможна математизация»2
Рассмотрим основные из этих свойств: открытость, линейность и диссипативность.
2.1.1 Открытость
Объект изучения классической термодинамики – закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. 1
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная приближается к «тепловой смерти».
И.Пригожин, И.Стенгерс: Порядок из хаоса.- М.,1986, стр.87
2 П.У.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М., 1986, стр.39
«Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии»1 . Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. «По мере того как иссякает запас энергии возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее»2 .
Вместе с тем, уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. «История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении – от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному»3 . Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии и информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному неравновесному состоянию.
1 Ю.Л.Климонтович:Статистическая теория открытых систем.-М., Наука, 1994, стр.82
2 Г.Хакен:Информация и самоорганизация.-М., 1993, стр.187
3 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр.113
«Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени»1 .
Рисунок №1 Открытая система
В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым _ могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. «Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается»2 .
1 С.Курдюмов:Синергетика:начала нелинейного мышления.-2,1993, стр.145
2 Н.Н.Моисеев:Современный рационализми мировоззренческие парадигмы.-3,1994, стр.152
3 Н.Н.Моисеев:Алгоритмы развития.-М., 1987, стр.126
4 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр.184
2.1.2 Нелинейность
«Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства»3 .
Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. «Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды»4 . Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.
«Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде»1 . В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). «Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными»2 .
2.1.3 Диссипативность
«Открытия неравновесной системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне»3 . Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д.
1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр.146
2 С.Х.Карпенков: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998, стр.147
3 П.Девис:Случайная Вселенная.-М.:Мир, 1989, стр.165
2.2 Системная модель мира
«С точки зрения системного подхода Мироздание – это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность»1 . Схематично она представлена на Рисунке №2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.
Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем». Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. «Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом»2 . Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой – сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. «Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.)»1 .
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр.138
2 Р.Е.Реванский: Развивающаяся Вселенная.-М.:1995, стр.54
|
|
|
2.3 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия
Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. «Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй – порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее»2 .
1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр.201
2 М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с.39
В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса зародышей новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (одновременного) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление и получило название самоорганизации. Самоупорядочивание системы связано с уменьшением ее энтропии. «Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое»1 . «Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы»2 .
Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XVIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита и т.д.). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (теория вероятностей, нелинейная динамика, теория катастроф, системный анализ, топология и т.д.) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Основы теории самоорганизации были разработаны в трудах химиков, получивших мировой признание – И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия.
1 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр.141
2 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр.68
Термин «синергетика», ставший с названием общенаучного направления, которое изучает общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития, в научный обиход ввел Г. Хакен. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А.П.Руденко, физик Ю.Л, Климонтович, математики А.Н.Колмогоров и Я.Г. Синая. Основные законы и принципы синергетики были установлены на основе наблюдения процессов самоорганизации и эволюции сложных систем и, прежде всего, установление закономерностей протекания физико-химических процессов. Сегодня это трансдисциплинарная научная теория, идеи которой, зародившись в химии и физике, с успехом используются в экологии, биологии, геологии, экономике, политике, медицине и т.д. «Она дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития»1 .
«В основе синергетической парадигмы лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций в развитии мира, при этом случайность и неопределенность выступают неотъемлемое свойство не только микромира, но и всего Мироздания, включая самого человека с его непредсказуемыми эмоциями и невероятным разнообразием вариантов поведения в идентичных условиях»2 . Понятие хаоса в синергетике отлично от классического представления беспорядка. Хаос, связанный со случайным отклонением отдельных параметров системы от некоторого среднего значения, имеет активное начало. В подходящих условиях даже малая флуктуация одного из параметров может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку, к новому ее качеству.
Описывая процесс самоорганизации, Г.Хакен отмечает, что возникающая из хаоса упорядоченная структура является результатом конкуренции множества виртуальных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент к внешним и внутренним условиям. В рамках этих представлений Н.Н.Моисеев предложил концепция универсального эволюционизма. В ней дарвиновская триада, выдвинутая на основе эмпирических обобщений - изменчивость, наследственность и отбор, получила методологической обоснование. «Выведя эти термины за пределы биологического и расширив их смысл, можно использовать их для объяснения механизма развития систем любой природы»3 .
1 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр.138
2 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
3 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр 162
Случайность и неопределенность – это фундаментальное свойство материи обуславливает изменчивость окружающего мира. «Наследственность означает зависимость настоящего и будущего от прошлого. Степень этой зависимости определяется «памятью» системы, которая в пределе может принимать значения от нуля (хаотические образования, лишенные памяти) до бесконечности (жестко детерминированные системы)»1 . Но реальные системы имеют некоторый «коридор» памяти; ширина которого зависит от уровня организации. «Изменчивость создает возможность реализации множества возможных вариантов развития системы»2 . Однако наследственность ограничивает их число. Из множества допустимых вариантов «отбираются» те, которые не противоречат фундаментальным законам природы, в результате отбора «выживают» наиболее целесообразные и устойчивые в сложившихся условиях структуры.
«В системе под влиянием поступающих извне ресурсов идет медленное количественное накопление несущественных изменений, что приводит к ослаблению гомеостаза»3 . Это происходит до определенного предела, за которым наблюдается кардинальное изменение ее состояния, которое осуществляется практически мгновенно, скачком. Система временно оказывается в неустойчивом состоянии, «теряет память», и характер ее последующего развития определяется только теми случайными факторами, которые в этот момент действуют на систему. Для выхода из него у системы есть две возможности: деградация, разрушение, инволюция либо самоорганизация, усложнение, эволюция. Весь процесс развития системы можно представить как череду сменяющих друг друга медленных и скачкообразных изменений.
