3.2 Развитие концепций самоорганизации

Параллельно с синергетическими исследованиями развивалась и теория самоорганизации на основе термодинамики неравновесных процессов (теория изменений).

Фундаментальные результаты, полученные в исследовании термодинамики неравновесных процессов, связаны, прежде всего, с именем лауреата Нобелевской премии И. Пригожина и его Брюссельской школой.

В отличие от классической термодинамики, рассматривавшей системы в равновесии или вблизи него, Пригожин сосредоточился на изучении систем, сильно удаленных от равновесного состояния.

Другим принципиальным моментом теории Пригожина является то, что она рассматривает открытые системы. Классическая термодинамика изучала замкнутые системы, но таковые составляют лишь небольшую часть физического мира.

Большинство систем во Вселенной открыты: они обмениваются веществом, энергией или информацией с окружающей средой. К числу ярко выраженных открытых систем принадлежат биологические и социальные системы.

Согласно Пригожину, все системы содержат подсистемы, которые непрерывно флуктуируют. В отдельных случаях, возмущения или их комбинации в результате положительной обратной связи могут стать настолько сильными, что это приведет к разрушению системы.

В этот переломный момент, называемый особой точкой, или точкой бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие:

• произойдет ли хаотизация и катастрофа, или

• система перейдет на новый, более дифференцированный и более высокий, уровень упорядоченности или организации.

Поскольку высоко организованным системам для своего поддержания требуется рассеивать значительное количество энергии, Пригожин назвал их диссипативными структурами.

Рассматривая диссипативные структуры, Пригожин особо подчеркивает возможность спонтанного возникновения порядка и организации из хаоса в результате процесса самоорганизации. Типичными диссипативными структурами являются структуры, образующиеся в результате реакции Белоусова — Жаботинского.

Используя результаты неравновесной термодинамики, Пригожий создал теоретическую модель, названную брюсселятором, в честь Брюссельской школы, которая адекватно описывает процесс возникновения этих необычных структур.

Из работ Пригожина следует вывод, имеющий важнейшее философское значение, а именно: в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения (флуктуации) могут усиливаться до гигантских масштабов, разрушающих сложившуюся структуру.

Это дает ключ к анализу процессов качественных изменений не только в неживой и живой природе, но и, возможно, в социальной сфере. По выражению О. Тоффлера, такие слова, как «революция», «экономический кризис», «технологический сдвиг» и «сдвиг парадигмы», приобретают новые оттенки, когда мы начинаем мыслить о соответствующих понятиях в терминах флуктуации, положительных обратных связей, диссипативных структур, бифуркаций и прочих элементов концептуального лексикона школы Пригожина.

Не менее, если не более важная проблема, захватываемая термодинамикой неравновесных процессов, - это проблема времени. Переосмысливанию понятия времени посвящена значительная часть книги Пригожина и Стенгерс «Порядок из хаоса». Именно через такое переосмысление, считает Пригожий, можно начать новый диалог человека с природой, восстановить целостный, универсальный взгляд на мир.

В классической, ньютоновской науке время выступало как простой параметр. Все процессы, рассматриваемые ньютоновской механикой, считались обратимыми, т. е. ничего принципиально не изменялось при замене знака времени на обратный. В XIX в. интерес науки переместился с механики на термодинамику. После открытия второго начала термодинамики в науку вошло понятие необратимости и, соответственно, направленности времени. Физическая величина, называемая энтропией, ведет себя таким образом, что в замкнутых системах при необратимых процессах она может только возрастать.

Энтропия оказалась величиной, тесно связанной с понятием хаоса, который уничтожает организованность, приводя элементы системы в состояние однородной, неразличимой массы.

Таким образом, второе начало термодинамики говорит о необратимой деградации систем. Применение этого закона во Вселенной в целом выразилось в появлении гипотезы так называемой «тепловой смерти Вселенной».

В том же XIX в. появилась эволюционная теория Ч. Дарвина, которая определяет развитие биологических видов от простого к сложному, от низших форм жизни к высшим, от недифференцированных структур к дифференцированным.

Таким образом, сложились две прямо противоположные картины: в живой природе - развитие по восходящей линии; в неживой - по нисходящей, к менее организованным структурам, и в пределе – к полностью дезорганизованному состоянию.

