Понятие и принципы синергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Курсовая работа по дисциплине

«Концепции современного естествознания»

на тему: «Понятие и принципы синергетики»

2013

Оглавление

Введение

1. Понятие «синергетика». Немного истории

2. Принципы синергетики

3. Принципы Бытия

4. Принципы Становления

5. Эволюционная кибернетика

Заключение

Список литературы

Введение

В последние годы наблюдается стремительный и бурный рост интереса к междисциплинарному направлению, получившему название «синергетика». Издаются солидные монографии, учебники, выходят сотни статей, проводятся национальные и международные конференции. Трудно или даже невозможно назвать область знания, в которой сегодня не проводились бы исследования под рубрикой синергетики. Для публикаций на тему синергетики характерно то, что в них нередко приводятся авторские трактовки принципов синергетики, причем трактовки довольно разнородные и не всегда достаточно аргументированные. Причиной этого является отсутствие достаточной определенности относительно основных положений синергетики и возникающей отсюда необходимости уточнения статуса излагаемого материала.

1. Понятие «синергетика». Немного истории

Синергетика -- (от греч. synergetikos -- совместный, согласованный, действующий), научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и других) благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности, т. е. уменьшается энтропия (самоорганизация).

Создателем синергетического направления и изобретателем термина "синергетика" является профессор Штутгартского университета и директор Института теоретической физики и синергетики Герман Хакен.

История методов синергетики связана с именами многих выдающихся ученых ХХ века. Прежде всего, это великий французский математик, физик и философ Анри Пуанкаре, который уже в конце XIX века заложил основы методов нелинейной динамики и качественной теории дифференциальных уравнений. Именно он ввел понятия аттракторов (притягивающих множеств в пространствах состояний открытых системах), точек бифуркаций (значений параметров задачи, при которых появляются альтернативные решения, либо теряют устойчивость существующие), неустойчивых траекторий и динамического хаоса в задаче трех тел небесной механики (притяжение Земля-Луна-Солнце).

В первой половине ХХ века большую роль в развитии методов нелинейной динамики играла русская и советская школа математиков и физиков: А.М. Ляпунов, Н.Н. Боголюбов, Л.И. Мандельштамм, А.А. Андронов, А.Н. Колмогоров, А.Н. Тихонов. Эти исследования стимулировались в большой мере решением стратегических оборонных задач: создание ядерного оружия, освоение космоса. Западные ученые также использовали первые оборонные ЭВМ при обнаружении неравновесных тепловых структур: модель морфогенеза (А.М. Тьюринга) и уединенных волн - солитонов (Э. Ферми). Этот период можно назвать "синергетикой до синергетики", т.к. сам термин еще не использовался.

В 60-70 годы происходит подлинный прорыв в понимании процессов самоорганизации в самых разных явлениях природы и техники. Перечислим некоторые из них: теория генерации лазера Г.Б. Басова, А.М. Прохорова, Ч. Таунса; колебательные химические реакции Б.П. Белоусова и А.М. Жаботинского - основа биоритмов живого; теория диссипативных структур И. Пригожина; теория турбулентности А.Н. Колмогорова и Ю.Л. Климонтовича. Неравновесные структуры плазмы в термоядерном синтезе изучались Б.Б. Кадомцевым А.А. Самарским, С.П. Курдюмовым. Теория активных сред и биофизические приложения самоорганизации исследовались А.С. Давыдовым, Г.Р. Иваницким, И.М. Гельфандом, Молчановым А.М., Д.С. Чернавским. В 1963 году происходит эпохальное открытие динамического хаоса, сначала в задачах прогноза погоды (Э. Лоренц), затем теоретически, начинается изучение странных аттракторов в работах Д. Рюэля, Ф. Такенса, Л.П. Шильникова. Для странных аттракторов характерна неустойчивость решения по начальным данным, знаменитый "эффект бабочки", взмах крыльев которой может радикально изменить дальний прогноз погоды - образ динамического хаоса. Создаются универсальная теория катастроф (скачкообразных изменений состояний систем) Р. Тома и В.И. Арнольда и развиваются ее приложения в психологии и социологии; теория аутопоэзиса живых систем У. Матураны и Ф. Вареллы. Круг этих методов и подходов в изучении сложных систем Герман Хакен и назовет в 1970 году синергетикой (теорией коллективного, кооперативного, комплексного поведения систем), предварительно эффективно применив их в теории генерации лазера.

В 80-90 годы продолжается изучение динамического хаоса и проблемы сложности. В связи с созданием новых поколений мощных ЭВМ, развиваются фрактальная геометрия (Б. Мандельброт), геометрия самоподобных объектов (типа облака, кроны дерева, береговая линия), которая описывает структуры динамического хаоса и позволяет эффективно сжимать информацию при распознавании и хранении образов. Были обнаружены универсальные сценарии перехода к хаосу М. Фейгенбаума, Ив. Помо. В 1990 году открыт феномен самоорганизованной критичности. Его можно исследовать, рассматривая кучу песка (П. Бак). Сходящие лавинки воспроизводят распределения Парето по величинам событий для биржевых кризисов, землетрясений, аварий сложных технических комплексов и т.д.

