Формирование парадигмы самоорганизации

Сжергеттеский анализ сложноорганизованных систем

Как  объясняет синергетика процесс самоорганизации систем

Самоорганизация и новые стратегии научного поиска

Роль нелинейной динамики и синергетики в развитии современных представлений о развивающихся системах

Для анализа процессов эволюции сложных систем, в том числе исторически развивающихся и глобальных, нам необходимо обратиться  к рассмотрению такого  нового  междисциплинарного  на­правления исследований, которое получило название синергетики.

Автор самого термина «синергетика» (от греч. synergeticos — со­вместно действующий) немецкий физик Г. Хакен в предисловии к первому изданию своей книги писал: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахожде­ния общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходи­мо кооперирование многих различных дисциплин»'.

Синергетику теперь стали рассматривать как парадигму иссле­дования сложноорганизованных систем, которая находит широкое применение не только в естественных и технических науках, но все активнее вторгается в социально-экономическое и гуманитарное знание. Прогресс в познании сложных систем способствовал пре­одолению противопоставления простого и сложного, пониманию их относительности, а самое главное — раскрытию роли сложноорга­низованных процессов в ходе эволюции и развития систем неорга­нического, органического и социального мира.

Формирование парадигмы самоорганизации.

Основополагающая идея синергетики под разными названиями и чаще всего под именем самоорганизации уходит своими корнями в глубокую древность. По крайней мере, она осознавалась уже Аристотелем, а еще раньше иг­рала важную роль в космогонических представлениях древних гре­ков, которые рассматривали формирования мира как процесс воз­никновение космоса, или порядка, из хаоса, или беспорядка. Однако эта общая идея имела скорее характер гениальной догадки, чем на­учно обоснованной гипотезы по той простой причине, что у антич­ных греков не существовало экспериментального естествознания.

Принципы и методы изучения простейших механических и дру­гих систем, которые изучались в классической науке, оказались яв­но непригодными для исследования таких сложноорганизованных систем, как системы живой природы, социальные и гуманитарные системы. Такие системы отличаются особой динамичностью и пе­рестройкой своих структурных и организационных форм. Неудиви­тельно поэтому, что именно социально-экономические и гумани­тарные науки встретились с проблемой самоорганизации уже в са­мом начале своего возникновения.

Ответы на эти вопросы, связанные с интуитивно понимаемой самоорганизацией, впервые попытались дать представители соци­ально-гуманитарных наук, хотя они были сформулированы в недос­таточно ясных и точных понятиях. Поэтому они носили скорее ин­туитивный, чем рационально-аналитический характер, но это отнюдь не снижает их значения для последующего научного познания. Не случайно поэтому некоторые современные ученые называли, на­пример, основоположника классической политической экономии А. Смита предтечей кибернетики на том основании, что у него в неявном виде встречается апелляция к принципу отрицательной обратной связи.

В философско-мировоззренческом плане проблема самооргани­зации затрагивалась И. Кантом в «Критике суждения» в связи с внутренней целесообразностью в природе, где он рассматривает от­личие искусственных объектов от естественных. По его мнению, в естественном образовании каждая его часть мыслится как обязан­ная своим существованием действию всех остальных частей и в свою очередь существует ради других и целого. Только при этих ус­ловиях они могут стать самоорганизованным бытием, и как тако­вые, названы целесообразными естественными образованьями.

К сожалению, новые радикальные идеи о характере функцио­нирования и эволюции живых и социальных систем не получили дальнейшего развития в тогдашнем естествознании в силу его меха­нистической ориентации. Осознанию общности значения принципа самоорганизации мешала также разобщенность исследователей, ра­ботавших в различных отраслях естественных и общественных наук. Нередко этому способствовало и прямое противопоставление мето­дов естествознания методам общественных наук, а также попытка позитивистов непосредственно перенести естественнонаучные ме­тоды познания в социальные и гуманитарные науки. Это наталки­валось на серьезное противодействие со стороны представителей социально-гуманитарных наук и вызывало отчуждение гуманитари­ев и естествоиспытателей.