Это противоречие было разрешено лишь в XX в. Прежде было осознано принципиальное значение открытости большинства существующих систем. В частности, организмы, являясь открытыми системами, постоянно пропускают через себя потоки вещества и энергии. По выражению Э. Шредингера, «организм питается отрицательной энтропией», или негэнтропией. Поставщиком негэнтропии на Землю является солнечная энергия.

В трудах Пригожина было показано, что в то время, как в изолированных системах энтропия может только возрастать, в открытых она может возникать и переносится и окружающую среду (производство и экспорт энтропии), в результате чего энтропия из величины, характеризующей безостановочное движение к состоянию, лишенному какой-либо организации, при определенных условиях становится прародительницей порядка.

Энтропия может производиться внутри самой системы, так и поступать в нее извне - из среды.

Среда играет большую роль в энтропийно-негэнтропийном обмене, которая заключается в следующем:

• среда может быть для системы генератором энтропии (флуктуации, приводящие систему в состояние хаоса, могут исходить из среды);

• среда может выступать также фактором порядка, поскольку те же флуктуации, усиливаясь, подводят систему к порогу самоорганизации;

• в среду может производиться отток энтропии из системы;

• в среде могут находиться системы, кооперативный обмен энтропией с которыми позволяет повысить степень упорядоченности.

Даже если среда воздействует на систему хаотически, а сила флуктуации недостаточно велика для того, чтобы вызвать точку бифуркации, система имеет возможность преобразовывать хаос в порядок, совершая для этого определенную работу.

Случаи такого преобразования широко известны. Например, после Второй мировой войны американские оккупационные власти проводили в Японии политику, подкрепляемую законодательно, которая должна была навсегда оставить Японию в рядах слаборазвитых стран; тем не менее она явилась одним из факторов, способствовавших японскому «экономическому чуду».

Второе «чудо» явила в послевоенный период лежавшая в руинах Германия, тогда как страны-победительницы демонстрировали куда меньшие успехи. То есть среда, обеспечивая приток к системе вещества, энергии и информации, поддерживает ее неравновесное состояние, способствует возникновению неустойчивости, служащей предпосылкой развития системы.

Изучение объектов космического масштаба привело к построению моделей нестационарной вселенной, которые объясняют эволюционный характер ее изменений и опровергают гипотезу «тепловой смерти».

Таким образом, эволюционность проявляет себя на микро-, макро- и мегауровне организации материи.

Г.Хакен считает, что синергетика «шире» концепции И.Пригожина, поскольку она исследует явления, происходящие в точке неустойчивости, и структуру (новую упорядоченность), которая возникает за порогом неустойчивости. Однако с другой стороны, в определенном смысле более широким, следует признать подход И. Пригожина, поскольку в его рамках рассматриваются как неравновесные, необратимые процессы, протекающие в открытых системах, так и обратимые, имеющие место в закрытых системах.

В целом синергетика и теория изменений уже с трудом отделимы друг от друга, поскольку, будучи очень близкими, по объектам и методам исследования, они впитали понятийный аппарат друг друга.

Это особенно характерно для синергетики, поэтому концепцию Брюссельской школы можно рассматривать как синергетическую. Синергетика и теория изменений составили фундамент концепций самоорганизации, на котором уже построены многие физические, химические, биологические теории.

Основываясь на принципах синергетики и термодинамики неравновесных процессов, Н.Н.Моисеев построил теорию эволюции биосферы как глобальной системы и перехода ее в ноосферу через реализацию принципа коэволюции человека и природы.

При построении теории эволюции биосферы Н. Н. Моисеев в качестве базовых ключевых понятий использовал дарвиновскую триаду:

• изменчивость,

• наследственность,

• отбор.

Однако он значительно расширил их смысловое содержание на основе современного понимания. Такое расширение позволило выработать гибкие средства описания самых различных процессов, позволяющие увидеть общее содержание, присущее любым процессам развития. Особая заслуга Моисеева состоит в разделении механизмов отбора на два принципиально разных класса.

Первый класс получил название «адаптационного механизма». К ним Моисеев относит, прежде всего, дарвиновские механизмы естественного отбора. Подобные механизмы встречаются также на всех других формах движения материи. Основная их особенность состоит в том, что они позволяют в принципе предвидеть (с определенной точностью) развитие событий и прогнозировать их.