Сегодня синергетика быстро интегрируется в область гуманитарных наук, возникли направления социосинергетики и эволюционной экономики, применяют ее психологи и педагоги, развиваются приложения в лингвистике, истории и искусствознании, реализуется проект создания синергетической антропологии.

Тем не менее, такой рост вширь иногда сводится лишь к декларациям о намерениях, поскольку междисциплинарность в современной науке предполагает взаимосогласованное использование образов, представлений методов и моделей дисциплин как естественнонаучного и технического, так и социогуманитарного профиля. Это в свою очередь, предполагает, помимо всего прочего, существование единой научной картины мира. В то же время сейчас такой общенаучной (междисциплинарной) единой картины мира (в смысле самосогласованной целостности), строго говоря, нет. Существуют ее отдельные фрагменты, именуемые специальными картинами мира, дисциплинарными онтологиями такие, например, как: физическая, биологическая, космологическая картины мира, репрезентирующие предметы каждой отдельной науки. Синергетика и пытается навести мосты между этими картинами, создать единое поле междисциплинарной коммуникации, сформировать принципы новой картины мира.

2. Принципы синергетики

Любой эволюционный процесс выражен чередой смен оппозиционных качеств -- условных состояний порядка и хаоса в системе, которые соединены фазами перехода к хаосу (гибели структуры) и выхода из хаоса (самоорганизации). Из этих четырех стадий лишь одну стабильную мы относим к Бытию, гомеостазу системы, зачастую она наиболее протяженная по времени, остальные три так или иначе связаны с хаосом и относятся к Становлению или кризису. Условность такого разбиения связана с тем, что во всяком порядке есть доля хаоса и наоборот, в хаосе можно найти элементы порядка, проблема в мере их смешивания. Относительную кратковременность глубoкиx кризисов можно объяснить мерами эволюционной безопасности природы, длительный кризис резко истощает адаптационные возможности системы, и она погибает, исчезает ее системная целостность. Поэтому природа, "предпочитает" эволюционировать мелкими шагами, нежели сразу из глины творить человека. В синергетике достаточно развиты универсальные методы и язык описания этих стадий, но прежде следует наметить основные подходы. В простейшем варианте можно предложить 7 основных принципов синергетики: два принципа Бытия и пять Становления.

3. Принципы Бытия

Два принципа Бытия: 1 - гомеостатичность, 2 - иерархичность.

Они характеризуют фазу "порядка", стабильного функционирования системы, ее жесткую онтологию, прозрачность и простоту описания, принцип иерархического подчинения Г. Хакена, наличие устойчивых диссипативных структур - аттракторов на которых функционирует система.

1. Гомеостатичность. Гомеостаз это поддержание программы функционирования системы, ее внутренних характеристик в некоторых рамках позволяющих ей следовать к своей цели. Согласно Н. Винеру всякая система телеологична, т.е. имеет цель существования (ну прямо по Аристотелю). При этом, от цели-эталона-идеала (реальной или воображаемой) система получает корректирующие сигналы, позволяющие ей не сбиться с курса. Эта корректировка осуществляется за счет отрицательных обратных связей (доля сигнала с выхода системы подается на вход с обратным знаком), подавляющих любое отклонение в программе поведения, возникшее под действием внешних воздействий среды. Именно так большую часть времени ведут себя все живые системы, например теплокровные поддерживают температуру тела постоянной в широком диаппазоне внешних температур; автопилот самолета, сверяясь с гирокомпасом, выдерживает курс и высоту самолета, несмотря на воздушные ямы и порывы ветра. Цель-программу поведения системы в состоянии гомеостаза называют аттрактор (притягиватель).

С простейшими аттракторами мы встречаемся уже в механике: затухающий маятник останавливается в нижней точке, а шарик на дне ямки -- это аттракторы положения равновесия точки. Но возможны и более интересные аттракторы: орел парит в восходящем потоке, пинг-понговый шарик висит в вертикальной струе воздуха выдуваемого пылесосом, полотнище флага мерно колеблется на ровном ветру, осины переговариваются дрожащими листьями, по воде пруда пробегает легкая рябь, облака завиваются в грядки, будто их кто-то распахал, и часы-ходики убаюкивающие тикают. Но стоит утихнуть ветру, выключить пылесос, приподнять часовую гирьку и все замирает, приходит в равновесие: облака расплываются, шарик падает, часы замолкают. Эти структуры существуют лишь пока в систему подается поток вещества и энергии -- так называемые диссипативные (рассеивающие энергию) структуры, далекие от равновесия. Именно такими структурами являются все живые системы, они умирают без постоянной прокачки вещества и энергии через систему, без обмена веществ.

Этот принцип объединяет многие идеи кибернетики, системного анализа и синергетики.

