Синергетика
Слово синергетика происходит от греческих слов ”вместе” и ”действую” и означает совместное, согласованное действие. Этот термин в качестве названия нового научного направления предложен немецким ученым Г. Хакеном. Синергетикой называют область науки, которая занимается изучением эффектов самоорганизации в физических, химических, биологических и других системах. Другими словами, синергетика – это наука о самоорганизации в неравновесных открытых системах различной природы, наука о законах рождения порядка из хаоса, наука о совместном, согласованном действии.
В системах, которые изучает синергетика, наблюдается согласованное поведение, в результате чего возрастает степень ее упорядочения, т.е. уменьшается энтропия. Синергетика изучает связи между элементами в открытых системах благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях.
Самоорганизация возможна при следующих условиях: система должна быть откры-
той и неравновесной; в ней должна присутствовать стохастичность; она должна быть неустойчивой относительно слабых возмущений и нелинейной. Сильнее всего нелинейность выступает в массовых, кооперативных явлениях, где согласованно (кооперативно, когерентно) действует значительная доля участников процесса.
Математической моделью динамической системы служат нелинейные дифференциальные уравнения. Особенность их состоит в том, что они имеют несколько качественно различных решений.
Так как эти решения определяют эволюцию данной системы, то физический смысл множественности решений состоит в том, что динамическая система оказывается, как говорят, в состоянии открытого будущего. Осуществима лишь одна альтернатива из нескольких, но какая именно – решает случай, т.е. действие ничтожной флуктуации динамической переменной или физического параметра реальной системы. Ничтожной – так как при определенных значениях параметров система утрачивает устойчивость, делаясь чувствительной даже к бесконечно слабому воздействию. Можно образно сказать, что в данных условиях система находится на развилке путей в будущее.
Изменение числа (или устойчивости) решений называется бифуркацией (от латинского слова “развилка”), а точка, в которой это происходит, – точкой бифуркации. Бифуркацию иногда называют катастрофой, а соответствующий раздел математики – теорией катастроф. То, что выступает в роли флуктуации (инициатора), чье вмешательство в момент неустойчивости определяет судьбу последующей эволюции, называют репликатором (от латинского – “развертывание, создание себе подобной структуры”). Можно сказать: репликатор – это то, что выделяет данный случай из множества других флуктуаций или шумов, превращая его в “Событие”. Что именно, решается в каждом конкретном случае. Например, в генетике репликатором выступает ген, в лазере – квант излучения, испущенный в ходе спонтанного излучения.
Лидером самоорганизации становится репликатор и происходит репликация (воспроизведение) его индивидуальных характеристик другими участниками процесса формирования диссипативных структур. В итоге именно его характеристики закрепляются в поведении системы. Поэтому его иногда называют еще и “серым кардиналом” самоорганизации.
Основная задача синергетики – вскрыть общие принципы, по которым отдельные подсистемы формируют макроскопические свойства полной системы. Эта программа охватывает широкий круг явлений, так как в качестве подсистем могут выступать атомы, молекулы, клетки, компьютеры и даже человек. Важно, что в открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым управлять образованием диссипативных структур.
Например: Облачность. Многие из тех, кто летал на самолете над облаками, могли наблюдать упорядоченную, регулярную структуру облаков в виде регулярных “валов”, прямоугольных “улиц”, правильных прямоугольных или шестиугольных ячеек и т.п. Весь этот геометрический порядок образуется из хаоса молекулярных движений, разнообразных возмущений в воздушной атмосфере и слое водяных паров, вызываемых неравномерностью их нагревания, приводящей к интенсивной конвекции. Классическим примером возникновения структуры являются ячейки Бенара. Эффект состоит в том, что при нагревании слоя вязкой жидкости (например, масла) до определенной (критической) температуры в ней возникают упорядоченные структуры из шестиугольных конвекционных ячеек. Здесь движение жидкости организовано более высоко, чем микроскопические движения в состоянии покоя.Чтобы возникла наблюдаемая невооруженным глазом картина течения, огромное количество молекул должно двигаться согласованно (когерентно) на наблюдаемых расстояниях. Размеры ячеек могут достигать десятков миллиметров. Возникающая структура поддерживается за счет подвода тепла. Вблизи равновесия жидкость однородна, движение молекул несогласованно и описывается вероятностными законами. Когда возникают ячейки Бенара, в одной точке пространства молекулы жидкости движутся вверх, в другой – вниз, как по команде, но при этом нет никакой упорядочивающей их силы. Появление этих структур нельзя объяснить взаимодействием молекул между собой, так как расстояния, на которых они взаимодействуют, составляют примерно 10 -8см, а ячейки в поперечнике могут быть до 1 см. Отметим также, что здесь происходит еще и нарушение симметрии, поскольку соседние вихри вращаются в противоположных направлениях: один по часовой, другой против часовой стрелки. В однородном состоянии разные области ничем не отличаются друг от друга.
Этот пример демонстрирует то, что неравновесность может быть источником порядка.
Химические часы. При определенных условиях некоторые химические реакции сопровождаются периодическими изменениями концентраций реагентов:с течением времени один реагент сменяется другим, затем вновьвосстанавливается и снова исчезает. Получается периодический химический процесс в пространстве и времени, который называют реакцией Белоусова–Жаботинского.
Эволюцию рассматривают как образование все новых макроскопических структур – новых видов. Модели эволюции биомолекул основаны на математической формулировке принципа Дарвина – выживание наиболее приспособленного вида. Показано, что такой механизм обуславливает отбор, который наряду с мутациями может приводить к эволюционному процессу.
