Вклад кибернетики в современную научную картину мира

Кибернетика устранила ту принципиальную неполноту научной картины мира, которая была присуща науке XIX и первой половине XX века. Классическая и неклассическая наука строила представление о мире на двух фундаментальных категориях – материя и энергия и создавала вещественно-энергетическую, вещественно- полевую картину мира.

На постулатах о материи и энергии строились представления о пространстве и времени. Но в палитре научной картины мира не хватало важнейшей «краски» – информации. Самая глубокая причина сопряжения пространства и времени, а равно всех изменений в мире, проистекает из изменения массы, энергии и информации. Опыт развития науки последнего времени показал, что реальный мир состоит из этих предельно фундаментальных элементов. Системы материальных объектов, вещественно-энергетические процессы являются и носителями, хранителями и потребителями информации. И подобно тому, как Эйнштейн установил закон эквивалентности массы и энергии (Е=mc²), видимо, есть и закон (не открытый еще) эквивалентности массы, энергии и информации. Кибернетика (вместе с теорией информации) дала новое представление о мире, основанное на информации, управлении, организованности, обратной связи, целенаправленности. Создала информационную картину мира. Не энергия, а информация выйдет в XXI столетии на первое место в мире научных понятий.

Фундаментальный характер информации означает, что хаос не может быть абсолютным. В любом хаосе существует некоторый уровень упорядоченности. Космос не способен опуститься до сплошной энтропии как считали сторонники концепции «тепловой смерти» Вселенной. Живые организмы и социальные системы питаются отрицательной энтропией (негэнтропией), то есть благодаря обмену информацией со средой они противостоят беспорядку и хаосу. Масс-энерго-информационные преобразования исчерпывают собой все возможные состояния Космоса, а также и всех его подсистем (Вселенной, природы, человека и общества).

Кибернетика оказала революционизирующее влияние на теоретическое содержание и методологию всех наук. Она устранила непреодолимые грани между естественными, общественными и техническими науками. Способствовала синтезу научных знаний; создала из понятий частных наук структуры новых понятий, новый язык науки. Такие понятия, как информация, управление, обратная связь, система, модель, алгоритм и др. обрели общенаучный статус.

Кибернетика дала в руки человека сильнейшее орудие управления производством, обществом, инструмент усиления интеллектуальных способностей человека (ЭВМ). Современные ЭВМ (компьютеры) – это универсальные преобразователи информации, а с преобразованием информации человек связан во всех областях своей деятельности (в политике, экономике, науке, профессиональной сфере и др.).

Философ Ф.Бекон писал, что «когда истина обнаружена, она налагает ограничения на мысли людей». На мир уже нельзя смотреть «докибернетическим взглядом». Кибернетика – сформировала свой взгляд на мир – информационно-кибернетический стиль мышления.

От хаоса к порядку. Становление синергетики как науки

Современные научные концепции строения материи приписывают ей свойства динамизма, развития, эволюционный характер. Научному мировоззрению, по крайней мере, с XIX века, была присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) – самого простого из всех возможных состояний системы, не обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной маловероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Следовательно, упорядоченное состояние вещества, которое наблюдается в доступной части Вселенной, возникло случайно. А жизнь, как самая высокая из всех известных науке форм упорядоченности, тем более случайна и противоестественна. Это подтверждала, распространенная в XIX веке в космологии модель стационарной Вселенной. Что же заставило изменить этот, казалось бы, незыблемый взгляд на развитие, прийти к идее самоорганизации материи, которая внедрилась в научное мировоззрение во второй половине ХХ века и коренным образом изменила старые взгляды на материю и процессы ее развития?

Истоки идеи самоорганизации систем. Эта идея порождена увеличением числа исследований в различных областях естествознания, посвященных кооперативным эффектам в открытых неравновесных системах. Первоначально в 60-х годах ХХ столетия такие исследования проводились независимо в разных дисциплинах, позже (в 70-х годах) они стали предметом сравнения, и в них обнаружилось много общего.

Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и пространстве. Разработка теории самоорганизации началась в середине ХХ столетия и продолжается в настоящий момент, причем по нескольким, сходящимся направлениям:

• синергетика (Г.Хакен);

• термодинамика неравновесных процессов (И.Пригожин);

• концепция эволюции органических молекул (М.Эйген);

• концепция эволюции открытых каталитических систем (А.П.Руденко);

• теория катастроф (Р.Том).

В выработке современной концепции социальной самоорганизации существенное значение имели открытия, полученные при решении специальных проблем в различных областях науки. Важное место в формировании синергетики занимают математическая теория устойчивости, разработанная А.Ляпуновым и А.Пуанкаре; теория нелинейных колебаний, созданная школами Л.Мандельштама и А.Андронова. В 1963 г. Э.Лоренцом открыто явление «странного аттрактора», в котором система движется от одной точки к другой детерминированным образом, но траектории движения, в конце концов, настолько запутываются, что предсказать движения системы в целом становится невозможным. Эта смесь стабильности и нестабильности характеризовала явление, получившее наименование динамического хаоса. Работы Э.Лоренца, Д.Рюэля и Ф.Такенса изменили научное представление об обязательной причинности (механистическом детерминизме) изменений в движении и акцентировали значение стохастичности (случайности, вероятности).

