Концепции самоорганизации и управления: синергетика и кибернетика
КОНЦЕПЦИИ САМООРГАНИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ: СИНЕРГЕТИКА И КИБЕРНЕТИКА
- Синергетическая парадигма в современном естествознании
Современные физические концепции строения материи приписывают ей свойства динамизма, развития, эволюционный характер. Научному мировоззрению, по крайней мере, с XIX века была присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) – самого простого из всех возможных состояний системы, не обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной маловероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Следовательно, упорядоченное состояние вещества, которое наблюдается в доступной части Вселенной, возникло случайно, жизнь, как самая высокая из всех известных науке форм упорядоченности, тем более случайна и противоестественна. Это подтверждала, распространенная в 19 веке в космологии модель стационарной Вселенной. Что же заставило изменить этот, казалось бы, незыблемый взгляд на развитие, прийти к идее самоорганизации материи, которая внедрилась в научное мировоззрение во второй половине ХХ века и коренным образом изменила старые взгляды на материю и процессы ее развития?
Истоки идеи самоорганизации
систем. Эта идея порождена увеличением
числа исследований в различных
областях естествознания, посвященных
кооперативным эффектам в открытых
неравновесных системах. Первоначально
в 60-х годах ХХ столетия такие
исследования проводились независимо
в разных дисциплинах, позже (в 70-х
годах) они стали предметом сравнения,
и в них обнаружилось много
общего. Необходимо отметить, что в
научной литературе одни авторы используют
термин «самоорганизация», другие «синергетика».
К концепции самоорганизации
через разработку термодинамики
открытых систем пришел бельгийский
ученый Илья Пригожин (р. 1927 г.). А термин
«синергетика» ввел немецкий физик
Герман Хакен (р. 1927 г.). Слово «синергетика»
древнегреческого происхождения, означает
«сотрудничество, совместное действие».
Лингвистический смысл слов различен,
но концептуальных расхождений между
этими научными направлениями нет.
Как синергетика, так и теория
самоорганизации исследуют
Критическое состояние –
это состояние крайней
ü синергетика (Г. Хакен),
ü термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин),
ü концепция эволюции органических молекул (М. Эйген),
ü концепция эволюции открытых каталитических систем (А.П. Руденко)
ü теория катастроф (Р. Том).
Синергетика – по определению
ее создателя – немецкого физика
Г. Хакена – занимается изучением
систем, состоящих из многих подсистем
самой различной природы, таких
как электроны, атомы, молекулы, клетки,
нейтроны, механические элементы, фотоны,
органы животных и даже люди… Это
наука о самоорганизации
В синергетике возникновение
упорядоченных сложных систем обусловлено
рождением коллективных типов поведения
под воздействием флуктуации, их конкуренцией
и отбором того типа поведения, который
оказывается способным выжить в
условиях конкуренции. Как замечает
сам Хакен, это приводит нас в
определенном смысле, к своего рода
обобщенному дарвинизму, действие которого
распространяется не только на органический,
но и на неорганический мир. Самоорганизация,
по Г. Хакену, – это «спонтанное
образование
Г. Хакен выделил кооперативные (коллективные) процессы во всех самоорганизующихся системах. Первоначально сферой приложения синергетики Г. Хакена была квантовая электроника и радиофизика. Ярким примером самоорганизации может служить система, изученная им – лазер. Этот прибор создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники света – лампы накаливания, газоразрядные лампы – создают оптические излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Роль рабочего вещества в твердотельном лазере выполняет монокристалл (чаще всего рубин), в котором имеются активные атомы, возбужденные энергией, подведенной извне в процессе так называемой «накачки» энергии. Пока мощность накачанной энергии мала, атомы в кристалле возбуждаются не согласовано и излучают световые микроволны тоже разрозненно по времени и направлению. В этом случае лазер испускает рассеянный свет, как осветительная лампа. Но когда накачка энергией активного вещества лазера достигает порогового значения мощности, то все возбужденные в кристалле атомы – антенны внезапно начинают излучать свет синхронно и однонаправленно, и от сложения множества микроизлучений образуется один мощный поток света, лазерная установка переходит в режим генерации. То есть при генерации лазерного луча в атомной системе кристалла происходит самоорганизация. Это означает также, что лазер является системой, находящейся вдали от равновесия и что такая система может находится в устойчивом состоянии только за счет поступления извне энергии.
