Самоорганизация природы (понятие синергетики)
Случайные отклонения параметров системы от равновесия (флуктуации) играют очень важную роль в функционировании и существовании системы. Один из двух типов случайностей имеет направленный, созидательный и эволюционный характер, а второй создает неопределенность и играет деструктивную роль, отсекая все то лишнее и ненужное, что не укладывается в рамки фундаментальных законов и принципов бытия. Вследствие такого совместного действия возникает неустойчивость в системе, которая может служить толчком к возникновению из беспорядка (хаоса) определенных новых структур. В дальнейшем их самопроизвольное (спонтанное) образование идет за счет внутренней перестройки самой системы и согласованного кооперативного взаимодействия всех ее частей и элементов в соответствии с требованиями окружающей среды. Самоупорядочивание системы всегда связано со снижением энтропии в ней. Случайность и дезорганизация на атомно-молекулярном уровне выступают в качестве созидающей силы, которая упорядочивает состояние системы уже на макроуровне и объединяет ее элементы в единое целое. Это явление получило название самоорганизации.
Следовательно, самоорганизация – это процесс спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка (хаоса) в открытых неравновесных системах. За счет роста флуктуаций при поглощении энергии из окружающей среды система достигает некоторого критического состояния и переходит в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и порядка по сравнению с предыдущим.
Таким образом, возникающая из хаоса упорядоченная структура (аттрактор) является результатом конкуренции множества всевозможных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции идет самопроизвольный отбор наиболее адаптивной в сложившихся условиях структуры. На такой концепции построена модель универсального эволюционизма, где дарвинское учение об изменчивости, наследственности и естественном отборе получило фундаментальное методологическое обоснование. Изменчивость окружающего мира обусловливается случайностью и неопределенностью как фундаментальным свойством материи. Наследственность, от которой зависит настоящее и будущее, определяется прошлым. Степень зависимости от прошлого определяется «памятью» системы, которая теоретически может принимать значения в диапазоне от нуля (хаотические образования) до максимально бесконечной величины (жесткие причинно обусловленные системы). Однако реальные системы имеют некоторый небольшой диапазон «памяти», определяемый уровнем их организации. Изменчивость дает возможность появиться многообразию различных вариантов развития систем, но наследственность значительно ограничивает их число. Она отбирает только жизненные, наиболее целесообразные и устойчивые в сложившейся обстановке структуры, устраняя при этом все нежизненные и неустойчивые.
Прошедшие отбор и передающиеся по наследству жизненные структуры постепенно под влиянием важных факторов накапливают определенные количественные изменения, что ослабляет их динамическую устойчивость (гомеостаз). Эти количественные изменения могут перейти в качественные путем скачка. При этом система на некоторое время оказывается в неустойчивом, флуктуационном состоянии, теряет «наследственную память». Характер ее последующего развития будет определяться случайными, непредвиденными факторами, действующими в это время на систему. При этом у системы для выхода из флуктуации есть только два пути: либо деградация и разрушение, либо самоорганизация, усложнение и эволюция. Подобный сценарий развития материи идет на всех ее структурных уровнях как череда сменяющих друг друга постоянных изменений. Таким образом, порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают как диалектическое единство, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы.
Однако самым трудным положением самоорганизации являются вопросы, как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса как наиболее вероятного с энергетической точки зрения в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (как требующего более высокой энергии); как и благодаря чему происходит ее самоорганизация (самоупорядочение). Пока еще в современной науке на эти вопросы ответа нет.
Следует отметить, что в научном мире и в научной литературе одни авторы используют термин «самоорганизация», а другие – «синергетика» (от греч. synergeia – сотрудничество, содружество). Фактические значения слов «самоорганизация» и «синергетика» существенно различаются, но их концептуальный смысл одинаков. Синергетика – область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизации. Синергетика – это теория самоорганизации систем различной природы, предметом которой они являются.
Сама идея самоорганизации (синергетики) имела место еще в классической науке XVIII–XIX вв. Это космогоническая гипотеза Канта– Лапласа, теория эволюции Ч. Дарвина, теория поведения термодинамических систем Максвелла-Больцмана. Однако лишь только в 70-е гг. XX в., когда были накоплены большой теоретический материал и практический опыт, появилась возможность детального исследования открытых, неравновесных систем, анализа и описания механизмов и закономерностей их развития. Основные положения теории синергетики разработаны в трудах Г. Хакена, Г. Николиса, И. Пригожина в 70-х гг. XX в. Сам термин «синергетика» в научный обиход ввел Г. Хакен, немецкий физик, профессор Штутгартского университета.
Хакен предлагает рассматривать синергетику как описание большого количества систем, состоящих, в свою очередь, из подсистем, и в такой сложной иерархической структуре очень важны процессы установления связей, взаимодействия, совместного выживания. В значении этого термина -«совместное действие» - П.Хакен подчеркиевает важность согласованного функционирования частей, которое отражается в поведении самой главной системы как единого целого.
Синергетика – новая междисциплинарная естественно-научная дисциплина, важнейшая составляющая современной научной картины мира. В ней ясно видна интеграция научного знания физики, химии, биологии, космологии. Синергетика использует математический аппарат в кибернетике и др. современных математических дисциплинах.
Возможность систем устанавливать некий внутренний порядок можно рассматривать как общее свойство всех систем Вселенной к развитию, т.е. синергетике очень близки современные эволюционные подходы.
Таким образом, синергетика и эволюционность – парадигмы современного естествознания в целом.
Предназначение синергетики как науки заключается в том, чтобы определить основные принципы, как из хаоса вырастают высокоорганизованные системы. Так, в предисловии к своей книге «Синергетика» Хакен пишет, что он «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 дисциплин».
Общее содержание комплекса синергетических идей заключается в следующем:
-
Процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной имеют объективный характер
-
Процессы созидания, т.е. нарастания сложности и упорядоченности, имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.
Особенность синергетического подхода заключается в том, что хаос выступает не обязательно только как разрушитель, но и как созидатель, поэтому наряду с ним используется понятие «беспорядок», как порядок нарушенный.
Хаотическое состояние содержит в себе неопределенность – вероятность и случайность, которые описываются с помощью понятий информации и энтропии.
Зародышем самоорганизации служит «вероятность» - упорядоченность возникает через флуктуации, устойчивость через неустойчивость.
Важная особенность такого поведения – переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке, которая называется «точкой бифуркации» эволюционный путь системы как бы разветвляется, т.е. система выбирает новый путь развития и при этом переходит в качественно новое состояние. Этот процесс перехода является необратимым – возврат в первоначальное состояние невозможен.
Для того, чтобы в системе происходили процессы самоорганизации, должны выполняться следующие условия:
1. Система должна быть открытой, т.е. способной обмениваться с другими системами веществом, энергией, информацией, и далеко отстоящей от состояния термодинамического равновесия. Поэтому очень часто синонимом синергетики считают неравновесную термодинамику.
2. Необходимо, чтобы порядок возникал благодаря флуктуациям, т.е. изменениям системы или «отклонениями» в разные стороны.
3. Важнейшим условием является наличие в системе положительной обратной связи.
4. Необходимым также является достижение системой некоторых критических размеров, способствующих и усиливающих кооперативное поведение системы.