Синергетика как новое миропонимание и метод исследования

 

В современной физике, в частности, в квантовой теории поля, находят свое эмпирическое приложение теоретические конструкции, в которых фиксируется единство потенциальной и актуализированной реальности. Сущность поля в квантовой теории как фундаментального физического объекта составляют виртуальные процессы и виртуальные состояния физических объектов, а также условия их актуализации.

 

Понятие нелинейность начинает использоваться все шире, приобретая мировоззренческий смысл. Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью.

 

Синергетика изучает два типа структур:

 

1) Так называемые диссипативные  структуры, возникающие в процессе  самоорганизации, для осуществления  которых необходим рассеивающий (диссипативный) фактор. Здесь более важна роль стоков. Такие структуры тяготеют к стационарному состоянию, они как бы застывают на стоках. Диссипативные структуры появляются в открытых колебательных системах с сильной внешней подпиткой. Запасенная в них энергия способна высвобождаться в частности при поступлении в систему слабых возбуждений (флуктуаций), а отклик системы на это возбуждение может быть непредсказуемо сильным. Диссипативные структуры «живут» (в системном смысле) за счёт использования отторгнутой энергии внешней среды для собственных нужд.

 

Открытая нелинейная система в ситуации критической неравновесности способна порождать «чудо создания порядка из хаоса», менять сам тип своего поведения. В ней могут формироваться новые динамические состояние, названные И. Пригожиным диссипативными структурами. Если размазывающий процесс диссипации (диффузия, молекулярный хаос) ведет равновесную систему к хаосу, то в неравновесных системах он приводит, напротив, к возникновению новых структур, так как устраняет все нежизненные, неустойчивые состояния. «Диссипативность - фактор «естественного отбора», разрушающий все, что не отвечает тенденциям развития, «молоток скульптора», которым тот отсекает все лишнее от глыбы камня, создавая скульптуру»[2].

 

В диссипативной структуре между частицами устанавливаются дальнодействующие корреляции, меняется тип поведения - частицы начинают вести себя согласованно, когерентно, «как по команде» происходит синхронизация пространственно разделенных процессов. Порядок в синергетике понимается как макроскопическая упорядоченность при сохранении микроскопической молекулярной разупорядоченности, то есть порядок на макроуровне вполне мирно уживается с хаосом на микроуровне.

 

Возникновение диссипативных структур носит пороговый характер. Неравновесная термодинамика связала пороговый характер с неустойчивостью, показав, что новая структура всегда является результатом раскрытия неустойчивости в результате флуктуаций. Флуктуации – движения элементов микроуровня, обычно расцениваемые как случайные и не составляющие интереса для исследователя. Флуктуации бывают внутренние (внутрисистемные) и внешние (микровозмущения среды). В зависимости от своей силы флуктуации, воздействующие на систему, могут иметь совершенно разные для нее последствия. Если флуктуации открытой системы недостаточно сильны, система ответит на них возникновением сильных тенденций возврата к старому состоянию, структуре или поведению. Если флуктуации очень сильны, система может разрушиться. И, наконец, третья возможность заключается в формировании новой диссипативной структуры и изменении состояния, поведения и/или состава системы.

 

Любая из описанных возможностей может реализоваться в так называемой точке бифуркации, вызываемой флуктуациями, в которой система испытывает неустойчивость. Точка бифуркации представляет собой переломный, критический момент в развитии системы, в котором она осуществляет выбор пути; иначе говоря, это точка ветвления вариантов развития, точка, в которой происходит катастрофа. Термином «катастрофа» в концепциях самоорганизации называются качественные, скачкообразные изменения, возникающие при плавном изменении внешних условий. Просканировав флуктуационный фон, система решает, какой тип развития избрать (какую флуктуацию закрепить). Проводя аналогии с психологией, можно сказать, что в точке бифуркации система находится в состоянии импринтной уязвимости, где флуктуация импринтирует («впечатывает») новое направление эволюции.       