Типичным объектом синергетики является лазер. Это сильно неравновесная система. Переход от излучения лампы к излучению лазера представляет яркий пример самоорганизации: до порога возникновения лазерной генерации все атомы испускают излучение независимо один от другого (случайно, некоррелированно).
Макроскопические изменения, происходящие в экономике, часто носят драматический характер. Примером может являться переориентация капиталовложений с увеличения производства на его модернизацию. Это может привести к новому состоянию экономики – переходу от полной занятости к неполной со всеми вытекающими последствиями. Колебания между этими состояниями наблюдались и могут быть объяснены методами синергетики.
Другим примером развития макроскопических систем может служить эволюция общества от аграрного к индустриальному.
Резкие изменения в макроскопических масштабах наблюдаются в экологии и родственных ей областях. Например, в горных районах изменение климата с высотой над уровнем моря может быть причиной существования различных растительных зон. Аналогичная ситуация и в отношении различных климатических поясов на Земле.
Из других хорошо известных примеров подобного рода можно назвать загрязнение окружающей среды: увеличение зараженности на несколько процентов может привести к вымиранию целой популяции, например, к гибели рыбы в озере.
Исследования социологов свидетельствуют о том, что формирование ”общественного мнения” – коллективный эффект, т.е мнение одних членов группы влияет на мнение других индивиду умов. Поскольку в процессе формирования общественного мнения индивидуумы оказывают друг на друга взаимное влияние, то это явление может быть проанализировано методами синергетики. В частности, при некоторых внешних условиях (например, состояние экономики, высокие налоги) общественное мнение может резко измениться, что особенно видно при возникновении различных кризисных ситуаций.
Во всех случаях рассматриваются системы, состоящие из большого числа подсистем. При изменении определенных условий (управляющих параметров), даже если эти изменения ничем, казалось бы, не вы делены, в системе образуются качественно новые структуры в макроскопическом масштабе, т.е. система способна переходить из однородного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или даже в одно из нескольких возможных состояний. Такие системы могут находиться в различных устойчивых состояниях.
Общая черта таких переходов от простого поведения к сложному есть упорядоченность и согласованность в системе. Подчеркнем, что вдали от равновесия система может приспосабливаться к своему окружению несколькими способами, т.е. возможно несколько различных исходов. И лишь случай решает, какое из них будет реализовано. Тот факт, что из многих вариантов выбирается лишь один, придает системе историческую направленность, своего рода ”память” о прошлом событии, которое произошло в критический момент и оказало существенное влияние на эволюцию системы. Это называют бифуркацией. В точке бифуркации поведение системы разветвляется и становится неоднозначным.
Возникновение порядка из хаоса в настоящее время исследуется во многих разделах науки, в том числе в экологии, социологии и экономике. Полученный естествознанием вывод, что самоорганизация есть результат собственного, внутренне необходимого изменения системы, распространяется и на общественные процессы. Фактически это означает переход от стихийной эволюционно-биологической организации к социально организованному уровню материальных структур. За последние 10–20 лет показано, что поведение многочисленных систем подчиняется общим законам синергетики.
Таким образом, синергетика установила, что процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны. Материи присуща созидательная тенденция, она способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, самоорганизовываться, самоусложняться. Процесс самоорганизации имеет пороговый характер, а процессы нарастания сложности и упорядочения имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Возникновение упорядоченных сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции.
С синергетической точки зрения развитие неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. При этом в развитии системы можно выделить две фазы:
1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми изменениями (линейная фаза), который, как правило, приводит к определенному неустойчивому критическому состоянию;
2) выход из критического состояния в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности происходит скачком (нелинейная фаза).
Такой переход имеет неоднозначный характер, поскольку невозможно предсказать, какая ветвь развития будет выбрана – все решает случай. Когда же выбор сделан и система скачком переходит в новое устойчивое состояние, – назад возврата нет. Поэтому развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый и необратимый характер. Следовательно, необратимость, вероятность и случайность – объективные свойства и на макроскопическом уровне, а не только на микроуровне, а хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен, так как развитие осуществляется через неустойчивость и хаотичность.
Синергетика дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, созидающие и деструктивные начала.
В ее основе лежит утверждение фундаментальности вероятностных закономерностей в развитии мира и всех его подсистем. При этом случайность и неопределенность выступают как важнейшие свойства всего мироздания. Она подводит к универсальному видению мира, дает единое понимание процессов эволюции различных систем, природы коэволюционных взаимодействий и интеграции состояний на пути развития, полное представление о том, как из хаоса возникает упорядоченная сложность. Тем самым она позволяет построить картину мира, в которой все – жизнь неживой и живой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества – связано и подчинено единым фундаментальным законам. Она также приводит к более глубокому осознанию взаимосвязи всего сущего – природы, человека и его культуры, необходимости поддержания их синхронного развития; к пониманию нравственного и экологического императива как нормы жизни; к становлению нового отношения к миру природы и миру людей.
Синергетический подход направлен на открытые системы, где главную роль играют неупорядоченность, нелинейность, неустойчивость, неравновесность.
И. Пригожин считает, что синергетический взгляд на мир ведет к революционным изменениям в нашем понимании случайности и необходимости, необратимости природных процессов, позволяет дать принципиально новое толкование энтропии и радикально меняет наше представление о времени и в конечном счете наше мировоззрение.