Основы современной синергетики

 

                                          ВВЕДЕНИЕ 

 

В последние годы наблюдается стремительный  и бурный  рост  интереса  к   междисциплинарному   направлению,   получившему   название «синергетика».

Основоположником  синергетики считается профессор  Штутгартского университета Г.Хакен, сделавший на первой конференции  по сложным системам в 1973 году свой доклад, ставший программным и  предложивший термин для обозначения  нового направления - синергетика. Термин заимствован Хакеном из греческого языка и в переводе означает содействие, сотрудничество, согласованно действующий.

Буржуазная  наука заговорила о синергетике, как о высочайшем достижении науки  конца ХХ века, которое включает в себя теорию самоорганизации и  совокупность соответствующих математических методов. Как доказала современная  наука, на уровне физической, химической, биологической, социальной форм организации  материи объективный мир состоит  из сложных систем. Значительная их часть - это открытые неравновесные  системы. Были открыты и свойства таких систем самоструктурироваться, самоорганизовываться, саморазвиваться  и самовоспроизводиться [1].

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  основоположений  синергетики   и   возникающей отсюда необходимости  уточнения статуса излагаемого  материала.

  Цель данной работы – попытаться  на доступном уровне раскрыть  существо и понятие синергетики,  как нового  направления  современной   научной  мысли.

Данная  работа,  в  сущности,  результат   совмещения   многих   источников, результат  поиска  некоей  золотой  середины  в  описании  синергетики   как  перспективного направления  современной научной мысли.

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                         1. СИНЕРГЕТИКА ПО ХАКЕНУ

 

Синергетика - молодое научное направление, представляющее междисциплинарную универсальную  теорию самоорганизации процессов  самой различной природы. Возникшая  на стыке физики, химии, биологии, астрофизики  и других естественных наук и вобравшая  в себя общенаучные системные  идеи, синергетическая модель самоорганизации  является на сегодняшний день наиболее обобщающей и наиболее эвристически плодотворной объяснительной моделью, описывающей взаимопереходы порядка  и хаоса в эволюции систем, в  том числе и социальных.

Синергетика различает два типа устойчивости (равновесности) систем. Первый связан с термодинамической необратимостью, когда система находится в состоянии, близком к равновесию. Другой тип устойчивости связан с эволюцией реальных (наиболее часто встречающихся в мире) сложных систем, которые, будучи открытыми, активно контактируют с не менее сложным и непредсказуемым окружением.

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

  По Хакену,  синергетика  занимается  изучением  систем,  состоящих   из большого  (очень  большого,  «огромного»)  числа   частей,   компонент   или подсистем,  одним словом, деталей, сложным   образом  взаимодействующих   между собой. Слово «синергетика»  и  означает  «совместное   действие»,  подчеркивая согласованность  функционирования частей, отражающуюся  в  поведении  системы как   целого. 

Очевидно,  что  методологии  разных  областей   знания   столь различны, что  их общность может  быть  реализована  лишь  на  концептуальном уровне. Подтверждением того, что замысел  Г. Хакена был в  определенной  мере неопределенен и субъективен,  являются  свидетельства  некоторых  ученых,  в беседах  с  которыми  Г.  Хакен  говорил,  что  называние  предложенного  им научного направления  «синергетикой»  случайно  и  непринципиально. 

Трудно, однако,  согласиться  с  мнением,  что   название   непринципиально,   и   с полаганием, что синергетику  можно  было  бы  с  неменьшим  успехом   назвать Х–наукой.     В  конечном  счете       начинание 

Г.  Хакена  оказалось  плодотворным именно   благодаря   естественно   понимаемой   ассоциации   синергетики   с самоорганизацией.

Начала  синергетики   Ч.   Шеррингтон   называл    синергетическим,    или   интегративным, согласованное  воздействие нервной системы (спинного  мозга)  при  управлении мышечными  движениями (согласованное действие сгибательных  и  разгибательных мышц - протагониста и антигониста).

