Синергетика характеристика

3. При розгляді фізичних, хімічних і біологічних систем мова йде про відкриті системах, далеких від теплової рівноваги.

4. Ці системи схильні внутрішнім і зовнішнім коливанням.

5. Системи можуть стати нестабільними.

6. Відбуваються якісні зміни.

7. У цих системах виявляються емерджентні (тобто знову виниклі) нові якості.

8. Виникають просторові, тимчасові, просторово-часові або функціональні структури.

9. Структури можуть бути впорядкованими або хаотичними.

10.Во багатьох випадках можлива математизація.

У наведених вище десяти положеннях Хакен дійсно вдалося в дуже лаконічній формі висловити основний зміст синергетики. Для повноти картини розглянемо цей зміст.
Хакен насамперед підкреслює, що частини систем взаємодіють один з одним. Він виділяє витоки, які призводять до утворення нових систем. Зазвичай міркують так: складне виникає з простого, але ж це незбагненно. Хаос є хаос, він ніяк не може перетворитися в порядок. Логіка Хакена йде в іншому напрямку. Основоположний системний фактор полягає не в хаотичності, а у взаємодії, у динаміці.

Динаміка не чужа навіть хаосу. А раз так, то цілком можливо, що в хаосі народжується порядок, впорядкованість. Це дійсно має місце. Багатьом упорядкування хаосу, його самоорганізація здається чимось дивовижним. Їм важко зрозуміти, що хаос не позбавлений динаміки, вони абсолютизують хаос, вважають його деструктивним началом.
Найважливішим концептом синергетики є нелінійність. У синергетики основна увага приділяється вивченню нелінійних математичних рівнянь, тобто рівнянь, що містять шукані величини в ступенях, не рівних 1, або коефіцієнти, залежні від середовища. Лінійність абсолютизує поступальність, безальтернативність, торжество сталості. Нелінійність фіксує непостійність, різноманіття, нестійкість, відхід від положень рівноваги, випадковості, точки розгалуження процесів, біфуркації.

Точкою біфуркації називають стан максимальної хаотичності нерівноважного процесу (від лат. Bifurcus - роздвоєний). Завдяки хаотичності подальше розгортання нерівноважного процесу має не один шлях руху, а безліч можливих шляхів із зони розгалуження, тобто з точки біфуркації. Стан біфуркації можна уподібнити положенню кульки на опуклій поверхні, типу сферичної, яке є нестійким.

Будь-який вплив може вивести кульку з нестійкого стану, і він почне скочуватися зверху вниз. По якій траєкторії він буде скочуватися з точки біфуркації - вгадати точно не можна. Це - випадковий процес.

Маючи справу з відкритими (мають джерела і стоки енергії) нелінійними системами, синергетика стверджує, що світ виникає в результаті самовільних і самоорганізованих механізмів. В їх основі лежить єдина симетрія форм в живій і неживій природі. Наприклад, спіралі Галактики і циклону подібні спіралі раковини равлика, рогів тварин. Є спільність структури Всесвіту і живої природи, урбанізації та географічного розподілу населення і т.п.

Синергетика пояснює, чому утворюються саме ці структури. Вона обгрунтовує положення, згідно з яким подібні структури є структурами еволюційними. Функціональна спільність процесів самоорганізації систем, їх стійкість підтримується законами ритму (день - ніч, підйом - спад у творчій активності людини, в економіці і т.п.).
Випадковість виявляється необхідним елементом світу: порядок (закон) і безлад (хаос) включають в себе один одного. Більш того, випадковість грає роль творчого начала в процесі самоорганізації. Чим далі від стану рівноваги, тим швидше зростає число рішень, станів складної системи.

Інакше кажучи, система в стані рівноваги «сліпа», а в нерівноважних умовах вона «сприймає» відмінності зовнішнього світу і «враховує» їх у своєму функціонуванні. Спрацьовує ефект бумеранга, який прискорює перебіг процесів.
Довівши конструктивну роль випадковості, синергетика з'явилася у певному плані раціоналізацією життєвого афоризму: «Незначні причини завжди ведуть до великих наслідків». Паскаль висловив цю ідею таким чином: «Будь ніс Клеопатри коротше, лик світу був би іншим».

