Понятие и принципы синергетики

Минский филиал государственного образовательного учреждения высшего профессионального  образования «Московский государственный  университет экономики, статистики и информатики (МЭСИ)»

Минский филиал МЭСИ

Реферат       по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Тема:

Понятие и принципы синергетики

Студент

Козлова О.Л.

Э-65 БУА

Ф.И.О., № группы

подпись

Дата

Руководитель

Игнатенко О.И.

Ф.И.О.

подпись

Дата

Зарегистрировано  на кафедре

Ф.И.О.

Подпись

Дата

Минск  2013г.

Понятие и принципы синергетики

 

Синергетика (греч. sinergeia – совместное действие) – одно из ведущих направлений современной науки.

Синергетика – наука о процессах развития и самоорганизации сложных систем произвольной природы. Однако в отличие  от последних ее язык и методы опираются  на математику и точное естествознание конкретных дисциплин, изучающих эволюцию сложных систем. В частности, синергетика  учит нас создавать уравнения  моделирующие реальность, что ранее  было позволительно лишь классикам  науки.

В простейшем варианте можно предложить 7 основных принципов синергетики: два принципа Бытия, и пять Становления.

Два структурных  принципа Бытия:

1) гомеостатичность

2) иерархичность. 

Они характеризуют  фазу «порядка», стабильного функционирования системы, ее жесткую онтологию, прозрачность и простоту описания.

Пять  принципов Становления:

3) нелинейность

4) неустойчивость

5) незамкнутость

6) динамическая иерархичность

7) наблюдаемость

Они характеризуют  фазу трансформации, обновления системы, прохождение ею последовательных этапов: путем гибели старого порядка, хаоса  испытаний альтернатив и, наконец, рождения нового порядка. При этом мы различаем порождающие принципы становления (3, 4, 5), которые являются необходимым и достаточным условием его реализации, и конструктивные принципы становления (6, 7), которые  описывают сборку, детали и конструкцию  процесса становления, а также его понимание наблюдателями и сопряжение со средой.

Принципы  Бытия:

Гомеостатичность

Гомеостаз это поддержание программы функционирования системы в некоторых рамках, позволяющих  ей следовать к своей цели.

При этом от цели-эталона-идеала (реальной или  воображаемой) система получает корректирующие сигналы позволяющие ей не сбиться с курса. Эта корректировка осуществляется за счет отрицательных обратных связей, подавляющих любое отклонение в программе поведения, возникшее под действием внешних воздействий среды.

Цель-программу  поведения системы в состоянии  гомеостаза в синергетике называют аттрактор (притягиватель). В пространстве состояний системы аттрактор является некоторым множеством, размерности меньшей, чем само пространство, к которому со временем притягиваются близлежащие состояния.

Область притяжения аттрактора называется его  бассейном. Подчеркнем, что аттракторы существуют только в открытых диссипативных  системах, т.е. рассеивающих энергию, вещество, информацию и описывают финальное  поведение системы, которое обычно намного проще переходного процесса.

Этот  принцип объединяет многие идеи кибернетики, системного анализа и синергетики.

Иерархичность

Основным  смыслом структурной иерархии, является составная природа вышестоящих  уровней по отношению к нижестоящим. То, что для низшего уровня есть структура-космос, для высшего есть бесструктурный элемент хаоса, строительный материал.

Описанная природа параметров порядка называется принципом подчинения, когда изменение  параметра порядка как бы синхронно  дирижирует поведением множества элементов  низшего уровня, образующих систему, причем феномен их когерентного, т.е. взаимосогласованного, сосуществования  иногда называют явлением самоорганизации.

Рассмотрим  три произвольных соседних временных  уровня. Назовем их микро, макро- и  мега- уровнями соответственно. Принято говорить, что параметры порядка – это долгоживущие коллективные переменные, задающие язык среднего макро-уровня. Сами они образованы и управляют быстрыми, короткоживущими переменными, задающими язык нижележащего микро-уровня. Последние ассоциируются для макро-уровня с бесструктурным «тепловым» хаотическим движением, неразличимым на его языке в деталях.

