Синергетика - наука о процессах самоорганизации сложных систем

 

 

СИНЕРГЕТИКА – НАУКА О ПРОЦЕССАХ САМООРГАНИЗАЦИИ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

Введение…………………………………………………………….…..….....2

 

1. Формирование идей самоорганизации…………………………….…......3

2. Самоорганизация как основа  эволюции……………………….………....7

3. Исследования особенностей эволюции в     синергетике . ..…………...12

Заключение……………………………………………………………..…….18

Список использованной литературы………………………………….…….20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

введение

 

 Известно, что существует гармония хаоса и порядка в природе. определяющую роль  в осмыслении физической картины мира играет эквивалентность энергии количеству информации по всем видам взаимодействия. Все количественные и качественные соотношения описываются информационно-статистической симметрией между хаосом и порядком. Гармоническая связь хаоса и порядка может быть обнаружена на основе физико-математических моделей.

Общие закономерности природы просты,  а потому познаваемы, а частные – неисчерпаемо сложны, и поэтому процесс познания конкретных свойств природы бесконечен.  К непознанным закономерностям относятся условия самодвижения материи, ее самоорганизации , и ее саморазрушения.

Ранние подходы к изучению самоорганизации в отдельных науках ясно обозначились еще в ХVIII в. Они связаны прежде всего с деятельностью основоположника классической политической экономии Адама Смита (1723 - 1790), который в своем главном труде “Исследование о природе и причинах богатства народов” ясно выразил идею о том, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей и интересов многочисленных его участников.

Именно такое взаимодействие приводит к установлению того никем не предусмотренного и незапланированного порядка на рынке, который выражается в равновесии спроса и предложения.

Важно при этом обратить внимание на то, что идеи самоорганизации, самосовершенствования и улучшения деятельности социальных систем и общественных учреждений упомянутые ученые связывают с эволюционными процессами, которые происходят в жизнедеятельности людей.

Эволюционная теория Дарвина послужила мощным толчком для развертывания исследований о механизмах развития различных природных и социальных систем.

Если физические и химические методы исследования многое дали для анализа структуры и функционирования живых систем, то эволюционная концепция биологии заставила физиков и химиков по-новому взглянуть на объекты своих исследований и природу в целом.

Резкое противоречие между биологической и физической эволюцией удалось разрешить только после того, когда физика обратилась к понятию открытой системы, т. е. системы, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

При определенных условиях в открытых системах могут возникнуть процессы самоорганизации в результате получения новой энергии и вещества извне и диссипации, или рассеяния, использованной в системе энергии.

Таким образом, было установлено, что ключ к пониманию процессов самоорганизации содержится в исследовании процессов взаимодействия системы с окружающей средой.

К установлению общего взгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли разными путями.

Целью данной работы является рассмотрение теоретических вопросов науки о процессах самоорганизации сложных систем.

 

1. Формирование идей самоорганизации

 

Автор самого термина “синергетика” немецкий физик Герман Хакен, работавший в лабораториях фирмы Белла над новыми источниками света, исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердотельном лазере.

 Он выяснил, что частицы, составляющие активную  среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе.

В результате этого между ними устанавливается когерентное, или согласованное, взаимодействие, которое приводит в конечном итоге к их кооперативному, или коллективному, поведению.

Однако в первое время, по его собственному признанию, он ясно не понимал, что подобные процессы могут происходить и в других системах, а лазер - лишь один из типичных их представителей.

Видный теоретик самоорганизации И. Р. Пригожин пришел к своим идеям из анализа специфически химических реакций, которые приводят к образованию определенных пространственных структур с течением времени при изменении концентрации реагирующих веществ.

Вместе со своими сотрудниками он построил математическую модель таких реакций, которые впервые экспериментально были изучены нашими отечественными учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским.

Другой видный теоретик самоорганизации немецкий ученый М. Эйген убедительно доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора продолжает сохранять свое значение и на микроуровне.1

Поэтому он имел все основания утверждать, что генезис жизни есть результат процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне.

Предпосылками для осуществления такой самоорганизации макромолекул являются взаимодействие системы со средой или открытость для обмена веществом и энергией, автокатализ, мутации и естественный отбор.

И кибернетика и позднее возникшая синергетика развиваются в русле общего системного движения науки, исследуя такие важнейшие аспекты систем, как их динамическая устойчивость, самоорганизация и организация и особенно механизм возникновения новых системных качеств.

В синергетике в противоположность кибернетике исследуются механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранения или поддержания старых форм.