Постепенно, однако, принцип самоорганизации в той или иной форме появлялся в разных науках при решении конкретных про­блем. Так, например, в физиологии У. Кеннон сформулировал свой знаменитый принцип гомеостаза, суть которого сводится к тому, что в процессе адаптации к изменяющимся условиям существования, живые организмы перестраиваются таким образом, чтобы поддер­жать устойчивость важнейших параметров своей жизнедеятельности.

Значительный импульс исследованию процессов самоорганиза­ции в наше время придало возникновение кибернетики, которая обобщила принцип отрицательной обратной связи. Благодаря этому удалось объяснить существование устойчивых динамических систем, явления гомеостаза, существование на рынке спонтанного порядка, выражающегося в установлении равновесия между спросом и пред­ложением и многие другие процессы, опирающиеся на принцип со­хранения динамического равновесия. Однако этот принцип объяс­няет лишь сохранение и поддержание устойчивости динамических систем, но не раскрывает, каким образом такая устойчивость и по­рядок возникают.

Между тем подлинная самоорганизация по самому смыслу этого термина означает именно изменение прежней организации,, поряд­ка или структуры и появление нового порядка и структуры в ре­зультате изменения взаимодействия между элементами системы. Точнее говоря, причины такого изменения поведения элементов системы, их самоорганизации следует искать в процессе взаимодей­ствия элементов системы с внешней средой. Но большинство авто­матов и технических устройств, сконструированных в кибернетике, опираются, по сути дела, на внешнюю организацию, то есть «само­организация» в них заранее запланирована и организована челове­ком-конструктором. В отличие от этого самоорганизация и, осно­ванная на ней эволюция в живой природе и обществе, отнюдь не сводятся к сохранению динамического равновесия. Именно это глубокое различие между неживой и живой природой долгое время оставалось неразрешимым противоречием между классической тер­модинамикой и эволюционным учением Ч. Дарвина.

Важнейшая заслуга синергетики состоит в том, что она впервые сумела приблизиться к разрешению этого противоречия. Она экс­периментально и теоретически доказала, что самоорганизация при наличии вполне определенных условий может происходить уже в простейших физико-химических, и других системах неорганической природы.

К формулировке основной идеи новой парадигмы самооргани­зации разные ученые подходили, опираясь на свои конкретные ис­следования в разных областях науки. Исследования Г. Хакеном ме­ханизма работы лазеров, начатые в 1960 г., убедили его в том, что в них процесс самоорганизации начинается с возникновения коге­рентного, кооперативного движения молекул или атомов, образую­щих активную среду лазера. Поэтому в своем определении синерге­тики он подчеркивает именно кооперативный характер процессов самоорганизации. Как признается он сам, в то время он решал ча­стную проблему и не пытался распространить полученные выводы на другие самоорганизующиеся системы.

Другое направление исследований было связано с изучением кинетики химических реакций в рамках теории необратимых про­цессов неравновесной термодинамики. Как показали эксперименты отечественных ученых Б.П. Белоусова и A.M. Жаботинского, в фи­зико-химических системах в процессе самоорганизации к энергети­ческому обмену добавляется обмен веществами, участвующими в химической реакции. Кроме того, для поддержания и ускорения процесса самоорганизации здесь применяются различные виды ката­лиза. В математической модели, описывающей эти эксперименты, известный бельгийский ученый И. Пригожий, русский по происхо­ждению, подчеркивает особое значение именно неравновесности и удаленности системы от точки термодинамического равновесия, как исходных условий для начала ее самоорганизации. Системы и струк­туры такого рода он называет диссипативными именно потому, что они возникают за счет диссипации, или рассеяния, в окружающую среду использованной, деградированной энергии и вещества. Взамен этого система получает из окружающей среды свежее вещество или энергию. Поскольку диссипация энергии ассоциируется с выведени­ем беспорядка в среду, а получение новой энергии — с приобретени­ем порядка, то вслед за Э. Шредингером взаимодействие между системой и ее средой стали рассматривать как обмен беспорядка на порядок. Вместе со своими сотрудниками И. Пригожий значитель­но продвинул разработку теории самоорганизующихся физико-химических процессов, за что был удостоен Нобелевской премии по химии за 1977 г.

