Синергетика и самоорганизация

Синергетика и самоорганизация

Введение

Человечество вступило в этап своего развития, который называют информационным обществом. В этих условиях появление новых парадигм познания вполне закономерно и наиболее интегральным в них становится синергетика.

Синергетика - новое направление в познании человеком природы, общества и самого себя, смысла своего существования. Новое качество в познании достигается за счет использования нелинейного мышления и синтеза достижений различных наук при конструировании образа мироздания.

Синергийный подход предполагает нелинейное развитие по бифуркационному сценарию, когда новое качество человека и общества не представляет собой результат закономерного поступательного развития, а является следствием выбора одного из возможных вариантов развития под влиянием коллективных и индивидуальных взаимодействий, которые могут изменить направление не только общественных преобразований, но и саму сущность человека.

Во второй половине XX века исследование сложных, самоорганизующихся систем вошло в круг важнейших задач развития научного знания. К числу таких систем стали относить социальные, информационные и биологические, физические и химические среды, психику человека, головной мозг и многие другое наступило осознание, что трансформация физических представлений по своему значению вышла за пределы физических наук, перешла на уровень космологических проблем, что исследование самоорганизации находится на границе естествознания и философии и необходимо создание определенной картины мира. В развитии естествознания и философии этот период оценен как эпоха, когда миновала возможность безапелляционных утверждений и взаимоисключающих позиций. Таким образом, методологическое и мировоззренческое осмысление самоорганизации стало, пожалуй, символом перехода в XXI век. Этим и мотивируется наше стремление разобраться в истории вопроса, содержании терминов и основных понятий синергетики.

1. Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований и новое миропонимание

1.1            Основные этапы развития синергетики. Термины и понятия. Категориальный аппарат

Термин "синергетика" происходит от греческого "синергос" - совместно действующий. В данном случае имеются в виду совместные усилия ученых многих областей знания по поиску новых парадигм познания явлений природы, общества и созданию научной картины мира, отвечающей современным требованиям. На стыках наук, на путях их интеграции в рамках нелинейного мышления появляется возможность действительно по-новому взглянуть на результаты исследований в астрономии и космологии, физике и химии, математике, биологии, других естественных науках, науках о человеке и обществе. При этом происходит не только интеграция научных достижений, связанных с использованием различных теоретико-методологических направлений современности, но и обращение к наиболее продуктивным идеям всех времен и народов, в частности, к идеям древности, как на Востоке, так и на Западе.

У мыслителей Востока (особенно Китая и Индии) синергетика заимствует и развивает далее философские концепции целостности мироздания (все во всем) и идею общего закона, единого пути, которому следуют и мир в целом, и человек в нем. От Запада же она наследует традиции анализа с использованием математического аппарата, опору на эксперимент. Среди философских течений нового времени на становление синергетики оказали влияние не только диалектический материализм, но и некоторые идеи позитивизма, онтологизма, редукционизма. На такой концептуальной основе синергетика ведет диалог с прошлым, настоящим и будущим. В итоге формируется принципиально новая теория и методология познания, которая, опираясь на последние достижения математического моделирования с помощью современной вычислительной техники, стала конкурентом философии.

Синергетика - это не только своеобразный синтез многих научных методов исследования, методологических систем, теоретических построений, но и перевод их в новые измерения постнеклассичесной науки, что отражается в формировании соответствующего категориального аппарата. В результате мы получаем новые измерения природной и социальной действительности, новые методы ее описания, анализа, типологизации, интерпретации явлений и процессов, их осмысления.

У синергетики складывается и собственный предмет исследования. Она изучает закономерности и механизмы самоорганизации (перехода от хаоса к порядку) в открытых нелинейных системах сложной конфигурации, каковыми, безусловно, являются и природа в целом, и человеческое общество, и многие системы искусственного происхождения. Будучи тесно связанной с кибернетикой, математическим моделированием и системным подходом к изучению реальности, синергетика расширяет наши представления о самодвижении и развитии материи, взаимосвязи материального и духовного, позволяет по-иному взглянуть на эволюционные процессы в природе, на процессы возникновения жизни и человека, на перспективы человеческой цивилизации в космологических пространственно-временных масштабах.

Специфика предмета синергетики состоит в том, что она изучает процессы самоорганизации в открытых системах под углом зрения нелинейного мышления. Объектом же исследования являются сложноорганизованные неравновесные системы, находящиеся на различных стадиях перехода от хаоса к порядку и обратно. Эвристические возможности синергетики находят применение практически во всех областях знания.

Синергетика не является уже сложившейся наукой. К новому направлению междисциплинарных исследований присоединяются представители самих разнообразных областей знания, которые, естественно, идут к осмыслению идей синергетики с позиций своей исходной специализации, будь то физика или математика, биология или химия, философия или социология, экономика или кибернетика.

К настоящему времени на Западе сложились и активно функционируют две главные школы исследований в области синергетики. Во-первых, это брюссельская школа лауреата Нобелевской премии по химии за 1977 год Ильи Романовича Пригожина (из числа потомков русских эмигрантов, покинувшие России после революционных событий 1917 года). Во-вторых, школа немецкого ученого-физика Г. Хакена, возглавляющего Институт синергетики и теоретической Физики и Штутгарте (Германия). Именно он первым начал использовать термин «синергетика».

В результате разработки идей синергетики и соответствующих методов системных и междисциплинарных исследований открывается перспектива выхода на понимание интегральных сценариев развертывания событий во Вселенной на микро-, макро - и мегауровнях, что позволит переосмыслить и роль человека в глобальных процессах, в структуре познавательной и практической деятельности. С этих позиций легче определить стратегию решения и чисто земных проблем. Общие контуры такой стратегии уже вырисовываются. От извечной борьбы с природой человечество начинает переходить к поиску своего предназначения в ней, к коэволюции с природой.

Становление нового подхода к познанию природной и социальной действительности неразрывно связано с разработкой соответствующей системы понятий и категорий. Любая многоуровневая структура рассматривается в синергетике с точки зрения ее открытости или закрытости (изолированности), линейности или нелинейности, стабильности или неустойчивости, порядка или хаоса, самоорганизации, диссипативности, фрактальности и т.д. Кроме того, в синергетике используются такие понятия как "аттрактор", "бифуркации", "кооперативные процессы", а также целый ряд других. Многие из них уже прочно вошли в научный оборот. Другие же требуют подробного пояснения, соответствующей интерпретации.

Начнем о выяснения содержания понятий открытости и закрытости системы. Открытость означает, прежде всего, такое свойство системы, при котором она имеет возможность непрерывного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Причем, возможности такого обмена существуют в каждой точке системы, а не только через фиксированные каналы. Еще одним свойством открытых систем является возможность управления всеми ресурсами системы или любой ее точки. Так должна выглядеть открытая система в идеале. На практике же мы встречаемся с целой гаммой переходных состояний от полной открытости до полной изоляции.

Несмотря на то, что открытая система представляет собой логически и организационно единый комплекс, каждый отдельный элемент комплекса имеет достаточно степеней свободы для своего индивидуального самовыражения и развития, не нарушающего целостность системы. Это можно показать на примере природных и социальных объектов. Так, общество (государство) может быть легко отнесено к открытому или закрытому типу. К закрытым обществам относятся, прежде всего, тоталитарные государства с чрезмерно централизованной системой управления и пренебрежением к правам и свободам человека. В открытом же обществе каждый его член может свободно перемещаться внутри и за пределами государства, обмениваясь информацией, идеями, материальными и духовными ценностями без всяких ограничений. В открытом обществе человек становится полноправной личностью, а не винтиком государственной машины. Это распространяется не только на положение индивида, но и на все другие компоненты открытого общества (коллективы, организации, города, области и т.д.).

Нелинейность является фундаментальной характеристикой открытой системы и предполагает непрерывность выбора альтернатив ее развития. Нелинейная система обязательно многомерна, многовариантна и не поддается классическим методам описания, что порождает потребность в выработке таких методов, которые отвечали бы условиям задачи. В математике нелинейными называют такие уравнения, которые имеют несколько качественно различных решений. Множеству способов решения задач, связанных с нелинейными уравнениями, соответствует множество путей эволюции, описываемой этими уравнениями. Необходимость анализа подобных ситуаций в познавательной деятельности привела многих ученых к разработке методологии решения эвристических проблем в нелинейных средах. Эта методология получила название нелинейного мышления.