Необходимо отметить, что в научной литературе одни авторы используют термин «самоорганизация», другие – «синергетика». Термин «синергетика» ввел немецкий физик Герман Хакен (р. 1927 г.). Слово «синергетика» древнегреческого происхождения, означает «сотрудничество, совместное действие». Лингвистический смысл слов различен, но концептуальных расхождений между этими научными направлениями нет. Как синергетика, так и теория самоорганизации исследуют процессы самоорганизации и самодезорганизации в открытых неравновесных системах физической, химической, биологической, экологической, социальной и другой природы. Сегодня наука считает все известные системы от самых малых (элементарные частицы), до самых больших (Вселенная) – открытыми, обменивающимися энергией, (или) веществом и (либо) информацией с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. А развитие таких систем, как стало известно, протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем.

Синергетика по определению ее создателя, немецкого физика Г.Хакена занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди... Это наука о самоорганизации сложных систем, о превращении хаоса в порядок.

В синергетике возникновение упорядоченных сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуации, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир. Самоорганизация, по Г.Хакену, – это «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса». Переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному происходит за счет совместного и синхронного действия многих подсистем (или элементов), образующих систему.

Г.Хакен выделил кооперативные (коллективные) процессы во всех самоорганизующихся системах. Первоначально сферой приложения синергетики Г.Хакена была квантовая электроника и радиофизика. Ярким примером самоорганизации может служить система, изученная им, – лазер.

Г.Хакеном обращено внимание на то, что при накачке лазера световой энергией в определенный момент хаотические вначале колебания его атомов сменяются более упорядоченными и когерентными. Пока мощность накачанной энергии мала, атомы в кристалле возбуждаются несогласованно и излучают световые микроволны тоже разрозненно по времени и направлению. В этом случае лазер испускает рассеянный свет, как осветительная лампа. Но когда накачка энергией активного вещества лазера достигает порогового значения мощности, то все возбужденные в кристалле атомы – антенны внезапно начинают излучать свет синхронно и однонаправленно, и от сложения множества микроизлучений образуется один мощный поток света, лазерная установка переходит в режим генерации. То есть при генерации лазерного луча в атомной системе кристалла происходит самоорганизация.

Такого рода взаимодействия, приводящие к кооперативному поведению элементов системы, Г.Хакен назвал синергетическими, то есть согласованными, совместными.

Другими примерами кооперативных эффектов могут быть: коллективно выстраивающиеся одинаковые ориентации элементарных магнитных моментов в ферродинамике; коллек- тивно и согласованно самоорганизующиеся вихри внутри жидкости, порождающие видимую на макроскопическом уровне турбулентную структуру и т.п.

По Хакену, объект изучения синергетики – самоорганизующаяся система – независимо от его природы, должен обладать следующими признаками:

• Открытость – обязательный обмен энергией и (или) веществом с окружающей средой. Открытость системы означает наличие в ней источников поступления и стоков выхода вещества, энергии и информации;

Открытость – исходное условие самоорганизации. Понятие открытости связано с представлением об отношениях системы или элементов системы с внешней средой, которую составляют другие системы или элементы и продукты их взаимодействия. Открытыми отношения считаются тогда, когда имеется свободный многосторонний обмен веществом, энергией и информацией. Системы, не способные к обмену, определяются как закрытые. Абсолютно закрытых систем в природе нет. Каждая система реагирует на внешнее воздействие и что-то отдает среде, хотя бы в виде продуктов своего распада. К условно закрытым системам относятся строго отграниченные образования с жесткими внутренними и внешними связями, ограниченные в поведении и действиях столь же жестким регламентом. Синонимы закрытос- ти – ограниченность, несвобода.

Согласно второму закону термодинамики, в закрытой системе энтропия (мера беспорядка) может только возрастать, то есть порядок со временем уменьшается и, наконец, исчезает (что означает распад, крах самой системы). Соответственно, к саморазвитию такая система не способна. Она стремится только к самосохранению, но и эта возможность уменьшается по мере неизбежного разупорядочения.

Открытые системы способны к уменьшению энтропии за счет ее экспорта, т.е. вывода во внешнюю среду. Однако, открытость – также понятие условное. Если система регулярно обменивается ресурсами (активностями) со средой и при этом их «приход» эквивалентен «выходу», такая система в равном соотношении обменивается и энтропией, которая в течение определенного времени остается в постоянном значении и, соответственно, повышение сложности и организованности системы не происходит.

