Двадцатый вопрос. В последние годы особенно интенсивно развиваются научные исследования в области самоорганизующихся процессов на различных уровнях развития материи

В последние годы особенно интенсивно развиваются научные исследования в области самоорганизующихся процессов на различных уровнях развития материи. Речь идет о мире нелинейных открытых системах – физических, химических, биологических и социальных системах. Мощное развитие нелинейных методов исследования сложных систем позволили сделать удивительные открытия. Ученые разных направлений осознали необходимость в обобщении и синтезе огромного потока новых знаний и отыскании новых общих закономерностей развития сложных систем, способных к самоорганизации. Это направление междисциплинарных исследований выдающийся немецкий ученый Герман Хакен назвал “Синергетика”1. Это понятие происходит от греческого “((((((((((((” – что означает содействие, сотрудничество. Данное название подчеркивает сопряженность взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого. Достаточно хорошо известно слово “синергизм”, которое, по мнению некоторых авторов, имеет, по крайней мере, два значения:

1) Совместное и однородное функционирование органов (например, мышц) и систем; известный физиолог Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.

2) Комбинированное действие лекарственных веществ на организм, при котором суммарный эффект превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности.

Исходные идеи синергетики мы находим ещё в концепциях древних мыслителей Индии и Китая, где подчеркивается мысль, что в мире всё взаимосвязано и что самые несущественные случайные изменения могут спровоцировать большие следствия. Все в мире важно, утверждали древние мыслители, поскольку самая маленькая частица космоса проникнута мировой душой и имеет равные права с другими частями вселенной.

Другой взгляд развивает классическая наука, начиная с Аристотеля. Последняя привела к замене описательно-метафизической картины мира, содержащейся в доктрине Аристотеля, математически-позитивистской концепцией Галилея. Иными словами, она заменила взгляд на мир как телеологический космос описанием событий по законам причинности, выражаемым в математической форме. Эта естественнонаучная картина представляла мир в виде огромного механизма с жесткими причинно-следственными связями, результат действия которых в принципе может быть предсказан однозначно (например, лапласовский детерминизм). Из науки исключается случайность, единичное и единственное.

По мнению представителей классической науки случайность мешает познанию и должна быть преодолена. Развитие мира объясняется линейной зависимостью, где все жестко детерминировано. Зная исходные данные и цепочку закономерностей, мы можем предсказать будущее. Человек является активным существом, он обуславливает познание и развитие реальности.

С возникновением неклассической науки (квантовая и релятивистская механика, концепция нестационарной Вселенной, квантовая химия, эволюционные и генетические теории в биологии, внедрение математических методов в социологии и лингвистике) развитие мира объясняется вероятностно-статистическими методами, отказом от прямолинейного онтологизма и пониманием относительной истинности теорий и картины мира, выработанной на том или ином этапе развития естествознания. Эта концепция представляла мир в виде устройства, работающего на основе вероятностных зависимостей и стохастических принципов, где предсказания того или иного события уже не являются однозначными, а формулируются в виде вероятностных суждений. Линейность ставится под сомнение. Мир развивается не линейно, представляет определенное подобие между процессами неживой, живой природы и в обществе. Например, снежная лавина похожа на революционный взрыв и другие катастрофы, которые провоцируются незначительными событиями.

В последнюю треть нашего столетия происходит новая глобальная революция, в ходе которой рождается постнеклассическая наука, для которой характерно междисциплинарные и проблемно-ориентированные формы исследовательской деятельности. Если классическая наука была ориентирована на постижение все более сужающегося, изолированного фрагмента действительности, выступавшего в качестве предмета той или иной научной дисциплины, то специфику современной науки конца ХХ века определяют комплексные исследовательские программы, в которых принимают участие специалисты различных областей знания. Постнеклассическая наука пытается преодолеть односторонность классической и неклассической науки, объединить их подходы. Предыдущие картины мира фактически не учитывали фактора времени, были, по выражению И.Пригожина, атемпоральными.Объектами современных междисциплинарных исследований всё чаще становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и саморазвитием.

