Характеристика синергетики как новой отрасли науки

Большинство реальных процессов в природе носит необратимый характер, и фактор времени играет существенную роль для их описания. Однако долгое время в естественных науках изучались только обратимые процессы. В классической механике достаточно было задать систему координат и скорость движущегося тела, для того чтобы определить характер его движения. С помощью математических вычислений, зная начальные условия, можно было определить положение тела в любой момент, как в прошлом, так и в настоящем или будущем.

Впервые фактор времени был учтен в физике при описании тепловых процессов в термодинамике. В науку было введено понятие энтропии – меры беспорядка в системе. Однако понимание необратимости процессов в термодинамике, связанных с повышением энтропии, дезорганизацией и разрушением системы, конфликтовало с явлениями самоорганизации и усложнения систем, которые наблюдались в живой природе. Эволюция живых систем вопреки законам возрастания энтропии наоборот приводила к их усложнению и повышению степени самоорганизации. Конфликт физических и биологических представлений удалось разрешить после того, как наука обратилась к понятию открытой системы. В закрытых системах, которые рассматривались классической физикой в качестве естественных, не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. В замкнутых системах вектор протекания процессов направлен от упорядоченности через равновесие к хаосу. Такие системы стремятся к состоянию максимальной неупорядоченности. Основными характеристиками процессов в замкнутых системах являются равновесность и линейность.

Открытые системы, напротив, обмениваются энергией, веществом и информацией с внешним миром. В таких системах при определенных условиях могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, повышающие степень самоорганизации системы. Ключ к пониманию процессов самоорганизации был найден в представлении о взаимодействии системы с окружающей средой. Основными характеристиками процессов в открытых системах являются неравновесность и нелинейность [1].

Изучением открытых неравновесных систем занимается синергетика. Синергетика возникла на стыке физики и химии в 70-е гг. XX в., а затем приобрела статус междисциплинарного подхода. Термин «синергетика» происходит от греч. Sinergia – сотрудничество, совместное действие.

Большой вклад в становление новой отрасли науки внесли такие ученые, как немецкий физик, профессор Штутгартского университета Г. Хакен (он и ввел в научный обиход термин «синергетика»), бельгийский физико-химик русского происхождения, профессор Брюссельского университета И. Пригожин, химик-экспериментатор Н. П. Белоусов (Институт биофизики Министерства здравоохранения СССР), биофизик А. М. Жаботинский (Институт биофизики АН СССР).

Синергетика так же, как кибернетика, изучает системы с обратной связью. Однако в отличие от кибернетики, изучающей динамическое равновесие в самоорганизующихся системах, синергетика исследует механизмы возникновения новых структур за счет разрушения старых, а не процессы стабилизации. Синергетические системы функционируют в соответствии с принципом положительной обратной связи. Синергетика является наиболее общей на данный момент теорией самоорганизации и изучает закономерности этих явлений во всех типах материальных систем. Синергетика претендует на открытие универсальных механизмов самоорганизации, как в живой, так и в неживой природе.

Исходным принципом синергетической концепции является различие процессов в открытых и закрытых системах. Синергетика в качестве предмета изучения выбирает открытые системы. По мнению ее создателей, именно открытые системы являются универсальными, а протекающие в них процессы способствуют самоорганизации мира.

Опираясь на это знание, синергетика предлагает следующее объяснение механизма возникновения порядка из хаоса. Пока система находится в состоянии термодинамического равновесия, все ее элементы ведут себя независимо друг от друга и на создание упорядоченных структур неспособны. В какой-то момент поведение открытой системы становится неоднозначным. Та точка, в которой проявляется неоднозначность процессов, называется точкой бифуркаций (разветвления). В точке бифуркации изменяется роль внешних для системы влияний: ничтожно малое воздействие приводит к значительным и даже непредсказуемым последствиям. Между системой и средой устанавливается отношение положительной обратной связи, т. е. система начинает влиять на окружающую среду таким образом, что формирует условия, способствующие изменениям в ней самой. Таким образом, система противостоит разрушительным влияниям среды, меняя условия своего существования.