Становление идей синергетики связано с формированием нового миропонимания. «Мир сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся сложно организованная иерархическая система»4 . Это представление стало основой сближения традиционной европейской мысли о структурных уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального. Это попытка сближения традиционного естественнонаучного мышления с гуманитарным.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 179
2 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,стр.54
3 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр 93
4 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998,стр. 138
2.4 Основы теории самоорганизации систем
Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра – координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)
Для описания развития более сложных систем необходимо знать большее число параметров. Например, для описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров – фазовыми траекториями.
В результате обмена ресурсами с другими системами, а также случайных флуктуаций с течением времени параметры системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.
«Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами»1 . В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.
В общем случае решение таких уравнений графически может быть представлено семейством фазовых траекторий.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 174
Фазовое пространство
Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации – точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации – особые точки – точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.
В таких состояниях чрезвычайно важны случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. Однако при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.
«В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов путей развития»1 . Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур – прообразов будущих состояний системы – фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.
При благоприятных условиях такой фрактал «разрастается» и перерождается в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации. 1
Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 142
Бифуркационный характер эволюции системы.
«Поведение системы в этом состоянии подобно блужданию по лабиринту со множеством тупиков»1 . ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»2 . Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.
В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы периодически повторяется и может продолжаться бесконечно долго1
В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с158
2 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 97
. При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые образовывают новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»1 . Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.
В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела – состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр 54
«Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс – определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой» 1.
Поступательное движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки качественно новых адаптивных механизмов. «Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается»2 . В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества – около четырех, эволюция человека – около двух миллионов, а общества – несколько десятков тысяч лет.
«Процесс усложнения бесконечен, нет предела совершенству»3 . Но при этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера – благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления ее характером и потоками.
1 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр 139
2 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр. 59
3 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
2.5 Синергетическая картина мира
Общие закономерности протекания процессов самоорганизации социоприродных систем, выявленные синергетикой, позволяют наиболее полно проиллюстрировать единство всего сущего, построить Катину мира, в которой все – жизнь живой и неживой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества – связано со всем и подчинено единым вселенским фундаментальным законам природы. Это обобщенная синергетическая картина мира.
Ее ядро составляют идеи:
- Мир представляет суперсистему, состоящую из иерархии взаимосвязанных подсистем разного уровня сложности, в которой системы более низкого иерархического уровня являются элементами систем более высокого уровня. Для описания их состояния необходимо знать огромное число параметров, характеризующих всю суперсистему и каждую подсистему в отдельности.
- Мир находится в постоянном изменении. Это глобальный процесс представляет периодическую смену разрушений старого и созиданий нового на пути самоорганизации и эволюции.
- Самоорганизация и усложнение возможны лишь в открытых системах, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией и находятся вдали от термодинамического равновесия.
- Закономерности развития систем носят вероятностный стохастический характер; случайность и неопределенность выступают как фундаментальное свойство всего сущего. Случайное изменение отдельных внешних или внутренних параметров системы, отклонение их от равновесного значения (флуктуации) могут вызвать неустойчивость состояния всей системы или ее частей и послужить конструктивным началом для усложнения и перехода на качественно новую ступень развития.
- Процесс самоорганизации происходит в результате взаимодействия случайности и необходимости и всегда связан с переходом на качественно новую ступень развития.
- Самоорганизация обусловлена кооперативными процессами, коллективным согласованным резонансным взаимодействием элементов системы; интеграцией их совместных усилий на пути развития системы; именно благодаря этому зарождаются новообразования, которые при благоприятных условиях могут перерасти в новую структуру.
- Развитие происходит по нелинейным законам. Нелинейность означает
- многовариантность путей выбора и альтернатив выхода из неустойчивых состояний.
Глобальный процесс самоорганизации материи, бесконечный в пространстве и времени просматривается в трех уровнях:
1. Самоорганизация и эволюция косной (неживой) материи. В этом процессе можно выделить два направления:
- химическая эволюция: элементарные частицы→ атомы→ неорганические молекулы→ простые органические молекулы→ биополимеры.
- структура эволюции Вселенной: газопылевая туманность→ звездная система→ галактика→ метагалактика→ Вселенная.
Процесс самоорганизации косного вещества происходит благодаря примитивным способам отражения косной материи и обмену физической информацией (взаимодействию), носителем которой являются гравитационное, электромагнитное, слабой и сильной поля. Это этап предбиологической эволюции.
2. Самоорганизация и эволюция живого вещества. «На определенном этапе эволюции косной материи, в какой-то момент времени, в какой-то точке Вселенной создались условия, при которых органическое вещество сгруппировалось в системы, способные к саморегуляции и самовоспроизведению»1 . Последовательное усложнение этих систем в течение миллиардов лет привело к появлению высокоорганизованных животных.
3. На определенном этапе эволюции от высших животных к человеку возникают сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. «В процессе самоорганизации сообществ в течение нескольких миллионов лет происходила социальная и психическая эволюция человека»2 . В этот период усложняются коммуникативные отношения, техническая оснащенность, уровень познания и использования природы. Человек изменяет характер энергетических, вещественных и информационных потоков, активно вторгается в биохимические циклы, создает искусственные системы и управляет ими.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 89
2 М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с93
2.6 Самоорганизация Вселенной
До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательное преобразование вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального обхвата всей Вселенной как целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. Прежде всего, Вселенная как система должна быть открытой. Но что можно читать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем перетекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюс магнита.
Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. «Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов»1 . Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость. Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития характеризовалось температурой около 3000К и плотностью вещества 3*10-22 г/см3 . При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.
1 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр 94
Между тем, наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная «горячей». Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой в тысячу раз больше, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Вместе с веществом ушла огромная энергия. Нагрев газа в облаке остановил бурное звездообразование, затем начался процесс образования звезд следующего поколения, растянувшийся на миллиард и более лет.
