Синергетика и её роль в познании

Введение

Синергетика  (от греч. Sinergeia – содействие, сотрудничество и др.) – область научных исследований, целью которых является выявление общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения, упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы (т.е. как живой, так и неживой материи).

Г. Хакен в своих трудах писал: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется  совместное действие многих элементов  системы, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование различных дисциплин».

Ученый  сумел выделить общее свойство всех самоструктурирующихся систем: согласованность действия их элементов. Сейчас синергетика стала одним из ведущих направлений современной науки, которое представляет собой естествоведческо-научный вектор развития теории нелинейных систем.

Таким образом, термин «синергетика»  был предложен Г. Хакеном в 1970 году, а в 1973 мир услышал его  доклад, который и стал впоследствии программным.

Новая наука всколыхнула  сознание общественности, т. к. объединила единой идеей как живые, так и  неживые структуры, причем явление  к самоорганизации последних  до определенного момента не рассматривалось. Поэтому, можно сказать, что синергетика  включает в себя два понятия: во-первых, это кооперативное действие элементов  сложных систем, а во-вторых, сотрудничество ученых различных областей научного знания, т. к. синергетика собирает под  единое начало исследования и результаты экспериментов в совершенно разных областях науки.

История возникновения и  развития науки

Говоря об истории возникновения  синергетики, следует отметить, что мы можем найти несколько трудов таких ученых, как У. Шеррингтон, С. Улан, И. Забуский, которые предшествовали работам Г. Хакена.

Так, например, Шеррингтон называл  синергетическим (или интегральным) согласованное влияние нервной  системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.

С. Улан принимал участие  в проверке на первых ЭВМ гипотезы одинакового распределения энергии  по степеням свободы, однако, возникла проблема Ферми-Пасти-Улана, которая заключалась в том, что ученые не обнаружили в ходе исследований тенденции к одинаковому распределению энергии по степеням свободы.

Впоследствии, эту проблему решили И. Забуский  и М. Крускал, которые доказали, что одинаковому  распределению энергии мешает солитон (структурно устойчивая уединенная волна, распространяющаяся в нелинейной среде), который переносит энергию из одной группы мод в другую. Забуский пришел к выводу, что необходимо использовать единый синтетический  подход при  изучении различного рода систем.

Вернемся к изучению данного  вопроса Г. Хакеном, а именно, момента  зарождения синергетики как науки, т. е. открытия явления самоорганизации, которое присуще различного рода системам. Работая над новыми источниками  света и  исследуя механизмы процессов, которые происходят в твердотельном  лазере, Хакен обнаружил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, вели себя, как живые, проявляя признаки согласованности. Под воздействием внешнего светового поля они начинали колебаться в одной фазе. В результате этого между ними устанавливалось  согласованное (когерентное) взаимодействие, которое приводило, в конечном счете, к коллективному поведению частиц. Такое явление в итоге было названо «кооперативными процессами», подтверждая тот факт, что на согласованное поведение способны не только люди и другие животные, но и структуры неживой природы.

Несмотря на то, что термин «синергетика» был введен Г. Хакеном, его широкое распространение  и внедрение в науку связывают  с именем бельгийского физика и философа, который родился в Белоруссии, основателя Брюссельской школы статической  механики, профессора Брюссельского  свободного университета, директора  центра термодинамики и статической  физики при Техасском университете Ильи Пригожина. В 1977 ученому за исследования в сфере самоорганизации необратимых  процессов была присуждена Нобелевская  премия.

Пригожин исследовал несколько  иной аспект проблемы. Он изучил и установил  внешний признак, который является отличительным для любых открытых стационарных систем. Процессы преобразования энергии и составляют суть открытости и стационарности.  Пригожин обратил  внимание именно на это, в частности  на процессы диссипации, т. е. необратимой  потери энергии. Данное свойство и используется как признак функционирования таких  систем, т. е. термин «диссипативная структура» является синонимом понятия «открытая  стационарная система».

Т.к. за счет диссипации энергии  в окружающую среду и последующего получения новой энергии, возникают  и существуют подобные системы.

Еще один теоретик самоорганизации  – немецкий ученый М. Эйген доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип  отбора продолжает сохранять свое значение и на микроуровне; он утверждал, что  развитие жизни  - это не что иное, как результат процесса естественного  отбора, происходящего на микроуровне.