Под влиянием энергетических взаимодействий с окружающей средой в открытых системах возникают так называемые эффекты согласования и кооперации, когда различные элементы начинают действовать в унисон. Такое согласованное поведение синергетика называет когерентным. Как следствие происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса новых структур. После возникновения новая структура, называемая диссипативной, включается в дальнейший процесс самоорганизации материи. Диссипативные структуры возникают за счет рассеяния (диссипации) энергии, использованной системой, и получения новой энергии из окружающей среды. Диссипативная структура как бы извлекает порядок из окружающей среды, повышая собственную внутреннюю упорядоченность и увеличивая хаос и беспорядок во внешнем мире.

Таким образом, внешние взаимодействия оказываются фактором внутренней самоорганизации систем, которые в свою очередь способствуют самоорганизации других систем и т. д. Взаимодействие системы со средой оказывается существенным условием ее эволюции. Процессы самоорганизации характеризуются нелинейностью, наличием обратных связей, открывающих большие возможности управляющего воздействия.

Синергетика ведет к важному гносеологическому выводу, а именно: надо раз и навсегда расстаться с мечтами о каком-то идеально эффективном понятийном аппарате, который позволил бы точно описывать строение больших систем во всех деталях. Можно сказать, что современная наука уже достигла некоего идеала в своем извечном стремлении понять природу такой, какая она есть. Сама природа ничего не просчитывает до последней детали. Поняв это и приняв к сведению, наука становится в чем-то самом главном уже заодно с природой. Теория динамического хаоса показала, что поведение даже простых систем может быть неупорядоченным. Дальше оказалось, что и сложные самоорганизующиеся системы должны вести себя достаточно неупорядоченно. Это открытие означало большой шаг на пути органичного синтеза теории диссипативных структур и теории динамического хаоса как основных направлений синергетики [3].

Большинство исследователей считает, что синергетика представляет собой особого рода «симбиоз» идей неклассической физики, кибернетики и системного подхода о происхождении, становлении и преобразовании нелинейных системных образований. Не случайно синергетический подход определяется ими как постнеклассическое междисциплинарное направление исследований открытых неравновесных и нелинейных систем с целью изучения процессов – самоорганизации и саморазвития социальных и природных явлений.

Известный российский философ Е. Н. Князева обращает внимание на своеобразие этого научного направления, которое заключается в том, что синергетика не только синтезирует фрагменты обыденного и научного знания, но и связывает эпохи – древность с современными достижениями науки, и даже принципиально различные, восточный и западный, способы мышления и восприятия. От Востока синергетика воспринимает и развивает идеи целостности, цикличности, единого пути, которому следует мир в целом и человек в нем; от Запада – опору на анализ, эксперимент, общезначимость научных выводов, их транслируемость от одной научной школы к другой, от науки к обществу. Исходя из специфических особенностей нового направления исследований, Е. Н. Князева и другие ученые склонны считать синергетику скорее подходом к пониманию развития открытых нелинейных систем и особым современным стилем мышления.

В дальнейшем синергетические программы стали включать в качестве объектов изучения социальные явления, тем самым ученые стремились выявить общие принципы и закономерности процессов самоорганизации и саморазвития в системах самой разной природы. Постепенно идеи синергетики проникают в педагогическую науку и практику, формируя новые представления о механизмах функционирования и развития таких самоорганизующихся и саморазвивающихся систем, как личность ребенка и учителя, как ученический коллектив и сообщество педагогов, как учреждение образования и его окружающая среда.