«Горячая» модель образования галактик объясняет основные наблюдаемые их особенности. В ее пользу говорят данные, полученные с помощью спутников.
1 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 147
2 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр 82
2.7 Самоорганизация и эволюция живого вещества.
На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. «С точки зрения материалистической философии жизнь – это особая форма движения материи»1 . С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь – это «форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению»2 . По моему мнению, это определения является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь – это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой – способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.
Необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.
Элементарная единица такого организма – клетка. «Ей присущи все признаки живого – обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, неспособна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде»1 .
Важное проявление жизни биологической системы – деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого – деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. После нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток организма. Сбой этой зависимости ведет к появлению раковых клеток. В энерго-энтропийном плане более выгодным является объединение клеток в более сложные структурные образования – многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование появляются механизмы управления.
1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр 164
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В общем понимании самоорганизация – это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития. Конкретное проявление этой способности зависит от уровня сложности системы и условий ее развития. В узком понимании термина – это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. При более подробном рассмотрении этого явления отмечалось, что алгоритм скачка имеет общие черты у систем самой различной природы.
Чем выше уровень сложности системы, тем сложнее проявление сил объединения и фракционирования. Что же касается поиска истоков самоорганизации, то он уводит нас вглубь строения вещества, определяющего способность его элементов взаимодействовать друг с другом.
По-моему, с появлением синергетики как науки, в свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо. «В критических точках, достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность»1 .
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны и т.д.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) сможет послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
В предисловии к своей книге «Синергетика» Г.Хакен пишет: «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 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр 59
1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 13
www.yurii.ru
Синергетика как универсальная научная парадигма
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРО_ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П.ГОРЯЧКИНА»
РЕФЕРАТ
на тему:
«СИНЕРГЕТИКА КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПАРАДИГМА»
Выполнил:
Студентка I курса ИЭФ
Луканина В. А.
Проверил:
Маслов Глеб Николаевич
1.ВВЕДЕНИЕ
В первой трети ХХ столетия механическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружилось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания – физике. «В классической науке ХIХ века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос)»1. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, физика изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. «К описанию объекта природы не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняются познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая науки»2. Классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций.
1 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр.231
2 Е.Н.Князева: Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -Наука, 1994,стр65
3 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр.125
Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. «Из хаоса, утверждали древние греки, Вселенная родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится»3.
При подготовке этого реферата у меня возник любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика (как раздел физики) не задавалась, ибо сформировалась в эпоху, когда не стационарный характер Вселенной не обсуждался. «В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции»1. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Зарождаются, растут и усложняются организмы, появляются их новые виды, более приспособленные к среде обитания, возникают новые звездные системы и новые цивилизации; беспорядочная группа рыб почти мгновенно превращается в косяк, птицы собираются в стаю, при этом и птицы в стае, и рыбы в косяке действуют столь синхронно, как будто это единый целостный организм. Живая природа почему-то стремится прочь от хаоса. Налицо явная несостыковка законов развития живой и неживой природы.
«Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)?»2.Этими вопросами задавались ученые из разных областей естествознания, разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказались в тупике и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире, что в немалой степени способствовало возрастанию роли комплексных исследовательских программ в организации научных исследований. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники – проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования и т.д.
«Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств»1. В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. «Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования – процесс развития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса»2.
Однако речь идет не только об утверждении какой-то новой концепции, претендующей на общенаучное значение, а о создании новой познавательной модели, о новом направлении исследовательской деятельности, о выработке новой системы принципов научного мышления и нового категориального аппарата, о необходимости разработки и использования нового комплексного подхода к исследованию объектов и явлений. Все это было объединено и получило термин, введенный Г. Хакеном, «синергетика». «Синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения»3.
1 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с.45
2 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр.92
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Характеристики самоорганизующихся систем
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру и функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки»1. Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присуще природе,- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.
Основные свойства самоорганизующихся систем, по мнению Г. Хакена являются:
«1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнообразных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом;
2) системы являются нелинейными;
3) речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия;
4)системы нестабильны;
5)в них происходят качественные изменения;
1 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр.48
2 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр.36
3 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.84
6)в этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества;
7)системы подвержены внешним и внутренним колебаниям;
8)возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры;
9)структуры могут быть упорядоченными или хаотичными;
10)во многих случаях возможна математизация»2
Рассмотрим основные из этих свойств: открытость, линейность и диссипативность.
2.1.1 Открытость
Объект изучения классической термодинамики – закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. 1
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная приближается к «тепловой смерти».
И.Пригожин, И.Стенгерс: Порядок из хаоса.- М.,1986, стр.87
2 П.У.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М., 1986, стр.39
«Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии»1. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. «По мере того как иссякает запас энергии возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее»2.
Вместе с тем, уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. «История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении – от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному»3. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии и информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному неравновесному состоянию.
1 Ю.Л.Климонтович:Статистическая теория открытых систем.-М., Наука, 1994, стр.82
2 Г.Хакен:Информация и самоорганизация.-М., 1993, стр.187
3 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр.113
«Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени»1.
Рисунок №1 Открытая система
В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым _ могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. «Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается»2.
1 С.Курдюмов:Синергетика:начала нелинейного мышления.-2,1993, стр.145
2 Н.Н.Моисеев:Современный рационализми мировоззренческие парадигмы.-3,1994, стр.152
3 Н.Н.Моисеев:Алгоритмы развития.-М., 1987, стр.126
4 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр.184
2.1.2 Нелинейность
«Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства»3.
Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. «Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды»4. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.
«Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде»1. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). «Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными»2.
2.1.3 Диссипативность
«Открытия неравновесной системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне»3. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д.
