Основы кибернетики и синергетики. 2
Министерство образования и науки Российской Федерации
Стерлитамакский филиал ФГБОУ ВПО
«Башкирский государственный университет»
Естественнонаучный факультет
Кафедра Философии права и социальных наук.
Контрольная работа
Тема: «Основы кибернетики и синергетики»
По курсу «Концепция современного естествознания»
Выполнил студент группы Z4ПРО11
Проверил: к.ф.н. доцент
Содержание
- Что изучает кибернетика и на каком основании она входит в систему естествознания.
- Что такое кибернетическое моделирование.
- Что такое кибернетическая система.
- Каков смысл проблемы создания искусственного интеллекта.
- Что означает понятия «компьютерная революция».
- Что такое интернет и какова его роль в формировании информационного общества.
- Что такое синергетика.
- Какое значение в синергетике имеют понятия «хаос» и «порядок».
- Какую роль в синергетическом подходе выполняют понятие «точка бифуркации».
- Каково соотношение случайного и необходимого (закономерного) в синергетическом объяснении.
- Что означает термин «нелинейность» в синергетике.
- Как в синергетике объясняется механизм самоорганизации.
- Список литературы
Ведение
- Кибернетика — как наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе, впервые был предложен Норбертом Винером в 1948 году.Она включает изучение обратной связи, чёрных ящиков и производных концептов, таких как управление и коммуникация в живых организмах, машинах и организациях, включая самоорганизации. Она фокусирует внимание на том, как что-либо (цифровое, механическое или биологическое) обрабатывает информацию, реагирует на неё и изменяется или может быть изменено, для того чтобы лучше выполнять первые две задачи. Стаффорд Бир назвал её наукой эффективной организации, а Гордон Паск расширил определение, включив потоки информации «из любых источников», начиная со звёзд и заканчивая мозгом.
Естествозна́ние— совокупность знаний о природных объектах, явлениях и процессах.
Отсюда следует, что кибернетика это часть естествозна́ния, изучающая процессы передачи информации.
- Кибернетическое моделирование существенно расширяет границы исследуемости сложных объектов. Отвлекается не только от физической природы оригинала, но и от структуры его внутренних связей. В этом случае моделируются лишь какие-либо внешние функции объекта, характеризующие его взаимодействие с окружающей средой. Кибернетическое моделирование принципиально отличается от физического и математического, в ходе которых воспроизводятся процессы внутри изучаемой системы - оригинала. Пример кибернетической модели, функции которой имеют лишь качественное сходство с функциями оригинала, - известная электронная мышь Шеннона. Будучи помещена в лабиринт, она хочет найти пищу, при этом движется ощупью, наталкивается на разные перегородки до тех пор, пока не найдет дорогу к кормушке. Воспроизводимая в ней функция - по сути дела, свойство находить путь к заданной точке при определенных соотношениях, продиктованных кибернетическим подобием. Разумеется, выводы о поведении настоящей, живой мыши могут здесь носить лишь качественный характер, однако они оказались весьма интересными для выявления важных биологических закономерностей.
- Кибернетическая система - это множество взаимосвязанных объектов - элементов системы, способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться информацией. КИБЕРНЕТИКА-наука об управлении, связи и переработке информации. Основной объект исследования — т. н. кибернетические системы, рассматриваемые абстрактно, вне зависимости от их материальной природы. Примеры кибернетических систем — автоматические регуляторы в технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество. Каждая такая система представляет собой множество взаимосвязанных объектов (элементов системы), способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею.
