Саморазвивающиеся синергетические системы и стратегия научного поиска.

Для анализа процессов эволюции сложных систем, в том числе исторически развивающихся и глобальных, нам необходимо обратиться к рассмотрению такого нового междисциплинарного на­правления исследований, которое получило название синергетики.

Автор самого термина «синергетика» (от греч. synergeticos — со­вместно действующий) немецкий физик Г. Хакен в предисловии к первому изданию своей книги писал: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахожде­ния общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходи­мо кооперирование многих различных дисциплин»'.

Синергетику теперь стали рассматривать как парадигму иссле­дования сложноорганизованных систем, которая находит широкое применение не только в естественных и технических науках, но все активнее вторгается в социально-экономическое и гуманитарное знание. Прогресс в познании сложных систем способствовал пре­одолению противопоставления простого и сложного, пониманию их относительности, а самое главное — раскрытию роли сложноорга­низованных процессов в ходе эволюции и развития систем неорга­нического, органического и социального мира.

Синергетика – теория самообразования и развития свободных природных открытых сложных систем. Для того чтобы отразить наблюдаемые закономерности сложных систем используются применяемые в синергетике такие понятия как диссипативная структура, бифуркация, флюктуация, хаотичность, странные аттракторы, нелинейность, неопределенность, необратимость и т.д. Синергетика взаимодействует с системами сложного строения, образованными посредством хаотичных связей стоящих на различных уровнях развития. На такие системы можно смотреть как «эволюционное целое».

Г.Хакен так описывает ключевые положения синергетики систем: синергетические системы состоят из несклонных или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействие друг с другом. Синергетические системы являются нелинейными; синергетические системы, которые изучаются в физике, химии и биологии как открытие системы находятся далеко от состояния теплового равновесия; синергетические системы подвержены внутренним и внешним колебаниям; так как синергетические системы открытие могут стать нестабильными; в синергетических системах обнаруживаются эмерджентные новые качества; в синергетических системах возникают пространственные, временные или функциональные структуры; новые структуры которые возникают в синергетических структурах могут быть упорядоченными или хаотичными.

Синергетика раскрывает внутренний взаимосвязь порядка и хаоса. До возникновении синергетики думали, что хаос есть хаос, он никак не может превратиться в порядок. Но, Хакен открыв закономерности открытых систем, тем самым доказал, что системный фактор состоит не в хаотичности, а в динамике, в взаимодействии. Хаос тоже динамична как и порядок. А это доказывает, что хаос вовсе не находятся в отрыве от порядка, в хаосе рождаются порядок, упорядоченность. Таким образом, если в классическом естествознании хаос играл чисто негативную роль, являясь символом дезорганизации, неструктурности и разрушения порядка, то в синергетике он выпускает в качестве конструктивного фактора. Так как с одной стороны, из хаоса или беспорядка возникает порядок, а с другой стороны – сам хаос представляет собой сложную форму упорядоченности.

Таким образом, синергетика изучает развивающуюся закономерность образования сложных структур от более простых структур. В этом случае синергетика исходит из принципа о том, что объединение структур не может быть заменено простой сборной операцией, здесь целое уже не совокупность ее частей, не больше и не меньше их, это целое просто новое качественное состояние.

Один из основоположников синергетики Г.Хакен выдвинул такой вопрос: какие общие особенности можно обнаружить в развитии различных природных и социальных систем? И он так отвечал на свой вопрос: общее – само по себе создание структуры; качественные изменения, происходящие на макроскопическом уровне; появление нового качества посредством эмерджентного способа; процесс самообразования, который встречается в открытых системах. По мнению Хакена, синергетический взгляд отличается от традиционного взгляда переходом от оценки простых систем к изучению сложных систем; от оценки закрытых систем к изучению открытых систем; от оценки линейных систем к изучению нелинейных систем; от оценки равновесия процессов к изучению их делокализации и нестабильности.

Несмотря на то, что зарождение синергетики связано с именами Г.Хакена, И.Пригожина и других на формирование ее основных идей, большое влияние оказали также диалектика Шеллинга, Гегеля, Маркса. Несмотря на то, что многие об этом умалчивают, один из основоположников синергетики И.ПРигожин, признавая это, писал, что «природа подтверждает существование иерархии в философии, когда каждый уровень требует предшествующий ему уровень». Согласно этому Пригожин однозначно отмечает, что идея истории природы, как составная часть материализма, принадлежала К.Марксу, была всесторонне развита Ф.Энгельсом.

