Синергетика

Синергетика (от греч. συν — «совместное» и греч. εργος — «действие») — 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...».

СИНЕРГЕТИКА: СТАНОВЛЕНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО МЫШЛЕНИЯ

Человеческая деятельность стала оказывать необратимое воздействие на природу значительно раньше, чем человек начал об этом догадываться. Сейчас, когда глобальны сами масштабы этой деятельности, необходимость приведения процесса освоения природы в гармоничное соответствие с законами ее функционирования становится условием существования человечества.

К счастью, развитие современной науки создав адекватные средства решения глобальных проблем, в том числе задач возведения предметного мира, создаваемого человеком, на уровень саморегуляции, характерный для живых систем. Только в 80-е годы наука приблизилась к открытию законов, действие которых обеспечивает целостность развивающихся природных систем. Об этом свидетельствует создание синергетических теорий самоорганизации сложных систем, а также единых теорий фундаментальных физических взаимодействий Синергетика появляется как научное направление, изучающее единую сущность самых разных явлений, рассматриваемых как процесс перехода от неупорядоченности к порядку. Это излучение лазера и морфогенез гидры, автоволновые процессы в химических реакциях и биение человеческого сердца, распространение информации в научном сообществе и поведение плазмы в определенных температурных режимах. Даже в космологических моделях, основанных на единых теориях фундаментальных физических взаимодействий, осуществляется синергетический подход к описанию начальных этапов становления нашей Вселенной. Здесь повсюду имеет место согласованное кооперативное движение элементов среды (атомов, молекул, живых клеток и пр.), т. е. возникают устойчивые структуры. Последние являются открытыми и достаточно активно обмениваются энергией и веществом со средой. При этом в них понижается энтропия за счет повышения энтропии в среде. Синергетика, математически описывая необратимые качественные изменения, обеспечивающие переход от простого к сложному, оказывается теоретическим описанием развивающихся систем Изучение их имеет огромное значение, потому что большинство интересующих нас систем — и мы сами, и города, в которых мы живем, и, наконец, наша планета — относится именно к такому типу

Возможности практического применения достижений синергетики огромны и еще не до конца исследованы Например, в ведении синергетики находится вся область когерентных процессов, использование которых позволило создать голографию, лазерную технику, безлинзовую и волоконную оптику Синергетический подход к человеческому организму как развивающейся целостной системе уже сейчас теоретически обеспечивает первые шаги биорезонансной диагностики и терапии.

Однако новый подход требует пересмотра привычных для классической и даже современной науки методологических установок, сложившихся при изучении равновесных изолированных систем. Так, автоволны как бы «забывают» начальные условия своего возникновения. В этом их отличие от механических систем, жестко зависящих от начальных условий движения. В то же время само возникновение этих устойчивых структур основано на неравновесности и является закреплением случайного отклонения от равновесия, что поддерживается какими-либо факторами: внутренними (химическая реакция, диффузия) или внешними (поток энергии). Регресс нереализовавшихся возможностей при выборе системой одного из путей в точке их разветвления демонстрирует как наличие необратимости качественных изменений, так и связанную с ними диалектику прогресса и регресса, возможного и действительного в развитии системы.

Переход точного естествознания к исследованию открытых развивающихся систем, складывающихся как органическое целое, выдвигает потребность диалектического понимания категорий возможного и действительного, необходимого и случайного, части и целого. Ведь становление самоорганизующейся целостности задает способ поведения ее частей Так, при образовании цунами рельеф морского дна на протяжении многих километров определяет сохраняющуюся форму волны, т. е. движение всех капель воды, входящих в эту гигантскую волну — солитон, движущуюся как одно целое Для физики и химии превалирование целого по отношению к частям ново и требует существенного дополнения типичных норм объяснения, ориентированных на выведение всех свойств целого из свойств его частей и их взаимодействия.

Диалектическое соотношение категорий целого и части является существенным моментом и в единых теориях фундаментальных физических взаимодействий. Здесь типы симметрии, характерные для становящейся Вселенной как целого, и способ их нарушения определяют фундаментальные законы существования всех видов элементарных частиц.

Исследование самоорганизующихся целостных систем ведет к пересмотра норм объяснения в конкретных науках, к качественным изменениям в научной картине мира. Подобные сдвиги в научном познании рассматриваются в методологии науки как революционные Научные революции с необходимостью требуют философского осмысления как новых познавательных результатов, так и меняющихся методологических установок деятельности ученых

Следует подчеркнуть, что происходящие в научном познании революционные изменения затрагивают и интересы общественного развития, причем не только в силу стимулирующего влияния научного знания на технический прогресс. Не меньшее значение, на наш взгляд, имеют трансформация стиля научного мышления и связанный с ней пересмотр ряда стандартов научного объяснения, окруженных ранее ореолом эталонов точности. Респектабельность таких стандартов, представленных в обыденном сознании как научные, может продолжать влиять на деятельность людей с силой предрассудка даже тогда, когда наука уже обнаружила их ограниченность. Так, авторитет классической механики как образца научности продолжает сохраняться на уровне методологического сознания, хотя в физических теориях пределы применимости механики давно обнаружены. Тем не менее представления о незыблемости научных законов, о неограниченности их линейной экстраполяции в пространстве и во времени сохраняют статус признаков научности. Между тем их неявным основанием является концепция лапласовского детерминизма, применимая благодаря линейности математических уравнений, что связано с идеализирующими допущениями о неизменности исследуемых объектов и условий их существования. Связь между такими идеализирующими допущениями и методологическими принципами становится очевидна лишь в свете дальнейшего развития науки, но ее осознание требует дополнительных методологических усилий.