1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр.146
2 С.Х.Карпенков: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998, стр.147
3 П.Девис:Случайная Вселенная.-М.:Мир, 1989, стр.165
2.2 Системная модель мира
«С точки зрения системного подхода Мироздание – это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность»1. Схематично она представлена на Рисунке №2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.
Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем». Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. «Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом»2. Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой – сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. «Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.)»1.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр.138
2 Р.Е.Реванский: Развивающаяся Вселенная.-М.:1995, стр.54
|
|
|
2.3 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия
Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. «Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй – порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее»2.
1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр.201
2 М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с.39
В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса зародышей новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (одновременного) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление и получило название самоорганизации. Самоупорядочивание системы связано с уменьшением ее энтропии. «Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое»1. «Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы»2.
Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XVIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита и т.д.). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (теория вероятностей, нелинейная динамика, теория катастроф, системный анализ, топология и т.д.) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Основы теории самоорганизации были разработаны в трудах химиков, получивших мировой признание – И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия.
1 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр.141
2 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр.68
Термин «синергетика», ставший с названием общенаучного направления, которое изучает общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития, в научный обиход ввел Г. Хакен. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А.П.Руденко, физик Ю.Л, Климонтович, математики А.Н.Колмогоров и Я.Г. Синая. Основные законы и принципы синергетики были установлены на основе наблюдения процессов самоорганизации и эволюции сложных систем и, прежде всего, установление закономерностей протекания физико-химических процессов. Сегодня это трансдисциплинарная научная теория, идеи которой, зародившись в химии и физике, с успехом используются в экологии, биологии, геологии, экономике, политике, медицине и т.д. «Она дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития»1.
«В основе синергетической парадигмы лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций в развитии мира, при этом случайность и неопределенность выступают неотъемлемое свойство не только микромира, но и всего Мироздания, включая самого человека с его непредсказуемыми эмоциями и невероятным разнообразием вариантов поведения в идентичных условиях»2. Понятие хаоса в синергетике отлично от классического представления беспорядка. Хаос, связанный со случайным отклонением отдельных параметров системы от некоторого среднего значения, имеет активное начало. В подходящих условиях даже малая флуктуация одного из параметров может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку, к новому ее качеству.
Описывая процесс самоорганизации, Г.Хакен отмечает, что возникающая из хаоса упорядоченная структура является результатом конкуренции множества виртуальных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент к внешним и внутренним условиям. В рамках этих представлений Н.Н.Моисеев предложил концепция универсального эволюционизма. В ней дарвиновская триада, выдвинутая на основе эмпирических обобщений - изменчивость, наследственность и отбор, получила методологической обоснование. «Выведя эти термины за пределы биологического и расширив их смысл, можно использовать их для объяснения механизма развития систем любой природы»3.
1 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр.138
2 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
3 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр 162
Случайность и неопределенность – это фундаментальное свойство материи обуславливает изменчивость окружающего мира. «Наследственность означает зависимость настоящего и будущего от прошлого. Степень этой зависимости определяется «памятью» системы, которая в пределе может принимать значения от нуля (хаотические образования, лишенные памяти) до бесконечности (жестко детерминированные системы)»1. Но реальные системы имеют некоторый «коридор» памяти; ширина которого зависит от уровня организации. «Изменчивость создает возможность реализации множества возможных вариантов развития системы»2. Однако наследственность ограничивает их число. Из множества допустимых вариантов «отбираются» те, которые не противоречат фундаментальным законам природы, в результате отбора «выживают» наиболее целесообразные и устойчивые в сложившихся условиях структуры.
«В системе под влиянием поступающих извне ресурсов идет медленное количественное накопление несущественных изменений, что приводит к ослаблению гомеостаза»3. Это происходит до определенного предела, за которым наблюдается кардинальное изменение ее состояния, которое осуществляется практически мгновенно, скачком. Система временно оказывается в неустойчивом состоянии, «теряет память», и характер ее последующего развития определяется только теми случайными факторами, которые в этот момент действуют на систему. Для выхода из него у системы есть две возможности: деградация, разрушение, инволюция либо самоорганизация, усложнение, эволюция. Весь процесс развития системы можно представить как череду сменяющих друг друга медленных и скачкообразных изменений.
Становление идей синергетики связано с формированием нового миропонимания. «Мир сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся сложно организованная иерархическая система»4. Это представление стало основой сближения традиционной европейской мысли о структурных уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального. Это попытка сближения традиционного естественнонаучного мышления с гуманитарным.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 179
2 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,стр.54
3 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр 93
4 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998,стр. 138
2.4 Основы теории самоорганизации систем
Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра – координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)
Для описания развития более сложных систем необходимо знать большее число параметров. Например, для описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров – фазовыми траекториями.
В результате обмена ресурсами с другими системами, а также случайных флуктуаций с течением времени параметры системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.
«Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами»1. В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.
В общем случае решение таких уравнений графически может быть представлено семейством фазовых траекторий.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 174
Фазовое пространство
Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации – точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации – особые точки – точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.
В таких состояниях чрезвычайно важны случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. Однако при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.
«В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов путей развития»1. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур – прообразов будущих состояний системы – фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.
При благоприятных условиях такой фрактал «разрастается» и перерождается в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации. 1
Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 142
Бифуркационный характер эволюции системы.
«Поведение системы в этом состоянии подобно блужданию по лабиринту со множеством тупиков»1. ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»2. Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.
В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы периодически повторяется и может продолжаться бесконечно долго1
В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с158
2 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 97
. При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые образовывают новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»1. Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.
В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела – состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр 54
«Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс – определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой»1.