2. Иерархичность. Наш мир разделен по многим признакам. Например, по масштабам длин, времен, энергий. Это означает, например, что базовые структуры Вселенной принимают не все возможные значения энергий, но с относительным шагом примерно в 100 раз, начиная от кварков и кончая живыми организмами (лестница Вайскопфа). Само же число уровней необозримо велико, в каждой базовой структуре существует множество подуровней.

Основным смыслом структурной иерархии является составная природа вышестоящих уровней по отношению к нижестоящим. То, что для низшего уровня есть структура-космос, для высшего есть бесструктурный элемент хаоса, строительный материал. То есть Космос предыдущей структуры служит Хаосом последующей, и мы говорим: нуклоны образованы кварками, ядра нуклонами, атомы ядрами и электронами, молекулы атомами, общество людьми и т.д.. Но возможна и нематериальная иерархия, например, в языке (слова, фразы, тексты) и в мире идей (мнения, взгляды, идеологии, парадигмы), в уровнях управления и т.д..

Всякий раз элементы, связываясь в структуру передают ей часть своих функций, степеней свободы, которые теперь выражаются от лица коллектива всей системы, причем на уровне элементов этих понятий могло и не быть. Например, общественное мнение "высказывает" мифический среднестатистический субъект, и вполне может оказаться, что именно так никто не думает. Эти коллективные переменные "живут" на более высоком иерархическом уровне, нежели элементы системы и в синергетике, следуя Г. Хакену, их принято называть параметрами порядка. Именно они описывают в сжатой форме смысл поведения и цели-аттракторы системы. Описанная природа параметров порядка называется принципом подчинения, когда изменение параметра порядка как бы синхронно дирижирует поведением множества элементов низшего уровня, образующих систему. Такова в идеале роль законодательства в обществе, делегировавшего государству часть свобод своих граждан; так в бурлящем потоке воды кружит водоворот, увлекающий частицы в слаженном танце.

Важным свойством иерархических систем является невозможность полной редукции, сведения свойств структур более сложных иерархических уровней к языку более простых уровней системы. Каждый уровень имеет внутренний предел сложности описания, превысить который не удается на языке данного уровня. Существуют зоны непрозрачности языка -- семантического хаоса. Это есть еще одна причина иерархии языков, отвечающих иерархии уровней. Именно поэтому абсурдна попытка вульгарного редукционизма, сведения всех феноменов жизни и психики к законам физики элементарных частиц, лишь на том основании, что из них все состоит. Это всего лишь радость малыша, разбившего дорогой пентиум -- перебирая микросхемы-сороконожки, он с гордостью утверждает, что наконец-то понимает, как устроен папин компьютер. Кстати, это необходимый этап познания более глубокого уровня материи, и физики последние сто лет не раз вскрывали очередные матрешки (разбивали пентиумы), ударяли их все более энергично, нагревая материю или разгоняя ее на ускорителях.

Выделенную роль в иерархии систем играет время, и синергетический принцип подчинения Хакена формулируется именно для временной иерархии. Представим нашу реальность бесконечной чередой структурных временных уровней-мacштабов, от, мыслимых сегодня, самых быстрых процессов в микромире до масштабов времени жизни Вселенной; впрочем это может быть и мир нефизических явлений.

Рассмотрим теперь три пpoизвольных ближайших последовательных временных уровня. Назовем их микро-, мезо- (или макро-) и мега- уровнями соответственно. Принято говорить, что параметры порядка это долгоживущие коллективные переменные, задающие язык среднего мезоуровня. Сами они образованы и управляют быстрыми, короткоживущими переменными задающими язык нижележащего микроуровня. Последние ассоциируются для мезо (макро) уровня с бесструктурным "тепловым" хаотическим движением, неразличимым на его языке в деталях. Следующий, вышележащий над макроуровнем, мегауровень образован сверхмедленными "вечными" переменными, которые выполняют для макроуровня роль параметров порядка, но теперь их принято называть управляющими параметрами.

Итак, на каждом уровне системы сосуществуют представления, идеалы, категории "хаоса" и "вечности", как атрибутов присутствия, дыхания соседних микро и мега уровней, как принцип открытости системы, принадлежности ее иерархической цепи мироздания. Это древние архетипы, жившие в человеческой культуре всегда. Сами же переменные макроуровня -- параметры порядка, победившие хаос, задают онтологию, закон существования, порядок вещей, "порядок" бытия данного уровня.

Рис. 1 Временная иерархия масштабов (dt) коэволюционирующих уровней … >>dt'''>>dt''>>dt'>>

В точке бифуркации (*) макроуровень исчезает и возникает прямой контакт микро- и мега- уровней, рождающий макроуровень с иными качествами. Точка бифуркации - мгновение на макро- и мегауровне является протяженной во времени областью кризиса на микроуровнях.