Идеал лапласовского детерминизма вдохновлял творцов теорий скрытых параметров десятилетия после создания квантовой механики и разработки концепции вероятностной причинности вплоть до осуществленного в самое последнее время экспериментального доказательства полноты квантовой механики. Однако представление об обратимости во времени законов физики, органично связанное с пониманием причинной связи как однозначной, продолжает оставаться символом фундаментальности в методологическом сознании подавляющего большинства физиков и сейчас. То обстоятельство, что необратимость, выражаемая законами статистической физики, при таком подходе теряет объективные основания, т. е. случайность должна трактоваться субъективистски — как результат недостаточного знания, осознается далеко не всегда.

А пока физики решают вопрос о том, что более фундаментально: микроскопический подход, связанный с обратимыми динамическими законами, или макроскопический, связанный с необратимостью, выражаемой статистическими законами, люди действия продолжают ассоциировать научность с устаревшими методологическими стандартами. Понятно, что применение стандартов, выработанных для освоения стабильных систем, находящихся в равновесных условиях и подчиняющихся линейным законам, к саморазвивающимся системам, находящимся в очень неравновесных условиях и управляемым нелинейными закономерностями, не может привести к успеху. На счету линейного, метафизического мышления — аварии на крупных химических производствах, экологические катастрофы, просчеты в экономике и социальной политике.

Мы далеки от мысли связывать все трудности нашей истории и современности лишь с издержками в методологическом понимании сущности научных законов. Однако сбрасывать со счетов по сути своей позитивистское представление о законах науки, на которое опирался политический централизм в своих технократических тенденциях, нельзя.

Методологическое осмысление развивающегося естествознания необходимо и имеет важное значение для развития общества. Прежде всего знание природных объектов необходимо как для их успешного преобразования, так и для осознания разумных границ этих преобразований (т. е. для обеспечения как технической стороны деятельности, так и объективных оснований ценностных суждений). Кроме того, законы природы как «неорганического тела человека» (К. Маркс) продолжают действовать и в сознательно созданном им предметном мире, и в стихийно складывающихся социально-природных комплексах. Да и сам человек как представитель живого на Земле не может игнорировать закономерности своего природного существования.

Как уже было сказано выше, большинство интересующих нас объектов — экологические природные и социально-природные комплексы, живые организмы, города, предприятия, экономические структуры — являются открытыми системами, неравновесными, управляемыми нелинейными законами. Они обнаруживают невозможную в области действия линейных законов способность к самоорганизации, резонансным образом реагируют на внешние воздействия, их поведение неоднозначно определяется предшествующей историей их эволюции. Необходимость учета всех этих свойств в деятельности человека очевидна. Но такой учет возможен только на основе перестройки мышления. Новое мышление в его, так сказать, техническом применении должно быть нелинейным.

Всеобщими формами мышления, как известно, являются категории. И обобщение конкретных приемов нелинейного мышления требует их философского осмысления. Ну а поскольку речь идет о становлении и развитии, логично предположить, что естественнонаучное мышление входит, наконец, в ту сферу своей деятельности, где окажется совершенно адекватным применение диалектики.

Таким образом, если нам удастся показать, что в своих философских основаниях нелинейное мышление диалектично, то, кроме вполне конкретных методологических последствий (о которых будет сказано в заключительной главе), окажется возможным еще один принципиальный вывод. Речь идет о том, что новое политическое мышление (декларируемое как диалектическое) в качестве подспорья обретет как конкретную диалектику стиль мышления, вырабатываемый в процессе естественнонаучного освоения процессов самоорганизации,— нелинейное мышление. А если учесть, что и общественная жизнь в определенных своих аспектах поддается синергетическому описанию (так, описано формирование общественного мнения, распространение научной информации, смоделированы некоторые экономические процессы), то практическое значение знания общих законов самоорганизации следует оценить еще выше.

Интересно заметить, что мысль о необходимости демократизации хозяйственной и политической жизни полностью соответствует концепции самоорганизации, раскрывающей объективные возможности и условия самопроизвольного формирования и самовоспроизведения устойчивых сложных структур.

Как видим, и сами теории самоорганизации, и их философское осмысление выходят далеко за рамки академического интереса.