Эволюция саморазвивающихся систем характеризуется переходом от одной относительно устойчивой ситуации к другой. Возникает и новой уровень организации элементов и саморегуляции. С течением времени эта система формирует новые уровни своей организации, причем возникновение каждого нового уровня оказывает воздействие на ранее сформировавшиеся, меняя связи и композицию их элементов. Формирование каждого такого уровня сопровождается прохождением системы через состояния неустойчивости (точки бифуркации), и в эти моменты небольшие случайные воздействия могут привести к появлению новых структур. Деятельность с такими системами требует принципиально новых стратегий. Их преобразование уже не может осуществляться только за счет увеличения энергетического и силового воздействия на систему.

Среди развивающихся систем современной науки особое место занимают природные комплексы, в которые включен в качестве компонента сам человек. Примерами таких «человекоразмерных» комплексов могут служить медико-биологические объекты, объекты экологии, включая биосферу в целом (глобальная экология), объекты биотехнологии (в первую очередь генетической инженерии), системы «человек-машина» (информационные комплексы и системы искусственного интеллекта) и т.д. При изучении «человекоразмерных» объектов поиск истины оказывается связанным с определением стратегии и возможных направлений преобразования такого объекта, что непосредственно затрагивает гуманистические ценности. С системами такого типа нельзя свободно экспериментировать. В процессе их исследования и практического освоения особую роль начинает играть знание запретов на некоторые стратегии взаимодействия, потенциально содержащие в себе катастрофические последствия. Подобные системы изучаются синергетикой.

Синергетика многие наши представления способна поколебать. Взять хотя бы понимание хаоса. В мифологии он интерпретируется как первичное состояние несозданной вселенной, как беспорядок, как смесь всех элементов, как безграничная и бесформенная пропасть. Хаос ассоциируется с чем-то негативным, деструктивным началом мира. Долгое время случайность тщательно изгонялась из научных теорий. Она считалась второстепенным фактором, побочным, не имеющим особого значения. Также создалось впечатление, что единичное человеческое усилие не может иметь видимого влияния на ход истории, что деятельность каждого отдельного человека несущественна для макросоциальных процессов.

С точки зрения классической науки неравновесность и неустойчивость воспринимались как досадные неприятности, которые должны быть преодолены. Это чисто негативное явление, разрушительное, сбивающее с пути с правильной траектории развития объекта. Развитие понималось как жестко детерминированное, без альтернатив. Если и есть возвраты к старому или альтернативы, то они являются всего лишь случайные отклонения от магистрального течения, подчинены этому течению, определяемому объективными законами мира.

Результаты математического моделирования и вычислительного эксперимента свидетельствуют о том, что даже относительно простые нелинейные уравнения с нелинейными источниками и стоками описывают очень сложное поведение. Сверхсложная социоприродная среда может описываться, как и всякая открытая нелинейная система, небольшим числом фундаментальных идей и образов, а затем и математических уравнений, определяющих общие тенденции развертывания процессов в ней.

Князева Е.Н. и Курдюмов С.П., рассматривая преимущества синергетики, отмечают, что она удивляет нас необычными идеями и представлениями, дает нам много новых идей и представлений о мире, о способах взаимодействия с ним. Она учит нас не только видеть мир по другому, но и по новому осознать свое место и предназначение в этом мире, пути и перспективы социального развития1. Синергетика, по их мнению, дает возможность по-новому понять открытые, нелинейные системы, которые имеют свои пути эволюции. Синергетика демонстрирует нам, каким образом и почему хаос может выступать в качестве созидающего начала, конструктивного механизма эволюции, как из хаоса собственными силами может развиться новая организация. Через хаос осуществляется связь разных уровней организации. В соответствующие моменты неустойчивости – малые возмущения, флуктуации могут разрастаться в макроструктуры.

Синергетика свидетельствует о том, что для сложных систем, как правило, существует несколько альтернативных путей развития. Хотя путей эволюции (целей развития) много, но с выбором пути в точках ветвления (точках бифуркации), т.е. на определенных стадиях эволюции, проявляет себя некая предопределенность, предетерминированность развертывания процессов. Синергетика дает знание о том, как надлежащим образом оперировать со сложными системами и как эффективно управлять ими. Оказывается, главное не сила, а правильная топологическая конфигурация, архитектура воздействия на сложную систему (среду). Малые, но правильно организованные – резонансные – воздействия на сложные системы чрезвычайно эффективны. Синергетика раскрывает закономерности и условия протекания быстрых, лавинообразных процессов и процессов нелинейного, самостимулирующуго роста. Важно понять, как можно инициировать такого рода процессы в открытых нелинейных средах, и какие существуют требования, позволяющие избегать вероятностного распада сложных структур вблизи моментов максимального развития.

