Основы синергетики

Новое учение о самоорганизации. Основные понятия и принципы синергетики. Диссипативные структуры. Понятие энтропии. От классической термодинамики к синергетике. Новые идеи об эволюции.

В последние десятилетия возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий мир как единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, появление в 70-х годах ХХ века такого междисциплинарного направления исследований как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность не только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как мир самоорганизующихся процессов. Заслуга синергетики состоит прежде всего в том, что она впервые показала, что процессы самоорганизации могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и другие). Чем сложнее система, тем более высокий уровень имеют в ней процессы самоорганизации.

Синергетика как понятие означает совместное, согласованное, кооперативное действие, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы. По словам ее создателя – немецкого физика Германа Хакена (род. в 1927 г.), занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы – электронов, атомов, молекул, клеток, механических элементов, фотонов, органов животных и даже людей. Это наука о самоорганизации, о превращении хаоса в порядок. Сам Г.Хакен, работавший в лабораториях формы 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 между ними устанавливается когерентное, или согласованное, взаимодействие, которое приводит в конечном итоге к их кооперативному, или коллективному, поведению.

Видный теоретик самоорганизации бельгийский физик и физико-химик И.Р.Пригожин (род. в 1917 г.) пришел к своим идеям из анализа специфических 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.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим требованиям:

1) открытость – обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой (реализуется так называемый процесс метаболизма);

2)существенная неравновесность – при определенных значениях параметров, характеризующих систему, она переходит в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;

3)выход из критического состояния, часто под воздействием малых флуктуаций (случайное отклонение величины от ее среднего значения) осуществляется через скачок, то есть резко, и система переходит в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы, обычно они называются управляющими, вызывают очень сильное изменение состояния системы, ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) около критической точки перехода всего лишь на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело. Такие критические точки, вблизи которых система ведет себя неустойчиво и осуществляет смену режима развития или движения, называют точками бифуркации. Обнаружение феномена бифуркации ввело в физику элемент исторического подхода. Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения как вероятностных представлений, так и классического детерминизма (линейного и однозначного). Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль играют флуктуации, которые и определяют, какой из путей дальнейшего развития выберет система.

Таким образом, теория самоорганизации – синергетика – заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, природы в целом. В этом процессе необходимо выделять две фазы: плавную эволюцию, ход которой достаточно закономерен и жестко детерминирован, и скачки в точках бифуркации, протекающие случайным образом и поэтому случайно определяющие последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке.

Итак, если неравновесная, нелинейная система достаточно удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации в результате взаимодействия со средой будут усиливаться и в конце концов приведут к разрушению прежнего порядка или структуры, а тем самым и к возникновению новой системы. Структуры и системы, возникающие в результате таких процессов, И.Р. Пригожин назвал диссипативными, поскольку они образуются за счет диссипации, или рассеивания, энергии, использованной системой, и получения из окружающей среды новой, свежей энергии.

Другой видный исследователь в области самоорганизации немецкий ученый М.Эйген (род. в 1927 г.) убедительно доказал, что открытый Ч.Дарвином принцип отбора продолжает сохранять свое значение и на микроуровне. Поэтому он имел все основания утверждать, что генезис жизни есть результат процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора, в котором адаптация оптимизируется самими структурами.

В начале 1960-х гг. Е.Лоренц, изучая компьютерные модели предсказания погоды, пришел к важному открытию, что уравнения, описывающие метеопроцессы, при почти тех же самых начальных условиях приводят к совершенно разным результатам. А это свидетельствовало о том, что детерминистская система уравнений обнаруживает хаотическое поведение. Отсюда был сделан вывод, что хаос также характеризуется определенным порядком, который, однако, имеет более сложный характер. Его можно рассматривать как вид регулярной нерегулярности.

Чтобы разобраться в современном понимании феномена хаоса и в происшедших с этим понятием за последнее время изменениях, необходимо вернуться в науку ХУП- Х1Х вв., когда доминировала механистическая парадигма. В ней все процессы пытались объяснить путем сведения их к законам механического движения материальных частиц. Предполагалось, что эти частицы могут двигаться, не взаимодействуя друг с другом, а самое главное – их положение и скорость движения будут точно и однозначно определенными в любой момент в прошлом, настоящем и будущем, если заданы их начальное положение и скорость. Следовательно, в таком механическом описании время не играет никакой роли и поэтому его знак можно менять на обратный. Вследствие этого подобные процессы стали обратимыми. В некоторых случаях, когда речь идет о немногих и относительно изолированных друг от друга телах и системах, такой абстрактный подход может оказаться целесообразным и полезным. Однако в большинстве реальных случаев приходится учитывать изменение систем во времени, то есть иметь дело с необратимыми процессами.