Следующий, вышележащий над макро-уровнем, мега-уровень  образован сверхмедленными «вечными»  переменными, которые выполняют  для макро-уровня роль параметров порядка, но теперь их принято называть управляющими параметрами или контрольными параметрами.

Плавно  меняя управляющие параметры, можно  менять систему нижележащих уровней, иногда эти изменения выглядят весьма бурно, кризисно, и тогда говорят  о критических (бифуркационных) значениях управляющих параметров.

При рассмотрении двух соседних уровней принцип подчинения гласит: долгоживущие переменные управляют  короткоживущими; вышележащий уровень, нижележащим.

В заключение подчеркнем, что принцип подчинения справедлив не всегда, его не стоит  абсолютизировать. Все это свидетельства  того, что иерархичность не может  быть раз и навсегда установлена, т.е. не покрывается только принципом  Бытия, порядка. Необходимые принципы Становления – проводники эволюции.

 

1. Принципы Становления

 

Порождающие принципы становления

Выполнение  этих принципов является необходимым  и достаточным условием становления, рождения в системе нового качества. Начнем с трех принципов, «ТРЕХ НЕ», или «НЕ» – принципов, которых  всячески избегала классическая методология, но которые позволяют войти системе  в хаотическую креативную фазу. Обычно это происходит за счет положительных  обратных связей, усиливающих в системе  внешние возмущения.

Нелинейность

Линейность  – один из идеалов простоты многих поколений математиков и физиков, пытавшихся свести реальные задачи к  линейному поведению. Замечательно, что это всегда удается вблизи положения равновесия системы (так  называемый метод нормальных колебаний).

Гомеостаз системы обычно осуществляется именно на уровне линейных колебаний около  оптимальных параметров, поэтому  так важен простой линейный случай. Кроме того, он экономит наши интеллектуальные усилия. Определяющим свойством линейных систем является принцип суперпозиции: сумма решений есть решение, или  иначе – результат суммарного воздействия на систему есть сумма  результатов, так называемый линейный отклик системы, прямо пропорциональный воздействию.

Итак, нелинейность есть нарушение принципа суперпозиции в некотором явлении: результат  суммы воздействий на систему  не равен сумме результатов этих воздействий. Результаты действующих  причин нельзя складывать.

РЕЗУЛЬТАТ СУММЫ ПРИЧИН ≠ СУММЕ РЕЗУЛЬТАТОВ  ПРИЧИН

В более гуманитарном, качественном смысле: результат непропорционален усилиям, неадекватен усилиям, игра не стоит свеч; целое не есть сумма его частей; качество суммы не тождественно качеству слагаемых, и т.д. Последнее, в частности, следует из того факта, что в системе число связей между ее элементами растет быстрее числа самих элементов. Но это не значит, что надо отказаться от быстрого линейного прогнозирования, этого основного стандарта нашего мышления, просто надо знать область его применимости.

Любая граница  целостности объекта, его разрушения, разделения, поглощения, предполагает нелинейные эффекты. Можно сказать, что нелинейность «живет», ярко проявляется  вблизи границ существования системы. Линейные стратегии мышления экономны и эффективны, но лишь в ограниченных рамках гомеостаза, вне которых они  обманчивы, а порой и опасны.

Иногда  говорят о «нелинейном мышлении»  – красивой метафоре, которую каждый понимает по-своему. Но иногда гуманитарии  призывают «нелинейное мышление»  начать последний бой с «линейным  мышлением», такая война метафор  абсурдна, поскольку линейная математика есть важнейший предельный случай нелинейной математики, а зачастую основа ее приближенных, итерационных методов.

Незамкнутость (открытость)

Невозможность пренебрежения взаимодействием  системы со своим окружением. Свойство, которое долгое время пугало исследователей, размывало понятие системы, сулило тяжелые проблемы.

