ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ

ИНСТИТУТ  ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

Кафедра естествознания

  Реферат по дисциплине: 

  КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 

Вариант № 57

Тема:        ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ.

Группа №  ГиМУ-3,5 10/1 

Пашков  Вадим Владимирович 
 

Москва – 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение                                                                                                  3
2. Самоорганизация                                                                                   4        
3. История самоорганизации                                                                   6
4. Типы самоорганизации                                                                        7   
5. Синергетика                                                                                           10 
6. Основные положения самоорганизации                                      12                             
7. Заключение                                                                                          19
8. Список литературы                                                                              20

ВВЕДЕНИЕ

   В своем реферате я хочу рассказать об основных положениях  самоорганизации.  Рассмотреть физическую сущность явления самоорганизации, дать полное определение, рассказать об истории возникновения и проблемах самоорганизации.

   Изучение  природы и общества показывает, что многие сложные открытые  системы, состоящие из большого  числа подсистем, при определенных  условиях способны к самоорганизации  и эволюции. Примером могут служить  живые существа, их появление  и развитие на нашей планете.

   Под самоорганизацией мы понимаем необратимый процесс, приводящий в результате кооперативного взаимодействия подсистем к образованию более эффективных структур с позиции системы. 
 
 
 
 
 
 

САМООРГАНИЗАЦИЯ

    Самоорганизация, процесс, в ходе которого создаётся, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Процессы Самоорганизация могут иметь место только в системах, обладающих высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жёсткий, а вероятностный характер. Свойства Самоорганизация обнаруживают объекты самой различной природы: живая клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив и т. д. Процессы Самоорганизация происходят за счёт перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы. Отличительная особенность процессов Самоорганизация - их целенаправленный, но вместе с тем и естественный, спонтанный характер: эти процессы, протекающие при взаимодействии системы с окружающей средой, в той или иной мере автономны, относительно независимы от неё.

   Условиями  любой самоорганизации и эволюции  являются: а) проток энергии через  динамическую систему; б) гетерогенность, разнообразие системы; в) отбор  — элиминирование или разрушение  отбракованных подсистем или  элементов.

   Одной из  центральных проблем является  проблема описания процесса самоорганизации,  познание взаимоотношений между  процессами целенаправленной организации  и самоорганизации. Подступы к исследованию механизмов самоорганизации связаны с огромным мно­гообразием и разнообразием этих механизмов.

   Самоорганизация  материи возможна, когда есть  граница, которая играет роль  защитных оболочек материи и  придает ей форму. Для образования  формы необходима субстанция.

   Вывод о  возможности самоорганизации материи  в условиях сильной неравновесности  имеет большое мировоззренческое  значение, поскольку выявляет путь, по которому законы природы  приводят к появлению определенного  порядка в неупорядоченных системах  и затем к усложнению и развитию  образовавшихся упорядоченных структур. Эйген в 60 - 70 - е годы показал, что в сложных сильнонеравновесных системах с особыми каталитическими свойствами их некоторых элементов возможно возникновение процесса записи информации в виде некоторого молекулярного кода, с помощью которого становится возможным самовоспроизведение этих каталитических структур.

   Граница между  живым и неживым размыта, а  многообразие форм самоорганизации  материи, вероятно, содержит относительно  устойчивые образования, которые  трудно отнести только к живой  или неживой материи. Отсюда  сделан вывод о возможности  использования для анализа синергетических  систем любой природы триады  Дарвина: изменчивость, наследственность, отбор, предопределяющие алгоритмы  общего эволюционного процесса  всех систем. 
 
 
 

ИСТОРИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ

   Гипотеза  о упорядочении в системе за счёт её внутренней динамики высказывалась философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе». Позже он подробно разработал эту идею в так и не опубликованной книге «Le Monde».

   И. Кант  выдвинул небулярную гипотезу, согласно  которой планеты образовались  из туманности за счёт притяжения  и отталкивания, внутренне присущих материи.

   Необходимо  заметить, что представления о  спонтанном возникновении порядка  и самоорганизации нетождественны. Атомизм Демокрита или статистика Больцмана рассматривают возникновение порядка как случайность, причём категория порядка является субъективной, наличие порядка кажущееся.

   В 1947 году термин появился в научной публикации Уильяма Эшби (англ. W. R. Ashby) «Principles of the Self-Organizing Dynamic System»[2]. В 1960-е годы термин использовался в теории систем, а в 1970-е — 1980-е стал использоваться в физике сложных систем.