Синергетика, як правило, має справу з відкритими системами, далекими від рівноваги. Відкритість системи означає наявність у ній джерел та стоків, наприклад, речовини, енергії та інформації.

Щоб система утворилася, необхідний відповідний динамічний джерело, який якраз і виступає організуючим початком. Без підведення речовини і енергії організми вимирають, без підведення газу не горить полум'я в газовому пальнику; неживої виявляється будь-яка соціальна система, знеструмлена в інформаційному відношенні. Там, де настає рівновага, самоорганізація припиняється.

Самоорганізуються, схильні до коливань. Саме в коливаннях система рухається до відносно стійким структурам. Нелінійні рівняння, як правило, описують коливальні процеси. Теорія коливань важлива не тільки в радіотехнічних, але і в будь-яких інших системних процесах.

Якщо параметри системи досягають критичних значень, то система потрапляє в стан нерівноважності та нестійкості. Саме в силу цього відбуваються якісні зміни і, отже, виникають нові якості, своєрідний режим з загостренням. Нове виникає швидко. І, як правило, під впливом легких біфуркаційних збурень. Як часто вчені, що аналізують генезис біологічних і соціальних систем, ведуть пошук глобальних чинників, потужних і об'ємних. Але цілком можливо, що істотні зміни були результатом малих збурень, які призвели систему в резонансне стан. Розвиток йде через нестійкість і часто за допомогою малих збуджень.

Одним з сенсаційних відкриттів було виявлення Лоренцом складного поведінки порівняно простий динамічної системи з трьох звичайних диференціальних рівнянь першого порядку з квадратичними нелінійностямі. При певних значеннях параметрів траєкторія системи вела себе настільки заплутаним чином, що зовнішній спостерігач міг би прийняти її характеристики за випадкові.

Природа дивного атрактора (від лат. Attrahere - притягати) Лоренца була вивчена спільними зусиллями фізиків і математиків. Як і у випадку багатьох інших моделей синергетики, з'ясувалося, що система Лоренца описує самі різні фізичні ситуації - від теплової конвекції в атмосфері до взаємодії біжучому електромагнітної хвилі з інверсно-заселеної дворівневої середовищем, коли частота хвилі збігається з частотою переходу. З екзотичного об'єкта дивний атрактор Лоренца виявився досить швидко зведеним до положення пересічних «недивно» атракторів - притягають особливих точок та граничних циклів. Від нього стали втомлюватися: чи легко виявляти дивні атрактори буквально на кожному кроці!

Проте в запасі у дивного аттрактора виявилася ще одна досить незвичайна характеристика, яка виявилася корисною при описі фігур і ліній, обійдених увагою колись Евкліда, - так звана фрактальна розмірність. Нейман Дж. фон. Теорія самовідтворюються автоматів. М: Світ, 1971. Рабинович М.І. Стохастичні автоколивання і турбулентність. - УФК, 1978, 125, № 1.

Мальдельброт звернув увагу на те, що досить широко поширена думка про те, ніби розмірність є внутрішньою характеристикою тіла, поверхні, тіла або кривої невірно (насправді, розмірність об'єкта залежить від спостерігача, точніше від зв'язку об'єкта з зовнішнім світом).

Суть справи неважко усвідомити з наступного наочного прикладу. Уявімо собі, що ми розглядаємо клубок ниток. Якщо відстань, яка відділяє нас від клубка, велике, то клубок ми бачимо як точку, яка позбавлена ​​будь-якої внутрішньої структури, тобто геометричний об'єкт з евклідової (інтуїтивно сприймається) розмірністю 0. Наблизивши клубок на деяку відстань, ми будемо бачити його як плоский диск, тобто як геометричний об'єкт розмірності 2. Наблизившись до клубка ще на кілька кроків, ми побачимо його у вигляді кульки, але не зможемо розрізнити окремі нитки - клубок стане геометричним об'єктом розмірності 3. При подальшому наближенні до клубка ми побачимо, що він складається з ниток, тобто евклідова розмірність клубка стане рівною 1. Нарешті, якщо б роздільна здатність наших очей дозволяла нам розрізняти окремі атоми, то, проникнувши всередину нитки, ми побачили б окремі точки - клубок розсипався б на атоми, став геометричним об'єктом розмірності.