Оптимально для жизнеспособности и внутреннего развития открыта та система, которая наращивает как приток активностей, так и их внутреннее производство с обменом в пользу притока. Энтропия системы уменьшается и, соответственно, организованность возрастает. Однако, возрастающая при этом сложность системы и нарастающий экспорт энтропии (дезорганизация среды) приводят и эту систему в неустойчивое состояние и вынуждает ее трансформироваться. В состоянии предельной неустойчивости система становится открытой в полном синергетическом понимании открытости, когда для обмена ресурсами система открыта в каждой своей точке и ее элементы готовы к кооперации в новых порядках.

Поскольку любая система, независимо от степени ее от- крытости в различных организационных состояниях, рано или поздно приходит в точку предельной неустойчивости, в этой точке, в момент трансформации все системы становятся открытыми.

• Существенная неравновесность, нелинейность – что выражает непостоянство, многообразие, неустойчивость, отход от положений равновесия, наличие колебаний и достигается при определенных состояниях и при определенных значениях параметров, характеризующих систему, которые переводят ее в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости. Там, где наступает равновесие, самоорганизация прекращается;

Нелинейность – это неэквивалентность прошлого будущему системы. Линейные отношения – это эквивалентность сигнала и ответа на него. Они характерны для линейных систем, в которых действует принцип суперпозиции, т.е. упрощенно – результат пропорционален усилиям. Такие отношения наблюдаются вблизи точки статического равновесия. Чтобы одним движением выкатить шар со дна углубления на его склон и затем на перевал к другому углублению, необходимы значительные усилия, пропорциональные крутизне склона. Если его раскачивать, то при достаточном размахе линейные колебания становятся нелинейными, возвращающая сила начинает убывать и шар выскакивает из углубления на перевал (в точку неустойчивого равновесия). Нелинейность нарушает принцип суперпозиции: результат суммы воздействий не равен сумме их результатов, то есть незначительными усилиями можно осуществить большие преобразования. Отсюда, в отличие от линейной экстраполяции, сложность прогнозирования нелинейного поведения системы.

Неустойчивость – состояние готовности системы к изменениям и момент выбора их направления. В синергетике часто для иллюстрации состояние неустойчивости используется модель маятника. Свободно качающийся маятник постепенно уменьшает амплитуду колебания и останавливается в критической нижней точке (абсолютное равновесие). Если подавать на маятник энергию порциями или установить пределы колебаний, это будет модель закрытой системы, находящейся в подвижном равновесии. Если приток энергии увеличивать (дополнительный груз к тянущей гирьке) и устранить ограничители, маятник придет во вращательное движение и при прекращении подачи энергии может остановиться в перевернутом положении, т.е. в верхней точке круга движения (неустойчивое равновесие).

Для выведения маятника из абсолютного равновесия и увеличения амплитуды колебаний около нижней точки устойчивости требуется достаточно выраженное усилие. В состоянии неустойчивого равновесия он готов упасть вправо или влево при малейшем воздействии или даже случайных тепловых колебаний материала маятника.

В точке неустойчивого равновесия система действительно открыта и высокочувствительна к малым сигналам. Такие точки неустойчивости и открытости являются и точками выбора (вправо или влево). В синергетике они называются точками бифуркаций (буквально двузубая вилка – по числу альтернатив, которых в других моделях может быть и больше). Таким образом, открытость, неустойчивость и бифуркация характеризуют момент перехода системы в новое качество.

• Выход из критического состояния скачком, в процессе типа фазового перехода, в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Критическое состояние – это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития.

Скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество.

Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Подобные же процессы есть в химии – смешивание жидкостей разных цветов, когда попеременно получается жидкость то красного, то синего цвета (реакция Белоусова–Жеботинского); в биологии – мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга, явление морфогенеза (отдельные клетки бывают только недифференцированными, специализация развивается в соответствующем окружении других клеток), динамика популяций (временные колебания численности видов) и т.д.

Динамическая иерархичность – основной принцип прохождения системой точек бифуркации и формирования нового порядка. Этот принцип описывает возникновение нового качества системы по горизонтали, то есть на одном уровне, когда медленное изменение параметров порядка мегауровня приводит к бифуркации, неустойчивости системы на макроуровне и перестройке его структуры. Включение в схему микроуровня позволяет описать процесс исчезновения и рождения в точке бифуркации макроуровня. В этой точке коллективные переменные, параметры порядка макроуровня возвращают свои степени свободы в хаос микроуровня, растворяясь в нем. Затем в непосредственном взаимодействии мега- и микро–уровней рождаются новые параметры порядка обновленного макроуровня. Процесс рождения параметров порядка: «управляющие сверхмедленные параметры мегауровня» + «короткоживущие переменные микроуровня» = параметры порядка, структурообразующие долгоживущие переменные мезо (макро)–уровня. Мгновение между прошлым и будущим – точка бифуркации на микроуровне является целой эпохой перемен-трансформаций. Именно здесь происходит выбор альтернатив развития макроуровня.