- Проблема выбора пути к созданию искусственного интеллекта
Тест Тьюринга
С 1991 года проводятся турниры программ, пытающихся пройти тест Тьюринга. В интернете можно найти и посмотреть историю турниров, узнать о правилах, призах и победителях. Пока ещё эти программы (боты) крайне малоразумны. Всё, что они делают - это применяют заранее подсказанные человеком правила. Осмыслить разговор боты даже не пытаются, в основном совершают попытки «обмануть» человека. Создатели закладывают в них ответы на наиболее часто задаваемые вопросы, стараются обойти распространенные ловушки. Например, внимательно следят, а не задаст ли судья один и тот же вопрос дважды? Человек в такой ситуации сказал бы что-то вроде: «Эй, ты уже спрашивал»! Значит, разработчик добавит боту правило тоже так поступать. В этом направлении представляется очень маловероятным, что появится первый ИИ.
Компьютерные шахматисты
Об этих программах слышали многие. Впервые чемпионат мира по шахматам между компьютерными программами прошел в 1974 году. Победителем стала советская шахматная программа «Каисса». Не так давно компьютер обыграл и Гарри Каспарова. Что же это - несомненный успех?
О том, как играют компьютерные шахматисты, написано очень много. Расскажу совсем вкратце. Они просто перебирают множество вариантов. Если я подвину эту пешку сюда, а противник сходит слоном вот сюда, а я сделаю рокировку, а он подвинет вот эту пешку… Нет, такая позиция невыгодна. Не буду делать рокировку, а вместо этого посмотрю, что случится, если я подвину эту пешку сюда, а компьютер сходит слоном вот сюда, а я вместо рокировки подвину пешку еще раз, а он…
Компьютер ничего не изобретает сам. Все возможные варианты подсказаны настоящими обладателями интеллекта - талантливыми программистами и шахматистами-консультантами… Это не менее далеко от создания полноценного электронного интеллекта.
Футбол роботов
Это очень модно. Этим занимаются многие лаборатории и целые факультеты ВУЗов по всему миру. Проходят десятки чемпионатов по разным разновидностям этой игры. Как говорят организаторы турнира RoboCup, «Международным сообществом специалистов по искусственному интеллекту задача управления роботами-футболистами признана одной из важнейших».
Очень может быть, что, как мечтают организаторы RoboCup, в 2050 году команда роботов и впрямь обыграет в футбол команду людей. Только их интеллектуальность вряд ли к этому будет иметь какое-то отношение.
Турниры программистов
Недавно фирма Microsoft проводила турнир под названием «Террариум». Программистам предлагалось создавать искусственную жизнь, не больше и не меньше. Это, наверное, самое известное из подобных соревнований, а вообще их проводится очень много - энтузиасты-организаторы с завидной регулярностью предлагают создавать программы, играющие то в войну роботов, то в колонизацию Юпитера. Бывают даже соревнования по выживанию среди компьютерных вирусов.
Что же мешает хотя бы этим проектам служить созданию настоящего ИИ, который в будущем сможет и воевать, и Юпитер колонизировать? Одно простое слово - непродуманность. Даже могучие умы Microsoft не смогли придумать правила, в которых сложное поведение выгодно. Что уж говорить об остальных. Что ни турнир - а все побеждает одна и та же тактика: «чем проще - тем лучше»! Кто победил в «Террариуме»? Наши соотечественники. А что они сделали? Вот полный перечень тех правил, по которым жило самое жизнеспособное виртуальное травоядное турнира;
1. Если видишь хищника, убегай в сторону от него. Если видишь животное своего вида, быстро бегущее в какую-то сторону, беги туда же.
2. Если вокруг только чужие, быстро-быстро ешь всю траву, чтобы другим поменьше досталось.
3. Если не видишь чужих, ешь её ровно столько, сколько надо. Наконец, если ни травы, ни хищников не видишь, иди куда глаза глядят.
Интеллектуально? Нет, зато эффективно.
Коммерческие применения
В коммерчески значимых областях не нужно никаких турниров, никаких судей, никаких правил отбора. Ни в распознавании текстов, ни в создании компьютерных игр высокая наука оказалась просто не нужна.
Что нужно, так это стройный коллектив людей с ясными головами и хорошим образованием, и грамотное применение большого числа довольно простых по своей сути алгоритмов.
