Состояние системы зависит от ее параметров и множества внутренних и внешних факторов. Например, для нахождения возможных вариантов колебаний физического маятника нужно знать всего два параметра – координату и скорость. Их значение в любой момент времени будет определятся свойствами самого маятника (длина его подвеса, масса и т.д.) и внешними условиями, в которых происходят колебания (трение, ускорение и т.д.)
Для описания развития более сложных систем необходимо знать большее число параметров. Например, для описания социальной системы необходимо знать выраженные в единой количественной шкале показатели состояния экономики и технологий, уровень здоровья и образования населения, рождаемость и смертность, наличие природных ресурсов и их качество и т.д. Фазовое пространство такой системы многомерно, его метрика определяется числом выделенных параметров. Плоскость, в которой они располагаются, называется фазовым пространством, а эллипсы этих параметров – фазовыми траекториями.
В результате обмена ресурсами с другими системами, а также случайных флуктуаций с течением времени параметры системы изменяются, происходит последовательная смена состояний. Точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства вдоль фазовой траектории, вид которой зависит от интенсивности процессов обмена, свойств системы и характера изменения ее внутреннего состояния.
«Чтобы представить фазовую траекторию в аналитическом виде, необходимо знать взаимосвязь между параметрами»1. В случае открытых систем, далеких от равновесия, независимо от их природы, эта взаимосвязь может быть выражена через совокупность нелинейных, т.е. содержащих переменные степени, уравнений.
В общем случае решение таких уравнений графически может быть представлено семейством фазовых траекторий.
1 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр 174
Фазовое пространство
Точки их пересечения, если таковые есть, носят названия точек бифуркации – точек «выбора» дальнейшего пути развития. Точки бифуркации – особые точки – точки равновесия, которое может быть как устойчивым, так и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния. Их появление означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип ее поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы.
В таких состояниях чрезвычайно важны случайные флуктуации. От их величины, направления и времени воздействия зависит, по какой из возможных траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. Однако при определенных (пороговых) условиях они могут усиливаться за счет случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, которые, действуя в резонанс, как бы «подталкивают» систему к выбору траектории развития. Таким методом часто пользуются для управления социальными, экономическими, педагогическими, экологическими, технологическими и другими системами.
«В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов путей развития»1. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур – прообразов будущих состояний системы – фракталов. Но, как правило, большинство из них оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные остатки прошлого, с которыми мы не редко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фрактальных образований, в результате «выживает» то, которое является наиболее приспособленным к внешним условиям.
При благоприятных условиях такой фрактал «разрастается» и перерождается в новую макроструктуру. В результате этого система переходит в новое качественное состояние. «Выбрав» его, она продолжает поступательное движение до следующей точки бифуркации. 1
Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 142
Бифуркационный характер эволюции системы.
«Поведение системы в этом состоянии подобно блужданию по лабиринту со множеством тупиков»1. ««Выбор» пути развития осуществляется методом проб и ошибок до тех пор, пока она не «находит» вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы»2. Здесь чрезвычайно важную роль играют кооперативные (совместные) процессы, основывающиеся на когерентном (согласованном) взаимодействии элементов зарождающейся фрактальной структуры.
В среде, находящейся в особом состоянии, этот самопроизвольный процесс усложнения и совершенствования системы периодически повторяется и может продолжаться бесконечно долго1
В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с158
2 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр 97
. При этом отмирают старые элементы и рвутся старые связи, тормозящие ее развитие и совершенствование; в результате адаптации к новым внешним условиям зарождаются и укореняются новые элементы и новые связи, происходит переструктуризация системы, появляются новые функции. Это новое сохраняются следы былых состояний и структур, что и обуславливает их генетическое родство.
Флуктуации возникают хаотично, их огромное количество, но большинство из них затухает, как бы отсекаются все лишние вихревые потоки, остаются только те, которые образовывают новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает к себе множество траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. «Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находится в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин система вновь не придет в неустойчивое состояние»1. Эти причины связаны с несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям среды. И опять у системы возникает множество вариантов развития.
В любой системы траектория развития процесса, вектор его направленности определяют динамику эволюции системы. Вначале идет медленное количественное накопление изменений. Оно возможно лишь до определенного предела – состояния неустойчивости. В этом состоянии происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. В результате скачков в системе происходят кардинальные (революционные) изменения. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий в математике называют «катастрофой». Для системы это означает потерю устойчивости.
1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр 54
«Развитие системы любой природы представляет собой череду описанных выше изменений, а эволюционный процесс – определенную последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков разного масштаба, периодический процесс смены ее качественных состояний, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой» 1.
Поступательное движение системы по пути эволюции связано с необходимостью выработки качественно новых адаптивных механизмов. «Если система благодаря внутренней перестройке сумела приспособиться к новым условиям, то она переходит к новому устойчивом состоянию, в противном случае она деградирует и разрушается»2. В устойчивом состоянии она будет находиться до очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока системы обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в отсутствие специального управления) она может продолжаться бесконечно долго, что и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем, единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются фундаментальные законы природы. По такому пути идет развитие абсолютно всех систем, но скорость этого процесса в разных системах различна. Химическая эволюция Вселенной продолжается около двадцати миллиардов лет, живого вещества – около четырех, эволюция человека – около двух миллионов, а общества – несколько десятков тысяч лет.
«Процесс усложнения бесконечен, нет предела совершенству»3. Но при этом всегда есть внешние факторы (потоки информации, энергии, вещества) которые как бы подталкивают систему к самоорганизации. Например, самоорганизация биосферы осуществляется благодаря энергии Солнца, работа лазера – благодаря энергии накачки и т.д. В физике кооперативных явлений (физика плазмы, лазерная физика) упорядочивание систем достигается не просто за счет поступающей извне энергии, но и за счет управления ее характером и потоками.
1 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр 139
2 КСЕ/под ред.В.Н.Лавриненко.-М.:Юнити,1997, стр. 59
3 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 184