   Г. Хакен — основатель синергетики определил её как науку о самоорганизации. До XXI века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий выяснилось, что термин самоорганизация, в области супрамолекулярной химии и эволюционной биологии определен иным образом для других феноменов, нежели в синергетике. Кроме того, определение данное в рамках синергетики, благодаря междисциплинарности этой науки, расплылось по разным дисциплинам, стало нечётким. 
 

ТИПЫ  САМООРГАНИЗАЦИЙ

   Диссипативная самоорганизация (синергетический подход)

Характеристики системы:

открытая (наличие обмена энергией/веществом с окружающей средой);

содержит неограниченно  большое число элементов (подсистем);

имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором  элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

Характеристики процесса:

интенсивный обмен  энергией/веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе);

макроскопическое  поведение системы описывается  несколькими величинами — параметром порядка и управляющими параметрами (исчезает информационная перегруженность  системы);

имеется некоторое  критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии/вещества), при котором система  спонтанно переходит в новое  упорядоченное состояние (переход  к сильному неравновесию);

новое состояние  обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне;

новое состояние  существует только при безостановочном  потоке энергии/вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих  критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.

   Для однозначности  определения термина, его связи  с характеристиками системы и  процесса, как правило, делается  ссылка на один из трёх стандартных  примеров самоорганизации:

лазер — пространственное упорядочение;

ячейки Рэлея —  Бенара — пространственное упорядочение;

реакция Белоусова  — Жаботинского — пространственно-временное  упорядочение;

   Нобелевский  лауреат Илья Пригожин создал  нелинейную модель реакции Белоусова  — Жаботинского, так называемый  брюсселятор. Так как для возникновения упорядочения в таких системах необходим приток энергии или отток энтропии, её диссипация, Пригожин назвал эти системы диссипативными. Вследствие нелинейности, наличия более одного устойчивого состояния в этих системах, в них не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии.

   По аналогии  описания самоорганизующихся систем  с фазовыми переходами диссипативная  самоорганизация получила название  фазового перехода в неравновесной  системе.

   Методы синергетики  были использованы практически  во всех научных дисциплинах:  от физики и химии до социологии  и филологии. Градообразование и нейронные сети описаны как диссипативные структуры. В последнее время практически исчезло использование первоначально необходимого математического аппарата нелинейных уравнений. Это привело к тому, что любая система естественного происхождения, не принадлежащая компетенции равновесной термодинамики стала рассматриваться как самоорганизованная.

   Консервативная самоорганизация (супрамолекулярная химия и фазовые переходы)

   В 1987 году  другой Нобелевский лауреат Жан-Мари  Лен — основатель супрамолекулярной химии ввёл термины «самоорганизация» и «самосборка», вследствие необходимости описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений при равновесных условиях, в частности образование ДНК.

   Изучение  вещества в наносостоянии, образование сложной структуры в процессе кристаллизации без внешнего воздействия также потребовало описание этих явлений как самоорганизации. Но в отличие от синергетического подхода эти явления происходят в условиях близких к термодинамическому равновесию.

   Таким образом,  равновесные фазовые переходы, такие  как кристаллизация также оказались  самоорганизацией. Для устранения  путаницы, феномен упорядочения  в равновесных условиях часто  определяют как консервативная  самоорганизация.

   Континуальная самоорганизация (концепция эволюционного катализа)

   Концепция  эволюционного катализа, разработанная  А. П. Руденко, является альтернативной  концепцией самоорганизации для  биологических систем. В отличие  от когерентной самоорганизации  в диссипативных системах с  большим числом элементов (макросистем), рассматривается континуальная  самоорганизация для индивидуальных (микро-) систем. В рамках данного подхода определяется, что самоорганизация как саморазвитие системы происходит за счёт внутренней полезной работы против равновесия. Прогрессивная эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.

СИНЕРГЕТИКА

   К теориям самоорганизации относятся синергетика, теория изменений  и  теория катастроф.  Синергетика,  представляет   собой  эвристический  метод  исследования   открытых самоорганизующихся   систем,  подверженных кооперативному  эффекту,  который  сопровождается  образованием пространственных,  временных  или  функциональных  структур;  или,   кратко, процессов самоорганизации систем различной природы. Синергетика возникла в  ответ  на  кризис  исчерпавшего  себя  стереотипного,  линейного мышления, основными чертами которого являются:  представление  о хаосе как исключительно деструктивном начале мира; рассмотрение  случайности как  второстепенного,  побочного  фактора;  мир  считается  независимым   от микрофлуктуаций  (колебаний)  нижележащих уровней   бытия   и   космических влияний;  взгляд  на  неравновесность и неустойчивость  как на   досадные неприятности,  которые должны  быть  преодолены,  т.к.  играют  негативную, разрушительную роль; процессы, происходящие в мире, являются  обратимыми  во времени,  предсказуемыми  и   ретросказуемыми   на   неограниченно   большие промежутки времени; развитие  линейно,  поступательно,  безальтернативно  (а если альтернативы и есть, то они могут быть только  случайными  отклонениями от магистрального течения, подчинены ему и  в конечном  счете поглощаются им); пройденное представляет исключительно исторический интерес, а возвраты к старому, если они и есть,  являются  диалектическим  снятием предыдущего уровня и имеют новую основу;  мир связан  жесткими  причинно-следственными связями; причинные цепи носят линейный  характер,  а  следствие  если  и  не тождественно  причине,  то  пропорционально  ей,  т.е.  чем  больше  вложено энергии, тем больше результат.