Адаптация – это самонастройка, обеспечивающая развивающейся системе устойчивость при данных конкретных условиях внешней среды. Изучая эти условия, можно прогнозировать тенденции в изменении основных параметров системы, которые будут происходить под действием этих механизмов. Другими словами, возможно определение заранее множество состояний системы, которые будут обеспечивать ее устойчивость при данных условиях внешней среды. Применительно к биологической форме движения материи этот механизм давно используется в человеческой практике. Тысячелетиями человек вел направленный искусственный отбор — селекцию растений и животных, адаптируя их к своим потребностям. Однако при всех отличиях изменчивость объектов селекции не выходила за пределы конкретного вида.

Таким образом, ни внешние возмущения, ни внутренние пертурбации не способны с помощью адаптационных механизмов вывести систему за пределы того, по выражению Н. Моисеем, «канала эволюции», который задан природой для развития этой системы. При действии механизмов адаптационного типа границы этого коридора, установленные объективными законами, достаточно близки друг к другу и достаточно обозримы в перспективе. Путь развития в этом случаю предсказуем со значительной точностью, обусловленной границами нашею знания.

«Бифуркационный» - другой класс механизмов развития. Согласно ему организация системы обладает пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому качественному изменению протекающих в ней процессов, к изменению самой организации. Более того, в этом случае переход от старой организации системы к новой неоднозначен, т. е, возможно целое множество различных новых форм opгaнизации. Какую именно форму примет организация после прохождения пороговою (критического) состояния будет определяться случайными факторами. И связи с этим, по мнению Моисеева, предсказать дальнейшее развитие системы невозможно.

В сложных системах параметр X может изменяться под действием управляющего (или возмущающего) параметра λ (лямбда). Рассмотрим диаграмму (X, λ). Оказывается, что при малых λ существует одно решение, характеризующее динамически устойчивое состояние, а при больших λ - существует два устойчивых состояния с разными значениями X. Переход к новому состоянию при λкр под действием флуктуации называется явлением бифуркации. Точка бифуркации.

В реальности процесс развития является единым, сочетающим в себе различные механизмы. Основные черты единого процесса развития следующие. Законы природы устанавливают определенные границы изменения состояния системы, «каналы», внутри которых могут протекать процессы эволюции системы. В свою очередь, множество случайных факторов воздействует на эти границы, что может привести к их нарушению. Если параметры и состояния системы не выводятся за ограничивающие пределы, механизмы развития носят адаптационный характер. Границы адаптации могут быть определены в том случае, если известны законы, управляющие развитием.

Однако под действием каких-либо причин система может выйти на пересечение «каналов» адаптационного развития. Тогда вступает в действие бифуркационный механизм. Возникает несколько новых и различных вариантов развития. Этих вариантов столько, сколько «каналов» выходит на «перекресток». Чем сложнее система, тем больше вероятность увеличения числа возможных путей ее эволюции, дивергенции, а вероятность появления двух развивающихся систем в тождественных эволюционных каналах практически равна нулю. Поэтому процесс развития (самоорганизации) ведет к непрерывному росту разнообразия форм.

Бифуркационный механизм позволяет объяснить диалектическую противоречивость эволюции, когда наряду с усложнением, дифференциацией, возникновением качественно новых структур в природе и обществе возможны деградация, необратимый распад и исчезновение системы.

При построении теории эволюции Н. Моисеев широко использует язык и основные положения теории самоорганизации. Приложение теории самоорганизации к моделированию процессов эволюции позволило говорить об эволюционно-синергетической парадигме постнеклассической науки.

С. П. Курдюмов и др. рассмотрели другой класс нелинейных уравнений, описывающих явления самоорганизации. В этих задачах варьируется только характер начального воздействия на одну и ту же среду. Изменение характера начального воздействия означает не изменение его интенсивности, а изменение пространственной конфигурации, топологии этого воздействия. При этом в среде появляются различные структуры. Эта проблема интенсивно изучается также в моделях среды из «конечных автоматов», в известной игре «Жизнь» Мейгена и др. Следовательно, в одной и той же среде без изменения ее параметров могут возникать разные структуры, разные пути эволюции.