Поступательное движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки качественно новых адаптивных механизмов. «Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается»2. В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества – около четырех, эволюция человека – около двух миллионов, а общества – несколько десятков тысяч лет.
«Процесс усложнения бесконечен, нет предела совершенству»3. Но при этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера – благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления ее характером и потоками.
1 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр 139
2 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр. 59
3 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184
2.5 Синергетическая картина мира
Общие закономерности протекания процессов самоорганизации социоприродных систем, выявленные синергетикой, позволяют наиболее полно проиллюстрировать единство всего сущего, построить Катину мира, в которой все – жизнь живой и неживой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества – связано со всем и подчинено единым вселенским фундаментальным законам природы. Это обобщенная синергетическая картина мира.
Ее ядро составляют идеи:
v Мир представляет суперсистему, состоящую из иерархии взаимосвязанных подсистем разного уровня сложности, в которой системы более низкого иерархического уровня являются элементами систем более высокого уровня. Для описания их состояния необходимо знать огромное число параметров, характеризующих всю суперсистему и каждую подсистему в отдельности.
v Мир находится в постоянном изменении. Это глобальный процесс представляет периодическую смену разрушений старого и созиданий нового на пути самоорганизации и эволюции.
v Самоорганизация и усложнение возможны лишь в открытых системах, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией и находятся вдали от термодинамического равновесия.
v Закономерности развития систем носят вероятностный стохастический характер; случайность и неопределенность выступают как фундаментальное свойство всего сущего. Случайное изменение отдельных внешних или внутренних параметров системы, отклонение их от равновесного значения (флуктуации) могут вызвать неустойчивость состояния всей системы или ее частей и послужить конструктивным началом для усложнения и перехода на качественно новую ступень развития.
v Процесс самоорганизации происходит в результате взаимодействия случайности и необходимости и всегда связан с переходом на качественно новую ступень развития.
v Самоорганизация обусловлена кооперативными процессами, коллективным согласованным резонансным взаимодействием элементов системы; интеграцией их совместных усилий на пути развития системы; именно благодаря этому зарождаются новообразования, которые при благоприятных условиях могут перерасти в новую структуру.
v Развитие происходит по нелинейным законам. Нелинейность означает
v многовариантность путей выбора и альтернатив выхода из неустойчивых состояний.
Глобальный процесс самоорганизации материи, бесконечный в пространстве и времени просматривается в трех уровнях:
1. Самоорганизация и эволюция косной (неживой) материи. В этом процессе можно выделить два направления:
- химическая эволюция: элементарные частицы→ атомы→ неорганические молекулы→ простые органические молекулы→ биополимеры.
- структура эволюции Вселенной: газопылевая туманность→ звездная система→ галактика→ метагалактика→ Вселенная.
Процесс самоорганизации косного вещества происходит благодаря примитивным способам отражения косной материи и обмену физической информацией (взаимодействию), носителем которой являются гравитационное, электромагнитное, слабой и сильной поля. Это этап предбиологической эволюции.
2. Самоорганизация и эволюция живого вещества. «На определенном этапе эволюции косной материи, в какой-то момент времени, в какой-то точке Вселенной создались условия, при которых органическое вещество сгруппировалось в системы, способные к саморегуляции и самовоспроизведению»1. Последовательное усложнение этих систем в течение миллиардов лет привело к появлению высокоорганизованных животных.
3. На определенном этапе эволюции от высших животных к человеку возникают сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. «В процессе самоорганизации сообществ в течение нескольких миллионов лет происходила социальная и психическая эволюция человека»2. В этот период усложняются коммуникативные отношения, техническая оснащенность, уровень познания и использования природы. Человек изменяет характер энергетических, вещественных и информационных потоков, активно вторгается в биохимические циклы, создает искусственные системы и управляет ими.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 89
2М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с93
2.6 Самоорганизация Вселенной
До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательное преобразование вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального обхвата всей Вселенной как целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. Прежде всего, Вселенная как система должна быть открытой. Но что можно читать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем перетекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюс магнита.
Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. «Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов»1. Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость. Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития характеризовалось температурой около 3000К и плотностью вещества 3*10-22г/см3. При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.
1 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр 94
Между тем, наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная «горячей». Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой в тысячу раз больше, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Вместе с веществом ушла огромная энергия. Нагрев газа в облаке остановил бурное звездообразование, затем начался процесс образования звезд следующего поколения, растянувшийся на миллиард и более лет.
«Горячая» модель образования галактик объясняет основные наблюдаемые их особенности. В ее пользу говорят данные, полученные с помощью спутников.
1 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 147
2 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр 82
2.7 Самоорганизация и эволюция живого вещества.
На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. «С точки зрения материалистической философии жизнь – это особая форма движения материи»1. С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь – это «форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению»2. По моему мнению, это определения является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь – это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой – способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.
Необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.
Элементарная единица такого организма – клетка. «Ей присущи все признаки живого – обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, неспособна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде»1.
Важное проявление жизни биологической системы – деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого – деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. После нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток организма. Сбой этой зависимости ведет к появлению раковых клеток. В энерго-энтропийном плане более выгодным является объединение клеток в более сложные структурные образования – многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование появляются механизмы управления.
1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр 164
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В общем понимании самоорганизация – это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития. Конкретное проявление этой способности зависит от уровня сложности системы и условий ее развития. В узком понимании термина – это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. При более подробном рассмотрении этого явления отмечалось, что алгоритм скачка имеет общие черты у систем самой различной природы.
Чем выше уровень сложности системы, тем сложнее проявление сил объединения и фракционирования. Что же касается поиска истоков самоорганизации, то он уводит нас вглубь строения вещества, определяющего способность его элементов взаимодействовать друг с другом.
По-моему, с появлением синергетики как науки, в свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо. «В критических точках, достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность»1.