^ 13.2. Основные понятия синергетики и её универсальные механизмы

Синергетика как новоя концепция возникла в недрах естественных наук и развивается как междисциплинарное научное направление со своими принципами, понятиями и методологией. Синергетика позволяет соединить традиционные философские представления с принципиально новыми подходами к исследованию в области постнеклассической науки, обогатить некоторые фундаментальные философские проблемы.

Синергетика изучает нелинейные, неуравновешенные, открытые, самоорганизующиеся системы. Она являются совокупностью некоторых идей и принципов, возникших в различных областях естествознания и объясняющих образование процессов и структур в открытых неравновесных системах. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, а так же обмена веществом и энергией с окружающей средой. Открытость системы – необходимое, но не достаточное условие для её самоорганизации: всякая самоорганизующаяся система открыта, но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Все зависит от взаимной игры, соревнования двух противоположных начал - созидающего структуры, наращивающего неоднородности в сплошной среде, и рассеивающего, размывающего неоднородности начала самой различной природы.

В научной литературе многие авторы справедливо определяют синергетику как состоящей из трех главных компонентов: нелинейность –самоорганизация - открытость. Эти три элемента присутствуют в той или иной форме во всех определениях синергетики, данных различными авторами. Синергетика - это междисциплинарное направление научных исследований. Предметом синергетики являются механизмы самоорганизации, спонтанного возникновения и относительно устойчивого существования (и разрушения) структур в открытых системах. Механизмы создания и разрушения структур, механизмы перехода от хаоса к порядку и обратно не зависят от конкретной сущности элементов или подсистем. Они характерны как для природного мира, так и для социального.

Синергетика разрабатывается учеными различных специальностей. Основные идеи вызревали в нескольких теоретических отраслях естествознания:

в термодинамике открытых неравновесных систем (школа лауреата нобелевской премии И.Пригожина, которая разрабатывает теорию диссипативных, рассеивающихся структур);

при разработке теории лазерных излучений – (школа немецкого физика Г.Хакена);

в связи с исследованием проблем молекулярной биологии (Эйген и др.);

осмыслением методологических и математических построений синергетического мировосприятия (С.П.Курдюмов);

развитием идей глобального эволюционизма, коэволюции общества и природы (школа академика Н.Н.Моисеева);

школа математиков В.И.Арнольда и Р.Тома (разрабатывает теорию катастроф);

школа А.А.Самарского и С П.Курдюмова (разрабатывает математические модели и компьютерный эксперимент теории самоорганизации);

школа биофизиков М.В.Волькенштейна и Д.С Чарнавского (развивают идеи синергетики в связи с информатикой).

Общенаучное значение идей синергетики все больше и больше завоевывает внимание многих исследователей. В последние годы появились ряд публикаций, посвященных процессам самоорганизации психических и социальных процессов (Г.Н.Васильев, Р.Н.Зобов, В.Н.Келасьев), синергетическому подходу к проблеме прогнозирования будущего (С.П.Капица, С.П.Курдюмов, Г.Г.Малинецкий), анализу теоретических оснований социальной синергетики (В.П.Бранский) и др1.

Множество различных школ и направлений свидетельствует больше о том, что синергетика является научной концепцией, парадигмой, нежели хорошо отработанной теорией. Синергетика – это методологический подход к изучению нелинейных систем, особый стиль мышления. Как научная дисциплина синергетика имеет свои специфические понятия – аттрактор, бифуркация, фракталии, диссипация, нелинейность, хаос, порядок и др.

Понятие аттрактор по своему смыслу близка понятию “цель”. В большинстве работ по проблемам самоорганизации под аттракторами понимаются изображения относительно устойчивых состояний системы в фазовом пространстве. Иначе говоря, аттракторами являются те реальные структуры в открытых нелинейных средах, на которые выходят процессы эволюции в этих средах в результате затухания в них переходных процессов. Аттрактор можно понять и как относительно устойчивое состояние системы, которая как бы притягивает к себе все многообразие ее “траекторий”.