Другими примерами кооперативных эффектов могут быть: коллективно выстраивающиеся одинаковые ориентации элементарных магнитных моментов в ферродинамике; коллективно и согласованно самоорганизующиеся вихри внутри жидкости, порождающие видимую на макроскопическом уровне турбулентную структуру.
По Хакену, объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим требованиям:
ü открытость – обязательный обмен энергией и (или) веществом с окружающей средой;
ü существенная неравновесность – достигается при определенных состояниях и при определенных значениях параметров, характеризующих систему, которые переводят ее в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;
ü выход из критического
состояния скачком, в процессе типа
фазового перехода, в качественно
новое состояние с более
Скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество.
Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.
Подобные же процессы есть
в химии – смешивание жидкостей
разных цветов, когда попеременно
получается жидкость то красного, то синего
цвета (реакция Белоусова–
Самоорганизующиеся системы
обретают присущие им структуры или
функции без какого бы то ни было
вмешательства извне. Обычно эти
системы состоят из большого числа
подсистем. При изменении определенных
условий, которые называются управляющими
параметрами, в системе образуются
качественно новые структуры. Эти
системы обладают способностью переходить
из однородного, недифференцированного
состояния покоя в
Самоорганизующиеся системы
способны сохранять внутреннюю устойчивость
при воздействии внешней среды,
они находят способы
Таким образом, сама логика научного
развития, включая новые
Механизм протекания процессов самоорганизации (по И. Пригожину)
В начале 70-х годов И. Пригожину
удалось разработать новую
Вот как И. Пригожин обрисовывает
в общем виде и кратко путь эволюции
системы от исходного состояния
через хаос к состоянию новой
организованности. В замкнутую изолированную
систему энергия или вещество
вводятся извне дозировано, чтобы
исходное состояние в ней не выходило
за рамки заданных границ (к примеру,
русская печь, костер и т.д.). В
открытой нелинейной системе нет
таких ограничений. Здесь вещество
и энергия среды могут
Состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса называют точкой бифуркации (от лат.bifurkus – раздвоенный). Благодаря хаотичности дальнейшее развертывание неравновесного процесса имеет не один путь движения, а множество возможных путей из зоны ветвления, то есть из точки бифуркации. Состояние бифуркации можно уподобить положению шарика на выпуклой поверхности, типа сферической, которое является неустойчивым. Любое влияние может вывести шарик из неустойчивого состояния, и он начнет скатываться сверху вниз. По какой траектории он будет катиться из точки бифуркации – угадать точно невозможно. Это – случайный процесс.
Но как только траектория движения сверху вниз определится, так направление движения начнет подчиняться необходимости. Теперь необходимость предопределяет, каким финалом завершится нелинейный процесс. Отрезок эволюционного пути от точки бифуркации до необходимого финала называют аттрактором (от лат. attrahere – притягиваю). Это значит, что конечный пункт развертывания нелинейного процесса, или финал, как бы притягивают к себе, то есть, предопределяют траекторию нелинейного процесса (движения шарика) от точки бифуркации. Аттрактор уподобляется некой воронке, или конусу, который своим раструбом обращен к зоне ветвления, а своим узким горлышком – к конечному результату. Это значит, что шарик, находящийся на выпуклой поверхности, может попасть в раструб воронки не из одной–единственной точки, а из ряда смежных положений зоны ветвления. По мере движения по аттрактору множество возможных вариантов движения сокращается и, в конечном счете, процесс с необходимостью завершается единственным результатом. Если в настоящий момент ввести дополнительную энергию извне в систему, то в хаотичном состоянии начнет зарождаться новая организация. Когда величина вводимой энергии достигает некоторого критического значения, то система внезапно (скачком) переходит из хаотического состояния в новое устойчивое (организованное) состояние.
Развертывание нелинейного
процесса от точки бифуркации до выбора
аттрактора – это начало второй
части эволюционного
Синергетические процессы в предбиологических системах (по М. Эйгену).
