Синергетика

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине:

«Основы теории систем»

 

на тему:

«Синергетика»

 

 

 

Выполнил студент: Михайлова Д. А.

                                                                                                                     Группа: 03-118

 

             Проверил: доц., к. т. н., Гридин А.Н.

 

 

 

 

Москва 2011 г.

Оглавление

Введение 3

§1 История возникновения синергетики 5

§2 Синергетика и термодинамика 6

§2 Междисциплинарность синергетики 7

§4 Ключевые особенности синергетики 8

§5 Вклад И. Р. Пригожина в развитие синергетики 10

Заключение 12

Источники информации 13

 

 

 

Введение

Почему целое может  обладать свойствами, которыми не обладает ни одна из его частей? В чем человек  видит сложность окружающего  его мира? Почему, зная фундаментальные  физические законы, мы не можем предсказывать  поведение простейших биологических  объектов? Как согласовать следующую из классической термодинамики тенденцию к установлению равновесия с переходом от простого к сложному, от низшего к высшему, который мы видим в ходе биологической эволюции?

Еще полтора десятилетия  назад эти вопросы относили к  компетенции философии. Сейчас они  встают в конкретном контексте физических, химических, биологических задач. В  их решении все больше помогает теория самоорганизации, или синергетика.

Системы, существующие в природе, сильно отличаются от тех, что созданы человеком. Для первых характерны устойчивость относительно внешних воздействий, самообновляемость, возможность к самоусложнению, росту, развитию, согласованность всех составных частей. Для вторых – резкое ухудшение функционирования даже при сравнительно небольшом изменении внешних воздействий или ошибках в управлении. Следовательно, нужно позаимствовать опыт построения организации, накопленный природой, и использовать его в нашей деятельности. Отсюда вытекает одна из задач синергетики – выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности.

При решении задач в  самых разных областях от физики и  химии до экономики и экологии, создание и сохранение организации, формирование упорядоченности является либо целью деятельности, либо ее важным этапом. Вопрос об оптимальной упорядоченности  и организации особенно остро  стоит при исследованиях глобальных проблем – энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения  огромных ресурсов. Здесь нет возможности  искать ответ методом проб и ошибок, а «навязать» системе необходимое  поведение очень трудно. Гораздо  разумнее действовать, опираясь на знание внутренних свойств системы, законов  ее развития. В такой ситуации значение законов самоорганизации, формирования упорядоченности в физических, биологических  и других системах трудно переоценить.

Другая причина, обусловившая создание синергетики, – необходимость  при решении ряда задач науки  и техники анализировать сложные  процессы различной природы, используя  при этом новые математические методы.

Классическая математическая физика (т.е. наука об исследовании математических моделей физики) имела дело с линейными  уравнениями. Формально это уравнения, в которые неизвестные входят только в первой степени. Реально  они описывают процессы, идущие одинаково  при разных внешних воздействиях. С увеличением интенсивности  воздействий изменения остаются количественными, новых качеств  не возникает. Область применения линейных уравнений необычайно широка. Она  охватывает классическую и квантовую  механику, электродинамику и теорию волн. Методы их решения, разрабатывавшиеся в течение столетий, обладают большой общностью и эффективностью.

Однако ученым все чаще приходится иметь дело с явлениями, где более интенсивные внешние  воздействия приводят к качественно  новому поведению системы. Здесь  нужны нелинейные математические модели. Их анализ – дело гораздо более  сложное, но при решении многих задач  он необходим. Это приводит к формированию широкого фронта исследований нелинейных явлений, к попыткам создать общие  подходы, применимые ко многим системам, к таким подходам относится и синергетика. 

§1 История возникновения синергетики

Термин «синергетика» был впервые использован в начале 70-х годов XX века немецким физиком Германом Хакеном. Происходит это слово от греческого «synergeia» – совместное действие, сотрудничество. Сегодня под синергетикой понимают междисциплинарную науку о самоорганизации – спонтанном (естественном) возникновении порядка из хаоса. Основными источниками появления и развития синергетики были термодинамика и новый раздел математики, получивший название «теория катастроф», основоположником которого считается французский математик Ренэ Том. В развитии идей новых направлений термодинамики, получивших название «неравновесной термодинамики», большой вклад внесли такие ученые, как норвежский физик и химик Ларс Онсагер и бельгийский физик русского происхождения Илья Пригожин.

В синергетике к настоящему времени сложилось уже несколько  научных школ. Эти школы окрашены в те тона, которые привносят их сторонники, идущие к осмыслению идей синергетики с позиции своей  исходной дисциплинарной области, будь то математика, физика, биология или даже обществознание.

В числе этих школ – брюссельская школа, основанная лауреатом Нобелевской  премии по химии за 1977 г. Ильей Романовичем  Пригожиным (из числа потомков русских  эмигрантов, покинувших Россию после  революционных событий 1917 г.), разрабатывающего теорию диссипативных структур, раскрывающую исторические предпосылки и мировоззренческие  основания теории самоорганизации.

Интенсивно работает также  школа Г. Хакена. Он объединил большую группу ученых вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет уже более 60 томов.

Классические работы, в  которых развивается математический аппарат для описания катастрофических синергетических процессов, принадлежат  перу российского математика В.И. Арнольда и французского математика Р. Тома. Эту теорию называют по-разному: теория катастроф, особенностей или бифурикаций.