 

В середине века Арнольд Тойнби, анализируя исторические судьбы различных цивилизаций, обращал внимание на точки бифуркации, где выбор пути (флуктуации) на несколько веков определял ход развития огромных государств. Ему принадлежит и термин "альтернативная история" для нетрадиционного анализа, имеющего дело не с одной реализовавшейся траекторией цивилизации, государства или этноса, а с полем возможностей. В противовес Тойнби, В.С. Капустин приводит интересную метафору: «Бифуркационный подход в исследовании социокультурных явлений заставляет смотреть на мир не как на своеобразный музей, в котором сохраняется каждый бит информации, а как на процессы постоянно разрушающие старую и генерирующие новую структуру и информацию»[3].

 

Потенциальных траекторий развития системы много и точно предсказать, в какое состояние перейдет система после прохождения точки бифуркации, невозможно, что связано с тем, что влияние среды носит случайный характер. С математической точки зрения, неустойчивость и пороговый характер самоорганизации связаны с нелинейностью уравнений. Как уже было сказано, для линейных уравнений существует одно стационарное состояние, для нелинейных - несколько. Таким образом, пороговый характер самоорганизации связан с переходом из одного стационарного состояния в другое.

 

2) Другой тип структур – нестационарные (эволюционирующие) структуры, возникающие за счет активности нелинейных источников энергии. Здесь структура – это локализованный в определенных участках среды процесс, имеющий определенную геометрическую форму и способный развиваться, трансформироваться или же переноситься в среде с сохранением формы.

 

Подобные структуры изучаются российской синергетической школой. Следует отметить, что фактически эти два типа структур являются различными этапами развития процессов в открытых нелинейных средах.

 

Объектом синергетики являются системы, которые удовлетворяют, по меньшей мере, двум условиям:

·  они должны быть открытыми;

·  они должны быть существенно неравновесными.

 

Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики – это определенная идеализация, в реальности такие системы исключение, а не правило. Сложнее со всей Вселенной в целом: если считать её открытой системой, то что может служить её внешней средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.

 

 

4. Междисциплинарность синергетики

 

Системы, составляющие объект изучения синергетики, могут быть самой различной природы и содержательно и специально изучаться различными науками, например, физикой, химией, биологией, математикой, нейрофизиологией, экономикой, социологией, лингвистикой (перечень наук легко можно было бы продолжить). Каждая из наук изучает «свои» системы своими, только ей присущими, методами и формулирует результаты на «своем» языке. При существующей далеко зашедшей дифференциации науки это приводит к тому, что достижения одной науки зачастую становятся недоступными вниманию и тем более пониманию представителей других наук.

 

В отличие от традиционных областей науки синергетику интересуют общие закономерности эволюции (развития во времени) систем любой природы. Отрешаясь от специфической природы систем, синергетика обретает способность описывать их эволюцию на интернациональном языке, устанавливая своего рода изоморфизм двух явлений, изучаемых специфическими средствами двух различных наук, но имеющих общую модель, или, точнее, приводимых к общей модели. Обнаружение единства модели позволяет синергетике делать достояние одной области науки доступным пониманию представителей совсем другой, быть может, весьма далекой от нее области науки и переносить результаты одной науки на, казалось бы, чужеродную почву.

 

Следует особо подчеркнуть, что синергетика отнюдь не является одной из пограничных наук типа физической химии или математической биологии, возникающих на стыке двух наук (наука, в чью предметную область происходит вторжение, в названии пограничной науки представлена существительным; наука, чьими средствами производится «вторжение», представлена прилагательным; например, математическая биология занимается изучением традиционных объектов биологии математическими методами). По замыслу своего создателя профессора Хакена , синергетика призвана играть роль своего рода метанауки , подмечающей и изучающей общий характер тех закономерностей и зависимостей, которые частные науки считали «своими». Поэтому синергетика возникает не на стыке наук в более или менее широкой или узкой пограничной области, а извлекает представляющие для нее интерес системы из самой сердцевины предметной области частных наук и исследует эти системы, не апеллируя к их природе, своими специфическими средствами, носящими общий («интернациональный») характер по отношению к частным наукам. Физик, биолог, химик и математик видят свой материал, и каждый из них, применяя методы своей науки, обогащает общий запас идей и методов синергетики.

