Основные идеи синергетики

Рассмотренные выше примеры показывают, что хотя такие регулирующие факторы, как, например, вирусы новых болезней и др., проявляются  материально, но сами они являются проявлениями Высших законов, которые нельзя вывести  из законов существования материи.

В неживой  природе мы также видим принципы самоорганизации на всех уровнях. На микроуровнях это проявляется в законах, по которым существуют элементарные частицы, атомы и молекулы, по которым они взаимодействуют и создают сложные структуры материи. Химические реакции - это процессы самоорганизации на атомно-молекулярном уровне. На макроуровнях самоорганизация проявляется в законах возникновения, развития и взаимодействия планет, звезд, галактик и других космических образований. И, наконец, самый высший уровень самоорганизации - это совокупность всех законов и сил, обеспечивающих эволюцию.

Наука призвана не просто собирать фактический материал, но и стремиться создать целостную картину мира, целостное мировоззрение. Химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) впервые упорядочил многообразие существующих в природе веществ, создав периодическую систему химических элементов. В современной атомной физике периодическая система Менделеева может считаться воплощением основного закона строения атомов. В биологии, в соответствии с открытыми им законами, происходит передача от поколения к поколению наследственных признаков при скрещивании, к примеру, растений с различной окраской цветков или при выведении новой породы собак. Уже в наше время были обнаружены химические механизмы такой передачи, происходящей благодаря гигантским молекулам дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Таким образом, человечество неустанно ищет и находит  все новые и новые законы, единые для всех происходящих в природе  процессов. В то время как явления  самого разнообразного свойства усилиями ученых сводятся, наконец, воедино как проявления неких законов природы, исследователи обнаруживают совершенно новые факты, касающиеся еще более сложных явлений, и порой наука оказывается близка к полному погребению под лавиной добываемых учеными сведений. Отсюда - бесконечная гонка, борьба между потоком новых фактов и стремлением ученых эти факты систематизировать, понять и соотнести с действием единых законов мироздания.

Самоорганизация - это основной закон природы, это - механизм управления процессами, происходящими  на всех уровнях, направленный на возникновение  и поддержание процессов, связанных  с образованием новых более высокоорганизованных форм и структур, предусмотренных  эволюцией, и подавлением процессов, которые находятся в стороне  от эволюции, противодействуют ей. Все  эти силы и законы, механизмы управления, заложенные в природе, не имеют смысла, если изначально развитие всей Вселенной  случайно, не имеет Высшей Цели и  обеспечивающей ее Программы.

О соотношении  синергетики и самоорганизации  вполне определено, что содержание, на которое они распространяются, и заложенные в них идеи неотрывны  друг от друга. Они же имеют и различия. Поэтому синергетику как концепцию самоорганизации следует рассматривать в смысле взаимного сужения этих понятий на области их пересечения. Эффект самоорганизации является существенным, но, тем не менее, одним из компонентов, характеризующих синергетику, и именно этот компонент придает выделенный смысл всему понятию синергетики и, как правило, является наиболее существенным и представляющим наибольший интерес.

От  хаоса к порядку  и наоборот

Понятие структуры, основное для всех наук, занимающихся теми или иными аспектами процессов  самоорганизации, при любой степени  общности предполагает некую жесткость  объекта - способность сохранять  тождество самому себе при различных  внешних и внутренних изменениях. Интуитивно понятие структуры противопоставляется  понятию хаоса как состоянию, полностью лишенному всякой структуры. Однако, как показал более тщательный анализ, такое представление о  хаосе столь же неверно, как представление  о физическом вакууме в теории поля как о пустоте: хаос может  быть различным, обладать разной степенью упорядоченности, разной структурой. Однако идея первичного хаоса, из которого потом  все родилось, также достаточно распространена в древних мифах, в восточной  философии, в учениях древних  греков. Начиная с 70-х годов нашего века в фокусе внимания синергетики  оказываются сложные системы  с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает  от хаоса к порядку, от симметрии  ко все возрастающей сложности.