Среди российских ученых следует  упомянуть также академика А.А. Самарского и С.П. Курдюмова. Их школа разрабатывает теорию самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента на дисплеях компьютеров. Эта школа выдвинула ряд оригинальных идей для понимания механизмов возникновения и эволюции относительно устойчивых структур в открытых (нелинейных) средах (системах).

Широко известны также  работы академика Н. Н. Моисеева, разрабатывающего идеи универсального эволюционизма  и коэволюции человека и природы, работы биофизиков, членов-корреспондентов РАН М. В. Волькенштейна и Д. С. Чернавского.

Такое разнообразие научных  школ, направлений, идей свидетельствует  о том, что синергетика представляет собой скорее парадигму, чем теорию. Это значит что она олицетворяет определенные достаточно общие концептуальные рамки, немногочисленные фундаментальные идеи, общепринятые в научном сообществе, и методы (образцы) научного исследования.

§2 Синергетика и термодинамика

Одним из основных «корней», из которых произрастает синергетика, является термодинамика – наука о тепловых процессах. В составе современной термодинамики выделяют более ранние и классические разделы, получившие название «равновесная термодинамика», и более поздние и неклассические ее разделы, называемые обычно «неравновесной термодинамикой». Рассмотрим вкратце основные идеи этих направлений термодинамики для лучшего понимания того, что представляет из себя синергетика.

В равновесной термодинамике  основным является понятие термодинамического равновесия, т.е. такого состояния термодинамической  системы, при котором она не обменивается материей и энергией с окружающей средой (такая система называется изолированной) и не меняется во времени (такая система называется стационарной). Равновесная термодинамика базируется на трех основных законах: 1-й закон – это закон сохранения энергии, 2-й закон – закон неубывания энтропии в изолированной системе, 3-й закон – закон недостижимости абсолютного нуля температур.

В неравновесной термодинамике  рассматриваются процессы, в той  или иной мере отклоняющиеся от термодинамического равновесия. В линейной неравновесной  термодинамике такое отклонение еще невелико, что выражается в  так называемом принципе локального равновесия, при котором термодинамическое  равновесие сохраняется в достаточно малых частях системы. В этом случае термодинамические процессы могут  быть описаны в форме линейных зависимостей присутствующих в системе  потоков вещества или энергии  от различных термодинамических  сил, вызывающих эти потоки. Например, поток тепла вызывается силой, определяемой перепадом температур, поток вещества – перепадом концентраций в системе, и т.д. В работах Пригожина была сформулирована идея некоторой величины, получившей название «производство энтропии», к минимизации которой стремится стационарная термодинамическая система в случае небольших отклонений от состояния равновесия. Производство энтропии – это величина скорости изменения энтропии, так что стационарная система стремится минимизировать скорость изменения энтропии, максимально приближаясь в этом к состоянию термодинамического равновесия, когда производство энтропии равно нулю. Более того, стационарное состояние с минимумом производства энтропии оказывается термодинамически устойчивым состоянием, т.е. происходит погашение малых отклонений (флуктуаций), удаляющих систему от этого состояния. Источник самоорганизации Пригожин увидел в флуктуациях, которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Затем случайные микрофлуктуации перерастают в состояние хаоса. После того, как в систему с хаотическим состоянием поступает из среды достаточно большое количество свежей энергии, то из хаоса рождаются крупномасштабные флуктуации макроскопического уровня. Так, по Пригожину, из хаоса рождаются макроскопические состояния, так он объясняет самоорганизацию химических и физических систем.

 В нелинейной неравновесной термодинамике отклонение от состояния равновесия может быть достаточно значительным. Здесь уже нельзя пользоваться линейными соотношениями между потоками и силами, перестает выполняться принцип локального равновесия. Неравновесие присуще не только системе в целом, оно проникает и на уровень малых частей системы. Тем не менее, было обнаружено, что как раз в таких далеко отстоящих от равновесия состояниях спонтанно возникают различные упорядоченные структуры, которые способны поддерживать свое состояние только в высоконеравновесных условиях. Такие структуры Пригожин назвал «диссипативными структурами». Это «структуры в открытых системах, в которых в ходе неравновесного процесса из пространственно-однородного состояния самопроизвольно (спонтанно) возникает пространственная или временная структура». В таких системах обычно локально энтропия уменьшается, хотя глобально считается, что она по-прежнему растет.

В нелинейной неравновесной  термодинамике существует ряд типичных примеров возникновения и существования диссипативных структур. Это:

1) возникновение «ячеек Бернара». Если поставить на огонь сковородку с налитым в нее минеральным маслом, то при определенной температуре в масле возникнут красивые гексагональные ячейки, вызванные конвенцией масла между более горячим и менее плотным нижним слоем и более холодным и плотным верхним слоем масла.

2) 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.

3) модель «хищник-жертва», описывающая периодические процессы зависящих друг от друга численностей популяций двух биологических видов, один из которых выступает как хищник, другой – как его жертва. Нарастание численности хищников приводит к последующему падению численности жертвы, что затем сказывается в падении численности хищника, что впоследствии позволяет размножиться жертве, что, в свою очередь, влечет увеличение численности хищника, который уменьшает численность жертвы, и так далее, процесс начинает циклично повторяться.

§2 Междисциплинарность синергетики

 Системы, составляющие предмет изучения синергетики, могут быть самой различной природы и содержательно и специально изучаться различными науками, например, 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.