Але якщо розмірність залежить від конкретних умов, то її можна вибирати по-різному. Математики накопичили досить великий запас різних визначень розмірності. Найбільш раціональний вибір визначення розмірності залежить від того, для чого ми хочемо використовувати це визначення.

Мандельброт запропонував використовувати як захід «нерегулярності» (порізаності, звивистості і т.п.) визначення розмірності, запропоноване Безікович і Хаусфордом. Фрактали - це геометричний об'єкт з дробовою розмірністю Безиковича і Хаусфорда. Дивний атрактор Лоренца - один з таких фракталів.

Розмірність Безиковича-Хаусфорда завжди не менше евклідової і збігається з останньою для регулярних геометричних об'єктів (для кривих, поверхонь і тіл, що вивчаються в сучасному підручнику евклідової геометрії). Різниця між розмірністю Безиковича-Хаусфорда і евклідової - «надлишок розмірності» - може служити мірою відмінності геометричних образов від регулярних.

Про ступінь впорядкованості або невпорядкованості («хаотичності») руху можна судити і по тому, наскільки рівномірно розмазаний спектр, чи немає в ньому помітно виражених максимумів і мінімумів. Ця характеристика лежить в основі так званої топологічної ентропії, яка є, як і її статичний прототип, мірою хаотичності рухів.
Дуже важливо, що синергетика виступає в ранзі математичної дисципліни. Математичне моделювання складних систем і здійснювані в зв'язку з цим обчислювальні експерименти свідчать, що іноді вдається обійтися рівняннями, що містять лише кілька змінних. Наукове пізнання веде до ясності і точності там, де поширена думка бачить сплетіння представляються виключно загадковими подій.

Синергетика, як це показав в своїх численних роботах І. Пригожин, дозволяє з нових позицій зрозуміти два найважливіші чинники існування як нас самих, так і нашого оточення - час і незворотність.

Мова йде про те, що, по-перше, саме незворотність грає конструктивну роль, по-друге, слід перевідкрити поняття часу. Розглянемо суть даної проблеми. Свого часу теорія Ч. Дарвіна послужила поштовхом для розгортання досліджень розвитку природних і соціальних систем. Еволюційна концепція змусила навіть фізиків по-іншому поглянути на свій предмет і на природу в цілому. Справа в тому, що у біологів і фізиків існували прямо протилежні погляди на еволюцію природи.

У біології час незворотньо, його стріла йде від народження особи до її смерті, але немає тієї ж зв'язку між необоротністю і часом, що в термодинамічних системах. Живе більш впорядковано, ніж неживе, воно «харчується» негативної ентропією, і тим не менше його життя необоротна.

У термодинаміці при вирівнюванні температур ентропія у замкненій системі завжди збільшується. Згідно Л. Больцманом, термодинамічна час незворотньо, існує стріла часу.
Проте в класичній механіці час вважається оборотним. Якщо підставити в рівняння, наприклад, другого закону Ньютона замість t - t, то рівняння залишається одним і тим же. Пряме і зворотне протягом часу рівнозначні. Вважалося, що для опису руху досить задати початкові умови, перш за все координати і швидкість. Тоді за допомогою законів механіки можна буде визначити положення рухомого тіла в будь-який момент майбутнього і минулого часу. Інакше кажучи, фактор часу там не грав істотної ролі.
Отже, в наявності неприємна ситуація: в одній фізичній теорії, а саме в механіці, час вважається оборотним, а в іншій, в термодинаміці, час, навпаки, визнається необоротним. Така неузгодженість викликає у вчених підозра, вони прагнуть до подолання суперечності.
Пригожин, прагнучи подолати ці суперечності, звертається до синергетичних ідей, які мають міждисциплінарний характер, тобто дозволяють розглянути і фізичні, і біологічні, і хімічні, і соціальні системи. Вчений приходить до висновку, що час завжди незворотньо, а незворотність пов'язана з самоорганізацією систем і становить стрижневу основу будь-якої еволюції. З висот синергетики заслуговують відомої переоцінки всі інші концептуальні системи. Перевідкриття часу змушує людство з нових позицій оцінити своє майбутнє і можливі в цій ситуації стратегії.
Синергетичний тип мислення конкретизує в межах самоорганізуються древній філософський принцип «все в одному і одне у всьому». На думку російського вченого М.А. Маркова, можливо, існує елементарна частинка, звана фрідмонов, яка «містить в собі весь мегасвіт». Принцип «все в одному» відкриває можливості визначення характеру процесів у великих масштабах, знаючи їх протікання в малих масштабах, і навпаки. Синергетика дозволяє «намацати» внутрішній зв'язок елементів світу, яка здійснюється через малі впливу, флуктуації. Останні можуть давати можливість вийти на інші рівні організації, намітити зв'язок різноякісних рівнів буття. Але синергетика окреслює межі застосування цього положення: малі впливу можуть спливти з нижчих рівнів не завжди, але лише на певних типах середовищ, на таких, які здатні з нелінійної позитивним зворотним зв'язком їх посилити.
В образі світу, що створюється синергетикою, таке фундаментальне якість системи, що відноситься до рівня її елементного будови, як випадковість, відповідально за зміни в глобальних масштабах. Світ нестабільний. У своїх підставах він має жорстке, і пластичне початку. Гнучке початок означає випадковість, відповідальну за появу нового в процесах розвитку. Жорстке початок - існування в світі незмінних зв'язків. Щоб зрозуміти світ глибше, необхідно безліч описів, не зводиться один до одного, але тим не менш пов'язаних правилами переходу. Динамічне опис і опис у термінах необоротності і є два види таких описів: перше відображає розвиток у формі руху, траєкторій або рівнів енергії; друге стосується кінцевих процесів, вимірювань, світу структур, в яких відбувається розсіяння енергії (розпад атомів, хімічні реакції, загасання коливань ). За зауваженням Пригожина, «у філософській термінології обидва види опису відповідають відповідно« буття »і« становленню ». І ні буття, ні становлення по окремо не можуть дати повної картини ».

