Кратко о Синергетике

Синергетика родом из физических дисциплин - термодинамики, радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они как бы подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому ученые в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной научной картины мира.

Равновесная термодинамика занимается процессами взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны. Работа может полно¬стью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально не¬возможно.

Знаменитое второе начало термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему».

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме.

Но в реальности такого никогда не происходит. Вот эту-то односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие - энтропия. Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы.

Поэтому более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состоя¬ние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это — наиболее простое состояние системы, или состояние термоди¬намического равновесия, при котором движение частиц хаотично.

Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Общий итог достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос.

Однако живая природа почему-то стремится прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Такая явная «нестыковка» законов развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.

Удивление это многократно возросло после замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов - от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем.

Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их уже не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Если с этим процессам сопоставить "стрелы оптимальности" эволюции Материи, то мы должны придти к осознанию того, что стрелы оптимальности могут иметь противоположное направление. Анализ подобных процессов в рамках Единого закона, на страницах сайта, полностью подтверждает справедливость этих слов.

Предназначение синергетики, как науки, и об этом явно говорит ее автор, заключается в том, чтобы определить основные принципы, как из хаоса вырастают высокоорганизованные системы. Так, Герман Хакен в предисловии к своей книге "Синергетика", пишет: "Я назвал новую дисциплину синергетикой не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин".

Общий смысл комплекса синергетических идей заключается в следующем :

• Процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной имеют объективный характер,

• Процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Новизна синергетического подхода заключается в следующем. Хаос выступает и как разрушитель, и как созидатель. Понятие "хаос" оказалось гораздо более глубоким, чем представлялось ранее. Поэтому наряду с понятием "хаос" появилось определение "беспорядок", как нарушенный порядок. Хаотическое состояние содержит в себе неопределенность - вероятность и случайность, которые описываются при помощи понятий информации и энтропии. Зародышем самоорганизации служит "вероятность" - упорядоченность возникает через флуктуации, устойчивость через неустойчивость.

Важная особенность такого определения - переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана - решает случай! Но после того, как «выбор сделан», и система перешла в качественно новое устойчивое состояние - назад возврата нет. Процесс этот необратим.

Многие ученые - синергетики хорошо знают смысл слова бифуркация, но немногие догадываются о том, что это слово является ключевым для понимании смысла синергетики.

Бифуркация (лат. bis-дважды, furca- виды) -разделение, раздвоение, разветвление чего-либо на два потока, на два направления. Не на три, на четыре, ..., а именно на два!!

Это хорошо знакомое всем явление спонтанного перехода в более сложное состояние с позиций статистической механики совершенно необъяснимо. Ведь оно свидетельствует о том, что, например, миллиарды молекул жидкости как по команде начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в совершенно хаотическом движении. Создается впечатление, что каждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Само слово «синергетика», кстати, как раз и означает «совместное действие».) Классические статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образовалась бы случайно, что почти невероятно, то она тут же распалась бы. Но она не распадается при поддержании соответствующих условий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникновение таких структур нарастающей сложности - не случайность, а закономерность.

Считается, что для того, чтобы в системах шла самоорганизация, должны выполняться следующие необходимые условия и этапы эволюции.

а) Система должна быть открытой и находиться достаточно далеко от состояния, соответствующего

термодинамическому равновесию.

б) Необходимо, чтобы порядок возникал благодаря флуктуациям, которые сначала осуществляют, а затем усиливают его.

в) Важнейшим условием является наличие положительной обратной связи.

г) Необходимым условием считается и достижение системой некоторых критических размеров, способствующих

и усиливающих кооперативное поведение элементов системы.

Эти четыре условия характеризуют наиболее важные грани процесса самоорганизации. Пожалуй, главная заслуга синергетика состоит в том, что она убедительно доказала, что линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а, скорее, исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер.

Этот вывод, видимо, и определит главное направление эволюции синергетики - изучение фазовых переходов систем из одного устойчивого состояния в другое, т.е. изучение трансформации неравновесных систем из одного состояния в другое.

В 60-70 годы происходит подлинный прорыв в понимании процессов самоорганизации в самых разных явлениях природы и техники. Перечислим некоторые из них: теория генерации лазера Г.Б. Басова, А.М. Прохорова, Ч. Таунса; колебательные химические реакции Б.П. Белоусова и А.М. Жаботинского —- основа биоритмов живого; теория диссипативных структур И. Пригожина; теория турбулентности А.Н. Колмогорова и Ю.Л. Климонтовича. Неравновесные структуры плазмы в термоядерном синтезе изучались Б.Б. Кадомцевым А.А. Самарским, С.П. Курдюмовым. Теория активных сред и биофизические приложения самоорганизации исследовались А.С. Давыдовым, Г.Р. Иваницким, И.М. Гельфандом, Молчановым А.М., Д.С. Чернавским. В 1963 году происходит эпохальное открытие динамического хаоса, сначала в задачах прогноза погоды (Э. Лоренц), затем теоретически, начинается изучение странных аттракторов в работах Д. Рюэля, Ф. Такенса, Л.П. Шильникова. Для странных аттракторов характерна неустойчивость решения по начальным данным, знаменитый "эффект бабочки", взмах крыльев которой может радикально изменить дальний прогноз погоды —- образ динамического хаоса. Создаются униваерсальная теория катастроф (скачкообразных изменений состояний систем) Р.Тома и В.И. Арнольда и развиваются ее приложения в психологии и социологии; теория автопоэзиса живых систем У. Матураны и Ф. Вареллы.