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны и т.д.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) сможет послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
В предисловии к своей книге «Синергетика» Г.Хакен пишет: «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 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр 59
1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 13
www.referatmix.ru
Доклад - Синергетика как универсальная научная парадигма
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРО_ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П.ГОРЯЧКИНА»
РЕФЕРАТ
на тему:
«СИНЕРГЕТИКА КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПАРАДИГМА»
Выполнил:
Студентка I курса ИЭФ
Луканина В. А.
Проверил:
Маслов Глеб Николаевич
1.ВВЕДЕНИЕ
В первой трети ХХ столетия механическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружилось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания – физике. «В классической науке ХIХ века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос)»1. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, физика изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. «К описанию объекта природы не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняются познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая науки»2. Классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций.
1 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр.231
2 Е.Н.Князева: Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -Наука, 1994, стр65
3 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр.125
Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. «Из хаоса, утверждали древние греки, Вселенная родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится»3 .
При подготовке этого реферата у меня возник любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика (как раздел физики) не задавалась, ибо сформировалась в эпоху, когда не стационарный характер Вселенной не обсуждался. «В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции»1. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Зарождаются, растут и усложняются организмы, появляются их новые виды, более приспособленные к среде обитания, возникают новые звездные системы и новые цивилизации; беспорядочная группа рыб почти мгновенно превращается в косяк, птицы собираются в стаю, при этом и птицы в стае, и рыбы в косяке действуют столь синхронно, как будто это единый целостный организм. Живая природа почему-то стремится прочь от хаоса. Налицо явная несостыковка законов развития живой и неживой природы.
«Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)?»2. Этими вопросами задавались ученые из разных областей естествознания, разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказались в тупике и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире, что в немалой степени способствовало возрастанию роли комплексных исследовательских программ в организации научных исследований. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники – проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования и т.д.
«Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств»1. В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. «Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования – процесс развития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса»2 .
Однако речь идет не только об утверждении какой-то новой концепции, претендующей на общенаучное значение, а о создании новой познавательной модели, о новом направлении исследовательской деятельности, о выработке новой системы принципов научного мышления и нового категориального аппарата, о необходимости разработки и использования нового комплексного подхода к исследованию объектов и явлений. Все это было объединено и получило термин, введенный Г. Хакеном, «синергетика». «Синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения»3 .
1 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.: ЛГУ, 1989, с.45
2 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1998, стр.92
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Характеристики самоорганизующихся систем
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру и функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки»1. Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присуще природе,- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.
Основные свойства самоорганизующихся систем, по мнению Г. Хакена являются:
«1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнообразных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом;
2) системы являются нелинейными;
3) речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия;
4)системы нестабильны;
5)в них происходят качественные изменения;
1 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986, стр.48
2 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр.36
3 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.84
6)в этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества;
7)системы подвержены внешним и внутренним колебаниям;
8)возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры;
9)структуры могут быть упорядоченными или хаотичными;
10)во многих случаях возможна математизация»2
Рассмотрим основные из этих свойств: открытость, линейность и диссипативность.
2.1.1 Открытость
Объект изучения классической термодинамики – закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. 1
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная приближается к «тепловой смерти».
И.Пригожин, И.Стенгерс: Порядок из хаоса.- М.,1986, стр.87
2 П.У.Эткинс: Порядок и беспорядок в природе.-М., 1986, стр.39
«Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии»1. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. «По мере того как иссякает запас энергии возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее»2 .
Вместе с тем, уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. «История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении – от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному»3. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии и информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному неравновесному состоянию.
1 Ю.Л.Климонтович: Статистическая теория открытых систем.-М., Наука, 1994, стр.82
2 Г.Хакен: Информация и самоорганизация.-М., 1993, стр.187
3 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр.113
«Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени»1.
Рисунок №1 Открытая система
В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым _ могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. «Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается»2 .
1 С.Курдюмов: Синергетика: начала нелинейного мышления.-2,1993, стр.145
2 Н.Н.Моисеев: Современный рационализми мировоззренческие парадигмы.-3,1994, стр.152
3 Н.Н.Моисеев: Алгоритмы развития.-М., 1987, стр.126
4 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.184
2.1.2 Нелинейность
«Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства»3.
Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. «Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды»4. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.
«Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде»1. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). «Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными»2 .
2.1.3 Диссипативность
«Открытия неравновесной системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне»3. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д.
1 Г.Г.Малинецкий: Синергетика-теория самоорганизации.-М.: Наука, 1983, стр.146
2 С.Х.Карпенков: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1998, стр.147
3 П.Девис: Случайная Вселенная.-М.: Мир, 1989, стр.165
2.2 Системная модель мира
«С точки зрения системного подхода Мироздание – это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность»1. Схематично она представлена на Рисунке №2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.
Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем». Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. «Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом»2. Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой – сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. «Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.)»1 .
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс: Время, хаос, квант.-М: Мир, 1994, стр.138
2 Р.Е.Реванский: Развивающаяся Вселенная.-М.:1995, стр.54
|
|
|
2.3 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия
Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. «Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй – порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее»2.
1 Г.Хакен: Синергетика.-М.: Мир, 1993, стр.201
2 М.Эйген: самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.: Мир, 1993, с.39
В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса зародышей новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (одновременного) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление и получило название самоорганизации. Самоупорядочивание системы связано с уменьшением ее энтропии. «Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое»1. «Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы»2.
Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XVIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита и т.д.). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (теория вероятностей, нелинейная динамика, теория катастроф, системный анализ, топология и т.д.) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Основы теории самоорганизации были разработаны в трудах химиков, получивших мировой признание – И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия.