Если система попадает в конус аттрактора, то она обязательно эволюционирует в сторону относительно устойчивого состояния. Например, независимо от исходного положения мяча он катится на дно ямы. Состояние покоя мяча на дно ямы является аттрактором движения мяча. Выход на относительно простые, симметричные структуры-аттракторы означает свертывание сложного. Различают следующие виды аттракторов: точечный, периодический и хаотический1.

Точечный аттрактор – маятник. Если сдвинуть груз маятника недалеко от его самого нижнего положения, то, в конце концов, он вернется в исходную точку. Периодический аттрактор – так называемые химические часы. Это химический процесс, в ходе которого раствор периодически меняет свою окраску с голубой на красную. Кажется, будто молекулы находящиеся в разных областях раствора, могут каким-то образом общаться друг с другом. Во всяком случае, очевидно, что вдали от равновесия когерентность поведения молекул в огромной степени возрастает. В равновесии молекула “видит” только свсоих непосредственных соседей и “общается” только с ними. Вдали от равновесия каждая часть системы “видит” всю систему целиком. Можно сказать, что в равновесии материя слепа, а вне равновесия прозревает. В хаотическом (странном) аттракторе система движется от одной точки к другой детерминированным образом. Но траектория движения, в конце концов, настолько запутывается, что предсказать движение системы в целом невозможно – это смесь стабильности и нестабильности.

Бифуркация в математическом смысле означает разветвление решений нелинейных дифференциальных уравнений. В физическом смысле означает точку разветвления путей эволюции системы. Исходя из сказанного можно дать следующее определение нелинейной системы – это такая система которая скрывает в себе бифуркацию.

Фракталии (или фрактальные объекты) – это такие объекты, которые имеют свойство самотождественности или похожести. Это означает, что какой-либо маленький фрагмент структуры объекта похож на другие фрагменты или даже на структуру в целом. В природе встречаются много фрактальных форм, как например, тучи или береговая линия моря, рисунок которых повторяется в различных пропорциях. Свойство фрактальности встречается и в различных философских концепциях. У Лейбница каждая монада как в капле воды отражает весь мир. У древневосточных мыслителей было высказывание “все в одном и один во всем”. Все это на языке синергетики означает фрактальное свойство объектов вселенной.

Вобрав в себя все последние достижения математики, нелинейной физики, химии, биологии, синергетика обнаружила существование в сложных системах различной природы универсальных качественных закономерностей (механизмов) возникновения, развития и разрушения новых структур. Структура - это локализованный в определенных участках среды процесс. Иначе говоря, это процесс, имеющий определенную геометрическую форму, способный, к тому же, перестраиваться и перемещаться в этой среде. Структура (организация) есть процесс или, точнее, блуждающее в среде пятно процесса1.

Во многих природных процессах наблюдаются такие типичные структуры самоорганизации, как спиральные волны, вихри или шестигранные ячейки Бенара. Внутренний механизм формирования структур и эволюции (перестройки, достраивания, объединения и распада) сложных структур составляет фундаментальная борьба, или игра двух противоположных начал: создающего структуры, наращивающего неоднородности и рассеивающего, размывающего начала самой различной природы. Одно из начал – работа источника создает неоднородности в сплошной среде. В качестве такого может выступать активная среда в атомном реакторе, создающая лавинообразный поток нейтронов, источник знаний или же очаг болезней. А другое начало – рассеивающий, разбрасывающий фактор самой различной природы (диффузия, дисперсия, и т.п.). Если имеет место, скажем, диффузия, то это может быть диффузия нейтронов, диффузия знаний или же болезней. Рассеивающее начало в открытой системе может переосиливать работу источника, размывать все неоднородности, создаваемые им. В таком случае структуры не могут возникнуть.

Важную роль в механизмах возникновения структур играет диссипация2 – рассеивание, для которой характерен синтез порядка и хаоса. При полном отсутствии диссипации структуры спонтанно возникнуть не могут. Необходимо понять роль диссипации как фактора выедания лишнего и поэтому как необходимого элементы для саморазвития мира. Диссипация в среде с нелинейными источниками играет роль резца, которым скульптор постепенно, но целенаправленно отсекает все лишнее от каменной глыбы. А поскольку диссипативные процессы, рассеивание есть, по сути дела, макроскопическое проявление хаоса, постольку хаос на микроуровне – это не фактор разрушения, а сила, выводящая на аттрактор, на тенденцию самоструктурирования нелинейной среды.