Термином "диссипативные" (в переводе с английского - "рассеивающие") обозначаются открытые нелинейные системы, где преобладают процессы размывания, рассеивания неоднородностей. Происходит перевод (спуск) избытков поступлений вещества и энергии на низлежащие уровни (в более простые формы) или вывод их за пределы системы. Диссипация означает, таким образом, переструктурирование чужого в свое и рассеяние лишнего. "Диссипативные процессы, - пишет И.Р. Пригожий - ведут не к равновесию, но к формированию диссипативных структур, тождественных процессам, которые из-за взаимной компенсации приводят к равновесию." Функционирование такой непрерывно взаимодействующей с окружающей средой системы как бы противоречит второму закону термодинамики и для его адекватного описания и объяснения необходимы нетрадиционные подходы, связанные с нелинейным мышлением. Большинство объектов природы (наше солнце, другие звезды, галактики и т.д.) являются диссипативными системами. Ими являются все живые существа, которые могут существовать только на основе такого рода включенности в окружающую среду. Крупные социальные объекты (например, города, государства) также можно отнести к диссипативным структурам.

Понятие самоорганизации выражает способность сложных систем к упорядочению своей внутренней структуры. Самоорганизация в сложных и динамичных открытых системах возможна лишь при наличии достаточно большого числа взаимодействующих элементов. Причем, поведение взаимодействующих элементов должно быть кооперативным и когерентным. Это относится и к природе и к обществу. Механизм самоорганизации начинает действовать в рамках более масштабных и качественно иных структур. И охватывает уже не отдельные общности людей, а все человеческое сообщество.

В синергетике используются также понятия, обозначающие специфику некоторых состояний в эволюции открытых, нелинейных самоорганизующихся систем.

Понятием "бифуркация" обозначается состояние системы, находящейся перед выбором возможных вариантов функционирования или путей эволюции (развилка дорог). В математике это означает ветвление решений нелинейного дифференциального уравнения. В точке бифуркации (на перепутье) система находится в неравновесном состоянии, где малейшие флуктуации или случайные обстоятельства могут кардинально изменить направление дальнейшего развития, закрывая тем самым возможности движения альтернативным путем. Характеризуя такие состояния, И.Р. Пригожий подчеркивает «уникальность точек бифуркации, в которых состояние системы теряет стабильность и может развиваться в сторону многих различных режимов функционирования».

Поскольку проблема выбора режимов функционирования или направлений развития возникает перед любой самоорганизующейся системой, в синергетике приступили к построению и исследованию бифуркационных моделей с тем, чтобы попытаться обнаружить закономерность в самой случайности.

Понятие "аттрактор" (от латинского - притягивать) означает некоторую совокупность условий, при которых выбор путей движения или эволюции разных систем происходит по сходящимся траекториям, и, в конечном итоге, как бы притягивается к одной точке. Наглядно это можно представить в виде конуса бытовой воронки, направляющего движение частиц жидкости или сыпучих тел (например, песка) к своему центру (вершине конуса - горловине воронки) независимо от первоначальных траекторий. Пространство внутри конуса воронки (аттрактора), где любая частица (система) туда попавшая постепенно смещается в заданном направлении, называют "зоной аттрактора".

Различают несколько разновидностей аттрактора, среди которых следует выделить так называемый "странный аттрактор". При состояниях системы характеризуемых странным аттрактором, становится невозможным определить поведение частиц (их поведение) в каждый данный момент, хотя мы, и уверены, что они находятся в зоне аттрактора.

С помощью алгоритмов странного аттрактора наука выходит на описание изменений в климате, погодных процессов, движения некоторых небесных тел, поведения многих элементарных частиц, явлений тепловой конвекции и т.д.

Важное значение для синергетического миропонимания имеет понятие фрактальности (самоподобия). Фракталами обозначают явления масштабной инвариантности, когда последующие фермы самоорганизации материальных и социальных систем напоминают по своему строению предыдущие. Такие явления мы довольно часто наблюдаем в природе. Например, наукой давно подмечено, что строение солнечной системы (как и всех звездных систем) в определенной мере подобно строению атома, но на два десятка порядков в больших пространственно-временных масштабах.

Фрактальные аналогии в синергетике являются одним из методов познания природных и социальных явлений, поскольку часто служат основой для построения научных гипотез и теорий. Например, сходство очертаний обращенных друг к другу частей материков (например, Африки и Южной Америки) послужило основанием для выдвижения гипотезы об их происхождении, как известно, затем подтвердившейся.