При рассмотрении двух соседних уровней принцип подчинения гласит: долгоживущие переменные управляют короткоживущими, вышележащий уровень, нижележащим (рис. 1). Так в романе Ивана Ефремова "Час быка" небольшая горстка правителей ДЖИ (долгоживущих) вершат судьбы большинства КЖИ (короткоживущих). Микроскопические движения беспорядочно снующих молекул складываются в осязаемый порыв ветра, который уносит их на огромные по сравнению с микроперемещениями расстояния. Миграционные потоки определяют распределение особей популяции или народонаселения, а культурная традиция воспроизводится во множестве семей на протяжении поколений. Попробуйте продолжить этот список примеров сами.

В заключении подчеркнем, что принцип подчинения справедлив не всегда, его не стоит абсолютизировать. Не всегда удается указать способ возникновения параметра порядка, или управляющего параметра из переменных низшего уровня. Зачастую это формирование происходило очень давно и совсем не из этих переменных, и мы наблюдаем лишь наследованную иерархичность, либо кажущуюся. Например, большинство процессов на Земле тем или иным образом связаны с суточными, годовыми или лунными циклами; т.е. эти периоды являются управляющими параметрами для планеты, ее биосферы, хотя сами земные события никак не влияют на них. Здесь необходимо вернуться к общим корням возникновения Солнечной системы из газопылевого облака, когда материя будущей звезды и планет кружилась в едином хороводе, рассеивая энергию в столкновениях и сжимаясь к оси вращения и вблизи резонансных орбит. Это и был процесс рождения параметров порядка -- так постепенно формировались небесные тела, материя обособилась в планетах и далее активная диссипация-эволюция шла именно на них и на Солнце, а космические ритмы стали консервативным мемориалом ранней эпохи творения, эволюционными кодами нашей звезды.

Тогда не всякий медленный параметр будет "главнее" любого быстрого, и мы получаем коэволюцию квазинезависимых иерархических систем: наш пульс и дыхание слабо зависят от времени года; дети когда-то вырастают и живут самостоятельно, образуют свои семьи и клановые узы ослабевают с ростом числа поколений; некогда единая плотная Вселенная предстает перед нами разрозненными островками звездной материи; первые праязыки тонут в пестроте разноплеменных наречий; вымершие архаические организмы дали фантастическое разнообразие жизни. Все это свидетельства того, что иерархичность не может быть раз и навсегда установлена, т.е. не покрывается только принципом Бытия, порядка. Необходимы принципы Становления -- проводники эволюции.

4. Принципы Становления

Пять принципов Становления: 3 - нелинейность, 4 - неустойчивость, 5 - незамкнутость, 6 - динамическая иерархичность, 7 - наблюдаемость.

Они характеризуют фазу трансформации, обновления системы, прохождение ею последовательно путем гибели старого порядка, хаоса испытаний альтернатив и, наконец, рождения нового порядка.

Начнем с первых трех принципов, "ТРЕХ НЕ", которых всячески избегала классическая методология, но которые позволяют войти системе в хаотическую креативную фазу. Обычно это происходит за счет положительных обратных связей, усиливающих в системе внешние возмущения.

3. Нелинейность. Линейность -- один из идеалов простоты и вожделение многих поколений математиков и физиков, пытавшихся свести реальные задачи к линейному поведению. Замечательно, что это всегда удается вблизи положения равновесия системы. Образы такого поведения всем хорошо знакомы: малые (гармонические) колебания маятника или грузика на пружинке, а также равномерное или равноускоренное движение тел, известные нам со школы. Оказывается, что и высшая школа учит решать в основном линейные задачи (линейные дифференциальные уравнения), развивая у людей линейную интуицию, сея иллюзию простоты этого мира. Гомеостаз системы часто осуществляется именно на уровне линейных колебаний около оптимальных параметров, поэтому так важен простой линейный случай. Он экономит наши интеллектуальные усилия. Определяющим свойством линейных систем является принцип суперпозиции: сумма решений есть решение или иначе -- результат суммарного воздействия на систему есть сумма результатов так называемый линейный отклик системы, прямо пропорциональный воздействию. Но представьте, что весь мир состоит из линейных систем. В нем просто будет очень скучно: атомы не смогут потерять ни одного электрона, значит не будет химических реакций; люди не смогут менять своих привязанностей, и, вообще, невозможно будет создать ничего нового, ничего синтезировать, ничего разделить. В нем попросту нечего будет делать. Это мир бесконечно упругих сталкивающихся комочков, само возникновение которых необъяснимо.

Итак, нелинейность есть нарушение принципа суперпозиции в некотором явлении: результат суммы воздействий не равен сумме их результатов. В более гуманитарном, качественном смысле: результат непропорционален усилиям, неадекватен усилиям, игра не стоит свеч; целое не есть сумма его частей; качество суммы не тождественно качеству слагаемых и т.д. Последнее, в частности, следует из того факта, что в системе число связей между ее элементами растет быстрее числа самих элементов.

Люди строят прогнозы усваивая опыт, как правило, сознательно или бессознательно, линейно экстраполируя (продолжая) в будущее происходящее сейчас или бывшее в ближайшем прошлом. Зачастую ожидания не оправдываются -- отсюда и поговорка "история учит нас, что ничему не учит", т.к. история безусловно нелинейный процесс и ее уроки не сводятся к выработке условного рефлекса на происходящее. Но это не значит, что надо отказаться от быстрого линейного прогнозирования, этого основного стандарта нашего мышления, просто надо знать область его применимости.