Еще одним независимым
источником идей синергетики стали
работы немецкого ученого М. Эйгена,
специалиста в области
Синергетика выступает сегодня как междисциплинарное научное направление, ориентированное на поиск общих законов эволюции и механизмов развития природного и социального мира. Синергетическая парадигма, широко внедрившаяся в науку и культуру, задает новое мировидение, отвергая однолинейный плоский детерминизм, показывая, что нет мира однозначного определения, а есть многозначная ветвящаяся древовидная крона возможных путей развития Космоса, биосферы и истории.
Важное философско-
1 – сложноорганизованным
системам нельзя навязывать
2 – для них, как правило,
существуют несколько
3 – хаос может выступать
в качестве созидающего начала,
конструктивного механизма
4 – в особых состояниях
неустойчивой социальной среды
действия каждого отдельного
человека могут влиять на
5 – зная тенденции
6 – многое в развитии
мира свершается «вдруг», как
бы непроизвольно, подобно
Отметим, что формирование
синергетики как общенаучного направления
не завершено и еще продолжается.
До сих пор не получил адекватного
решения главный вопрос – об источниках
самоорганизации. А без этого
само понятие самоорганизации
2. Кибернетика: концептуально-
парадигма кибернетика синергетический инфодинамика
Процессы саморегуляции исследуются еще одной научной областью, развивающейся в русле системных исследований – это кибернетика.
Необходимо отметить, что между синергетикой и кибернетикой как современными направлениями развития знания о самоорганизующихся системах существует принципиальная разница:
ü кибернетика изучает
самоорганизацию и
ü в синергетике изучаются
механизмы возникновения
Разработка базовых понятий кибернетики осуществлялась в середине ХХ века трудами многих ученых. Основателем кибернетики принято считать американского математика Норберта Винера (1894–1964). Существенный вклад в кибернетику внесли: американский биолог А. Розенблют, американский математик К. Шеннон, английский математик А. Тьюринг, английский биолог и кибернетик У. Эшби, российские ученые: А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, В.М. Глушков и другие.
Понятие кибернетики происходит от древнегреческого слова «кибернес» – «искусство управления» или «рулевой».
По определению Н. Винера, кибернетика – наука об управлении и связи в животном и машине. Понятие управления здесь употреблено в широком смысле, поскольку оно относится в равной мере к техническим, биологическим и социальным системам.
В.М. Глушков полагал, что
кибернетика выступает как
Кибернетика является интегральной наукой, возникшей на стыке ряда специальных дисциплин – теории автоматов, техники связи, математической логики, теории информации и других. Основной корпус кибернетического знания неоднороден и включает в себя:
üтеоретическую кибернетику;
üтехническую кибернетику;
üприкладную кибернетику.
Многогранен и объект кибернетического
исследования, поскольку эта наука
изучает процессы управления в живых,
неживых (технических) и социальных
системах. Для учебного курса концепций
современного естествознания более
важна теоретическая
Исходными понятиями кибернетики являются: управление и информация.
Управление есть процесс
информационного воздействия
Примеры управления в системах различной природы:
üтермостат (техническая система) – прибор для поддержания постоянной температуры. В простейшем случае его можно представить в виде духовки с электрическим терморегулятором, в которой терморегулятор генерирует сигнал об изменениях температуры внутри системы. Этот сигнал по цепи обратной связи поступает на реостат и координирует силу тока в цепи нагревателя в зависимости от потребностей в увеличении, либо уменьшении тепла, таким образом температура в духовке всегда поддерживается на заданном уровне.
üподдержание достаточного уровня концентрации глюкозы в крови (живая система) – цепочка биохимических превращений гликогена («животный крахмал», основной запасной углевод животных и человека, содержащийся в печени) в глюкозу, находящаяся под контролем адреналина (гормон надпочечников) и инсулина (гормон поджелудочной железы).
üдвижение финансовых средств в государстве (социальная система) – механизм данного контроля сложен и осуществляется системой различных организаций (банковские структуры, налоговая инспекция, судебная система и т.д. на основании действующего финансового законодательства).