Однако внимание школы Пригожина и многих других исследователей направлено как раз на изучение нестабильного, меняющегося, развивающегося мира. В этом мире без неустойчивости нет развития. Например, нелинейная положительная обратная связь - важнейший элемент в моделях автокаталитических процессов, подробно исследованных Пригожиным и группой его сотрудников. В таких процессах присутствие продукта может увеличить скорость его собственного производства.

Школе под руководством С. П. Курдюмова удалось построить еще один тип моделей, поведение которых определяется нелинейным и положительными обратными связями. Это так называемые режимы с обострением, т. е. режимы сверхбыстрого нарастания процессов в открытых нелинейных средах, при которых характерные величины неограниченно возрастают за конечное время (теория катастроф).

Методология решения задач «на обострение» может дать новые подходы к решению проблем коллапса - быстрого сжатия вещества, химической кинетики, метеорологии (катастрофические явления в атмосфере Земли), экологии (рост и вымирание популяций), нейрофизиологии (моделирование распространения сигналов), нейро-эпидемологии (вспышки инфекционных заболеваний), экономике (феномены бурного экономического роста или финансового обвала).

Несомненным успехом синергетики явилось вскрытие механизмов развития, перехода систем в состояние с новой организацией, в новое качество. Таким образом, сформулированный как философское обобщение диалектический закон перехода количественных изменений в качественные нашел не только еще одно подтверждение, но и применительно к частным наукам получил возможность конкретизироваться в математической форме для исследования реальных систем.

Закон перехода количественных изменений в качественные на уровне неживой природы длительное время иллюстрировался равновесными фазовыми переходами, в частности, изменением агрегатного состояния вещества, механизм которого был хорошо изучен еще в XIX веке. Несомненным научным прорывом синергетики явилось математическое описание неравновесных процессов, приводящих к появлению новых структур на всех уровнях организации материи.

Однако успехи в математическом описании явлений самоорганизации, тем не менее, привели часть ученых к философским выводам, которые послужили источником полемики.

Так, И. Пригожин пришел к выводу, что «нестабильность» в некотором смысле заменяет «детерминизм», а поэтому наука сегодня не является детерминистической. Только системы, далекие от равновесия, системы в состоянии неустойчивости, нестабильности, способны спонтанно организовывать себя и развиваться. Устойчивость и равновесие - это, напротив, тупики эволюции.

Аргументированное возражение позиции И. Пригожина дали Е. Н. Князева и С. П. Курдюмов. Они не соглашаются с Пригожиным в том, что, подчеркивая и ставя в центр проблемного поля одно представление - нестабильность, можно отбрасывать другое - стабильность, детерминизм. Если бы неустойчивость была главным свойством всех систем мира, тогда все было бы хаотичным, распадающимся, не было бы возможности ни контролировать, ни предсказывать будущее состояние. Очевидно, что это далеко не так. Не все в мире неустойчиво, а есть определенные классы неустойчивых систем. Неустойчивыми системами, т. е. такими, для которых существуют принципиальные границы предсказаний и контроля, можно считать, например, так называемые странные аттракторы. Фазовый портрет странного аттрактора - это некоторая область, по которой происходят случайные блуждания. Но даже системы, описываемые странными аттракторами, т. е. хаотизированные, неустойчивые системы, нельзя считать абсолютно неустойчивыми. Поскольку для таких систем возможно отнюдь не любое состояние, а лишь состояние, попадающее в ограниченную, детерминированную, область фазового пространства. Неустойчивость означает случайные движения внутри вполне определенной области параметров.

Таким образом, имеет место не отсутствие детерминизма, а другая, более сложная закономерность, фактически другой тип детерминизма, представляющий диалектическое единство определенного и случайного.

Другое возражение относительно позиции Пригожина заключается в том, что существует лишь определенная стадия развития процессов, на которой нестационарные диссипативные структуры становятся неустойчивыми. Это согласуется со всей наблюдаемой привычной картиной мира: мы видим, что макроструктуры природы, биологические формы, человеческое тело и мозг относительно устойчивы, длительное время не разрушаются. Это квазистационарное достояние может существовать, согласно С. П. Курдюмову, достаточно долго, пока система не перейдет в режим обострения, при котором начнется сверхбыстрое изменение.