Любая граница целостности объекта, его разрушения, разделения, поглощения предполагает нелинейные эффекты. Можно сказать, что нелинейность "живет", ярко проявляется вблизи границ существования системы. Упругое тело, например резинка, перед разрывом утеряет упругость, становится пластичной. Постепенно раскачивая застрявший автомобиль он некоторое время совершает малые линейные колебания (колесо возвращается на дно ямки), но при достаточном размахе (закатывании на бугорок) колебания становятся нелинейными, возвращающая сила начинает убывать и колесо выскакивает из ямы, система преодолевает границу области притяжения, гомеостаза, движение обретает качество свободы. В общем случае, чтобы перейти от одного состояния гомеостаз к другому мы вынуждены попасть в область их совместной границы, сильной нелинейности (рис.2).

Рис. 2

Барьер тем выше, чем сильнее притяжение и больше область гомеостаза. Поэтому проще сразу учиться плавать правильно, чем потом переучиваться. Радикальная перестройка системы, находящейся вблизи глубокого гомеостаза, требует больших усилий.

Органы чувств так же имеют нелинейные характеристики чувствительности, границы восприятия, иначе мы были бы всевидящими, всеслышащими сказочными существами (доступны все частоты и интенсивности вибраций и излучений), с таким избыточным объемом информации никакой мозг не справился бы. Кроме того, шкала чувствительности не линейная функция, а логарифмическая. Поэтому при увеличении интенсивности звука в 100 раз он кажется громче лишь в 2 раза, что позволяет нам слышать и шорох упавшего листа и удар грома, хотя их интенсивности отличаются в миллионы раз.

Сами человеческие отношения носят крайне нелинейный характер, хотя бы потому, что существуют границы чувств, эмоций, страстей, вблизи которых поведение становится "неадекватным". Кроме того, коллективные действия не сводятся к простой сумме индивидуальных независимых действий. Например, девушка, собравшая поклонников на свой день рождения, рискует вместо праздника получить ссору и лишиться многих из них. В этом и состоит психологическая сложность, нелинейность задачи подбора коллективов фирм, кафедр, компаньонов по бизнесу из Профессионалов формально гарантирующих успех. Нелинейна всегда и задача принятия решения, выбора.

Еще одна иллюзия линейного мышления, играющая с нами злую шутку, - достижимость бесконечности. Вспомните массовый психоз, азарт игры в финансовые пирамиды; или веру в безудержный материальный прогресс общества. Но прямые графики линейных законов уходят в бесконечность только в теории, а в действительности все, конечно, имеет границы и рано или поздно жизнь предъявит жесткий счет разочарований. Линейные стратегии мышления экономны и эффективны, но лишь в умеренных рамках гомеостаза, вне которых они обманчивы, а порой и опасны.

В кризисных ситуациях, повсеместных в наше время, востребуются именно нелинейные методы, нелинейное мышление.

4. Незамкнутость (открытость). Свойство, которое долгое время пугало исследователей, размывало понятие системы, сулило неконтролируемые проблемы. Поэтому, хотя в природе все системы в той или иной степени открыты, исторически первой классической идеализацией было понятие, модель замкнутой, изолированной системы, системы не взаимодействующей с другими телами. Она являет образ маленькой вселенной на ладони, прозрачной и подвластной нашему разуму, здесь есть что-то сродни таинству творения, игры -- мы ее выделили, удалили из бесконечно сложного мира и тихонько подсматриваем за ней.

Важно понять, что любую систему можно с заданной точностью считать замкнутой достаточно малое время, тем меньшее, чем больше открыта система. И если это время существенно больше времен описания-наблюдения за системой, то такая модель оправдана. Например, наша Земля это, с хорошей точностью, изолированный, свободный волчок, несущийся вокруг Солнца, но неучтенное нами взаимодействие с соседкой Луной приводит к очень слабому замедлению скорости вращения волчка, а взаимодействие с Солнцем к медленному повороту оси волчка (прецесси) с периодом около 25 тысяч лет -- так называемый год Платона. За время жизни одного поколения эти эффекты совершенно не заметны. В культуре же известен лишь второй феномен, да и то благодаря астрологии, через так называемые, эры зодиакальных созвездий (одна двенадцатая часть года Платона: Рыбы, Водолей,...).

Для замкнутой системы справедливы фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса), радикально упрощающие описание простых систем. Но самое главное для нас: в замкнутых системах очень большим числом частиц справедлив второй закон (второе начало) термодинамики, гласящий, что энтропия S (мера хаоса) cо временем возрастает или остается пocтоянной S>0, т.e. хaoс в замкнутой системе не убывает, он может лишь возрастать, порядок обречен исчезнуть. Итак, замкнутая система не может увеличивать свой порядок, замкнутая Вселенная идет к хаосу -- тепловой смерти. Осознание этого факта потрясло умы научной общественности XIX века, но потом вроде привыкли, -- слишком долго ждать.