В замкнутых  системах с очень большим числом частиц справедлив второй закон (второе начало) термодинамики, гласящий, что  энтропия (мера хаоса) со временем возрастает или остается постоянной, т.е. порядок  обречен исчезнуть. Именно открытость позволяет эволюционировать системам от простого к сложному, разворачивать программу роста организма из клетки-зародыша. Это означает, что иерархический уровень может развиваться, усложняться, только при обмене веществом, энергией, информацией с другими уровнями.

Более того, самые интересные гомеостатические структуры – это структуры, не находящиеся в равновесии со средой, т.е. не обладающие максимально возможной  энтропией. Они могут существовать лишь в открытых, диссипативных системах, и в больших системах их называют устойчивыми неравновесными структурами, поддерживающими себя за счет внешних  потоков вещества, энергии, информации. На языке иерархических уровней  принцип открытости подчеркивает два  важных обстоятельства. Во-первых, это  возможность явлений самоорганизации  бытия в форме существования  стабильных неравновесных структур макроуровня (открытость макроуровня  к микроуровню при фиксированных  управляющих параметрах). Во-вторых, возможность самоорганизации становления, т.е. возможность смены типа неравновесной  структуры, типа аттрактора (открытость макроуровня к мегауровню меняющихся управляющих параметров системы).

Неустойчивость

Выполнение  принципов нелинейности и незамкнутости, при определенных условиях позволяет системе покинуть область гомеостаза и попасть в неустойчивое состояние.

Такие состояния  неустойчивости, выбора принято называть точками бифуркаций. Правильно говорить о неустойчивом состоянии, которому отвечает точка в пространстве управляющих  параметров (мегауровень), именно ее и называют точкой бифуркации. Иногда говорят о моменте бифуркации, когда параметры проходят эту критическую точку. Они непременны в любой ситуации рождения нового качества и характеризуют рубеж между новым и старым.

Открытие  неустойчивости, непредсказуемости  поведения в простых динамических системах, содержащих не менее трех переменных, в шестидесятые годы совершило  революцию в понимании природы  сложности нашего мира, открыло нам  миры динамического хаоса, странных хаотических аттракторов и фрактальных  структур.

Конструктивные  принципы

Эти принципы организуют предыдущие пять принципов  в самосогласованное кольцо принципов, предъявляя механизмы их сборки и  понимания, а так же сопряжения со средой.

Динамическая  иерархичность (эмерджентность)

Это обобщение  принципа подчинения на процессы становления  — рождение параметров порядка, когда  приходится рассматривать взаимодействие более чем двух уровней. Сам процесс  становления есть процесс исчезновения, а затем рождения одного из них  в процессе взаимодействия минимум  трех иерархических уровней системы, здесь, в отличие от фазы бытия, переменные параметра порядка, напротив, являются самыми быстрыми, неустойчивыми переменными, среди конкурирующих макрофлуктуаций.

Это основной принцип прохождения системой точек  бифуркаций, ее становления, рождения и гибели иерархических уровней. Этот принцип описывает возникновение  нового качества системы по горизонтали, т.е. на одном уровне, когда медленное  изменение управляющих параметров мега-уровня приводит к бифуркации, неустойчивости системы на макро-уровне и перестройке его структуры.

В точке  бифуркации коллективные переменные, параметры порядка макро-уровня возвращают свои степени свободы  в хаос микро уровня, растворяясь в нем. Затем в непосредственном процессе взаимодействия мега- и микро-уровней рождаются новые параметры порядка обновленного макро-уровня.

В фазе становления  побеждает самая быстрая переменная, здесь параметр порядка в отличие  от фазы бытия самый динамичный. Мгновение между прошлым и  будущим в макромире – точка  бифуркации, на микро-уровне является целой эпохой перемен-трансформаций. Именно здесь происходит эволюционный отбор альтернатив развития макро-уровня.