В развивающемся мире стадии устойчивости и неустойчивости, оформления структур и их разрушения сменяют друг друга.

И. Пригожий, а вслед за ним Н. Моисеев, постоянно подчеркивают, что случайность, флуктуации, малые возмущения могут играть существенную, определяющую роль для системы вблизи точек бифуркации.

С. Курдюмов указывает, что в процессе самоорганизации малое случайное воздействие, флуктуация не всегда существенны. Необходимым условием является развитие процесса с обострением, в основе механизма которого лежит нелинейная положительная обратная связь.

Неустойчивость, по Курдюмову,— это вероятностный характер распада сложноорганизованных структур вблизи момента обострения. Конечно, если работает случайность, то имеют место блуждания, но не какие угодно, а в рамках вполне определенного, детерминированного поля возможностей. В результате появляется возможность для субъекта исследования, не только наблюдать недетерминированные последствия бифуркаций, вызванные действием случайных факторов, но и заложить новые научные основы управления сложноорганизованными системами.

При этом управление теряет характер слепого вмешательства методом проб и ошибок или волюнтаристского навязывания опасных действий против собственных тенденций систем и строится на основе того, что вообще возможно в данной среде. Управление начинает основываться на соединении вмешательства человека с существом внутренних тенденций развивающихся систем. Поэтому появляется в определенном смысле высший тип детерминизма — детерминизм с пониманием неоднозначности будущего и с возможностью выхода на желаемое будущее, детерминизм, который усиливает роль человека.

Универсальный характер синергетических моделей сделал их привлекательными для попыток моделирования социальных процессов. В частности, уже основатель синергетики Г. Хакен применил ее для построения модели формирования общественного мнения.

Однако многие исследователи отмечают, что к таким попыткам следует относиться осторожно, учитывая фактор сознательного поведения индивидуумов в социальных системах. Применительно к социальным процессам особенно часто сомнению подвергается интерпретация бифуркационного механизма развития как непредсказуемого результата действия случайных, малых факторов, В противовес этому Курдюмов вводит представление о структурах-аттракторах — «притягивателях» развития.

Если система попадает в поле притяжения определенного аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию, несмотря на действия случайных факторов.

Основатель научной школы социоестественной истории Э. С. Кульпин подошел к соотношению случайного и закономерного в социальном развитии с другой стороны. Одним из источником данного научного направления является теорию эволюции биосферы Н. Моисеева. Однако, полемизируя с Моисеевым, Э. С. Кульпин на основе рассмотрения конкретных исторических примеров пришел к выводу о нефатальном характере непредсказуемости, т. е. главные параметры нового «канала эволюции» в обществе, в отличие от природы, определяются отнюдь не ничтожными обстоятельствами. Э. С. Кульпин считает, что для понимания эволюции биосферы с учетом социальной подсистемы механизм отбора, помимо адаптационного и бифуркационного, должен быть дополнен третьим, который может быть сформулирован как принцип превалирования неантагонистических противоречий над антагонистическими.

Этот принцип Э. С. Кульпин распространяет не только на человеческое общество, но и выделяет его как ключевой момент нравственно-ценностного ориентира во взаимоотношениях человека и природы в условиях нарастания глобального социально-экологического кризиса и угрозы планетарной антропогенной катастрофы.

Другим вариантом названия этого правила отбора - «принцип сожизни» подчеркивается общность, совместность действий, сотрудничество, взаимность и т. д. В обществе этот принцип проявляется в политике мирного сосуществования, отказе от ядерной войны (во многом благодаря сценарной модели «ядерной зимы», разработанной группой Н. Моисеева), кооперации, честной конкуренции и др. Здесь проявляется один из аспектов синергетики - ее кооперативный характер, согласованность действий множества элементов, приводящая к эмерджентному эффекту. В данном случае эмерджентность проявляется в нахождении оптимального, сбалансированного решения, возможных компромиссов. Синергетический, кооперативный подход к принятию решений, в т. ч. в условиях конфликтных ситуаций, Н. Моисеев считает важнейшим условием перехода к обществу ноосферного типа, обеспечивающему коэволюцию человека и природы.

Именно необходимость установления качественно новых отношений с окружающей природной и социальной средой требует формирования социально-синергетического подхода к современным общеcтвенным процессам и тенденциям.