В современной  науке "порядок" и "хаос" - вполне определенные понятия. Насколько важно  изучать хаос и переходы в это  состояние из равновесия, показывают такие примеры, как, например, распад СССР. Ранее налаженная жизнь людей, производство, взаимные обязательства  разрушились вместе со страной. Страна погрузилась "во тьму", остановились фабрики, заводы; люди не знали как им жить дальше. Огромная страна была охвачена паникой, "физический" родил социальный. Многие республики бывшего СССР до сих пор не могут толком встать на ноги. А что говорить о людях: родственники стали гражданами и жителями разных стран и их стали разделять натуральные границы.

Упорядоченность и хаос… Две крайности, наблюдаемые в реальном мире. С одной стороны, четкая, подчиняющаяся определенному порядку смена событий: движение планет, вращение Земли, появление комет, размеренный стук маятников, поезда, идущие по расписанию. С другой стороны, хаотическое метание шарика в рулетке, броуновское движение частиц под случайными ударами "соседей", беспорядочные вихри турбулентности, образующиеся при течении жидкости с достаточно большой скоростью.

В природе  протекает множество хаотических  процессов, но далеко не всегда они  воспринимаются как хаос. Поэтому  наблюдаемый мир кажется нам  вполне стабильным. Наше сознание, как  правило, интегрирует, обобщает информацию, воспринимаемую органами чувств, и  поэтому мы не видим мелких "дрожаний" - флуктуаций Флуктуации означают нарушения  в способе существования системы: отклонения от статистически среднего. - в окружающей нас природе, например: самолет надежно держится в воздушных турбулентных вихрях, хотя неупорядоченно пульсирует.

Порядок в  физических, экологических, экономических  и любых других системах может  быть двух видов: равновесный и неравновесный. При равновесном порядке система  находится в равновесии со своим окружением; параметры которые ее характеризуют, одинаковы с теми, которые характеризуют окружающую среду. При неравновесном порядке эти параметры различны.

На первый взгляд, равновесный порядок более  стабилен, чем неравновесный. В самой  природе равновесного порядка заложено противодействие любым возмущениям  состояния системы. В термодинамике  это свойство систем называется принципом  Ле Шателье-Брауна, т. е если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы компенсировать изменение.

В лице равновесной  и неравновесной синергетики  современная наука выражает идею своего рода двух состояний материи. Материя может находиться в более  инертном, равновесном состоянии, описываемой  средствами равновесной термодинамики, и материя способна достигать  некоторого "возбужденного", или "активированного", состояния, выражаемого  средствами неравновесной нелинейной термодинамики и синергетики.

Способность возвращаться к исходному состоянию - непременное свойство так называемых саморегулирующихся систем.

Природа неравновесного порядка имеет искусственное  происхождение и существует только при условии подачи энергии извне. Поэтому для поддержания порядка  требуется компенсация потерь, к  которым приводят необратимые "выравнивающие" потоки, и, следовательно, для этого  нужны определенные энергетические затраты. Так как перетекание  тепла или массы связано с  рассеянием энергии (диссипацией), то потери энергии, возникающие при этом, называются диссипативными. В открытых системах, обменивающихся с окружающей средой потоками вещества или энергии, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений. Такие стационарные состояния получили название диссипативных структур. Например: возникновение когерентного излучения в лазере, когда, после первоначального хаотического излучения и начиная с некоторой мощности накачки, атомы вещества начинают излучать фотоны одной фазы, что выражается в возникновении мощного пучка лазерного излучения. В условиях диссипации часто возникает порядок.

Катастрофы  и бифуркации синергетической  системы

Самое сложное  и, пожалуй, интересное в поведении  синергетической системы - это наличие  разного рода скачков, или "катастроф", когда система, при непрерывном  изменении управляющих параметров резко и скачком меняет значение управляемых параметров. Оказалось, что такого рода катастрофы удается  описывать как процессы пересечения  особенностей на поверхности состояний  системы. В этом случае управляющие  параметры принадлежат плоскости  проецирования поверхности, а управляемые  параметры испытывают "бифуркацию" (раздвоение или размножение), выбирая  один из множества прообразов, создавая новую структуру. Лишь высвободившиеся  из-под гнета старой структуры  элементы могут сложиться в новую  упорядоченность; однако качественная определенность новой упорядоченности  складывается случайным и только случайным образом. Для того, чтобы адекватно отразить случайный характер перехода от беспорядка к порядку, физика становления и вводит понятие бифуркации. Исходными понятиями в синергетике являются понятия точек бифуркаций и аттракторов.