В эти же годы Э. Лоренц, разрабатывая глобальную компьютер­ную модель для предсказания погоды, пришел к удивительному от­крытию. Используя ту же самую систему уравнений, с почти оди­наковыми начальными условиями, он обнаружил, что они приводят к разным результатам. Детерминистическая система уравнений ока­зывалась «чувствительной» к начальным условиям и ее «поведение» оказывалось хаотическим. Но этот хаос обладал сложным, внутрен­ним порядком или регулярностью, так что понятия порядка и регу­лярности, с одной стороны, и беспорядка и иррегулярности, с дру­гой, оказывались относительными. Их нельзя было, поэтому проти­вопоставлять друг другу в абсолютном смысле. Хаос оказывался специфической системой, обладающей весьма сложным порядком.

Осознание общности и аналогии этих конкретных процессов, как процессов самоорганизации в сложных системах, появилось во второй половине 70-х годов XX в. Еще раньше было замечено, что вопреки различию отдельных подходов, исследователи пользовались при этом аналогичным математическим аппаратом, сходными, хотя и разными по названию понятиями и принципами. Признание общ­ности и единства, разных по своей природе самоорганизующихся процессов постепенно привело ученых к необходимости создания междисциплинарного направления своих исследований.

 Сжергеттеский анализ сложноорганизованных систем.

Важней­шим условием возникновения самоорганизации является наличие открытой системы, которое противоположно понятию закрытой системы классической термодинамики. Одно из первых определе­ний этого понятия принадлежит выдающемуся австрийскому физи­ку Э. Шредингеру, который сформулировал его в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?». В ней он подчеркнул, что характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. Средство, при помо­щи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), указывал он, в действительности состоит в не­прерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может быть равновесной. С поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаи­мосвязь между элементами системы, которая определяет ее струк­туру, разрушается. Со временем между элементами системы возни­кают новые взаимосвязи и появляются кооперативные процессы, которые приводят к коллективному поведению элементов системы. Именно кооперативные процессы приводят к образованию новых динамических структур. Так схематически могут быть описаны про­цессы самоорганизации в открытых системах.

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощ­ные потоки излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения, например, моле­кул газа, составляющего активную среду лазера, приводятся в согла­сованное, коллективное движение благодаря поступлению энергии извне, в данном случае электрического разряда. Вследствие этого молекулы газа начинают колебаться в одинаковой фазе и, благодаря интерференции, мощность лазерного излучения многократно уве­личивается. Этот пример показывает, как флуктуации, или случай­ные колебания элементов системы при поступлении энергии извне, приходят в когерентное, согласованное движение.

Другим примером может служить самоорганизация, которая воз­никает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых химических реагентов, то есть веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и удаление в окружающую среду продуктов реакции, с другой. Самоорганизация обнаруживается здесь в появлении на поверхности раствора различных пространствен­ных образований, концентрических волн, или периодическом измене­нии цвета раствора. Например, раствор может периодически менять свою окраску с синего цвета на красный цвет, и обратно, явление, ко­торое впоследствии было названо «химическими часами».

Как же объясняет синергетика процесс самоорганизации систем?