   Синергетика,  как  и  другие  теории  самоорганизации,  пытается  восполнить "белые пятна", которые оставил  после себя механицизм, главное  среди  которых

- практически полное  отсутствие  обобщений,  касающихся  поведения  открытых систем. Синергетика,  изучая  законы  самоорганизации,  самодезорганизации  и самоуправления  сложных систем,  дает  то  универсальное   знание   законов самоорганизации и развития  систем,  в котором давно назрела   насущная потребность. Роль синергетики как новой научной картины мира  и методологии исследования процессов движения систем тем более велика, если  учитывать ее синтетический, по существу, характер. Г. Хакен, выступая на  первой  в СССР конференции по синергетике, определил цели, которые она ставит перед собой, так:  перегруженную огромным  количеством деталей информацию  о системах различной природы,  изучаемых   современной   наукой,   необходимо   сжать, превратив в небольшое число законов или концепций,  так как,  по  выражению английского специалиста по  кибернетике С.  Бира,  данные  превратились  в новейшую разновидность загрязнения окружающей среды -  их  избыток породил информационный  голод.  Появление   концепций   самоорганизации (синергетики,  в частности)  можно рассматривать как новый важный  этап эволюции  науки,   наступивший   за   суперспециализацией,   несущий   новые возможности диалога наук и новые подходы к их преподаванию. 
 

ОСНОВНЫЕ  ПОЛОЖЕНИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ.

   Наш мир, всё, что доступно в нём наблюдению. претерпевают непрерывные изменения – мы наблюдаем его непрекращающуюся эволюцию. Все подобные изменения происходят за счёт сил внутреннего взаимодействия, во всяком случае, никаких внешних по отношению к нему сил мы не наблюдаем. Согласно принципу Бора, существующим мы имеем право считать лишь то, что наблюдаемо или может быть сделано таковым. Следовательно, подобных сил не существует. Т.о., всё, что происходит вокруг нас, мы можем считать процессом самоорганизации, т.е. процессом, идущим за счёт внутренних стимулов, не требующих вмешательства внешних факторов, не принадлежащих системе. К числу таких процессов относится также и становление и действие Разума, ибо он родился в системе в результате её эволюции.

    Итак, весь  процесс эволюции системы –  процесс самоорганизации. Мир  всё время меняется. Мы не можем  утверждать, что процесс самоорганизации  направлен на достижение состояния  равновесия ( под которым понимается абсолютный хаос), у нас нет для этого опытных оснований, гораздо больше данных для утверждения обратного - мир непрерывно развивается, и в этом изменении просматривается определённая направленность, отличная от стремления к равновесию.

   Для описания  основ процесса самоорганизации  удобно (хотя и заведомо недостаточно) использовать терминологию дарвиновской  триады: наследственность, изменчивость, отбор, придав этим понятиям  более широкий смысл.

   Изменчивость  в этом более широком смысле  – это вечно присутствующие  факторы случайности и неопределённости. Без предположения о непрерывно  действующих случайных факторах, постоянная эволюция системы, сопровождающаяся появлением новых качественных особенностей, по-видимому, невозможна.

   Что касается  термина “наследственность”, то  он означает лишь то, что настоящее  и будущее любой системы в  мире зависит от его прошлого. Степень зависимости той или  иной системы от прошлого может  быть любой. Эту степень зависимости  условимся называть памятью системы.  Во вполне детерминированных  системах прошлое однозначно  определяет будущее ( возможно  и обратное – по настоящему  определить прошлое).Такие системы – системы с бесконечной памятью (абсолютной наследственностью).Это абстракция, но она хорошо интерпретирует некоторые процессы в неживом мире – например, то движение планет, которое мы наблюдаем ( конечно, лишь на некотором , конечном, правда очень большом, интервале времени.