Основные понятия и принципы синергетического подхода

Основными понятиями синергетики являются «самоорганизация», «открытость», «нелинейность», «неравновесность», «бифуркация», «флуктуация», «диссипативные структуры», «аттрактор». Они редко используются в педагогической литературе и чтобы точнее понимать их содержание используем небольшой словарь педа­гога-воспитателя по данной проблеме:

– самоорганизация – это процесс или совокупность про­цессов, происходящих в системе, способствующих поддержанию ее оптимального функционирования, содействующих самодостраиванию, самовосстановлению и самоизменению данного системного образования;

– открытость – это свойство системы, обусловленное наличием у нее коммуникационных каналов с внешней средой для обмена веществом, энергией и информацией;

– нелинейность – это наличие у системы множества вариантов, в том числе и альтернативных, возможных путей развития и способов ответных реакций системы на воздействия извне;

– неравновесность — это качество системы, находящейся вдали от состояния равновесия;

– бифуркация (в переводе с латинского языка означает «раздвоение») – это ветвление путей эволюции (развития) открытой нелинейной системы;

– флуктуация (в переводе с латинского языка означает «колебание») – это случайное отклонение (изменение) величин, характеризующих систему, от их средних значений, ведущее при определенных условиях к образованию новой структуры и системного качества, т. е. к возникновению новой системы;

– диссипативные структуры (понятие введено И. Пригожиным) – это новые структуры, возникающие в системе при удалении ее от состояния равновесия и рассеивании свободной энергии;

– аттрактор (близко к понятию «цель») – это относительно конечное, устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает к себе все множество «траекторий» движения (развития) системного объекта.

Роль принциповв данном подходе выполняют паттерны (образцы) синергетического мышления. Опираясь на публикации известных ученых-синергетиков, обозначим те паттерны, которые содержат в себе новое знание о самоорганизации и саморазвитии открытых нелинейных систем и позволяют обогатить наши представления о педагогических явлениях и процессах. К числу таких паттернов относятся следующие:

1. Практически все существующие системы являются нелинейными и открытыми и, следовательно, их функционирование и развитие строится на основе механизмов и процессов самоорганизации и саморазвития.

Для возникновения и протекания процессов самоорганизации и саморазвития служат предпосылками: а) способность системы обмениваться со средой энергией, веществом и информацией; б) достаточная удаленность системы от точки равновесия; в) неравновесность системы, вследствие чего усиление флуктуации может привести к дезорганизации прежней структуры.

2. Хаос выполняет конструктивную роль в процессах самоорганизации: с одной стороны, он разрушителен, так как хаотические малые флуктуации в определенных условиях приводят к разрушению сложных систем; с другой – он созидателен, так как лежит в основе механизма объединения простых структур в сложные, согласования темпов их эволюции, вывода системы на аттрактор развития. Разрушая, хаос строит, а строя, он приводит к разрушению.

3. Для жизнедеятельности саморегулирующихся систем важное значение имеют не только устойчивость и необходимость, но и неустойчивость и случайность. «Процесс самоорганизации, – отмечает Г. И. Рузавин, – происходит в результате взаимодействия случайности и необходимости и всегда связан с переходом от неустойчивости к устойчивости. Хотя устойчивость, стабильность, равновесие представляют собой необходимые условия для существования и функционирования вполне определенной, конкретной системы, тем не менее переход к новой системе и развитие в целом невозможны без ликвидации равновесия, устойчивости и однородности. Новый порядок и динамическая структура возникают благодаря усилению флуктуации...» [2, 144]

4. Новое появляется в результате бифуркаций как непредсказуемое, и в то же время новое «запрограммировано» в виде спектра возможных путей развития, спектра относительно устойчивых структур – аттракторов эволюции.

5. Системе нельзя навязывать то, что вступает в противоречие с ее внутренним содержанием и логикой развертывания ее внутренних процессов. Эффективное управление системой возможно при осознании тенденций ее развития и резонансного воздействия на систему и ее компоненты, при котором внешнее влияние согласуется с внутренними свойствами системы.

6. Замкнутость системы способна рождать такой тип устойчивости, который может препятствовать ее развитию или даже привести к эволюционному тупику [2].

Итак, синергетический подход – это методологическая ориентация в познавательной и практической деятельности, предполагающая применение совокупности идей, понятий и методов в исследовании и управлении открытыми нелинейными самоорганизующимися системами.