3. Если упорядочивающим принципом для закрытых, изолиро­ванных систем является эволюция в сторону увеличения энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундамен­тальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникно­вение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего поло­жения в самом начале подавляются системой. Однако в открытых системах, благодаря усилению их неравновесности, эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «расшаты­ванию» прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот процесс Пригожий характеризует посредством принципа образова­ния порядка через флуктуации. Так как флуктуации имеют случай­ный характер, то можно допустить, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. Здесь можно ус­мотреть связь с гениальной догадкой античных философов Эпикура и Лукреция Кара, допускавших случайность для объяснения воз­никновения нового в развитии мира.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип — положительной обрат­ной связи. Согласно этому принципу, изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливают­ся, что и приводит, в конце концов, к возникновению нового по­рядка и структуры.

Мы перечислили лишь самые необходимые, но далеко недоста­точные условия для возникновения самоорганизации в физических системах. Уже в химических самоорганизующихся системах в «игру» вступают такие новые факторы, как процессы катализа, которые ускоряют химические реакции. Отсюда можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, кото­рые играют роль в самоорганизации.

Самоорганизация и новые стратегии научного поиска.

Широкое использование парадигмы самоорганизации в естественных науках и технике, а также постепенное проникновение ее принципов в экономические и социально-гуманитарные науки выдвигают про­блему поиска новых стратегий научного поиска. Такая стратегия необходима для поиска решений ряда не только конкретных, но и глобальных общенаучных и мировоззренческих проблем.

Состоит ли окружающий нас мир из разнообразных по содер­жанию и форме самоорганизующихся систем? Возникла ли живая природа в результате случайного стечения чрезвычайно невероятных обстоятельств, условий и факторов, как на этом настаивали некото­рые известные биологи, или же она является результатом процесса самоорганизации, начавшегося в неорганической природе? Как са­моорганизация и организация взаимодействуют в обществе?

На все эти вопросы синергетика помогает найти правильный ответ, или, по крайней мере, наметить верную стратегию поиска, хотя это требует, конечно, основательных дальнейших исследова­ний. Мы ограничимся выяснением преимуществ синергетической стратегии научного поиска перед широко распространенной тради­ционной стратегией изучения сложных систем.

Традиционный подход к изучению поведения сложных систем состоит в редукции, или сведении их к поведению простых элемен­тов. Например, чтобы объяснить поведение сложных систем на макроуровне, исследователь стремится свести их к процессам на микроуровне, наделяя микрообъекты (например, атомы или другие ненаблюдаемые объекты) простыми свойствами. Синергетика же стремится понять связь и взаимодействие между микро- и макро­процессами как таковыми и поэтому не рассматривает свойства не­наблюдаемых объектов. Она тщательно изучает изменения, которые происходят на наблюдаемом, макроскопическом уровне как резуль­тат взаимодействия огромного числа элементов или частиц системы на ненаблюдаемом микроуровне.

Основная идея, выдвигаемая синергетикой, заключается в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне.

Эти изменения недоступны для непосредственного наблюдения, но их совокупный результат доступен для наблюдения и описывается управляющими параметрами системы. При критическом значении этих параметров система переходит в новое макроскопическое со­стояние. Установить связь между невидимыми изменениями на микроуровне и видимыми изменениями на макроуровне, так же как и определить критические значения управляющих параметров из чисто абстрактных, теоретических соображений не представляется возможным. Поэтому здесь прибегают к конкретному исследованию сложноорганизованных систем с помощью наблюдений или экспе­риментов. Например, в реакции Белоусова — Жаботинского — управляющим параметром служит концентрация химических ве­ществ, в лазере — напряженность электромагнитного поля внутри него. Изменяя управляющие параметры, можно достичь критиче­ского значения, когда система резко и спонтанно переходит в каче­ственно новое состояние.

Анализ поведения системы при переходе от прежнего состояния к новому состоянию в критической точке имеет решающее значе­ние для понимания процесса самоорганизации. Именно здесь ясно прослеживается взаимосвязь между случайностью и необходимостью в процессе самоорганизации системы. Флуктуации, представляющие собой случайные отклонения системы от равновесия в ходе взаимо­действия со средой и возрастания неравновесности системы, посте­пенно усиливаются, пока не достигнут определенной критической точки, в которой и происходит превращение случайных изменений в детерминированное, необходимое движение системы. Однако какое направление дальнейшего движения или траекторию после критиче­ской точки «выберет» при этом система, зависит в свою очередь от ряда случайных обстоятельств. Используя знакомый нам термин бифуркации, можно сказать, что в зависимости от сложившихся случайных обстоятельств, система может «выбрать», по меньшей мере, две возможные траектории будущего движения. Предсказать, какой конкретно путь «выберет» система, невозможно.