Несмотря на признание Пригожина, часть современных ученых не видя связи между диалектикой и синергетикой, предполагала, что диалектика прекратила свое существование и поэтому ее нужно заменить синергетикой. Однако с такой идеей, конечно, нельзя согласиться, так как в довершение того, что существует общая теория развития и универсальный познавательный метод, диалектика – одно из больших достижений мировой философской мысли, им и останется.

Значительный импульс исследованию процессов самоорганиза­ции в наше время придало возникновение кибернетики, которая обобщила принцип отрицательной обратной связи. Благодаря этому удалось объяснить существование устойчивых динамических систем, явления гомеостаза, существование на рынке спонтанного порядка, выражающегося в установлении равновесия между спросом и пред­ложением и многие другие процессы, опирающиеся на принцип со­хранения динамического равновесия. Однако этот принцип объяс­няет лишь сохранение и поддержание устойчивости динамических систем, но не раскрывает, каким образом такая устойчивость и по­рядок возникают.

Между тем подлинная самоорганизация по самому смыслу этого термина означает именно изменение прежней организации, поряд­ка или структуры и появление нового порядка и структуры в ре­зультате изменения взаимодействия между элементами системы. Точнее говоря, причины такого изменения поведения элементов системы, их самоорганизации следует искать в процессе взаимодей­ствия элементов системы с внешней средой. Но большинство авто­матов и технических устройств, сконструированных в кибернетике, опираются, по сути дела, на внешнюю организацию, то есть «само­организация» в них заранее запланирована и организована челове­ком-конструктором. В отличие от этого самоорганизация и, осно­ванная на ней эволюция в живой природе и обществе, отнюдь не сводятся к сохранению динамического равновесия. Именно это глубокое различие между неживой и живой природой долгое время оставалось неразрешимым противоречием между классической тер­модинамикой и эволюционным учением Ч. Дарвина.

Важнейшая заслуга синергетики состоит в том, что она впервые сумела приблизиться к разрешению этого противоречия. Она экс­периментально и теоретически доказала, что самоорганизация при наличии вполне определенных условий может происходить уже в простейших физико-химических, и других системах неорганической природы.

К формулировке основной идеи новой парадигмы самооргани­зации разные ученые подходили, опираясь на свои конкретные ис­следования в разных областях науки. Исследования Г. Хакеном ме­ханизма работы лазеров, начатые в 1960 г., убедили его в том, что в них процесс самоорганизации начинается с возникновения коге­рентного, кооперативного движения молекул или атомов, образую­щих активную среду лазера. Поэтому в своем определении синерге­тики он подчеркивает именно кооперативныйхарактер процессов самоорганизации. Как признается он сам, в то время он решал ча­стную проблему и не пытался распространить полученные выводы на другие самоорганизующиеся системы.

Другое направление исследований было связано с изучением кинетики химических реакций в рамках теории необратимых про­цессов неравновесной термодинамики. Как показали эксперименты отечественных ученых Б.П. Белоусова и A.M. Жаботинского, в фи­зико-химических системах в процессе самоорганизации к энергети­ческому обмену добавляется обмен веществами, участвующими в химической реакции. Кроме того, для поддержания и ускорения процесса самоорганизации здесь применяются различные виды ката­лиза. В математической модели, описывающей эти эксперименты, известный бельгийский ученый И. Пригожий, русский по происхо­ждению, подчеркивает особое значение именно неравновесности и удаленности системы от точки термодинамического равновесия, как исходных условий для начала ее самоорганизации. Системы и струк­туры такого рода он называет диссипативными именно потому, что они возникают за счет диссипации, или рассеяния, в окружающую среду использованной, деградированной энергии и вещества. Взамен этого система получает из окружающей среды свежее вещество или энергию. Поскольку диссипация энергии ассоциируется с выведени­ем беспорядка в среду, а получение новой энергии — с приобретени­ем порядка, то вслед за Э. Шредингером взаимодействие между системой и ее средой стали рассматривать как обмен беспорядка на порядок. Вместе со своими сотрудниками И. Пригожий значитель­но продвинул разработку теории самоорганизующихся физико-химических процессов, за что был удостоен Нобелевской премии по химии за 1977 г.