Существует еще масса  примеров, которые были объяснены  на основе синергетики. Так, например, в термодинамике – это образование  при подогревании жидкости на её поверхности  шестиугольных ячеек Бернара, описанное  ученым еще в 1900 г. Можно также  упомянуть феномен саморегуляции метеопроцессов, обнаруженный в начале 1960 гг. Е. Лоренцом и др. примеры.

Основные понятия синергетики

Состояние «вдали от равновесия». Следует отметить, что синергетика  изучает класс систем, которые  находятся в неравновесном термодинамическом  состоянии. Это подтверждает тот факт, что самоорганизация материи возможна только в неравновесных системах.

В равновесном же расстоянии действующие на систему возбуждения утихают со временем, т. е. не оставляют следов в системе. И напротив же, в неравновесном состоянии система характеризуется нестабильностью относительно её первоначальных исходных параметров.

Точка нестабильности. При  прохождении точек нестабильности в разных по своей природе исследуемых  средах определяется свойство перехода к так называемому состоянию  сложности, т. е. в этих средах при  определенных условиях могут возникать  макроскопические явления самоорганизации  в виде пространственных картин, которые  ритмично изменяются во времени.

Таким образом, синергетика  изучает явления, которые пребывают  в точке нестабильности, и определяет новую структуру, которая возникает за пределом нестабильности; на основании этого синергетике удается установить универсальные аналогии, которые возникают между совсем различными системами при прохождении ими точек возникновения нестабильности.

На этом основании синергетика  формулирует основной тезис, который  заключается в том, что на всех уровнях организации бытия именно неравновесность является условием и источником возникновения порядка.

Сложность. Сложность рассматривается  в данной науке не как исключение, а как общее правило. Фундаментальное  свойство изучаемых синергетикой объектов – это их сложность. Под сложностью понимается способность к самоорганизации, усложнение своей пространственно-временной структуры на макроуровне путем изменений, которые происходят на микроскопическом уровне.

Критерий сложности. Возможность  демонстрации когерентного поведения  огромным числом частиц выступает для  синергетики фундаментальным критерием  сложности как таковой.

При изучении этого аспекта  И. Пригожин и И. Стенгерс сформулировали идею «обратной связи» между макроструктурами, которые возникают в результате трансформаций на микроуровне и  процессами микроскопического порядка.

Синергетика радикально изменила видение мира, разрушила прежние  интеллектуальные табу и стереотипы мышления. На сегодняшний день становится необязательным формирование синергетического знания с использованием математического инструментария и языка программирования. Словарь обычного языка является достаточным для формирования нового синергетических знаний как нового способа мышления и постановки  исследовательских вопросов.

Упрощение сложного. Сверхсложная, хаотичная на уровне элементов среда может быть описана, как и всякая открытая нелинейная среда, т. е. небольшим числом фундаментальных идей и образов, а потом и математических уравнений, которые определяют общие тенденции развития процессов в ней.

Законы объединения сложных  структур. В процессе развития науки  учение определили, что существуют законы общей жизни, коэволюции, конвергенции разнородных элементов мира с  сохранением культурно-исторических особенностей, темпа развития, качества жизни и др.

Синергетика позволяет определить подобного рода законы коэволюции сложных  структур, которые развиваются в  различных темпах, а также «включение»  простой структуры в более  сложную. Необходимо отметить, что не все структуры, не при всех стадиях  развития и степенях связи могут  быть объединены в сложную структуру. Чтобы возникла сложная структура, необходимо определить степени перекрытия входных в неё более простых структур, придерживаться определенной «архитектуры» перекрытия.

Следует упомянуть и о  хаосе, которые играет конструктивную роль не только в процессах выбора путей эволюции, но и в процессах  построения сложного эволюционного  целого.

Основной принцип объединения частей в единое целое можно сформулировать таким образом: синтез простых структур, которые эволюционируют, в единую сложную структуру (систему) происходит с помощью установления общего темпа их эволюции.

Теория  диссипативных  структур. Бельгийская школа И. Пригожина  изучает самоорганизацию с точки  зрения термодинамики. Основное понятие  синергетики  (т. е. понятие структуры  как состояния, которое возникает  в результате когерентного поведения  большого количества частей) бельгийская  школа заменяет понятием диссипативной  структуры. В открытых системах, которые  обмениваются с окружающим миром  потоками вещества или энергии, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое к незначительным возбуждениям. Системы в таком стационарном состоянии получили название диссипативных структур.