Под точкой бифуркаций понимается состояние рассматриваемой  системы, после которого возможно некоторое  множество вариантов ее дальнейшего  развития. Примерами бифуркаций являются: состояние выбора человеком варианта поступления в высшее учебное  заведение, состояние популяции  при выборе под влиянием внешней  среды варианта дальнейшего развития в борьбе за существование, точки  ветвления на генеалогическом древе; точки перехода к разным вариантам  продолжениям диалога "студент - компьютер" в процессе тестирования знаний студента с использованием закрытых тестов (когда  предлагается выбрать правильный и  полный ответ из серии предложенных); состояние борьбы двух фронтов в  атмосфере с возможными вариантами изменения погодных условий.

Таким образом примером точки бифуркаций можно назвать распространенное в русских сказках перепутье дорог: на право пойдешь - коня потеряешь, на лево пойдешь - себя потеряешь, а прямо пойдешь - голова с плеч - весь смысл в избрании дороги, а что будет в конце, никто не знает.

Согласно  теории бифуркации, прошлое состояние  системы исчезает скачком в силу накопления в системе флуктуаций, затронутых мною во второй главе работы. В любой системе имеют место  флуктуации, связанные со сбоями в  функционировании ее элементов, с поломками  в структурных образованиях. развитие системы после точки бифуркаций и которые отличаются от других относительной устойчивостью, то есть являются наиболее реальными, называются аттракторами.

Другими словами, аттрактор - это относительно устойчивое состояние системы, которое как  бы притягивает к себе все множество  траекторий развития, возможных после  точки бифуркаций.

Флуктуации  означают нарушения в способе  существования системы: отклонения от статистически среднего. Примерами  аттракторов являются группа гуманитарных вузов и специальностей для абитуриента, который хочет получить ту или  иную специальность; популяция морозоустойчивых особей в случае наступления глобального  похолодания; юридическая стезя  для потомка семей-юристов; погода, соответствующая времени года и  т.д. .

Достигая  некоторого критического значения, флуктуации становятся источником бифуркации, коренной ломки предшествующего тождества  самого себе. В результате бифуркации случайные и несогласованные  микроскопические изменения захватывают  весь объем ранее существовавшей системы без остатка.

Структура системы выражает максимальную адаптацию  этой системы к изменившимся условиям среды, представленным как управляющие  параметры системы или характеристические параметры ее динамики (описывающих  эту динамику дифференциальных уравнений). Здесь по мере удаления от равновесия повышается чувствительность системы  к внешней среде, возникает своего рода различимость системы по отношению  к нужным флуктуациям, которые отбираются и усиливаются в форме разного  рода когерентных (кооперативных) эффектов.

Такой образ  синергетической системы уже  во многом напоминает образ живого организма, также далекого от равновесия, чувствительного к среде, обладающего  избирательной различимостью и  способного к формированию системной  активности. А методология синергетики  начинает во многом напоминать своего рода "обобщенный дарвинизм", оперирующий  понятиями "изменчивости", "отбора" и "адаптации" на универсальном  уровне синергетических обобщений, выходящих далеко за границы только биологического знания.

Бифуркации  можно разделить на "мягкие" и "жесткие". Мягкие бифуркации характеризуются  небольшим отличием режимов функционирования, например, достаточной близостью  новых аттракторов по отношению  к старым. Жесткие бифуркации, которые после работ французского математика Рене Фредерика Тома (1923-2002) в начале 70-х годов стали называть "катастрофами", характеризуются значительным отличием старого и нового режимов функционирования, например, значительным удалением новых аттракторов от старых в фазовом пространстве системы. В этом случае качественный скачок в изменении поведения системы может быть особенно значительным - "катастрофическим". В работах Р.Ф. Тома все катастрофы были сведены к 7 элементарным, которые носят довольно своеобразные названия: складка, сборка, ласточкин хвост, бабочка, гиперболическая омбилика, эллиптическая и параболическая омбилика.