   “Память системы”  в реальных системах в том  смысле, как мы её определили, чаще всего оказывается ограниченной: и бесконечная память и её  отсутствие - лишь абстракции, которые  удобны для интерпретации. Примером  системы, лишённой памяти, является  развитое турбулентное движение.

   Понятие “принципов отбора” является самым трудным среди понятий дарвиновской триады. Процессы самоорганизации следуют определённым правилам, законам. Это утверждение - некое эмпирическое обобщение, вопрос о происхождении этих правил лежит вне рационализма, как и вопрос о рождении Вселенной.

   К числу  таких законов относятся прежде всего законы сохранения и 2-е начало термодинамики (да и другие законы тоже). Т.о., среди мыслимо допустимых процессов в неживой природе существуют (наблюдаемы, или доступны наблюдению) лишь определённые классы движений, подчиняющиеся определённым правилам. Подобные же правила существуют в природе и обществе. Вот эти правила и называют принципами отбора. Иными словами, принципы отбора - это те же самые законы физики, химии, биологии, законы общественного развития, которые из мыслимо допустимых движений “отбирают” те, которые мы и наблюдаем.

   Итак, Вселенная  - непрерывно эволюционирующий объект  ( как и любые его составляющие). Но внутренние стимулы и возможности развития Вселенной, определяющие процессы самоорганизации, ограничены реальными рамками, берегами допустимых эволюционных каналов.

   Язык дарвиновской  триады при таком расширении  смысла чрезвычайно универсален.  С его помощью можно описать  широкий круг явлений, описать  качественный характер происходящего.  Но и его возможности ограничены, его необходимо расширять, наполнять  новыми понятиями.

   В первую  очередь целесообразно ввести  понятие механизмов, т.е. совокупности  правил и интерпретаций, описывающих  характер протекания процессов  или их классов , выделяя в качестве самостоятельных понятий те или иные явления, которые будем относить к основам языка. Эти интерпретации, опираясь на те или иные понятия триады, не заменяют их, но обогащают первоначальный смысл и, как следствие, словарный запас языка.

   Рассмотрим  пример Леонардо Эйлера ( конец XVIII в.). Рассмотрим колонну, находящуюся под нагрузкой. Если эта нагрузка не очень велика, то у колонны существует единственное положения равновесия – вертикальное. При этом малое изменение внешних воздействий не изменит данного положения равновесия. Пусть колонна находится под действием случайных порывов ветра, тогда она в силу свойств упругости будет колебаться около своего вертикального положения.

   Если увеличивать  нагрузку, то амплитуда и частота  колебаний будут меняться, но  их характер будет тем же  – колебания около того же  положения равновесия. Однако это  продлится лишь до тех пор. пока нагрузка не достигнет некоего критического значения. После этого вертикальное положение равновесия потеряет устойчивость (причём мгновенно). Вместо него появится множество новых положений равновесия. Их совокупность представляет собой поверхность, образованную вращением полуволны синусоиды. Если порывы ветра сохраняются, то колонна будет продолжать колебаться около нового положения равновесия, но около какого – предсказать невозможно, причём невозможно в принципе, т.к. это будет зависеть от случайного порыва ветра в момент потери устойчивости. Описанное явление, открытое Л. Эйлером, носит название бифуркации (термин ввёл А. Пуанкаре), а момент потери устойчивости – моментом бифуркации.

   Т.о., при малых  вертикальных нагрузках колонна  обладает бесконечной памятью  – фиксируя её положения в  данный момент времени, мы можем  восстановить все её предыдущие  состояния (зная, конечно, поведение  ветра). в момент бифуркации система полностью “теряет память”. Будущее зависит только от изменчивости ветровой нагрузки. Другой пример – мы бьём молотком по камню. От каждого удара тот деформируется, и мы можем предсказать характер каждой деформации, но мы не можем сказать, на сколько и каких осколков разлетится камень, когда мы его разобьём.

   Явление бифуркации  типично для большинства процессов,  развивающихся во времени. Момент  бифуркации – некая абстракция, как и полная потеря памяти. Бифуркация – тоже процесс,  протяжённый во времени, но  длящийся весьма малый его  интервал, в течение которого  происходит качественная перестройка  свойств системы, и определяющее  значение в характере дальнейшего развития имеют случайные факторы. В этих условиях память системы резко уменьшается. Процессы бифуркации мы наблюдаем и в развитии живого вещества и в общественной жизни. Революционные процессы – типичные процессы бифуркации – ни в одной революции никому не удавалось предсказать характера постреволюционного развития.