Теория автоволновых процессов. Возникновение волн и структур, вызванное  потерей устойчивости однородного  равновесного состояния, иногда называют автоволновыми процессами. Важную роль в таком случае играет волновой характер создания структур: независимость их характерного пространственного и  временного размеров от начальных условий.

Пейсмейкеры – хаотично разбросанные источники волн, которые создают визуально наблюдаемую картину и которые концентрируются вокруг «пейсмейкеров» в виде колец, спиралей и др.

Моды – колебательные движения неравновесных систем.

Процесс агрегации – спиральные волны или концентрические окружности.

Структура и хаос. Понятие  структуры является основным для  всех наук, которые изучают различные  аспекты процессов самоорганизации. Данное понятие допускает определенную «твердость» объекта, т. е. способность  сохранять отождествленность самой  себе при различных внешних и  внутренних изменениях.  Интуитивное  понятие структуры противопоставляется  понятию хаоса как состояния, исключающего какую-либо структуру. Однако хаос может иметь различный уровень упорядоченности, различную структуру.

Фракталы. Мандельброт обратил  внимание на то, что достаточно распространенная мысль о том, что размерность, т. е. размеры, является внутренней характеристикой  тела, поверхности или кривой, ошибочна, потому что размерность объекта  зависит от наблюдателя, точнее, от связи объекта с внешним миром (примером может служить рассмотрение клубка, который превращается в точку, если мы будем наблюдать за ним  на достаточно большом расстоянии, и превратится во множество атомов, если мы будем изучать его изнутри  с помощью соответствующего оборудования).

Если размерность зависит  от конкретных условий, то её можно  выбирать по-разному. Оптимальный выбор  определения размерности зависит  от того, в каких целях мы собираемся использовать найденное значение.

Мандельброт предложил использовать определение размерности, предложенное Безиковичем и Хаусфордом.

Фрактал – это сложная  геометрическая фигура, обладающая свойствами самоподобия, т. е. составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна  всей фигуре в целом. В более широком  понимании – это геометрический объект с дробной размерностью Безиковича-Хаусфорда.

Размерность Безиковича-Хаусфорда  всегда не менее евклидовой и тождественная  ей для регулярных геометрических объектов. Однако для таких объектов, как  фракталы, размерность дробная, т. к. она характеризует их нерегулярность.

Структура структуры. Новое  направление, которое является довольно успешным в решении заданий приведения к порядку в мире хаоса, намного  хуже справляется с задачами упорядочивания структур.

При поиске и классификации  структур почти не используется понятие  симметрии, которое, по сути, является очень важным во многих разделах точного  и описательного естествоведения.

Симметрия так же, как  и размерность, существенно зависит  от операций, которые можно проводить  над объектом. Например, строения тела человека и животных имеет билатеральную (двухстороннюю) симметрию, но операция перестановки правой и левой части  физически неосуществима. Т. е. билатеральной  симметрии  в рассматриваемых  объектах не будет. Если рассматривать  только физические операции над объектом.

Если значение симметрии  определено, то это позволяет установить состояние эквивалентности между  изучаемыми объектами.

Симметрию необходимо отыскивать не только в физическом пространстве, но и в каких-либо иных пространствах, которые содержат образ системы.

Аксиоматический подход. Сложность  поведения даже простых моделей  способствовала возникновению и  применению аксиоматического подхода. Применяют данный подход для того, чтоб отделить существенные особенности  системы от несущественных, случайных  и тем самым облегчить процесс  построения моделей, которые отражают подобный режим поведения.

Хаос. Увеличение энтропии, согласно второму началу термодинамики, является показателем увеличения неупорядоченности, т. е. энтропию можно назвать мерой  беспорядка.

Т.е. энтропия и хаос перекрывают  друг друга, и, исходя из этот, любая  система рассматривается синергетикой как сверхсложная неупорядоченная, хаотичная на уровне элементов среда. И при определенных условия энтропия, которая тождественна хаосу, может  служить предпослыкой к порядку. Например, хаос на микроуровне очень часто приводит к упорядоченным структурам на макроуровне.

Так, увеличение энтропии не сводиться к увеличению беспорядка, потому что порядок и хаос возникают  и сущетсвуют одновременно.

В рамках синергетичного видения  релаьности хаос является физическим обеспечением неравновесности, т. е.  выступает как фактор самоорганизации.