Само существование жизни, высоко организованного разума, казалось бы упорядочивающих этот мир восстает против такой перспективы. Но закон есть закон и живые организмы и человеческая цивилизация создают порядок в себе и вокруг себя за счет увеличения общего беспорядка, энтропии планеты. Сами же живые системы и общество системы открытые, потребляющие вещество и энергию, для них второе начало не применимо, и энтропия может уменьшаться.

Именно открытость позволяет эволюционировать таким системам от простого к сложному, разворачивать программу роста организма из клетки-зародыша. Это означает, что иерархический уровень может развиваться, усложняться, только при обмене веществом, энергией, информацией с другими уровнями.

В неживой природе диссипация (преобразование системой, поступающей энергии в тепловую) тоже может приводить к упорядоченным структурам. Например, эволюция Солнечной системы или дорожка водоворотов за веслом на быстрой воде. Именно с описания таких систем в химии и теории лазера и началась синергетика.

Оказывается, что при переходе от одного положений гомеостаза к другому, в области сильной нелинейности система становится обязательно открытой в точках, неустойчивости. Даже если вы использовали первоначально замкнутую модель, в таких точках ее следует расширить до открытой. Но для этого мы должны познакомиться со следующим принципом.

5. Неустойчивость. Последнее из трех "не" (нелинейность, незамкнутость, неустойчивость) содержит в себе два предыдущих, и, вообще, долгое время считалось дефектом, недостатком системы. Ну кто будет конструировать неустойчивый велосипед или самолет? В механизмах, двигателях это "мертвые" точки которые надо проскакивать по инерции -- особая инженерная задача. Так было до недавнего времени, пока не понадобились роботы нового поколения, перестраиваемые с одной программы-гомеостаза на другую; обучающиеся системы, готовые воспринять разные модели поведения. Всякий раз система подходит к точке выбора, неустойчивости системы (рис. 2).

Архетипом неустойчивости можно считать перевернутый маятник, который готов упасть вправо или влево в зависимости от малейших воздействий извне, или случайных тепловых колебаний материала маятника, ранее абсолютно несущественных. Таким образом, в точке неустойчивости система (даже замкнутая) действительно открыта, является чувствительным приемником воздействий других уровней бытия, причащается Универсуму, получает информацию, ранее недоступную ей.

Такие состояния неустойчивости, выбора принято называть точками бифуркаций (буквально двузубая вилка, по числу альтернатив, которых может быть и не две), они непременны в любой ситуации рождения нового качества и характеризуют рубеж между новым и старым. Например, высшая точка перевала отделяет одну долину от другой, это неустойчивое положение шарика на бугорке (рис 2).

Значимость точек бифуркации еще и в том, что только в них можно несиловым, информационным способом, т.е. сколь угодно слабыми воздействиями повлиять на выбор поведения системы, на ее судьбу.

Существуют системы, в которых неустойчивые точки почти повсеместны, например, развитая турбулентность, и тогда наступает хаос, бурлящий поток, влекущий систему в неизвестность. Синергетика располагает средствами описания и таких систем.

На жизненном пути каждого из нас очень много точек бифуркаций, выбора, осознанных и неосознанных.

6. Динамическая иерархичность (эмерджентность). Основной принцип прохождения системой точек бифуркаций, ее становления, рождения и гибели иерархических уровней. Этот принцип описывает возникновение нового качества системы по горизонтали, т.е. на одном уровне, когда медленное изменение управляющих параметров мегауровня приводит к бифуркации, неустойчивости системы на макроуровне и перестройке его структуры. Каждому знакомы метаморфозы воды (пар-жидкость-лед), происходящие при строго определенных температурах фазовых переходов, температурах бифуркаций. На уровне качественного описания, взаимодействия мега- и макро- уровней все привычно, но и необъяснимо. Необходимо включение в описание третьего, микроуровня, которое стало осмысленным лишь во второй половине XX века. Именно тогда на языке трех мега-, макро-, микро- уровней удалось описать процесс исчезновения и рождения в точке бифуркации макроуровня (рис.1). В точке бифуркации коллективные переменные, параметры порядка макроуровня возвращают свои степени свободы в хаос_микроуровня, растворяясь в нем. Затем в непосредственном процессе взаимодействия мега- и микро- уровней рождаются новые параметры порядка обновленного макроуровня. В этом случае креативная триада Теос+Хаос = Космос представлена как процесс рождения параметров порядка: "управляющие сверхмедленные параметры мега-уровня + короткоживущие переменные микро-уровня" = "параметры порядка, структурообразующие долгоживущие переменные мезо (макро) уровня". Отсюда следует парадоксальный на первый взгляд результат (Ю.Л. Климентович), что возникновение турбулентности, вихрей текущей жидкости, вовсе не есть увеличение беспорядка, но рождение коллективных макродвижений, макростепеней свободы из хаотических броуновских движений микроуровня жидкости -- рождение порядка. Беспорядок же ощущается нами с позиции макроуровня, как увеличение его сложности и непредсказуемости.

Мгновение между прошлым и будущим -- точка бифуркации, на микроуровне является целой эпохой перемен-трансформаций. Именно здесь происходит выбор, точнее, эволюционный отбор альтернатив развития макроуровня, которому мы уделим особое внимание.

Например, забастовка общественного транспорта ненадолго возвращает нам радость свободы самостоятельного передвижения; а безвластие смутного времени возвращает людям свободу выбора способов защиты жизни и собственности, способов пропитания и т.д. Подобные обременительные степени свободы и побуждают нас к скорейшему преодолению хаоса, кризиса, общественной бифуркации.

7. Наблюдаемость. Принцип, который подчеркивает ограниченность и относительность наших представлений о системе в конечном эксперименте. В частности, это принцип относительности к средствам наблюдения, ярко заявивший свои права в теории относительности и квантовой механике. В теории относительности метры и секунды свои для каждого движущегося наблюдателя, и то, что одновременно для одного неодновременно для другого. В квантовой механике, измеряя точно одну величину, мы обречены на неведение относительно многих других (принцип дополнительности Бора). В синергетике это относительность интерпретаций к масштабу наблюдений и изначальному ожидаемому результату.

С одной стороны, то что было хаосом с позиций макроуровня превращается в структуру при переходе к масштабам микроуровня. Т.е. сами понятия порядка и хаоса, Бытия и Становления относительны к масштабу-окну наблюдений. И целостностное описание иерархической системы складывается из коммуникации между наблюдателями уровней, подобно тому, как коммуницируют наблюдатели разных инерциальных систем отсчета в теории относительности, или создается общая научная картина мира из мозаики дисциплинарных картин.

С другой стороны, проблема интерпретации сродни проблеме распознавания образов, грубо говоря, -- мы видим в первую очередь то, что хотим, что готовы видеть, как на литографиях Мориса Эшера. Вспомните игру фантазии при разглядывании причудливых форм облаков, отчасти и наука не свободна от этой игры, ведь ее делают люди. Мы приводим аргументы и объяснения из арсенала культурно-исторических доминант, в которых воспитаны; научных парадигм, которым следуем; авторитетов, которым верим. И очень часто открытие, лежащее на поверхности, в руках ученого, отбрасывается, как методическая или приборная погрешность. И тех, кто могли, но не стали нобелевскими лауреатами, намного больше, чем тех, кто осмелился думать и видеть мир иначе.

В заключении отметим ограниченность самой схемы разбиения реальности на бытие и становление в чистом виде. В последние десятилетия активно изучаются системы, в которых хаотическое поведение является нормой, а не кратковременной аномалией, связанной с кризисом системы. Это, прежде всего, турбулентность, климатические модели, плазма. Это означает перекрытие разных иерархических уровней на одном масштабе наблюдения, присутствия неустойчивости, хаотичности на уровне бытия -- так называемые странные аттракторы, аттракторы с хаотической компонентой. Т.е. следует различать хаос бытия и хаос становления. Примером хаоса бытия является разнообразие форм жизни биосферы, гарантирующее ее устойчивость; наличие легкой хаотичности ритмов сердца, являющееся признаком хорошей адаптивности сердечно-сосудистой системы, необходимый для устойчивости элемент стихийности рынка и т.д.. Для таких систем вполне применим образ -- бытие в становлении.

5. Эволюционная кибернетика

Предмет эволюционной кибернетики достаточно понятен - анализ эволюции информационных систем и обеспечиваемых этими системами кибернетических свойств. В первую очередь - это исследования естественных (биологических) кибернетических систем: от молекулярно-генетических систем управления простейших клеток до высокоорганизованных нейронных систем, до интеллекта человека. Анализ искусственных информационных систем менее интересен, во-первых, потому что известно, как такие системы эволюционировали, во-вторых, биологические кибернетические системы содержательно значительно богаче искусственных. Хотя, конечно, очень интересно сопоставление естественных и искусственных кибернетических систем.

Можно надеяться, что в процессе исследования процесса эволюционного происхождения интеллекта получат определенное прояснение глубокие философские вопросы: Как и почему возникла способность человека познавать внешний мир? Почему человеческая логика, человеческое мышление применимы к познанию природы, в частности, почему они применимы в научном познании? Т.е., указанные исследования могут привести к определенному обоснованию всего научного познания.

Рассмотрим кратко методы, которые могут быть применены в исследованиях эволюционной кибернетики.

Первый подход - систематизация, разработка общих концепций, качественный анализ эволюции кибернетических систем.

Яркий пример, иллюстрирующий этот подход, - книга В.Ф. Турчина "The Phenomenon of Science" [8]. Книга была написана в нашей стране примерно в 1970 г., однако из-за политической деятельности ее автора была издана только в США в 1977 г. В.Ф. Турчин рассматривает биологическую эволюцию с кибернетической точки зрения, а эволюцию научного познания - как продолжение биокибернетической эволюции. В книге последовательно проанализированы ступени биологической эволюции, а также этапы возникновения и развития математического знания. Книга написана исключительно четко, с хорошо обоснованной внутренней логикой. В качестве кибернетической основы исследования В.Ф. Турчин использует предложенную им "теорию метасистемных переходов".