   Сказанное выше позволяет дать следующую, достаточно универсальную схему эволюционного процесса. На начальном этапе эволюции происходит медленное развитие свойств системы. Этот процесс более или менее предсказуем. В какой–то момент или внешнее воздействие достигает критического значения, или происходит кумуляция внутренних сил (или то и другое вместе). При этом параметры системы начинают быстро изменятся, ранее стабильное состояние резко снижает уровень стабильности, и возникает возможность разных путей развития. В этой ситуации даже незначительное воздействие может перевести эволюционный процесс на новые рельсы, развитие потом пойдёт по совсем другой линии. Наступит новый “спокойный участок”, который в какой- то момент опять может смениться новым процессом бифуркации.

   Бифуркационный механизм играет важнейшую роль в общей эволюционной схеме. Именно он является источником роста разнообразия различных форм организации материи, а следовательно, и непрерывно возрастающей сложности её организации. Кроме того из-за вероятностного характера бифуркационного процесса, эволюция не может иметь обратного хода, точнее, вероятность обратного хода эволюции стремится к нулю, а это имеет отношение к другому фундаментальному факту – отсутствие обратимости не только эволюции, но и времени. В этом проявляется общая направленность общего эволюционного процесса.

   Итак, мы нарисовали некоторую, достаточно общую схему процессов самоорганизации, в общих чертах справедливую как для неживой материи, так для живого вещества и общества. Несмотря на общность, эта схема позволила выявить такую особенность эволюционных процессов, как их направленность. В своей массе они идут в сторону усложнения организации Вселенной и роста разнообразия организационных форм. Дарвин писал, что это имеет место для живого мира. Как мы видим, это справедливо для любых процессов самоорганизации, в том числе и для Вселенной в целом.

   В процессе самоорганизации происходит непрерывное разрушение старых и возникновение новых структур, новых форм организации материи, обладающих новыми свойствами. Причём это качественно не те же самые образования, отличающиеся только геометрическими размерами, формой или другими физическими особенностями. Во Вселенной возникают уникальные образования, непрерывно возникают новые перестройки (бифуркации), в результате которых рождаются качественно новые структуры, не имевшие до сих пор аналогов. Они обладаю новыми неповторимыми свойствами. А как эти свойства связаны со свойствами исходных элементов, из которых составлены системы? Это очень глубокий вопрос, который имеет как философское, так и практическое значение.

   Процессы объединения элементов идут непрерывно и на всех уровнях организации материального мира – в неживой и живой природе, и в обществе. Этот процесс универсален – тенденция к кооперативности пронизывает все этажи мироздания. Поэтому имеет право на существование гипотеза о том, что процесс возникновения новых форм организации материи определяется столь же фундаментальными законами, как и законы сохранения, и которые в общем случае не сводятся к анализу простых взаимодействий, существующих среди элементов рождающейся системы. Механизмы, которые определяются этими законами, назовём “механизмами сборки”.

   В результате действия механизмов сборки возникают новые образования, обладающие новыми свойствами. В некоторых случаях эти свойства можно предугадать, опираясь на свойства элементов этих систем и, иногда, некоторые другие соображения, например, т.н. принцип минимума диссипации энергии. Однако так бывает далеко не всегда.

   Простейший пример этому – вода. Она обладает аномальной зависимостью плотности от температуры, и это свойство мы не можем вывести из свойств атомов (или молекулярных свойств) водорода и кислорода, которые более или менее известны. Таким примерам нет числа, особенно когда мы переходим в сферу живого вещества и общественных отношений. Феномен жизни, видимо, невозможно свести к физико-химическому взаимодействию составляющих элементов живого организма. Свойства Разума, вероятнее всего, несводимы к свойствам нейронов, из которых состоит мозг. Объяснить поведение толпы свойствами входящих в неё людей – тоже практически невозможно. 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   Система взглядов на развитие окружающего мира  - теория самоорганизации или универсальный эволюционизм - безусловно заслуживает самого пристального внимания  учёных всех профилей, как “гуманитариев”, так и “естественников”; и прежде всего тем, что она говорит о единстве окружающего нас мира и лишь о различии форм его организации. Предложенная схема описания его развития (я имею ввиду сочетание “дарвиновского” и бифуркационного механизмов) адекватно отражает существующую действительность и позволяет вскрыть некоторые принципиальные особенности развития - а именно направленность и невозможность обратного хода эволюции. Огромную важность имеет универсальность полученных закономерностей и результаты применения данной теории к появлению и развитию живого вещества и возникновению Разума. Несомненным достоинством является “открытость” теории самоорганизации, возможность её самосовершенствования и доступность для критики.