С. Улам был непосредственным участником  одного  из  первых  численных  экспериментов на ЭВМ первого  поколения (ЭНИВАКе)  и  понял  всю  важность  и  пользу «синергии, т. е.  непрерывного  сотрудничества  между  машиной  и  ее оператором»,  осуществляемого  в  современных   машинах   за   счет   вывода информации на дисплей.

И. Забуский к середине 60-х годов, реалистически  оценивая ограниченные возможности  как  аналитического,  так  и  численного  подхода   к   решению нелинейных задач, пришел к  выводу  о  необходимости  единого  синтетического подхода. По его словам, «синергетический подход к нелинейным  математическим и физическим задачам  можно определить как совместное использование  обычного анализа  и  численной  машинной  математики  для  получения  решений  разумно  поставленных  вопросов  математического  и  физического  содержания  системы  уравнений» [2].

  Все вышеприведенные начала объединяет тот факт, что  во  всех  случаях речь идет о согласованности действий.

Синергетика,  занимающаяся  изучением  процессов   самоорганизации   и  возникновения, поддержания, устойчивости и распада  структур самой  различной природы, еще далека от завершения и единой общепринятой терминологии (в  том числе и единого названия всей теории) пока не существует. 

Ряд  авторитетных авторов высказывается  о синергетике как о новой  научной парадигме.  Например в  работе   говорится:  «Предельно  краткая  характеристика  синергетики  как новой научной парадигмы  включает в себя  три  основные  идеи:  нелинейность, открытость, диссипативность».  Более  общей  является  следующая  трактовка: «Синергетика является теорией  эволюции  и  самоорганизации  сложных  систем мира,  выступая  в   качестве   современной   (постдарвиновской)   парадигмы  эволюции».

  Заслуживающим внимания представляется  следующее определение:  «Синергетика - 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» [2].  В   таких   системах   наблюдается   согласованное поведение   подсистем,   в   результате   чего   возрастает    степень    ее упорядоченности,  т.  е.  уменьшается энтропия  (самоорганизация).   Основа синергетики — термодинамика неравновесных процессов,  теория   случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн».

Бурные  темпы  развития  новой  области,  не  оставляют  времени  на унификацию понятий и приведение в стройную систему  всей  суммы  накопленных  фактов. Исследования  в новой  области ввиду ее специфики  ведутся  силами  и средствами   многих   современных   наук,   каждая   из   которых   обладает  свойственными  ей  методами  и  сложившейся  терминологией.  Параллелизм   и разнобой в терминологии и системах  основных  понятий  в  значительной  мере обусловлены также различием  в подходе и взглядах отдельных  научных  школ  и направлений  и  в  акцентировании  ими   различных   аспектов   сложного   и многообразного процесса самоорганизации. Отсутствие  в  синергетике  единого  общепринятого научного языка  глубоко  символично  для  науки,  занимающейся явлениями развития и качественного преобразования.

  Строгое  определение синергетики  требует уточнения того, что   следует считать  большим   числом  частей  и  какие   взаимодействия   подпадают   под категорию сложных. Считается,  что сейчас строгое определение,  даже  если  бы оно было возможным,  оказалось бы явно преждевременным.  Поэтому далее (как  и в  работах самого Хакена и его  последователей) речь пойдет лишь  об  описании того,  что  включает  в  себя  понятие  "синергетика",  и  её  отличительных особенностей.

Задачу выяснить с общих позиций закономерности процессов самоорганизации и  образования структур ставит перед  собой не только наука. Важную роль в понимании многих существенных особенностей этих процессов сыграл, например, кибернетический подход, противопоставляемый иногда как  абстрагирующийся "от конкретных материальных форм" и поэтому противопоставляемый  синергетическому подходу, учитывающего физические основы спонтанного формирования структур.

 В этой связи небезынтересно отметить, что создатели кибернетики и современной теории автоматов могут по праву считаться творцами или предтечами науки. Так, Винер и Розенблют рассмотрели задачу о радиально-несимметричном распределении концентрации в сфере.  А. Тьюринг в известной работе предложил одну из основных базовых моделей структурообразования и морфогенеза, породившую огромную литературу: систему двух уравнений диффузии, дополненных членами, которые описывают реакции между "морфогенами". Тьюринг показал, что в такой реакционно-диффузионной системе может существовать неоднородное (периодическое в пространстве и стационарное во времени) распределение концентраций [3].