Никакого сакрального знания на этих направлениях добыть не удастся, никаких великих открытий не совершится, и этого вовсе никто и не добивается. Люди просто зарабатывают себе деньги, заодно улучшая нашу жизнь.
- Компьютерная революция – одна из главных составляющих научно-технической революции второй половины XX века, оказывающая глубокое воздействие на все стороны жизни общества. Понятие компьютерной революции характеризует беспрецедентный масштаб и силу влияния электронной вычислительной техники на развитие экономики, науки, техники, образования, культуры. Компьютеры составляют основу индустриально-информационных комплексов, позволяющих эффективно использовать новые технологии. Информатика, вычислительная техника и автоматизированные системы оказывают революционное воздействие на проектно-конструкторские разработки и научные исследования, управление хозяйственной и духовной жизнью. В эпоху компьютерной революции существенно преобразуются содержание и характер общего и профессионального обучения, по-новому ставятся проблемы развития человеческого интеллекта и личности. Серьезное влияние компьютеризированный образ жизни оказывает на мировоззрение людей. Изменяются процессы формирования материальных и духовных потребностей, интересов, устремлений различных слоев и групп населения. С компьютерной революцией связаны серьезные качественные сдвиги в социально-культурной и социально-политической сферах. Компьютеризация затрагивает все области общественного сознания, средства массовой информации. В условиях современной политической структуры компьютеризация приводит к новым жестким формам социального контроля, ограничению свободы граждан, усилению политизации общества.
- Интерне́т— всемирная система объединённых компьютерных сетей для хранения и передачи информации. Часто упоминается как Всемирная сеть и Глобальная сеть, а также просто Сеть. Построена на базе стека протоколов TCP/IP. На основе интернета работает Всемирная паутина (World Wide Web, WWW) и множество других систем передачи данных.
Информационное общество — общество, в котором большинство работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей её формы — знаний. Для этой стадии развития общества и экономики характерно:
Создание эффективных механизмов защиты национального информационного пространства, приобщение к информационной цивилизации - условие выживания нации и государства .
- Синергетика междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем) . «...наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы.
- Говоря о методологической и исторической судьбе понятий "хаос" и "порядок", мы можем отметить следующий парадокс: являясь наиболее древними обобщающими первообразами, матрицами мироописания, известными еще со времен мифов и космогонии, и находя впоследствии применение в самых разных науках, эти понятия, тем не менее, так и не обрели до сих пор своей терминологической четкости. Специфика и объемы этих понятий не были строго определены ни в одной из использующих их наук (к примеру, в современной физике используются более десяти характеристик хаоса: молекулярный хаос. термодинамический хаос, диффузный хаос, диссипативный хаос, детерминированный хаос, турбулентный хаос и др). До сих пор не ясны границы применимости этих понятий и специфика их "преломления" при переходе из одних познавательных сфер в другие. В настоящие время это, скорее, даже не понятие, а некие понятийные пространства, где сопрягаются и пересекаются интуитивные представления, культурно-смысловые контексты, конкретно-научные интерпретации и их философское осмысление.
Можно сказать, что
в истории науки речь шла
не об изучении феноменов
Исследуя эволюцию этих научных направлений, мы выявили в ней определенную тенденцию - тенденцию смены теоретических моделей образов порядка. Первая модель равновесного классического порядка (где доминирующими атрибутами упорядочения выступают устойчивость, стационарные состояния, гомеостаз, предсказуемость) представлена в классической социологии, классической кибернетике и системном подходе. Вторая модель неравновесного (неклассического) порядка, где доминирующими атрибутами упорядочения являются неустойчивость, изменчивость, непредсказуемость, связана с появлением более поздних концепций энтропийно-информационного подхода, кибернетики второго порядка, теории социальной энтропии, новейшиих системных теорий.