Міждисциплінарний характер синергетики дозволяє побудувати на її основі модель універсального еволюціонізму.

Багато зробив у цьому відношенні в останні роки академік М.М. Моісеєв. Він стверджує, що людство як у фізичному, так і в біологічному і в соціальному сенсі «тримається на вістрі» *. Прискорення процесів розвитку людства супроводжується зниженням рівня його стабільності. Природно, хід розвитку людства супроводжується станами нестійкості, виникають нові атрактори.

Так як людство в образі ноосфери набуло всепланетарного статус, то в еволюцію залучаються всі природні та соціальні системи. Еволюція стала процесом загальнопланетарний. На основі цього Моісеєв вводить уявлення про двох імперативах - моральному та екологічному.

Моральний імператив розуміється як оновлена ​​моральність, заслоняющая людей від небезпеки соціального порядку. Екологічний імператив виступає при цьому як заборона на зміну тих властивостей навколишнього середовища, які можуть поставити під загрозу саме існування людства. Складна проблема полягає в забезпеченні коеволюції суспільних і природних систем.

Як не парадоксально, новий напрямок, настільки успішно * Мойсеєв М.М. Універсальний еволюціонізм (Позиція і слідства) / / Питання філософії. 1991. № 3. С. 3-28.справляющееся із завданням наведення порядку в світі хаосу, істотно менше досягло успіхів у наведенні порядку серед структур. Зокрема, при пошуку і класифікації структур майже не використовується поняття симетрії, що грає важливу роль в багатьох розділах точного і описового природознавства.

Так само як і розмірність, симетрія істотно залежить від того, які операції дозволяється робити над об'єктом. Наприклад, будова тіла людини і тварин має білатеральної (від бі ... і лат. Lateralis - бічної; двосторонній, двубокій, що відноситься до обох сторін, частинам чогось) симетрією, але операція перестановки правого і лівого фізично не здійсненна. Отже, якщо обмежитися тільки фізично здійсненними операціями, то білатеральної симетрії не буде. Симетрія - властивість негрубі: невелика варіація об'єкта, як правило, знищує весь запас властивою йому симетрії.

Якщо визначення симетрії вибрано, то воно дозволяє встановити відношення еквівалентності між досліджуваними об'єктами. Всі об'єкти, що належать одному і тому ж класу, можуть бути переведені один в одного належно обраної операцією симетрії, у той час як об'єкти, що належать різним класам, ні однією операцією симетрії один в одного переведені бути не можуть.

Симетрію слід шукати не тільки у фізичному просторі, де розігрується процес структуроутворення, але і в будь-яких просторах, які містять «портрет» системи.