 

Как и всякое научное направление, родившееся во второй половине ХХ века, синергетика возникла не на пустом месте. Ее можно рассматривать как преемницу и продолжательницу многих разделов точного естествознания, в первую очередь (но не только) теории колебаний и качественной теории дифференциальных уравнений. Именно теория колебаний с ее «интернациональным языком», а впоследствии и «нелинейным мышление» (Л.И. Мандельштам) стала для синергетики прототипом науки, занимающейся построением моделей систем различной природы, обслуживающих различные области науки. А качественная теория дифференциальных уравнений, начало которой было положено в трудах Анри Пуанкаре, и выросшая из нее современная общая теория динамических систем вооружила синергетику значительной частью математического аппарата.

 

5. Синергетика относительно  динамических систем

 

Любые объекты окружающего нас мира представляют собой системы, т.е. совокупность составляющих их элементов и связей между ними.

 

Элементы любой системы, в свою очередь, всегда обладают некоторой самостоятельностью поведения. При любой формулировке научной проблемы всегда присутствуют определенные допущения, которые отодвигают за скобки рассмотрения какие-то несущественные параметры отдельных элементов. Однако этот микроуровень самостоятельности элементов системы существует всегда. Поскольку движения элементов на этом уровне обычно не составляют интереса для исследователя, их принято называть «флуктуациями». В нашей обыденной жизни мы также концентрируемся на значительных, информативных событиях, не обращая внимания на малые, незаметные и незначительные процессы.

 

Малый уровень индивидуальных проявлений отдельных элементов позволяет говорить о существовании в системе некоторых механизмов коллективного взаимодействия – обратных связей. Когда коллективное, системное взаимодействие элементов приводит к тому, что те или иные движения составляющих подавляются, следует говорить о наличии отрицательных обратных связей. Собственно говоря, именно отрицательные обратные связи и создают системы, как устойчивые, консервативные, стабильные объединения элементов. Именно отрицательные обратные связи, таким образом, создают и окружающий нас мир, как устойчивую систему устойчивых систем.

 

Стабильность и устойчивость, однако, не являются неизменными. При определенных внешних условиях характер коллективного взаимодействия элементов изменяется радикально. Доминирующую роль начинают играть положительные обратные связи, которые не подавляют, а наоборот – усиливают индивидуальные движения составляющих. Флуктуации, малые движения, незначительные прежде процессы выходят на макроуровень . Это означает, кроме прочего, возникновение новой структуры, нового порядка, новой организации в исходной системе.

 

Момент, когда исходная система теряет структурную устойчивость и качественно перерождается, определяется системными законами, оперирующими такими системными величинами, как энергия, энтропия.

 

Особую роль в мировом эволюционном процессе играет принцип минимума диссипации энергии, т.е.: если допустимо не единственное состояние системы (процесса), а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему (процесс), то реализуется ее состояние, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, или, что то же самое, минимальный рост энтропии." Н.Н.Моисеев, академик РАН.

 

Необходимо отметить, что принцип минимума диссипации (рассеяния) энергии, приведенный выше в изложении академика Моисеева, не признается в качестве универсального естественнонаучного закона. Илья Пригожин , в частности, указал на тип систем, не подчиняющихся этому принципу. С другой стороны, употребление термина «принцип», а не «закон», оставляет возможность уточнения формулировок.

 

Моменты качественного изменения исходной системы называются бифуркациями состояния и описываются соответствующими разделами математики – теория катастроф, нелинейные дифференциальные уравнения и т.д. Круг систем, подверженных такого рода явлениям, оказался настолько широк, что позволил говорить о катастрофах и бифуркациях, как об универсальных свойствах материи.

 

Таким образом, движение материи вообще можно рассматривать, как чередование этапов адаптационного развития и этапов катастрофного поведения. Адаптационное развитие подразумевает изменение параметров системы при сохранении неизменного порядка ее организации. При изменении внешних условий параметрическая адаптация позволяет системе приспособиться к новым ограничениям, накладываемым средой.