1 П.Эткинс: Порядок и беспорядок в природе.-М.: Мир, 1987, стр.141
2 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1997, стр.68
Термин «синергетика», ставший с названием общенаучного направления, которое изучает общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития, в научный обиход ввел Г. Хакен. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А.П.Руденко, физик Ю.Л, Климонтович, математики А.Н.Колмогоров и Я.Г. Синая. Основные законы и принципы синергетики были установлены на основе наблюдения процессов самоорганизации и эволюции сложных систем и, прежде всего, установление закономерностей протекания физико-химических процессов. Сегодня это трансдисциплинарная научная теория, идеи которой, зародившись в химии и физике, с успехом используются в экологии, биологии, геологии, экономике, политике, медицине и т.д. «Она дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития»1 .
«В основе синергетической парадигмы лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций в развитии мира, при этом случайность и неопределенность выступают неотъемлемое свойство не только микромира, но и всего Мироздания, включая самого человека с его непредсказуемыми эмоциями и невероятным разнообразием вариантов поведения в идентичных условиях»2. Понятие хаоса в синергетике отлично от классического представления беспорядка. Хаос, связанный со случайным отклонением отдельных параметров системы от некоторого среднего значения, имеет активное начало. В подходящих условиях даже малая флуктуация одного из параметров может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку, к новому ее качеству.
Описывая процесс самоорганизации, Г.Хакен отмечает, что возникающая из хаоса упорядоченная структура является результатом конкуренции множества виртуальных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент к внешним и внутренним условиям. В рамках этих представлений Н.Н.Моисеев предложил концепция универсального эволюционизма. В ней дарвиновская триада, выдвинутая на основе эмпирических обобщений — изменчивость, наследственность и отбор, получила методологической обоснование. «Выведя эти термины за пределы биологического и расширив их смысл, можно использовать их для объяснения механизма развития систем любой природы»3.
1 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.: Юнити,1997, стр.138
2 Г.Хакен: Синергетика.-М.: Мир, 1993, стр 184
3 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр 162
Случайность и неопределенность – это фундаментальное свойство материи обуславливает изменчивость окружающего мира. «Наследственность означает зависимость настоящего и будущего от прошлого. Степень этой зависимости определяется «памятью» системы, которая в пределе может принимать значения от нуля (хаотические образования, лишенные памяти) до бесконечности (жестко детерминированные системы)»1. Но реальные системы имеют некоторый «коридор» памяти; ширина которого зависит от уровня организации. «Изменчивость создает возможность реализации множества возможных вариантов развития системы»2. Однако наследственность ограничивает их число. Из множества допустимых вариантов «отбираются» те, которые не противоречат фундаментальным законам природы, в результате отбора «выживают» наиболее целесообразные и устойчивые в сложившихся условиях структуры.
«В системе под влиянием поступающих извне ресурсов идет медленное количественное накопление несущественных изменений, что приводит к ослаблению гомеостаза»3. Это происходит до определенного предела, за которым наблюдается кардинальное изменение ее состояния, которое осуществляется практически мгновенно, скачком. Система временно оказывается в неустойчивом состоянии, «теряет память», и характер ее последующего развития определяется только теми случайными факторами, которые в этот момент действуют на систему. Для выхода из него у системы есть две возможности: деградация, разрушение, инволюция либо самоорганизация, усложнение, эволюция. Весь процесс развития системы можно представить как череду сменяющих друг друга медленных и скачкообразных изменений.
Становление идей синергетики связано с формированием нового миропонимания. «Мир сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся сложно организованная иерархическая система»4. Это представление стало основой сближения традиционной европейской мысли о структурных уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального. Это попытка сближения традиционного естественнонаучного мышления с гуманитарным.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 179
2 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.: ЛГУ, 1989, стр.54
3 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1998, стр 93
4 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр. 138
2.4 Основы теории самоорганизации систем
Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра – координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)
Для описания развития более сложных систем необходимо знать большее число параметров. Например, для описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров – фазовыми траекториями.
В результате обмена ресурсами с другими системами, а также случайных флуктуаций с течением времени параметры системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.
«Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами»1. В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.
В общем случае решение таких уравнений графически может быть представлено семейством фазовых траекторий.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 174
Фазовое пространство
Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации – точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации – особые точки – точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.
В таких состояниях чрезвычайно важны случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. Однако при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.
«В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов путей развития»1. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур – прообразов будущих состояний системы – фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.
При благоприятных условиях такой фрактал «разрастается» и перерождается в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации.1
Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 142
Бифуркационный характер эволюции системы.
«Поведение системы в этом состоянии подобно блужданию по лабиринту со множеством тупиков»1. ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»2. Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.
В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы периодически повторяется и может продолжаться бесконечно долго1
В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.: ЛГУ, 1989, с158
2 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 97
. При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые образовывают новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»1. Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.
В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела – состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс: Время, хаос, квант.-М: Мир, 1994, стр 54
«Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс – определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой» 1.
Поступательное движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки качественно новых адаптивных механизмов. «Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается»2. В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества – около четырех, эволюция человека – около двух миллионов, а общества – несколько десятков тысяч лет.
«Процесс усложнения бесконечен, нет предела совершенству»3. Но при этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера – благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления ее характером и потоками.
1 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.: Юнити,1997, стр 139
2 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.: Юнити,1997, стр. 59
3 Г.Хакен: Синергетика.-М.: Мир, 1993, стр 184
2.5 Синергетическая картина мира
Общие закономерности протекания процессов самоорганизации социоприродных систем, выявленные синергетикой, позволяют наиболее полно проиллюстрировать единство всего сущего, построить Катину мира, в которой все – жизнь живой и неживой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества – связано со всем и подчинено единым вселенским фундаментальным законам природы. Это обобщенная синергетическая картина мира.