Итак, научный и социальный пафос данного исследования обозначен. Конкретные же задачи, которые ставит перед собой автор, таковы:

1) рассмотреть ход революционных изменений в современном точном естествознании как становление новых исследовательских программ;

2) показать, что это программы теоретического освоения процессов становления (самоорганизации) сложных материальных систем, в чем и кроется их принципиальная новизна;

3) исследовать соответствующее расширение философских оснований естественнонаучного знания, в частности категориальных форм его осмысления;

4) выявить методологические следствия происходящей революции в естествознании:

— изменение методологических принципов физики;

— изменение отношений между науками в связи со становлением физики живого;

— перспективы создания единой естественнонаучной картины мира.

Основное средство методологического анализа и философского осмысления — интертеоретический анализ развивающегося знания, т. е. комплексное рассмотрение системы теорий в связи с научной картиной мира и системой методологических принципов в соответствующем философском и социокультурном контексте.

Синергетика изначально представлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, одни и те же безотносительно природы систем.
Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате поведения многоэлементной или многофакторной среды, не демонстрирующей стремления к усреднению термодинамического типа.
В отдельных случаях образование структур имеет волновой характер и иногда называется автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

История исследований

Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.
Улам С., много работавший с ЭВМ, в 1964 году в своей книге «Нерешенные математические задачи» (М.: Наука) высоко оценил синергию — непрерывное сотрудничество между машиной и ее оператором, осуществляемого за счёт вывода информации на дисплей.
Поняв ограниченные возможности как аналитического, так и численного подхода к решению нелинейных задач, И. Забуский в 1967 году пришел к выводу о необходимости единого синергетического подхода, понимая под этим «...совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений»[2].
Определение термина «синергетика», близкое к современному пониманию, ввёл Герман Хакен в 1977 году в своей книге «Синергетика».

Области исследований

Область исследований синергетики до сих пор до конца не определена, так как предмет её интересов лежит среди различных дисциплин, а основные методы синергетики взяты из нелинейной неравновесной термодинамики.

Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход:

1. Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой разрабатывалась теория диссипативных систем, раскрывались исторические предпосылки и мировоззренческие основания теории самоорганизации.

2. Школа Г. Хакена, профессора Института синергетики и теоретической физики в Штутгарте. Он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет более 60 томов.

3. Математический аппарат теории катастроф для описания синергетических процессов разработан российским математиком В. И. Арнольдом и французским математиком Рене Тома.

4. В рамках школы академика А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П. Курдюмова разрабатана теория самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента (включая теорию развития в режиме с обострением). В России вклад в развитие синергетики внесли академик Н. Н. Моисеев — идеи универсального эволюционизма и коэволюции человека и природ.

5. Синергетический подход в биофизике развивается в трудах членов-корреспондентов РАН М. В. Волькенштейна и Д. С. Чернавского.

6. Синергетический подход в теоретической истории развивается в работах Д. С. Чернавского, Г.Г.Малинецкого, Л.И.Бородкина, С.П.Капицы, С.Ю.Малкова, А.В.Коротаева, П.В.Турчина, В.Г.Буданова, А.П.Назаретяна и др.

Постепенно предмет синергетики распределился между различными направлениями:
• теория динамического хаоса исследует сверхсложную упорядоченность, напр. явление турбулентности;
• теория детерминированного хаоса исследует хаотические явления, возникающие в результате детерминированных процессов (в отсутствие случайных шумов);
• теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации, процесс самоорганизации также может быть фрактальным;
• теория катастроф исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркация, аттрактор, неустойчивость;
• лингвистическая синергетика и прогностика.

Синергетический подход в современном познании, основные принципы:
• Наука имеет дело с системами разных уровней организации, связь между ними осуществляется через хаос
• Когда системы объединяются, целое не равно сумме частей
• Общее для всех систем: спонтанное образование, изменения на макроскопическом уровне, возникновение новых качеств, этап самоорганизации. При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все системы ведут себя одинаково
• Неравновесность в системе является источником появления новой организации (порядка)
• Системы всегда открыты и обмениваются энергией с внешней средой
• Процессы локальной упорядоченности совершаются за счет притока энергии извне
• В сильно неравновесных условиях системы начинают воспринимать те факторы, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии
• В неравновесных условиях независимость элементов уступает место корпоративному поведению
• Вдали от равновесия согласованность поведения элементов возрастает. В равновесии молекула видит только своих соседей, вдали равновесия – видит всю систему целиком. Примеры: костная материя - коммуникация посредством сигналов, работа головного мозга.
• В условиях, далеких от равновесия, в системах действуют бифуркационные механизмы – наличие точек раздвоения продолжения развития. Варианты развития системы практически не предсказуемы.

Современная наука и синергетика объясняют процесс самоорганизации систем следующим образом:

1. Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией.

2. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия система обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум ее самодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию, система со временем приблизится к нему и придет в состояние полной дезорганизации.

3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Но в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Так как флуктуации носят случайный характер, то становится ясно, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур (341-270 до н.э.) и Лукреций Кар (99-45 до н.э.).

4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь. Функционирование различных автоматических устройств основывается на принципе отрицательной обратной связи, т.е. на получение обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. В самоорганизующейся системе изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Так, мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Псевдосинергетика!

Наблюдаются случаи использования терминологии синергетики для придания веса псевдонаучным изысканиям.

См. по теме: Синергетика