В эти же годы Э. Лоренц, разрабатывая глобальную компьютер­ную модель для предсказания погоды, пришел к удивительному от­крытию. Используя ту же самую систему уравнений, с почти оди­наковыми начальными условиями, он обнаружил, что они приводят к разным результатам. Детерминистическая система уравнений ока­зывалась «чувствительной» к начальным условиям и ее «поведение» оказывалось хаотическим. Но этот хаос обладал сложным, внутрен­ним порядком или регулярностью, так что понятия порядка и регу­лярности, с одной стороны, и беспорядка и иррегулярности, с дру­гой, оказывались относительными. Их нельзя было, поэтому проти­вопоставлять друг другу в абсолютном смысле. Хаос оказывался специфической системой, обладающей весьма сложным порядком.

Осознание общности и аналогии этих конкретных процессов, как процессов самоорганизации в сложных системах, появилось во второй половине 70-х годов XX в. Еще раньше было замечено, что вопреки различию отдельных подходов, исследователи пользовались при этом аналогичным математическим аппаратом, сходными, хотя и разными по названию понятиями и принципами. Признание общ­ности и единства, разных по своей природе самоорганизующихся процессов постепенно привело ученых к необходимости создания междисциплинарного направления своих исследований.

Синергетический анализ сложноорганизованных систем.

Важней­шим условием возникновения самоорганизации является наличие открытой системы, которое противоположно понятию закрытой системы классической термодинамики. Одно из первых определе­ний этого понятия принадлежит выдающемуся австрийскому физи­ку Э. Шредингеру, который сформулировал его в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?». В ней он подчеркнул, что характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. Средство, при помо­щи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), указывал он, в действительности состоит в не­прерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может быть равновесной. С поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаи­мосвязь между элементами системы, которая определяет ее струк­туру, разрушается. Со временем между элементами системы возни­кают новые взаимосвязи и появляются кооперативные процессы, которые приводят к коллективному поведению элементов системы. Именно кооперативные процессы приводят к образованию новых динамических структур. Так схематически могут быть описаны про­цессы самоорганизации в открытых системах.

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощ­ные потоки излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения, например, моле­кул газа, составляющего активную среду лазера, приводятся в согла­сованное, коллективное движение благодаря поступлению энергии извне, в данном случае электрического разряда. Вследствие этого молекулы газа начинают колебаться в одинаковой фазе и, благодаря интерференции, мощность лазерного излучения многократно уве­личивается. Этот пример показывает, как флуктуации, или случай­ные колебания элементов системы при поступлении энергии извне, приходят в когерентное, согласованное движение.

Другим примером может служить самоорганизация, которая воз­никает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых химических реагентов, то есть веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и удаление в окружающую среду продуктов реакции, с другой. Самоорганизация обнаруживается здесь в появлении на поверхности раствора различных пространствен­ных образований, концентрических волн, или периодическом измене­нии цвета раствора. Например, раствор может периодически менять свою окраску с синего цвета на красный цвет, и обратно, явление, ко­торое впоследствии было названо «химическими часами».

Самоорганизация и новые стратегии научного поиска.

Широкое использование парадигмы самоорганизации в естественных науках и технике, а также постепенное проникновение ее принципов в экономические и социально-гуманитарные науки выдвигают про­блему поиска новых стратегий научного поиска. Такая стратегия необходима для поиска решений ряда не только конкретных, но и глобальных общенаучных и мировоззренческих проблем.

Состоит ли окружающий нас мир из разнообразных по содер­жанию и форме самоорганизующихся систем? Возникла ли живая природа в результате случайного стечения чрезвычайно невероятных обстоятельств, условий и факторов, как на этом настаивали некото­рые известные биологи, или же она является результатом процесса самоорганизации, начавшегося в неорганической природе? Как са­моорганизация и организация взаимодействуют в обществе?

На все эти вопросы синергетика помогает найти правильный ответ, или, по крайней мере, наметить верную стратегию поиска, хотя это требует, конечно, основательных дальнейших исследова­ний. Мы ограничимся выяснением преимуществ синергетической стратегии научного поиска перед широко распространенной тради­ционной стратегией изучения сложных систем.