Ее ядро составляют идеи:
— Мир представляет суперсистему, состоящую из иерархии взаимосвязанных подсистем разного уровня сложности, в которой системы более низкого иерархического уровня являются элементами систем более высокого уровня. Для описания их состояния необходимо знать огромное число параметров, характеризующих всю суперсистему и каждую подсистему в отдельности.
— Мир находится в постоянном изменении. Это глобальный процесс представляет периодическую смену разрушений старого и созиданий нового на пути самоорганизации и эволюции.
— Самоорганизация и усложнение возможны лишь в открытых системах, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией и находятся вдали от термодинамического равновесия.
— Закономерности развития систем носят вероятностный стохастический характер; случайность и неопределенность выступают как фундаментальное свойство всего сущего. Случайное изменение отдельных внешних или внутренних параметров системы, отклонение их от равновесного значения (флуктуации) могут вызвать неустойчивость состояния всей системы или ее частей и послужить конструктивным началом для усложнения и перехода на качественно новую ступень развития.
— Процесс самоорганизации происходит в результате взаимодействия случайности и необходимости и всегда связан с переходом на качественно новую ступень развития.
— Самоорганизация обусловлена кооперативными процессами, коллективным согласованным резонансным взаимодействием элементов системы; интеграцией их совместных усилий на пути развития системы; именно благодаря этому зарождаются новообразования, которые при благоприятных условиях могут перерасти в новую структуру.
— Развитие происходит по нелинейным законам. Нелинейность означает
— многовариантность путей выбора и альтернатив выхода из неустойчивых состояний.
Глобальный процесс самоорганизации материи, бесконечный в пространстве и времени просматривается в трех уровнях:
1. Самоорганизация и эволюция косной (неживой) материи. В этом процессе можно выделить два направления:
— химическая эволюция: элементарные частицы→ атомы→ неорганические молекулы→ простые органические молекулы→ биополимеры.
— структура эволюции Вселенной: газопылевая туманность→ звездная система→ галактика→ метагалактика→ Вселенная.
Процесс самоорганизации косного вещества происходит благодаря примитивным способам отражения косной материи и обмену физической информацией (взаимодействию), носителем которой являются гравитационное, электромагнитное, слабой и сильной поля. Это этап предбиологической эволюции.
2. Самоорганизация и эволюция живого вещества. «На определенном этапе эволюции косной материи, в какой-то момент времени, в какой-то точке Вселенной создались условия, при которых органическое вещество сгруппировалось в системы, способные к саморегуляции и самовоспроизведению»1. Последовательное усложнение этих систем в течение миллиардов лет привело к появлению высокоорганизованных животных.
3. На определенном этапе эволюции от высших животных к человеку возникают сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. «В процессе самоорганизации сообществ в течение нескольких миллионов лет происходила социальная и психическая эволюция человека»2. В этот период усложняются коммуникативные отношения, техническая оснащенность, уровень познания и использования природы. Человек изменяет характер энергетических, вещественных и информационных потоков, активно вторгается в биохимические циклы, создает искусственные системы и управляет ими.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 89
2 М.Эйген: самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.: Мир, 1993, с93
2.6 Самоорганизация Вселенной
До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательное преобразование вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального обхвата всей Вселенной как целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. Прежде всего, Вселенная как система должна быть открытой. Но что можно читать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем перетекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюс магнита.
Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. «Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов»1. Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость. Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития характеризовалось температурой около 3000К и плотностью вещества 3*10-22 г/см3. При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.
1 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 94
Между тем, наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная «горячей». Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой в тысячу раз больше, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Вместе с веществом ушла огромная энергия. Нагрев газа в облаке остановил бурное звездообразование, затем начался процесс образования звезд следующего поколения, растянувшийся на миллиард и более лет.
«Горячая» модель образования галактик объясняет основные наблюдаемые их особенности. В ее пользу говорят данные, полученные с помощью спутников.
1 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 147
2 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986, стр 82
2.7 Самоорганизация и эволюция живого вещества.
На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. «С точки зрения материалистической философии жизнь – это особая форма движения материи»1. С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь – это «форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению»2. По моему мнению, это определения является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь – это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой – способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.
Необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.
Элементарная единица такого организма – клетка. «Ей присущи все признаки живого – обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, неспособна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде»1.
Важное проявление жизни биологической системы – деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого – деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. После нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток организма. Сбой этой зависимости ведет к появлению раковых клеток. В энерго-энтропийном плане более выгодным является объединение клеток в более сложные структурные образования – многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование появляются механизмы управления.
1 Г.Г.Малинецкий: Синергетика-теория самоорганизации.-М.: Наука, 1983, стр 164
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В общем понимании самоорганизация – это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития. Конкретное проявление этой способности зависит от уровня сложности системы и условий ее развития. В узком понимании термина – это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. При более подробном рассмотрении этого явления отмечалось, что алгоритм скачка имеет общие черты у систем самой различной природы.
Чем выше уровень сложности системы, тем сложнее проявление сил объединения и фракционирования. Что же касается поиска истоков самоорганизации, то он уводит нас вглубь строения вещества, определяющего способность его элементов взаимодействовать друг с другом.
По-моему, с появлением синергетики как науки, в свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо. «В критических точках, достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность»1 .
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны и т.д.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) сможет послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
В предисловии к своей книге «Синергетика» Г.Хакен пишет: «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 П.Эткинс: Порядок и беспорядок в природе.-М.: Мир, 1987, стр 59
1 Г.Хакен: Синергетика.-М.: Мир, 1993, стр 13
www.ronl.ru
|
|
..:::Счетчики:::.. |
|
|
|
|
|
|
|
|