Из результатов исследований вытекает следующее утверждение: при  определенных условиях вдали от равновесия может происходит самоорганизация  материи, т. е. достижение более упорядоченного состояния с резким снижением  энтропии – переход от хаоса к  упорядоченности.

Следовало бы также добавить, что современная синергетика, как  было определено на Первой Межународной конференции Немецкого сообщества сложных систем, рассматривает себя как теория хаоса.

Бифуркационный механизм. Фундаментальным механизмом, который  обеспечивает реализацию нелинейности развития. Выступает в синергетике  бифуркационный механизм. Который заключается  в следующем: если в равновесном  состянии относительно исследуемой  системы может быть зафиксировано  только одно стационарное состояние, то при удалении от состояния равновесия при определенном значении изменяемого  параметра сичстема достигает т. н. порона стойкости, при пересечении  которого система получает несколько  возможных направлений, путей развития.

Математически это означает, что зависимость решения соответсвенного  равнения от выбранного параметра становится неоднозначной, т.е. имеется ряд решений.

Критическое значение состояния  нестабильности системы, при котором  становится возможным достижение нескольких (данном случе двух) стационарных состояний, называется точкой бифуркации (от англ. Fork - вилка). Такая система называется бистабильной.

Бифуркационный переход  – это выбор системой одного из возможных вариантов развития, каждый из которых предполагает переход  системы в состояния, радикально отличные от исходного.

Возможны и более сложные  ситуации, которые предполагают взаимодействие между решениями, которые отделяются, что обуславливает явление вторичной, третичной бифуркации, задавая т.н. «каскады бифуркаций», которые раскрывают множество вариантов эволюции системы.

Феномен бифуркации является центральным явлением изучения в  синергетике, потому что бифуркация – источник инновации, поскольку  именно ей в системе появляются новые  пути развития. Стохастичность мира вместе с существованием бифуркационных механизмов определяет непредвиденность эволюции и её необратимость, а, следовательно, и необратимость времени.

Точка бифуркации выступает  одновременно в роли максимальной чувствительности системы как по отношению ко внешним, так и ко внутренним импульсам. Так, например, в бифуркационной точке  усиливается роль внешних полей, которые влияют на систему. В частности, система начинает реагировать на гравитационные или же магнитные  поля, которые не влияли на её состояние, когда та пребывала в равновесном  состоянии.

Следует рассмотреть такое  понятие, как возбуждение. Возбуждением (или флуктуацией) называют событие, которое происходит в системе  случайно и локально изменяет некоторые  её характеристики и свойства.

При приближении системы  к состоянию бифуркации флуктуации становятся аномально сильными, что  выводит элементы системы из равновесия. Поэтому флуктуации имеют огромное значение для начала процесса самоорганизации  однородного, но не устойчивого состояния  системы.

Таким образом, небольшое  возбуждение в системе, которая  находится в состоянии, близком  к бифуркационной точке, может привести к возникновению нового организационного порядка системы. Подобный феномен зафиксирован в синергетике с помощью понятия «порядка через флуктуацию».

Таким образом, усиление микроскопической флуктуации, которое произошло в  нужный момент, приводит к выбору одного из путей дальнейшего развития из ряда априори одинаково возможных.

Классическая и совеременная термодинамика. Так, для классической термодинамики типовой была теоретическая  структура равновесной системы,  а в современной термодинамике, наоброт, базовой выступает диссипативная  структура.

Так, в классической термодинамике  тепловой поток считался источником разрушения, а в синергетике тепловой поток становится источником порядка.

Аттрактор. Одним из основных понятий синергетики, которое фиксирует специфику диссипативных систем, является понятие аттрактора (лат. Attractio - влечение). Аттрактор определяется Г. Николисом и И. Пригожиным как состояние, к которому тяготеет система. Выступая как состояние, к которому с течением времени эволюционирует система, аттрактор опрееляется в системе как устойчивый фокус, к которому сходятся все траектории динамики системы.

Это означает что состояние-аттраткор  выступает как искомая финальная  и конечная система  фаз эволюции, которая будет достигнута.

При изучении процессов самоорганизации  синергетикой было зафиксировано следующее  обстоятельство: среди возможных  путей эволюции системы далеко не всеявялются вероятными, т. е. в природе  есть тяготение к определенным состояниям,которые  называют аттракторами. Следовательно, аттрактор выступает как некое  состояние порядка.