Традиционный подход к изучению поведения сложных систем состоит в редукции, или сведении их к поведению простых элемен­тов. Например, чтобы объяснить поведение сложных систем на макроуровне, исследователь стремится свести их к процессам на микроуровне, наделяя микрообъекты (например, атомы или другие ненаблюдаемые объекты) простыми свойствами. Синергетика же стремится понять связь и взаимодействие между микро- и макро­процессами как таковыми и поэтому не рассматривает свойства не­наблюдаемых объектов. Она тщательно изучает изменения, которые происходят на наблюдаемом, макроскопическом уровне как резуль­тат взаимодействия огромного числа элементов или частиц системы на ненаблюдаемом микроуровне.

Основная идея, выдвигаемая синергетикой, заключается в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне.

Эти изменения недоступны для непосредственного наблюдения, но их совокупный результат доступен для наблюдения и описывается управляющими параметрами системы. При критическом значении этих параметров система переходит в новое макроскопическое со­стояние. Установить связь между невидимыми изменениями на микроуровне и видимыми изменениями на макроуровне, так же как и определить критические значения управляющих параметров из чисто абстрактных, теоретических соображений не представляется возможным. Поэтому здесь прибегают к конкретному исследованию сложноорганизованных систем с помощью наблюдений или экспе­риментов. Например, в реакции Белоусова — Жаботинского — управляющим параметром служит концентрация химических ве­ществ, в лазере — напряженность электромагнитного поля внутри него. Изменяя управляющие параметры, можно достичь критиче­ского значения, когда система резко и спонтанно переходит в каче­ственно новое состояние.

Анализ поведения системы при переходе от прежнего состояния к новому состоянию в критической точке имеет решающее значе­ние для понимания процесса самоорганизации. Именно здесь ясно прослеживается взаимосвязь между случайностью и необходимостью в процессе самоорганизации системы. Флуктуации, представляющие собой случайные отклонения системы от равновесия в ходе взаимо­действия со средой и возрастания неравновесности системы, посте­пенно усиливаются, пока не достигнут определенной критической точки, в которой и происходит превращение случайных изменений в детерминированное, необходимое движение системы. Однако какое направление дальнейшего движения или траекторию после критиче­ской точки «выберет» при этом система, зависит в свою очередь от ряда случайных обстоятельств. Используя знакомый нам термин бифуркации, можно сказать, что в зависимости от сложившихся случайных обстоятельств, система может «выбрать», по меньшей мере, две возможные траектории будущего движения. Предсказать, какой конкретно путь «выберет» система, невозможно.

Возвращаясь к вопросу о взаимосвязи между микро- и макро­уровнем в процессе самоорганизации, следует подчеркнуть, что при постепенном изменении системы на микро уровне обычно возни­кает множество различных конфигураций состояний и их будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются параметрами порядка. Этот прин­цип управления параметрами порядка впервые четко сформулиро­вал Хакен, который сравнивает его с действиями кукловода.

«В определенном смысле, — пишет он, — параметры порядка действуют как кукловоды, заставляющие марионеток двигаться.

Однако между наивным представлением о параметрах порядка как о кукловодах и тем, что происходит в действительности, имеется одно важное различие. Оказывается, что, совершая коллективное действие, индивидуальные части системы, или «куклы», сами воздей­ствуют на параметры порядка, т.е. На «кукловодов».

Принцип подчинения параметрам порядка играет важнейшую роль в понимании процессов самоорганизации. В каждом таком процессе параметров порядка существует сравнительно немного, в то время как система может состоять из большого числа компонен­тов, которые могут создавать огромное количество состояний. Вве­дение параметров порядка значительно облегчает анализ самоорга­низующихся процессов и проливает дополнительный свет на пони­мание категории причинности в современном научном познании.

Если традиционное понимание линейной причинности предпо­лагает, что только причина вызывает или порождает действие, то процессы самоорганизации ясно показывают, что действия также могут оказывать влияние на породившую их причину или причины. Действительно, поведение компонентов системы подчиняется и управляется параметрами порядка, но в то же время сами парамет­ры порядка возникают в результате взаимодействия компонентов системы. Так возникает представление о циклической причинности, включающее признание обратного влияния действия на породив­шую его причину.