Однако в результате перечисленных теоретических разработок сложились крайне противоречивые, порой взаимоисключающие представления о характере порядка в сложных системах и о роли хаоса в процессе порядкообразования. Назовем лишь несколько вопросов, которые возникают при знакомстве с различными позициями:
Что является условием формирования порядка - открытость системы потоку внешних воздействий (флуктуации как проявлений хаоса) или, наоборот, умение системы эти воздействия (флуктуации) подавлять, бороться с ними. избавляя себя от изменений и потрясений?
Является ли однородность элементов системы, в том числе социальной, атрибутом порядка или таковая ведет к дезорганизации и хаосу (как это следует из термодинамики)? И может быть, в таком случае структурное разнообразие есть гарант устойчивости и, следовательно, более сложного и надежного порядка?
Можно ли отождествить порядок с устойчивостью (гомеостазом) системы или динамические изменения ее структуры есть залог ее жизнедеятельности? Достаточно ли для решения этого вопроса введения системного понятия текущего равновесия, которое фиксирует сохранение постоянства системы в процессе непрерывного обмена и движения составляющих ее элементов?
Если интуитивно образ порядка связан с такими характеристиками, как симметрия и однородность элементов системы, то почему процесс порядкообразования описывается как нарушение симметрии и установление неоднородности?
Почему и при каких условиях в ходе процесса упорядочения происходит своего рода "переключение режимов": нелинейная система начинает вести себя как линейная или, например, в открытых системах начинают происходить процессы, сходные с процессами внутри закрытых систем, связанные с возрастанием энтропии (ростом хаоса)?
Где границы устойчивости в зоне неустойчивости и что может быть определено для системы как критическое состояние и, следовательно, где границы управляемости системой, предсказуемости ее поведения, что имеет особое значение для социальных систем?
Эти и другие вопросы - не просто плод поиска вдумчивым читателем логических противоречий в литературе по проблемам порядка и хаоса, они знаменуют собой необходимость и преддверие глобального методологического синтеза в этой исследовательской области - синтеза, способного примирить данные логические противоречия в рамках единой, целостной объяснительной модели.
Такую модель мы находим в синергетике - молодом научном направлении, представляющем междисциплинарную универсальную теорию самоорганизации процессов самой различной природы. Возникшая на стыке физики, химии, биологии, астрофизики и других естественных наук и вобравшая в себя общенаучные системные идеи, синергетическая модель самоорганизации является на сегодняшний день наиболее обобщающей и наиболее эвристически плодотворной объяснительной моделью, описывающей взаимопереходы порядка и хаоса в эволюции систем, в том числе и социальны.
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД совокупность принципов, основой которой является рассмотрение объектов как самоорганизующихся систем (подробная характеристика синергетики, в рамках которой разработаны принципы синергетического подхода к исследованию объектов.
Точка бифуркации- Под влиянием поступающих в систему ресурсов (вещество, энергия, информация) и складывающихся внешних условий в ней медленно накапливаются количественные изменения, ситуация постепенно обостряется: между ее отдельными элементами рвутся старые связи и возникают новые, разрушаются некоторые старые элементы и зарождаются новые. Происходящие изменения иногда бывают столь масштабны и значительны, что система может оказаться в неустойчивом состоянии. Этот поворотный момент в ее жизни называют точкой бифуркации Точка бифуркации представляет собой переломный, критический момент в развитии системы, в котором она осуществляет выбор пути; иначе говоря, это точка ветвления вариантов развития, точка, в которой происходит катастрофа. Термином "катастрофа" в концепциях самоорганизации называют качественные, скачкообразные, внезапные ("гладкие") изменения, скачки в развитии. Поведение всех самоорганизующихся систем в точках бифуркации имеет общие закономерности, многие из которых уже раскрыты концепциями самоорганизации.
- Любое синергетической исследование начинается с описания состояния системы, - иными словами ее параметров или переменных состояний. Их полный набор определяет состояние системы.