Именно поэтому она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения, возникшие в системе, не подавляются или корректируются, а, наоборот, постепенно накапливаются и в конце концов приводят к разрушению старой и возникновению новой системы.

Для характеристики самоорганизующихся процессов в литературе употребляются разные термины, начиная от синергетических и кончая нелинейными неравновесными системами или даже системами автопоэтическими или самообновляющимися.

Но в целом все они выражают одну и ту же идею, так речь в них идет о сложноорганизованных системах, являющихся системами открытыми, находящимися вдали от точки термодинамического равновесия.

 

2. Самоорганизация как основа эволюции

 

Несмотря на то, что идеи эволюции, начиная от космогонической гипотезы Канта - Лапласа и кончая эволюционной теорией Дарвина, получили широкое признание в науке, тем не менее они формулировались скорее в интуитивных, чем теоретических терминах.

Поэтому в них трудно было выявить тот общий механизм, посредством которого осуществляется эволюция.

Как отмечалось выше, главным препятствием здесь служило резкое противопоставление живых систем - неживым, общественных - природным.

В основе такого противопоставления лежали слишком абстрактные, а потому неадекватные понятия и принципы классической термодинамики об изолированных и равновесных системах.

Именно поэтому эволюция физических систем связывалась с их дезорганизацией, что противоречило общепринятым в биологических и социальных науках представления об эволюции.

Чтобы разрешить возникшее глубокое противоречие между классической термодинамической эволюцией, с одной стороны, и эволюцией биологической и социальной, с другой, - физики вынуждены были отказаться от упрощенных понятий и схем и вместо них ввести понятие об открытых системах и необратимых процессах. Благодаря этому оказалось возможным развить новую нелинейную и неравновесную термодинамику необратимых процессов, которая стала основой современной концепции самоорганизации.

Отличия неравновесной структуры от равновесной заключается в следующем:2

1. Система реагирует  на внешние условия (гравитационное  поле и т. п.).

2. Поведение случайно  и не зависит от начальных  условий, но зависит от предыстории.

3. Приток энергии  создает в системе порядок, и стало быть энтропия ее уменьшается.

4. Наличие бифуркации - переломной точки в развитии  системы.

5. Когерентность: система ведет себя как единое  целое и как если бы она  была вместилищем дальнодействующих  сил (такая гипотеза присутствует в физике).

 Несмотря  на то, что силы молекулярного  взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10 -8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была “информирована” о состоянии системы в целом.

Будучи представлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне, система стремится к состоянию равновесия - наиболее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной нулю. Пример равновесной структуры - кристалл.

К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых. Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.

 

3. Исследования особенностей эволюции в синергетике

 

Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике.

“Модели, рассмотрением которых занималась классическая физика, соответствуют, как мы сейчас понимаем, лишь предельным ситуациям. Их можно создать искусственно, поместив систему в ящик и подождав, пока она не придет в состояние равновесия. Искусственное может быть детерминированным и обратимым. Естественное же непременно содержит элементы случайности и необратимости...

Материя - более не пассивная субстанция, описываемая в рамках механистической картины мира, ей также свойственна спонтанная активность”  “Если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые хаотические системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущим”3, т. е. “стрелу времени”.

“Будущее при нашем подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всевидения.

 Мир процессов, в котором мы живем и который является частью нас, не может более отвергаться как видимость или иллюзия, определяемая нашим ограниченным способом наблюдения.   На заре западного мира Аристотель ввел фундаментальное различие между божественным и вечным небесным миром и изменяющимися и непредсказуемым подлунным миром, к которому принадлежит и наша Земля.

 В определенном  смысле классическая наука была  низведением на Землю аристотельского  описания небес. Преобразование, свидетелями которого мы являемся сегодня, можно рассматривать как обращение аристотельского хода; ныне мы возвращаемся с Земли на небо”...4

 Эволюция  должна удовлетворять трем требованиям:

1. Необратимость, выражающаяся в нарушении симметрии  между прошлым и будущим;

2. Необходимость  введения понятия “событие”;

3. Некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.

Условия формирования новых структур: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуаций.

Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости.

Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуаций, зависит порог устойчивости системы.

Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти к новой области устойчивости, т. е. к образованию нового вещества.

Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, который резко изменит все ее поведение. Это и есть событие.

В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм - и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.

По мнению Пригожина и Стенгерс, большинство систем открыты - они обмениваются энергией или веществом или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравномерность, т. е. системы непрестанно флуктуируют.

В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который они назвали диссипативной структурой.