 В русле тех же идей - изучения реакционно-диффузионных систем - мыслил найти решение проблемы самоорганизации и Дж. фон Нейман. По свидетельству А. Беркса, восстановившего по сохранившимся в архиве  Неймана отрывочным записям структуру самовоспроизводящегося автомата, Нейман предполагал построить непрерывную модель самовоспроизведения, основанную на нелинейных дифференциальных уравнениях в частных производных, описывающих диффузионные процессы в жидкости . В этой связи интересно отметить, что Нейман получил не только математическое образование, но и подготовку инженера-химика.

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

 

 

        2. МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОСТЬ СИНЕРГЕТИКИ

 

2.1 Синергетика  относительно динамических систем

 

Системы, составляющие предмет изучения синергетики, могут  быть  самой различной  природы  и  содержательно  и  специально   изучаться   различными науками. В частности  физикой,    химией,     биологией,     математикой, нейрофизиологией,  экономикой,  социологией,  лингвистикой  (перечень   наук легко можно было бы продолжить).  Каждая  из  наук  изучает "свои"  системы своими, только ей присущими, методами и формулирует результаты  на  "своем" языке. При существующей далеко зашедшей дифференциации науки это приводит  к тому, что достижения одной науки зачастую становятся  недоступными  вниманию и тем более пониманию представителей других наук.

В отличие от традиционных областей науки  синергетику интересуют  общие  закономерности  эволюции  (развития  во  времени)  систем   любой   природы. Отрешаясь от специфической  природы систем, синергетика обретает  способность описывать их эволюцию на интернациональном языке, устанавливая  своего  рода изоморфизм двух явлений, изучаемых специфическими средствами двух  различных наук, но имеющих  общую модель,  или,  точнее,  приводимых  к  общей  модели.

Обнаружение единства модели позволяет  синергетике  делать  достояние  одной области  науки доступным пониманию представителей совсем другой, быть  может, весьма далекой  от нее области науки и переносить результаты одной науки  на, казалось бы, чужеродную почву.

  Следует особо подчеркнуть, что  синергетика отнюдь не является  одной из пограничных  наук  типа  физической  химии  или   математической   биологии, возникающих  на стыке двух наук (наука, в  чью предметную  область  происходит вторжение,  в  названии  пограничной  науки  представлена   существительным; наука,   чьими    средствами    производится    "вторжение",    представлена прилагательным). 

По  замыслу  своего создателя профессора Хакена, синергетика призвана играть  роль  своего  рода метанауки, подмечающей  и изучаюшей  общий  характер  тех  закономерностей  и зависимостей, которые частные науки считали  "своими".  Поэтому  синергетика  возникает не на стыке наук в более  или менее широкой или  узкой  пограничной  области, а  извлекает  представляющие  для  нее  интерес  системы  из  самой сердцевины предметной области частных  наук  и  исследует  эти  системы,  не апеллируя к их природе, своими  специфическими  средствами,  носящими  общий ("интернациональный")  характер  по  отношению  к  частным  наукам.   Физик, биолог, химик и математик  видят свой материал, и  каждый  из  них,  применяя методы своей  науки, обогащает общий запас  идей и методов синергетики.

 Как и всякое  научное направление, родившееся  во  второй  половине  ХХ  века, синергетика возникла не на  пустом месте. Ее  можно рассматривать   как преемницу и  продолжательницу  многих  разделов  точного естествознания,  в первую очередь  (но  не  только)  теории  колебаний   и  качественной  теории  дифференциальных  уравнений. 

Именно теория колебаний  с ее  "интернациональным  языком", а впоследствии и "нелинейным мышлением"  (Л.И.  Мандельштам)  стала для  синергетики прототипом науки, занимающейся  построением  моделей  систем  различной природы, обслуживающих  различные  области  науки.  А  качественная  теория дифференциальных уравнений, начало которой  было  положено  в  трудах  Анри Пуанкаре, и выросшая  из  нее  современная  общая  теория  динамических систем вооружила синергетику значительной частью математического аппарата [4].