Говоря о состоянии системы, нельзя не упомянуть о случайных событиях. Они подразделяются на два типа: события остающиеся случайными при любом уровне знаний (например, невозможно предсказать, в какой момент времени произойдет распад радиоактивного атома) и события случайность которых связана с полнотой знаний, т.е. с уровнем описания (таковы флуктуации плотности в жидкостях, газах, твердых телах или флуктуации электрического тока в металлах и полупроводниках)
Случайность в обыденном смысле есть проявление хаоса. Это нечто непредвиденное, беспричинное, бессмысленное. В современной науке случайное превратилось в отвечающую всем научным стандартам, строго и полно определенную форму порядка. Создать работающие модели многих явлений удалось только после кардинального изменения подхода к случайному.
Путь развития сложной системы всегда неединственный. Можно вмешаться в нужный момент в ход событий и изменить его. Таким образом, будущее также, оказывается, имеет неединственный вариант. В данном случае ответ синергетики состоит в том, что во множестве случаев происходит самоорганизация, связанная с выделением так называемых параметров порядка.
- Цель синергетики – выявление нелинейной методологии, то есть общих идей, общих методов и общих закономерностей в самых разных областях естествознания и социологии, в том числе в создании и развитии организационных систем.
Проблема неустойчивой нелинейной динамики развития систем выходит на первый план в новых научных направлениях - системном анализе, синергетике, теории хаоса, теории катастроф.
Во-первых, синергетика направляет внимание исследователя не на существующие явления, а на вновь возникающие. Ей интересны моменты возникновения из хаоса порядка, для этого она исследует несколько типов хаоса (равновесный, динамический, неравномерный, турбулентный и статистический хаос).
Именно в нестабильном, неравновесном состоянии синергетика обнаружила, что «малые воздействия могут привести к большим следствиям».
В современных условиях развития социально-экономических систем на первый план выходит проблема неустойчивой нелинейной динамики. Нелинейная методология (теория хаоса, теория катастроф, синергетика, теория кризисных ситуаций) претендует на раскрытие механизма инновационной экономики, поскольку развитие за счет качественных (структурных) факторов связано именно с неравновесием системы, с движением ее скачками, хаотично.
- Синергетика – наука о самоорганизации
Подчеркивая высокую роль коллективного поведения подсистем в образовании систем, немецкий физик Герман Хакен ввел для процессов самоорганизации обобщающее название «синергетика», которое переводится на русский язык как «сотрудничество, совместное действие» . Синергетика сегодня – это наука, изучающая системы, состоящие из многих подсистем самой различной природы; наука о самоорганизации простых систем и превращении хаоса в порядок.
Теория самоорганизации имеет давние истоки. В древнекитайской философии существовал принцип «ли» – принцип естественного порядка. Возможно, это был первый принцип теории самоорганизации. В христианской религии слияние человека и Бога в молитве определяют как синергию. В социологии синергия означает совместный труд во всех областях человеческой деятельности.
Широкое распространение явление синергизма получило в естественных науках. Как синергетики (материалы, взаимно усиливающие действия) действуют тяжелые металлы – свинец и кадмий. В физиологии хорошо известны мышцы-синергисты. Например, при движении согласованно действуют сгибательные и разгибательные мышцы. Синергетика рассматривает процессы самоорганизации, устойчивости, распада и возрождения самых разнообразных структур живой и неживой природы, социальных и технических систем. Синергетика активно проникла в мир компьютеров, возникло понятие «синергетические компьютеры», которые ориентированы на активацию элементов. Появилось представление о синергетической информации, отражающей коллективные свойства системы. Синергетика успешно исследует самоорганизацию земных оболочек. Так, например, мы являемся свидетелями становления Интернета, осуществляющегося посредством самоорганизации.
В настоящее время в синергетике можно выделить различные направления и подходы. Сегодня синергетика начинает активно использоваться при анализе явлений культуры, в социологии и политологии. Однако в данном случае можно только рассмотреть возможные пути развития, а какой путь выберет система предсказать невозможно, потому что это зависит от множества случайных факторов.