В процессах управления управляющее
устройство играет ключевую роль. Поэтому
понятие управляющей системы
имеет значение не только в кибернетике,
но и в других науках. К примеру,
в ЭВМ оно определяет порядок
выполнения операций (команд) и координирует
работу всех узлов ЭВМ. Конкретная природа
управляющего устройства может быть
разной, но для всех случаев кибернетика
устанавливает общую
Любое управляющее устройство должно иметь:
ü Чувствительный элемент (входное устройство), с его помощью воспринимаются сведения (информация);
ü Механизм преобразования информации, полученной от чувствительного элемента;
ü Механизм передачи преобразованной информации от управляющего устройства к исполнительному устройству;
ü Выходное устройство, для
осуществления механизма
ü Запоминающее устройство
(имеется в кибернетических
Понятие «управление» в кибернетике в его первоначальном смысле характеризовалось следующими тремя основными признаками: 1. Автоматические действия системы; 2. Действия системы в соответствии с определенной целью; 3. Наличие обратной связи. В последние годы кибернетические представления управления подверглись усложнению и обобщению.
Во-первых, само управление рассматривается уже не просто как автоматическое действие, а как управленческая деятельность, которая лишь частично может быть автоматизирована. Управление нельзя сводить только к информационным процессам, в конечном счете, предполагающим его автоматизацию.
Во-вторых, управленческая деятельность понимается как осознанная, а ее цель – не конечное состояние данного преобразования, а его представление, образ, который формируется до реализации цели. Управление представляет собой целенаправленный процесс, результатом которого является переход объекта из одного состояния в другое.
В-третьих, ситуация управления
имеет одну важную особенность: управление
– это воздействие одной
В-четвертых, усложнено понятие обратной связи. Это не просто обратное физическое воздействие, сущность ее заключается в том, что от объекта управления к управляющим органам по особым каналам связи передается информация о фактическом положении дел, прежде всего об отклонениях от намеченных планов, которая используется управляющими органами для выработки управляющих воздействий. Иначе говоря, деятельность такой системы регулируется результатами деятельности этой же системы. Результат деятельности не может полностью совпадать с поставленной заранее идеальной целью. Несовпадение цели и результата деятельности и является основой регуляционного механизма обратной связи.
Метод кибернетического исследования
является поведенческим, по схеме «стимул
– реакция», которую кибернетика
заимствует из психологии бихевиоризма
и обобщает через понятия «вход
– выход». Это означает, что в
кибернетике используется поведенческое
рассмотрение объекта, а не структурно-функциональное.
Здесь объект управления уподобляется
некоему «черному ящику» в том
смысле, что мы ничего не знаем о
его содержимом. Известно лишь, какая
серия сигналов подается на вход исполнительного
устройства, а также его реакция,
или поведение на выходе. Тогда
как при структурно-
Под поведением в кибернетике понимается любое изменение отношения объекта управления к окружающей среде. Поведение может быть:
ü Активным, в том случае, когда объект управления является источником энергии своих действий. Активное поведение подразделяют на:
Ø нецеленаправленное (случайное)
Ø целенаправленное
ü Пассивным, если же реакция объекта управления совершается за счет энергии, поступившей на входе извне.
Целенаправленность означает,
что поведение определяется заранее
заданным (или известным) результатом,
то есть конечным состоянием. Совершая
произвольное действие, человек произвольно
выбирает специфическую цель, но не
специфическое движение. Н. Винер
отмечал, что, решив взять стакан
с водой и поднести его ко рту,
мы не приказываем отдельным мышцам
сократиться в определенной последовательности,
мы просто задаемся целью и действие
происходит автоматически. Хотя многие
виды устройств функционируют

- Концепции свободы по Бердяеву Н.А
- Концепции синергетики
- Концепции ситуационного лидерства: модель лидерства «Путь-цель» Хауза и Митчелла
- Концепции смысла жизни в разных религиях
- Концепции совершенствования налогового учета в Российской Федерации
- Концепции современного естествознания
- Концепции современного естествознания
- Концепции развития и конструкции полного привода современных автомобилей
- Концепции развития личности
- Концепции развития общества в Украине
- Концепции развития рыночных отношений
- Концепции развития Федеральной таможенной службы
- Концепции развития человека
- Концепции реформирования системы образования