Синергетика, пользуясь данным методом, дает объяснение, почему тех или иных этапах эволюционного развития повторяются определенные структуры (например, вихревые), раскрывает их роль в процессах самоорганизации в нелинейных системах различных масштабов. История человеческого общества также дает немало поводов для размышлений на фрактальные темы.

Формируя свой категориальный аппарат, синергетика нащупывает также закономерности, отражающие специфику нового мировидения. К ним следует отнести закономерности самоорганизации в открытых нелинейных системах, закономерности протекания диссипативных процессов в различных средах, закономерности проявления фрактальности, закономерности в бифуркационных ситуациях и т.д. Синергетические закономерности обнаруживают себя как в материальном мире косной (неорганической) природы, так и в мире живой природы, в том числе и в социуме.

Таким образом, становление синергетики создает новую теоретико-методологическую парадигму исследования природных и социальных явлений. Она, по мнению Г.И. Рузавина, позволяет "проанализировать и свести в единое целое многие результаты, полученные в астрономии и космологии, физике и химии, биофизике и биохимии, генетике и молекулярной биологии, геологии и экологии, относящимся к различным аспектам микро и макроэволюции". Тщательный анализ позиций синергетического подхода накопленных фактов и фундаментальных открытий в современной науке будет способствовать углублению, уточнению и конкретизации важнейших положений научных теорий о развитии материи, сущности жизни» Разума и перспективах человеческой цивилизация. По ряду важных аспектов познания следует ожидать радикальных перемен в мировоззренческих установках, в объяснении загадок природы.

1.2            Уровни самоорганизации материи и концепция развития

Утверждение синергетики как нового стиля научного мышления, который часто отождествляют с нелинейным мышлением, связано с выдвижением принципиально новых методологических принципов в формировании, как общей картины мира, так и ее основания - физической картины мира. Центральным методологическим принципом синергетики является признание теории самоорганизации в качестве отправной точки научного мировоззрения, и исследование закономерностей и механизмов самоорганизации - единственным способом представить рациональное объяснение возникновению порядка из хаоса естественным путем.

С позиций синергетики физическая картина мира представляет сложную иерархию открытых, неравновесных самоорганизующихся систем, подчиняющихся некоторым универсальным законам эволюции. Естественно, возникает вопрос о пространственно-временных и других измерениях процессов самоорганизации, о критериях масштабности в иерархии сложноорганизованных материальных систем. В связи с этим становится необходимым вернуться к "вечному" вопросу о соотношении и формах проявления конечного и бесконечного". Именно через призму рассмотрения этого вопроса проблема переводится в русло многомерности и современного понимания онтологизма.

При всем многообразии явлений материального мира это многообразие, как показывают данные современной науки, диалектически взаимосвязано с единством его сущностных основ. Единство материального мира характеризуется подчинением физических форм движения, самоорганизации и развития некоторому сравнительно ограниченному кругу законов, интегральное выражение сущности которых заключено в предельно объемной категории, условно обозначаемой термином "непрерывность прерывности". Данный термин обозначает также и основополагающий закон, обобщающий всю совокупность связей материального мира.

Непрерывность прерывности (как форма проявления единства конечного и бесконечного) рассматривается не только традиционно в горизонтальном, но и в вертикальном срезе самоорганизации материи. В последнем случае ее физические формы представлены последовательными, уходящими в бесконечность рядами структурных уровней, каждому из которых соответствует целый класс дискретных форм.

Каждое из этих состояний материального мира можно определить, как структурный уровень самоорганизации материи, в дальнейшем обозначаемый сокращенно СУСМ.

Возрастание размерности физических постоянных от уровня к уровню, как и "перешагивание" через межуровневый интервал, видимо составляет важную закономерность эволюции форм материи. Поскольку возрастание размерности физических и иных форы происходит во времени, значение времени приобретает относительность (привязанность к определенному материальному субстрату, системе) и каждому этапу в развитии, материального мира, иначе говоря, каждому структурному уровню самоорганизации материи соответствует определенный временной эквивалент. Можно предположить, что он пропорционален протяженности и массе частиц этого уровня. Так, если средняя протяженность частиц микромира приблизительно на 20 порядков меньше объектов макромира, то и процессы в микромире должны протекать быстрее на столько же порядков. Эту разницу в скорости протекания процессов следует рассматривать как межуровневый - временной интервал между мирами, присущими каждому из структурного уровня самоорганизации материи.

Страницы: 1, 2