Круг этих методов и подходов в изучении сложных систем Герман Хакен и назовет в 1970 году синергетикой (теорией коллективного, кооперативного, комплексного поведения систем), предварительно эффективно применив их в теории генерации лазера.

В 80-90 годы продолжается изучение динамического хаоса и проблемы сложности. В связи с созданием новых поколений мощных ЭВМ, развиваются фрактальная геометрия (Б.Мандельброт), геометрия самоподобных объектов (типа облака, кроны дерева, береговая линия), которая описывает структуры динамического хаоса и позволяет эффективно сжимать информацию при распознавании и хранении образов. Были обнаружены универсальные сценарии перехода к хаосу М. Фейгенбаума, Ив. Помо. В 1990 году открыт феномен самоорганизованной критичности. Его можно исследовать, рассматривая кучу песка (П. Бак). Сходящие лавинки воспроизводят распределения Парето по величинам событий для биржевых кризисов, землетрясений, аварий сложных технических комплексов и т.д.

Сегодня синергетика быстро интегрируется в область гуманитарных наук, возникли направления социосинергетики и эволюционной экономики, применяют ее психологи и педагоги, развиваются приложения в лингвистике, истории и искусствознании, реализуется проект создания синергетической антропологии.

Тем не менее, такой рост вширь иногда сводится лишь к декларациям о намерениях, поскольку междисциплинарность в современной науке предполагает взаимосогласованное использование образов, представлений методов и моделей дисциплин как естественнонаучного и технического, так и социогуманитарного профиля. Это в свою очередь, предполагает, помимо всего прочего, существование единой научной картины мира. В то же время сейчас такой общенаучной (междисциплинарной) единой картины мира (в смысле самосогласованной целостности), строго говоря, нет. Существуют ее отдельные фрагменты, именуемые специальными картинами мира, дисциплинарными онтологиями такие, например, как: физическая, биологическая, космологическая картины мира, репрезентирующие предметы каждой отдельной науки. Синергетика и пытается навести мосты между этими картинами, создать единое поле междисциплинарной коммуникации, сформировать принципы новой картины мира.

Функционирование синергетики в культуре естественно рассматривать в трех аспектах ее взаимодействия с обществом:

• синергетика как картина мира;

• синергетика как методология;

• синергетика как наука.

В рамках освоения картины мира происходит первое, а иногда и единственное, знакомство с понятиями синергетики и ее возможностями. Как правило, происходит на обыденном языке, на слабо формализованном, зачастую метафорическом, популярном уровне. Здесь обращение идет к наглядности, к здравому смыслу, аналогии, эстетическому чувству и безусловному доверию авторитету творцов новой парадигмы. Именно так укореняется наука в обыденном сознании в популярных изданиях, именно так выглядят вводные главы книг Германа Хакена и Ильи Пригожина. Для пытливого ума это всегда радость встречи с новым взглядом на мир окружающих нас вещей и событий.

Принципиально важно, что новое понимание реальности скрыто не столько в мирах физики элементарных частиц или глубинах Вселенной, но растворено в повседневности встреч со сложностью нашего мира, изменчивого мира "здесь и сейчас", что вновь наполняет жизнь очарованием тайны, ключи от которой теперь доступны каждому. Именно этим можно объяснить такой интерес к синергетике у широкой аудитории, доступность ее принципов и домохозяйкам и академикам. Кстати, с этим связана и возможность эффективного преподавания синергетики, как школьникам, так и искушенным профессионалам. Для каждого можно найти свой горизонт понимания, формализации и приложений. Кроме того, принципы синергетики справедливы как в естественных, так и в гуманитарных науках и есть надежда, что это дает ключ к решению проблемы двух культур.

Согласно И. Пригожину и И. Стенгерс, пафос рождающегося на наших глазах мировидения - это призыв к "новому диалогу человека с природой", понимаемого целостно, эволюционно. В новой картине мира человек должен думать не просто о выживании, а осознать свою роль и ответственность в единстве сотворчества с природой, научиться законам коэволюции с ней. Для этого ему предстоит лучше понять и мир и себя, свой природный и социальный генезис, законы мышления; отрефлектировать, как он понимает, моделирует реальность. Поэтому синергетика это еще и наука о человекоразмерных системах - постнеклассическая наука.

Источник: vk.com

Комментарии: