Концепции самоорганизации и управления: синергетика и кибернетика

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНЦЕПЦИИ САМООРГАНИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ: СИНЕРГЕТИКА И КИБЕРНЕТИКА

1. Синергетическая парадигма в современном естествознании

Современные физические концепции строения материи приписывают ей свойства динамизма, развития, эволюционный характер. Научному мировоззрению, по крайней мере, с XIX века была присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) - самого простого из всех возможных состояний системы, не обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной маловероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Следовательно, упорядоченное состояние вещества, которое наблюдается в доступной части Вселенной, возникло случайно, жизнь, как самая высокая из всех известных науке форм упорядоченности, тем более случайна и противоестественна. Это подтверждала, распространенная в 19 веке в космологии модель стационарной Вселенной. Что же заставило изменить этот, казалось бы, незыблемый взгляд на развитие, прийти к идее самоорганизации материи, которая внедрилась в научное мировоззрение во второй половине ХХ века и коренным образом изменила старые взгляды на материю и процессы ее развития?

Истоки идеи самоорганизации систем. Эта идея порождена увеличением числа исследований в различных областях естествознания, посвященных кооперативным эффектам в открытых неравновесных системах. Первоначально в 60-х годах ХХ столетия такие исследования проводились независимо в разных дисциплинах, позже (в 70-х годах) они стали предметом сравнения, и в них обнаружилось много общего. Необходимо отметить, что в научной литературе одни авторы используют термин «самоорганизация», другие «синергетика». К концепции самоорганизации через разработку термодинамики открытых систем пришел бельгийский ученый Илья Пригожин (р. 1927 г.). А термин «синергетика» ввел немецкий физик Герман Хакен (р. 1927 г.). Слово «синергетика» древнегреческого происхождения, означает «сотрудничество, совместное действие». Лингвистический смысл слов различен, но концептуальных расхождений между этими научными направлениями нет. Как синергетика, так и теория самоорганизации исследуют процессы самоорганизации и дезорганизации в открытых системах физической, химической, биологической, экологической, социальной и другой природы. Сегодня наука считает все известные системы от самых малых (элементарные частицы), до самых больших (Вселенная) - открытыми, обменивающимися энергией, (или) веществом и (либо) информацией с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. А развитие таких систем, как стало известно, протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем. В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. Прежде чем привести примеры самоорганизации, необходимо уточнить, что же считать усложнением элементов и систем, их переходом от более простых к более сложным формам. Понятия “простой” и “сложный” всегда относительны, их смысл выявляется только при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, протон сложен относительно кварков, но прост относительно атома водорода, атом сложен относительно протона и электрона, но прост относительно молекулы и т. д.

При этом мы видим, что сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, доставляющие их. Таким образом, природу можно представить как цепочку нарастающих по сложности элементов. Процессы объединения “простых” элементов с образованием “сложных” систем протекают лишь при выполнении определенных условий.

Например, если температура (энергия) окружающей среды превышает энергию связи двух частиц, то они не смогут удерживаться вместе. При снижении температуры до значений, при которых энергия среды и энергия связи частиц окажутся равными, наступает критический момент, и дальнейшее снижение температуры делает возможным процесс фиксирования частиц (например, протона и электрона) в атоме водорода. Намного сложнее обстоит дело при соединении атомов в молекулы. Здесь также существуют пороговые значения параметров (температуры, плотности), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен. Затем идут новые уровни сложности и упорядоченности вещества. Наиболее высокий уровень упорядоченности, известный науке - живая система. Считалось, что феномен жизни противоречит господствовавшим физическим представлениям о стремлении материи к хаосу. Жизнь представлялась упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не только на тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Эта проблема впервые была четко сформулирована в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера “Что такое жизнь?”. Анализ, проделанный им, показывал, что феномен жизни разрушает постулат о единственной тенденции развития вещества - от случайно возникшей упорядоченности к неупорядоченности, рожденный классической термодинамикой. Живые системы оказались способны поддерживать упорядоченность вопреки “естественной” тенденции. После выхода книги Шредингера создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция - неизбежно разрушать любую упорядоченность, возникшую в результате случайных отклонений от равновесия.

И лишь сравнительно недавно стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Нужны лишь подходящие условия для ее проявления. Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и пространстве. Разработка теории самоорганизации началась в середине ХХ столетия и продолжается в настоящий момент, причем по нескольким, сходящимся направлениям:

- синергетика (Г. Хакен);

- термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин);

- концепция эволюции органических молекул (М. Эйген);

- концепция эволюции открытых каталитических систем (А.П. Руденко);

- теория катастроф (Р. Том).

Синергетика - по определению ее создателя - немецкого физика Г. Хакена - занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди...

Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

В синергетике возникновение упорядоченных сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуации, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле, к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир. Самоорганизация, по Г. Хакену - это «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса». Переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному происходит за счет совместного и синхронного действия многих подсистем (или элементов), образующих систему.

Г. Хакен выделил кооперативные (коллективные) процессы во всех самоорганизующихся системах. Первоначально сферой приложения синергетики Г. Хакена была квантовая электроника и радиофизика. Ярким примером самоорганизации может служить система, изученная им - лазер. Этот прибор создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники света - лампы накаливания, газоразрядные лампы - создают оптические излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Роль рабочего вещества в твердотельном лазере выполняет монокристалл (чаще всего рубин), в котором имеются активные атомы, возбужденные энергией, подведенной извне в процессе так называемой «накачки» энергии. Пока мощность накачанной энергии мала, атомы в кристалле возбуждаются несогласованно и излучают световые микроволны тоже разрозненно по времени и направлению. В этом случае лазер испускает рассеянный свет, как осветительная лампа. Но когда накачка энергией активного вещества лазера достигает порогового значения мощности, то все возбужденные в кристалле атомы антенны внезапно начинают излучать свет синхронно и однонаправлено, и от сложения множества микроизлучений образуется один мощный поток света, лазерная установка переходит в режим генерации. То есть при генерации лазерного луча в атомной системе кристалла происходит самоорганизация. Это означает также, что лазер является системой, находящейся вдали от равновесия и что такая система может находится в устойчивом состоянии только за счет поступления извне энергии.

Другими примерами кооперативных эффектов могут быть:

- коллективно выстраивающиеся одинаковые ориентации элементарных магнитных моментов в ферродинамике;

- коллективно и согласованно самоорганизующиеся вихри внутри жидкости, порождающие видимую на макроскопическом уровне турбулентную структуру.

По Хакену, объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим требованиям:

- открытость - обязательный обмен энергией и (или) веществом с окружающей средой;

- существенная неравновесность - достигается при определенных состояниях и при определенных значениях параметров, характеризующих систему, которые переводят ее в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;

- выход из критического состояния скачком, в процессе типа фазового перехода, в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Подобные же процессы есть в химии - смешивание жидкостей разных цветов, когда попеременно получается жидкость то красного, то синего цвета (реакция Белоусова-Жеботинского), в биологии - мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга, явление морфогенеза (отдельные клетки бывают только недифференцированными, специализация развивается в соответствующем окружении других клеток), динамика популяций (временные колебания численности видов) и т. д.

Самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно эти системы состоят из большого числа подсистем. При изменении определенных условий, которые называются управляющими параметрами, в системе образуются качественно новые структуры.

Эти системы обладают способностью переходить из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний. Этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии или вещества уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия.

Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т. д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Таким образом, сама логика научного развития, включая новые экспериментальные данные, потребовала в 50-60-х годах ХХ столетия перейти от рассмотрения слабых неравновесных к изучению сильнонеравновесных систем, от стационарных неравновесных состояний к исследованию неустойчивых неравновесных состояний.

2. Механизм протекания процессов самоорганизации (по И. Пригожину)

В начале 70-х годов И. Пригожину удалось разработать новую концепцию самоорганизации химических и физических систем. Источником самоорганизации Пригожин считал случайные неоднородности, либо флуктуации (отклонения среды от положения нормали), которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Далее случайные микрофлуктуации перерастают в состояние хаоса. Но когда в систему с хаотическим состоянием поступает из среды достаточно большое количество свежей энергии, то из хаоса рождаются крупномасштабные флуктуации макроскопического уровня.

Эти макроскопические флуктуации представляют собой коллективные формы поведения множества микрочастиц, которые назвали модами. Между модами (конфигурациями) возникает конкуренция и происходит отбор наиболее устойчивых из них.

Вот как И. Пригожин обрисовывает в общем виде и кратко путь эволюции системы от исходного состояния через хаос к состоянию новой организованности. В замкнутую изолированную систему энергия или вещество вводятся извне дозировано, чтобы исходное состояние в ней не выходило за рамки заданных границ (к примеру, русская печь, костер и т. д.). В открытой нелинейной системе нет таких ограничений. Здесь вещество и энергия среды могут поступать в нее произвольно, поэтому такая система может выходить из состояния равновесия и стать неравновесной. По мере дальнейшего притока вещества и энергии она с ускорением (нелинейно) уходит все дальше от положения равновесия, становясь, все более неравновесной и нерегулируемой. Организация состояния такой системы все больше расшатывается, пока, наконец, вовсе не разрушится и процесс не станет хаотичным. Таким образом, на первой стадии своей эволюции неравновесный процесс переходит от состояния порядка к хаосу.

Состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса называют точкой бифуркации (от лат. bifurkus - раздвоенный). Благодаря хаотичности дальнейшее развертывание неравновесного процесса имеет не один путь движения, а множество возможных путей из зоны ветвления, то есть из точки бифуркации. Состояние бифуркации можно уподобить положению шарика на выпуклой поверхности, типа сферической, которое является неустойчивым. Любое влияние может вывести шарик из неустойчивого состояния, и он начнет скатываться сверху вниз. По какой траектории он будет катиться из точки бифуркации - угадать точно невозможно. Это - случайный процесс.

Но как только траектория движения сверху вниз определится, так направление движения начнет подчиняться необходимости. Теперь необходимость предопределяет, каким финалом завершится нелинейный процесс. Отрезок эволюционного пути от точки бифуркации до необходимого финала называют аттрактором (от лат. attrahere - притягиваю).

Это значит, что конечный пункт развертывания нелинейного процесса, или финал, как бы притягивают к себе, то есть, предопределяют траекторию нелинейного процесса (движения шарика) от точки бифуркации. Аттрактор уподобляется некой воронке, или конусу, который своим раструбом обращен к зоне ветвления, а своим узким горлышком - к конечному результату. Это значит, что шарик, находящийся на выпуклой поверхности, может попасть в раструб воронки не из одной-единственной точки, а из ряда смежных положений зоны ветвления.

По мере движения по аттрактору множество возможных вариантов движения сокращается и, в конечном счете, процесс с необходимостью завершается единственным результатом. Если в настоящий момент ввести дополнительную энергию извне в систему, то в хаотичном состоянии начнет зарождаться новая организация. Когда величина вводимой энергии достигает некоторого критического значения, то система внезапно (скачком) переходит из хаотического состояния в новое устойчивое (организованное) состояние.

Развертывание нелинейного процесса от точки бифуркации до выбора аттрактора - это начало второй части эволюционного нелинейного процесса, в котором случайность и не случайность (предопределенность) скомпенсированы, взаимно дополняют друг друга. В свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо, если имеются необходимые управленческие средства. В критических же точках (точках бифуркаций), достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность. В таких точках нельзя предугадать то новое устойчивое состояние, в которое система перейдет в ходе скачка.

А следующий эволюционный этап стартует именно от случайного перехода системы на новый уровень. Точка бифуркации образно предстает в виде перекрестка с несколькими ответвлениями пути, и на нем, как в сказке, выбор пути означает и выбор судьбы.

3. Синергетические процессы в предбиологических системах (по М. Эйгену)

Еще одним независимым источником идей синергетики стали работы немецкого ученого М. Эйгена, специалиста в области молекулярной биологии. Он показал, что при благоприятных условиях среды сложные органические молекулы способны к самовоспроизводству и усложнению организации на предбиологическом уровне. При этом, как полагает М. Эйген, с усложнением организации органических молекул начинает действовать дарвиновский принцип естественного отбора. Строго говоря, концепция эволюции органических молекул М. Эйгена не укладывается в парадигму синергетики, а существенно выходит за ее рамки. Поэтому М. Эйген широко пользуется понятием информации, что вполне правомерно, так как структуры нового уровня организации возможны лишь на базе новой информации, которая, как и энергия, может черпаться только извне.

Синергетика выступает сегодня как междисциплинарное научное направление, ориентированное на поиск общих законов эволюции и механизмов развития природного и социального мира. Синергетическая парадигма, широко внедрившаяся в науку и культуру, задает новое мировидение, отвергая однолинейный плоский детерминизм, показывая, что нет мира однозначного определения, а есть многозначная ветвящаяся древовидная крона возможных путей развития Космоса, биосферы и истории.

Важное философско-методологическое и мировоззренческое значение для естественнонаучной и гуманитарной культуры имеют ключевые идеи синергетики о том, что:

1) сложноорганизованным системам нельзя навязывать пути их развития;

2) для них, как правило, существуют несколько альтернативных путей развития, а значит возможность выбора наиболее оптимальных из них;

3) хаос может выступать в качестве созидающего начала, конструктивного механизма эволюции;

4) в особых состояниях неустойчивой социальной среды действия каждого отдельного человека могут влиять на макросоциальные процессы;

5) зная тенденции самоорганизации системы, можно миновать многие зигзаги эволюции, ускорить ее;

6) многое в развитии мира свершается « вдруг», как бы непроизвольно, подобно мутациям в биологической эволюции.

Таким образом, формирование синергетики как общенаучного направления не завершено и еще продолжается. До сих пор не получил адекватного решения главный вопрос - об источниках самоорганизации. А без этого само понятие самоорганизации остается недостаточно осмысленным и условным, имеющим лишь рабочее значение. Но, несмотря на это, у синергетики есть будущее, причем, по словам Г. Хакена, «для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин».

4. Кибернетика: концептуально-понятийная характеристика

Процессы саморегуляции исследуются еще одной научной областью, развивающейся в русле системных исследований - это кибернетика.

Необходимо отметить, что между синергетикой и кибернетикой как современными направлениями развития знания о самоорганизующихся системах существует принципиальная разница:

- кибернетика изучает самоорганизацию и саморегуляцию в равновесных системах, тогда как синергетика исследует процессы самоорганизации в существенно неравновесных системах;

- в синергетике изучаются механизмы возникновения состояния новых структур и форм, а не поддержание исходных состояний, что характерно для кибернетики.

Разработка базовых понятий кибернетики осуществлялась в середине ХХ века трудами многих ученых. Основателем кибернетики принято считать американского математика Норберта Винера (1894-1964). Существенный вклад в кибернетику внесли: американский биолог А. Розенблют, американский математик К. Шеннон, английский математик А. Тьюринг, английский биолог и кибернетик У. Эшби, российские ученые: А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, В.М. Глушков и другие.

Понятие кибернетики происходит от древнегреческого слова «кибернес» - «искусство управления» или «рулевой».

По определению Н. Винера, кибернетика - наука об управлении и связи в животном и машине. Понятие управления здесь употреблено в широком смысле, поскольку оно относится в равной мере к техническим, биологическим и социальным системам.

В.М. Глушков полагал, что кибернетика выступает как наука об общих законах преобразования информации и управляющих системах.

Кибернетика является интегральной наукой, возникшей на стыке ряда специальных дисциплин - теории автоматов, техники связи, математической логики, теории информации и других. Основной корпус кибернетического знания неоднороден и включает в себя:

- теоретическую кибернетику;

- техническую кибернетику;

- прикладную кибернетику.

Многогранен и объект кибернетического исследования, поскольку эта наука изучает процессы управления в живых, неживых (технических) и социальных системах. Для учебного курса концепций современного естествознания более важна теоретическая составляющая кибернетики, ее исходные принципы и понятия, посредством которых кибернетика оказала существенное влияние на естественные, технические и гуманитарные науки. Кибернетические понятия управления, обратной связи и другие приобрели общенаучный статус и сегодня выступают неотъемлемым компонентом методологического инструментария современного естествознания. Исходными понятиями кибернетики являются: управление и информация.

Управление есть процесс информационного воздействия управляющего устройства на исполнительное. Конкретная природа управляющих и исполнительных систем может быть различной, но принципиальная схема процессов управления оказывается одинаковой.

Примеры управления в системах различной природы:

- термостат (техническая система) - прибор для поддержания постоянной температуры. В простейшем случае его можно представить в виде духовки с электрическим терморегулятором, в которой терморегулятор генерирует сигнал об изменениях температуры внутри системы. Этот сигнал по цепи обратной связи поступает на реостат и координирует силу тока в цепи нагревателя в зависимости от потребностей в увеличении, либо уменьшении тепла, таким образом температура в духовке всегда поддерживается на заданном уровне;

- поддержание достаточного уровня концентрации глюкозы в крови (живая система) - цепочка биохимических превращений гликогена («животный крахмал», основной запасной углевод животных и человека, содержащийся в печени) в глюкозу, находящаяся под контролем адреналина (гормон надпочечников) и инсулина (гормон поджелудочной железы);

- движение финансовых средств в государстве (социальная система) - механизм данного контроля сложен и осуществляется системой различных организаций (банковские структуры, налоговая инспекция, судебная система и т. д. на основании действующего финансового законодательства).

В процессах управления управляющее устройство играет ключевую роль. Поэтому понятие управляющей системы имеет значение не только в кибернетике, но и в других науках.

К примеру, в ЭВМ оно определяет порядок выполнения операций (команд) и координирует работу всех узлов ЭВМ.

Конкретная природа управляющего устройства может быть разной, но для всех случаев кибернетика устанавливает общую функциональную структуру.

Любое управляющее устройство должно иметь:

- Чувствительный элемент (входное устройство), с его помощью воспринимаются сведения (информация);

- Механизм преобразования информации, полученной от чувствительного элемента;

- Механизм передачи преобразованной информации от управляющего устройства к исполнительному устройству;

- Выходное устройство, для осуществления механизма передачи преобразованной информации;

- Запоминающее устройство (имеется в кибернетических системах), предназначенное для хранения программы и исходных данных.

Понятие «управление» в кибернетике в его первоначальном смысле характеризовалось следующими тремя основными признаками:

1. Автоматические действия системы;

2. Действия системы в соответствии с определенной целью;

3. Наличие обратной связи.

В последние годы кибернетические представления управления подверглись усложнению и обобщению.

Во-первых, само управление рассматривается уже не просто как автоматическое действие, а как управленческая деятельность, которая лишь частично может быть автоматизирована. Управление нельзя сводить только к информационным процессам, в конечном счете, предполагающим его автоматизацию.

Во-вторых, управленческая деятельность понимается как осознанная, а ее цель - не конечное состояние данного преобразования, а его представление, образ, который формируется до реализации цели. Управление представляет собой целенаправленный процесс, результатом которого является переход объекта из одного состояния в другое.

В-третьих, ситуация управления имеет одну важную особенность: управление - это воздействие одной деятельности на другую, т. е., объектом управленческой деятельности является другая деятельность, подлежащая управлению (к примеру, производственная, хозяйственная, научная и др.) Управление - это корректировка деятельности, подлежащей управлению, в соответствии с целью и осознанием (руководителем) всей деятельности и образа действия управляемого индивида. Большое значение приобретает не только осознание, но и корректировка собственных действий управляющим индивидом (или соответствующим социальным институтом).

В-четвертых, усложнено понятие обратной связи. Это не просто обратное физическое воздействие, сущность ее заключается в том, что от объекта управления к управляющим органам по особым каналам связи передается информация о фактическом положении дел, прежде всего об отклонениях от намеченных планов, которая используется управляющими органами для выработки управляющих воздействий. Иначе говоря, деятельность такой системы регулируется результатами деятельности этой же системы. Результат деятельности не может полностью совпадать с поставленной заранее идеальной целью. Несовпадение цели и результата деятельности и является основой регуляционного механизма обратной связи.

Метод кибернетического исследования является поведенческим, по схеме «стимул реакция», которую кибернетика заимствует из психологии бихевиоризма и обобщает через понятия «вход выход». Это означает, что в кибернетике используется поведенческое рассмотрение объекта, а не структурно-функциональное. Здесь объект управления уподобляется некоему «черному ящику» в том смысле, что мы ничего не знаем о его содержимом. Известно лишь, какая серия сигналов подается на вход исполнительного устройства, а также его реакция, или поведение на выходе. Тогда как при структурно-функциональном подходе главное внимание уделяется изучению внутренней организации объекта, а не его поведению.

Под поведением в кибернетике понимается любое изменение отношения объекта управления к окружающей среде. Поведение может быть:

- Активным, в том случае, когда объект управления является источником энергии своих действий. Активное поведение подразделяют на: нецеленаправленное (случайное) и целенаправленное;

- Пассивным, если же реакция объекта управления совершается за счет энергии, поступившей на входе извне.

Целенаправленность означает, что поведение определяется заранее заданным (или известным) результатом, то есть конечным состоянием. Совершая произвольное действие, человек произвольно выбирает специфическую цель, но не специфическое движение. Н. Винер отмечал, что, решив взять стакан с водой и поднести его ко рту, мы не приказываем отдельным мышцам сократиться в определенной последовательности, мы просто задаемся целью и действие происходит автоматически. Хотя многие виды устройств функционируют нецеленаправленно, к примеру, часы, характеризующиеся регулярным, но нецелеустремленным поведением, так как в их механизм не заложена никакая цель.

Активное целесообразное поведение подразделяют на два вида - с обратной связью (ОС) и без неё. При наличии ОС сигнал с выхода исполнительного устройства, несущий информацию о поведении объекта управления, подается обратно на вход управляющего устройства, чтобы контролировать и регулировать поведение исполнительного устройства, корректируя его в соответствии с целью. Понятие обратной связи (положительной и отрицательной) также широко используется в разных видах науки и практики.

Важным для кибернетики является понятие гомеостаза. Гомеостаз - это процесс саморегуляции систем любой природы относительно заданного состояния на основе обратных связей, обеспечивающий динамическое равновесие системы, называемой гомеостатом. Это слово происходит от древнегреческого «гомеостазис», что означает «одинаковое состояние». Термин был предложен американским биологом У. Кенноном в 1929 г.

Позднее в 1948 г. английский биолог У. Эшби провел детальное исследование и разработал концепцию устойчивости динамических равновесных систем, которая применима к системам любой природы. Так возникла кибернетическая концепция гомеостаза.

Наиболее сложными и недостаточно разработанными понятиями кибернетики являются понятия информации и искусственного интеллекта. В самом общем смысле информацию идентифицируют с человеческим знанием. Говорят, что сообщение дает нам знание или информацию. Что в таком случае понимать под знанием? В статистической (математической) теории информации К. Шеннона сообщение рассматривается не как осмысленное знание о фактах действительности, а лишь как некоторая последовательность знаков, например, букв алфавита. Для исчисления количества информации важно лишь одно - знаем мы или не знаем, из какого числа и сочетания знаков образовано ожидаемое сообщение. В качестве основного условия выдвигается разделение знаковой (синтаксической) и смысловой (семантической) сторон сообщения при полном абстрагировании от семантики (смысла). синергетика естественнонаучный кибернетика

Для случая с телеграфным аппаратом, не воспринимающим смысла слов, достаточна лишь последовательность цифровых кодов букв, посылаемых по линии связи. А поскольку общая теория информации включает в себя и телеграфную связь, то для такой теории представление сообщений только в синтаксической форме вполне оправдано.

Однако это противоречит представлениям о человеческой коммуникации посредством естественного языка. Здесь логический смысл играет ведущую роль, и вообще семантическая организация существенно определяет синтаксический строй высказывания.

Даже логический строй не исчерпывает всего качества мышления, поскольку он зависит и от эмоциональных оценок, и от образных составляющих, и от воли говорящего. Таким образом, полное отвлечение от качественной стороны информации - существенный пробел математической теории исчисления количества информации, так как качество вообще не сводимо к количеству, и одним количеством «бит» не выразить качественной стороны (природы) информации.

Вопрос о том, как можно получить качественную характеристику информации широко обсуждался в кибернетике в 60-70-х годах ХХ столетия. Одним из традиционных подходов является термодинамический. В термодинамическом подходе информация противопоставляется энтропии (мере хаоса в системе) и выступает как мера упорядоченности системы. Из этого утверждения можно сделать вывод о том, что чем выше степень организованности системы, тем выше ее информационная насыщенность. Н. Винер определил информацию как меру организации состояния и групп состояний. Поскольку энтропия как мера дезорганизации материальных систем - это отрицательная характеристика, то ею неудобно пользоваться для описания эволюции в природе. Поэтому в 50-х годах ХХ столетия французский физик-теоретик Л. Бриллюэн ввел противоположное понятие - негэнтропии как меры организованности или упорядоченности и дал обоснование негэнтропийного принципа в определении информации. В сущности он отождествил информацию с негэнтропией. Следовательно природу информации и энтропии выражает их противоположная связь с организацией материальных систем.

В настоящий момент неясен процесс перехода информации в свою связанную форму - негэнтропию. Недостаточно изучены критерии и методы оценки количества и качества информации, особенно в общественных системах. Наиболее общими закономерностями в процессах передачи, превращения, обработки и хранения информации (или ее связанного вида: негэнтропии (ОНГ)) занимается новая наука - инфодинамика. Исходные положения инфодинамики следующие:

1. Универсум состоит из иерархически и интерактивно взаимосвязанных систем. Их пределы, структура и функции разнообразны, но все они существуют объективно;

2. Каждая система обязательно содержит вещество (массу), энергию и негэнтропию. Можно рассчитать их эквивалентное суммарное количество и соотношение преобладающих форм;

3. Информацией является любая связь между системами, в результате которой увеличивается негэнтропия хотя бы одной из этих систем;

4. Сознание, мысли, наука и другие результаты умственной деятельности человека и общества являются вторичной реальностью т. е., приближенными моделями реального мира. Однако и они являются объективно существующими информационными системами;

5. Не существует абсолютной информации. Есть многомерная информация относительно цели и события в системе, содержащаяся в другом событии или объекте. Системы взаимодействуют между собой путем передачи массы, энергии, ОЭ и ОНГ. В процессе обмена как масса и энергия, так и ОНГ могут концентрироваться или рассеиваться. В процессе обмена информацией считается только такая связь между системами, в результате которой повышается количество ОНГ хотя бы одной системы. В остальных случаях мы имеем дело с рассеянием информации, массы или энергии, или просто шумом.

Связанная форма информации - ОНГ содержится в каждой системе вместе с массой и энергией. Однако ее определение, также как и выяснение процессов ее превращения и переходов часто представляет большие трудности. По вопросу упорядоченности, энтропии поля высказаны различные мнения. С одной стороны утверждается, что поля обладают бесконечной энтропией, разнообразием, беспорядком. С другой стороны считалось, что объединенное супер поле имеет нулевую энтропию, что оно обладает абсолютной упорядоченностью, бесконечным ОНГ, энергией. В действительности, как и все системы, любое поле имеет как ОЭ, так и ОНГ. Чем больше поле локально возбуждается, вибрирует с образованием волн и материальных частиц, тем больше оно содержит ОНГ. Конечно, в поле значительно труднее определить характерные для системы признаки: элементы, их взаимоотношения и целостность. Однако, и здесь признаки системной дифференциации элементов в любом случае существуют. В качестве первичных элементов поля как системы выделяются кванты. Выяснено, что квантовое дискретное строение имеют не только электромагнитные, но и гравитационные волны и даже пространство и время. Система может быть комбинирована из различных полей, с квантами различного энергосодержания и разной степенью их когерентности. Исследование квантовой структуры полей дает возможность выяснить содержание в них связанной информации (ОНГ).

Наиболее содержательная качественная характеристика информации выработана с общенаучных позиций на основе категорий разнообразия, отражения и взаимодействия. Информация в самом общем ее понимании представляет собой меру неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и времени, меру изменений, которыми сопровождаются все протекающие в мире процессы.

Размещено на Allbest.ru