Синергетический подход дает возможность моделировать развитие науки и коммуникационных сетей, демографические кризисы и развитие человечества. Этот подход позволяет понять причины эволюционных кризисов, угрозы катастроф, надежности прогнозов и т. д.
Примеры самоорганизации в живой и неживой природе
Процессы самоорганизации постоянно происходят как в живой, так и в неживой природе. Рассмотрим некоторые примеры самоорганизации из хаоса упорядоченной структуры. Хорошо известно в гидродинамике явление, которое называется ячейками Бенара. Образование подобных ячеек было обнаружено в 1900 г. физиком Х. Бенаром. Он наливал в широкий сосуд ртуть и подогревал его снизу. Когда разность температур верхнего и нижнего слоев жидкости достигала некоторого значения, верхний слой быстро структурировался в виде шестигранных призм с определенным соотношением между длиной стороны и высотой с направленным движением жидкости по кругу. В центральной части такой призмы жидкость поднималась вверх, а по граням – опускалась. По поверхности жидкость растекалась от центра к краям, а в придонном слое – к центру. Создавалось впечатление, что каждая молекула ртути «знает», что делают остальные и участвует в коллективном движении. На фотографии структура напоминала пчелиные соты.
Другим примером самоорганизации является переход лазера в режим генерации. Лазер – это квантовый генератор электромагнитного излучения. Активной средой рубинового лазера является кристалл розового рубина. В кристалле имеются активные атомы, возбужденные накачкой от внешнего источника, которые испускают цуг волн. До тех пор пока мощность накачки мала, световые цуги испускаются независимо друг от друга и лазер работает как обычная лампа (испускает некогерентный свет). Начиная с некоторого (порогового) значения мощности накачки, все атомы начинают испускать свет в одной фазе, возникает когерентное излучение высокой интенсивности. Переход лазера в режим генерации соответствует образованию ячеек Бенара. В этом случае также имеет место кооперативное поведение атомов и излучения. До недавнего времени проблема эволюции жизни оставалась чисто биологической, так как еще в XIX веке эволюция в неживых системах понималась физиками иначе, чем в биологии. Обращаясь с системами закрытого типа, теплофизика считала, что их самопроизвольное изменение, то есть эволюция, протекает путем дезорганизации и разрушения систем. При этом доля свободной энергии, способной к совершению работы, в системе убывает, а энтропия системы - деградированная, отработанная энергия - растет и стремится к максимальному значению.
Этот закон был сформулирован как второе начало термодинамики. Однако оказалось, что реальные системы в природе являются открытыми. Это означает, что они обмениваются с внешней средой веществом, энергией и информацией. При поглощении внешней энергии в них возникают процессы самоорганизации, усложнения материи, но при этом происходит диссипация (рассеяние) использованной энергии, которая становится непригодной к производству работы. Можно сказать, что открытая развивающаяся система производит энтропию, но не накапливает ее, а рассеивает во внешнюю среду. Таким образом, интерес ученых сместился к изучению открытых диссипативных систем и принципов их взаимодействия с внешней средой, так как в этом взаимодействии и виделся ключ к пониманию универсальных законов эволюции.
Диссипативные системы - способные к поглощению и диссипации энергии и поддерживающие за этот счет свою собственную структуру и самоорганизацию - существуют на разный уровнях организации материи. Мы уже видели это на примере жизнедеятельности элементарной живой системы - клетки. За счет солнечной энергии или энергии экзотермических химических реакций клетка строит из простых неорганических веществ сложные органические вещества, поддерживает свою целостность и развитие, тем самым противодействуя росту энтропии.
Список литературы:
1. Интервью с профессором Г. Хакеном // Вопросы философии. 2000. № 3.
2. Канке В.А. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Логос, 2001.
3. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979.
4. Философский словарь. Справочник студента / Кириленко Г.Г., Шевцов Е.В. – М.: Филологическое общество «Слово»: ООО «Издательство Аст», 2002.
5. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980.