Возвращаясь к вопросу о взаимосвязи между микро- и макро­уровнем в процессе самоорганизации, следует подчеркнуть, что при постепенном изменении системы на микро уровне обычно возни­кает множество различных конфигураций состояний и их будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются параметрами порядка. Этот прин­цип управления параметрами порядка впервые четко сформулиро­вал Хакен, который сравнивает его с действиями кукловода.

«В определенном смысле, — пишет он, — параметры порядка действуют  как  кукловоды,   заставляющие   марионеток  двигаться.

Однако между наивным представлением о параметрах порядка как о кукловодах и тем, что происходит в действительности, имеется одно важное различие. Оказывается, что, совершая коллективное действие, индивидуальные части системы, или «куклы», сами воздей­ствуют на параметры порядка, т.е. На «кукловодов». '

Принцип подчинения параметрам порядка играет важнейшую роль в понимании процессов самоорганизации. В каждом таком процессе параметров порядка существует сравнительно немного, в то время как система может состоять из большого числа компонен­тов, которые могут создавать огромное количество состояний. Вве­дение параметров порядка значительно облегчает анализ самоорга­низующихся процессов и проливает дополнительный свет на пони­мание категории причинности в современном научном познании.

Если традиционное понимание линейной причинности предпо­лагает, что только причина вызывает или порождает действие, то процессы самоорганизации ясно показывают, что действия также могут оказывать влияние на породившую их причину или причины. Действительно, поведение компонентов системы подчиняется и управляется параметрами порядка, но в то же время сами парамет­ры порядка возникают в результате взаимодействия компонентов системы. Так возникает представление о циклической причинности, включающее признание обратного влияния действия на породив­шую его причину.

Роль нелинейной динамики и синергетики в развитии современных представлений о развивающихся системах.

Отличительная черта мо­делей, описывающих открытые системы и процессы самоорганиза­ции, состоит в том, что для их описания используются нелинейные математические уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). Классическая термодинамика изучала равновесные системы, для описания которых применялись линей­ные дифференциальные уравнения. Но такие системы не могли описывать развитие сложноорганизованных биологических и соци­альных систем. По этой причине возник конфликт между классиче­ской термодинамикой и эволюционной теорией Ч. Дарвина. Он был разрешен переходом термодинамики к изучению открытых не­линейных систем и появлением синергетики.

Появление нелинейной термодинамики и синергетики способ­ствовало переходу от линейного мышления, которое утвердилось в рамках механистической картины мира к нелинейному мышлению современной науки. В отличие от классической линейной термоди­намики, предметом изучения которой являются равновесные и слабо неравновесные системы, нелинейная термодинамика исследует сильно неравновесные системы, поведение которых является неста­бильным и точно непредсказуемым. Но именно такие системы больше всего встречаются в живой природе и обществе и поэтому они представляют наибольший интерес для науки.

Среди этих систем особого внимания заслуживают самооргани­зующиеся и исторически развивающиеся системы, к которым отно­сятся геологические, астрономические, биологические, социально-экономические и другие системы. Трудность их исследования за­ключается в том, что процессы самоорганизации и перехода к но­вым качественным состояниям в них требуют не только прогнози­рования периодов неустойчивости и появления возможных точек бифуркации, но и конкретного анализа эволюции систем на всем протяжении исторического процесса развития. Поэтому анализ та­ких систем осуществляется как с помощью стандартных методов нелинейной термодинамики и синергетики, так и построения сце­нариев будущего их развития.

философия науки