Кратко и очень упрощенно суть теории метасистемных переходов сводится к следующему: переход от нижних уровней системной иерархии к верхним происходит путем метасистемных переходов. Каждый метасистемный переход можно рассматривать как объединение ряда подсистем S_i нижнего уровня и появление дополнительного механизма управления C объединенными подсистемами. В результате метасистемного перехода формируется система S' нового уровня (S' = C + S_i), которая может быть включена как подсистема в следующий метасистемный переход. Примеры метасистемных переходов:

управление положением = движение

управление движением = раздражимость (простой рефлекс)

управление раздражимостью = (сложный) рефлекс

управление рефлексами = ассоциации (условный рефлекс)

управление ассоциациями = человеческое мышление

управление человеческим мышлением = культура

В.Ф. Турчин рассматривает метасистемный переход как некий кибернетический аналог фазового перехода. Он уделяет особое внимание количественному накоплению "потенциала развития" в подсистемах S_i перед метасистемным переходом на качественно новый уровень иерархии, а также процессу размножения и развития подсистем предпоследнего уровня иерархии после метасистемного перехода.

Второй подход - построение математических моделей конкретных биокибернетических систем в эволюционном контексте. Приведем несколько примеров таких моделей.

Пример 1 - модели М. Эйгена, П. Шустера, В.А. Ратнера, В.В. Шамина, Р. Файстеля [9-12], иллюстрирующие этапы самоорганизации макромолекулярных систем в процессе происхождения жизни. Эти модели - формальное описание гипотетических этапов возникновения макромолекулярных самовоспроизводящихся структур, предшественников простейших клеток.

Пример 2 - модель адаптивного сайзера, иллюстрирующая возникновение простейшей системы управления на уровне макромолекулярных самовоспроизводящихся систем [13].

Пример 3 - автоматы С. Кауффмана [14], представляющие собой системы случайно соединенных между собой логических элементов (с фиксированной степенью связности между элементами). Модели автоматов С. Кауффмана иллюстрируют функционирование молекулярно-генетических систем управления живых клеток на разных стадиях биологической эволюции.

Автомат функционирует в дискретном времени: t = 1,2,… Состояние автомата в каждый момент времени t определяется вектором X(t) - совокупностью выходных сигналов всех логических элементов. В процессе функционирования последовательность состояний сходится к аттрактору - предельному циклу. Последовательность состояний X(t) в этом аттракторе может рассматриваться как “программа” функционирования автомата. Число аттракторов M и типичная длина аттрактора L - важные характеристики NK-автоматов.

Биологическая интерпретация автоматов Кауффмана. Жизнь на границе хаоса и порядка.

NK - автоматы могут рассматриваться как модель генетической регуляторной системы живых клеток. Действительно, если мы рассматриваем экспрессию определенного гена (синтез соответствующего белка) как зависящую от наличия в клетке других белков, то мы можем аппроксимировать схему регуляции отдельного гена булевым логическим элементом - в результате вся сеть регуляторных связей, определяющая экспрессию генов живой клетки, может быть представлена в виде NK-автомата.

С.А. Кауффман аргументирует, что именно случай K - 2 есть адекватная модель молекулярно-генетических систем управления биологических клеточных организмов.

Основные моменты этой аргументации состоят в следующем:

- регуляторные генетические системы на границе хаоса и порядка обеспечивают одновременно как необходимую стабильность жизненных программ клеток, так и потенциал для прогрессивных эволюционных улучшений;

- типичные схемы генной регуляции включают только небольшое число входов от других генов, что согласуется со значением K - 2;

- если мы сравним число различных аттракторов NK-автомата M при K = 2 (вычисленное для разных значений N), с числом различных типов клеток n_cells (т.е. с числом различных программ жизни клетки для фиксированного генома) биологических организмов разного эволюционного уровня, то мы получим близкие числа.

Заключение

В своей работе я рассмотрел понятие «синергетика», предпосылки её возникновения, а также принципы, на которых базируется это междисциплинарное направление. Чуть подробнее рассмотрел основы эволюционной кибернетики, являющейся одной из дисциплин синергетики.

Напоследок можно сказать, что в настоящий момент синергетическое учение претендует на роль если и не всеобщего, то, по крайней мере, естественнонаучного мировоззрения.

Список литературы

1. Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеоклассической науки, М. ИФ РАН, 1999

2. Буданов В.Г. Синергетика: история, принципы, современность http://www.bioinformatix.ru/sinergetika/sinergetika-istoriya-printsipyi-sovremennost.html

3. Буданов В.Г. Синергетика http://synergetica.narod.ru/syn_vved.htm

4. Редько В.Г. Синергетика 2, синергетика 3 или эволюционная кибернетика.

Размещено на Allbest.ru

...