Впервые такие процессы стали изучаться в термодинамике, которая начала исследовать принципиально отличные от механических тепловые явления. Тепло передается от нагретого тела к холодному, а не наоборот. С течением времени оно равномерно распределяется в теле или окружающем пространстве. Все эти простейшие явления нельзя было описывать без учета фактора времени. На такой феноменологической основе были сформулированы исходные начала или законы классической термодинамики, среди которых важнейшую роль играет закон энтропии. Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы. Поэтому в отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозначить свободную энергию через F, энтропию – S, то полная энергия системы Е будет равна Е = F + SТ, где Т – абсолютная температура по Кельвину.

Согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе постоянно возрастает и в конечном счете стремится к своему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы, а тем самым и о времени ее изменения. Так впервые в физическую науку были введены понятия времени и эволюции, связанные с изменением систем. Но понятие эволюции в классической термодинамике рассматривается совсем иначе, чем в общепринятом смысле. Это стало вполне очевидным после того, когда немецкий ученый Л.Больцман (1844 – 1906 гг.) стал интерпретировать энтропию как меру беспорядка (хаоса) в системе.

Таким образом, второй закон термодинамики можно было теперь сформулировать так: замкнутая система, предоставленная самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации. Хотя чисто формально дезорганизацию можно рассматривать как самоорганизацию с отрицательным знаком или самодезорганизацию, тем не менее такой взгляд ничего общего не имеет с содержательной интерпретацией самоорганизации как процесса становления качественно нового, более высокого уровня развития системы. Но для этого необходимо было отказаться от таких далеко идущих абстракций, как изолированная система и равновесное состояние.

Между тем классическая термодинамика именно на них как раз и опиралась и поэтому рассматривала, например, частично открытые системы или находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия как вырожденные случаи изолированных равновесных систем. Очевидно, что для объяснения процессов самоорганизации необходимо было ввести новые понятия и принципы, которые бы адекватно описывали реальные процессы самоорганизации, происходящие в природе и обществе.

Наиболее фундаментальным из таких вновь введенных понятий, как уже отмечалось выше, стало понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или даже уменьшаться. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между элементами системы, то есть прежняя структура, разрушается. Между элементами системы возникают новые когерентные, или согласованные, отношения, которые приводят к кооперативным процессам. Так, схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах, которые связаны с диссипацией, или рассеянием, энтропии в окружающую среду.

Существуют также случаи самоорганизации иного типа, в которых переход к новым структурам не связан с диссипацией. Например, увеличивая напор воды путем открытия водопроводного крана, мы можем наблюдать переход от плавного ламинарного течения жидкости к бурному турбулентному. Иногда наблюдаются даже случаи, когда возникновение новых структур происходит за счет увеличения энтропии самой системы. Так происходит, например, процесс образования кристаллов из жидкости, снежных хлопьев и биологических мембран.

И.Пригожин настаивает на необходимости нового диалога человека с природой. Собственно, по его мнению, этот диалог уже идет и прежде всего в результате изучения механизмов эволюции неживых систем в рамках новой науки – синергетики. «Установившееся в результате ее (науки) успехов, ставшее для европейцев традиционным видение мира – взгляд со стороны. Человек ставит опыты, ищет объяснение их результатам, но сам себя частью изучаемой природы не считает. Он – вне ее, выше. Теперь же начинают изучать природу изнутри, учитывать и наше личное присутствие во Вселенной, принимать во внимание наши чувства и эмоции» (Пригожин И. Краткий миг торжества. М., 1996.С.315). И далее, говоря о сути синергетического взгляда на мир, пишет: «Будущее при нашем подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всеведения. 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 изменяющимся и непредсказуемым подлунным миром, к которому принадлежит и наша Земля. В определенном смысле классическая наука была низведением на Землю аристотелевского описания небес. Преобразование, свидетелями которого мы являемся сегодня, можно рассматривать как обращение аристотелевского хода; ныне мы возвращаемся с Земли на небо» (Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994.С. 20).

Итак, синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика вывела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для макроскопического уровня. Синергетика подтверждает вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались те макросистемы, в которых мы живем.

С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, но энергия сейчас может пониматься не только в смысле механической работы, но и как созидатель новых структур. Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества. Она характеризует результат. Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. И, наконец, синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации.

В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее распространение не только в естествознании, но и в социально-гуманитарном познании. Поскольку большинство наук изучают процессы эволюции систем, они вынуждены анализировать и механизмы их самоорганизации.

Литература

1.Хакен Г. Синергетика М., 1980.

2.Пригожин И.Д. От существующего к возникающему. М., 1985.

3.Пригожин И., Стенгерс И. Порядок их хаоса. М., 1986.

4.Климонтович М.Л. Без формул к синергетике. Минск., 1986.

5.Арнольд А.И. Теория катастроф. М., 1990.

6.Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.

7.Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М., 1994.

8.Пригожин И., Стенгерс,. Время, хаос, квант. М., 1994.

9.Штеренберг М.И. Синергетика и биология Вопросы философии.1999. № 2.

10.Бранский В.П. Теоретические основания социальной синергетики// Вопросы философии.2000.№ 2.