Синергетика как универсальная научная парадигма

Синергетика как универсальная научная парадигма

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРО_ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П.ГОРЯЧКИНА»

РЕФЕРАТ

на тему:

«СИНЕРГЕТИКА КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПАРАДИГМА»

Выполнил:

Студентка I курса ИЭФ

Луканина В. А.

Проверил:

Маслов Глеб Николаевич

1.ВВЕДЕНИЕ

В первой трети ХХ столетия механическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружилось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания - физике. «В классической науке ХIХ века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос)»1. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, физика изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. «К описанию объекта природы не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняются познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая науки»2. Классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций.

1 Дубнищева Ф.М.: Концепция современного естествознания.- М.: Юнити, 1998, стр.231

2 Е.Н.Князева: Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -Наука, 1994,стр65

3 В.П.Ратников: Концепция современного естествознания: учебник -ЮНИТИ, 1997, стр.125

Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. «Из хаоса, утверждали древние греки, Вселенная родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится»3.

При подготовке этого реферата у меня возник любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика (как раздел физики) не задавалась, ибо сформировалась в эпоху, когда не стационарный характер Вселенной не обсуждался. «В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции»1. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Зарождаются, растут и усложняются организмы, появляются их новые виды, более приспособленные к среде обитания, возникают новые звездные системы и новые цивилизации; беспорядочная группа рыб почти мгновенно превращается в косяк, птицы собираются в стаю, при этом и птицы в стае, и рыбы в косяке действуют столь синхронно, как будто это единый целостный организм. Живая природа почему-то стремится прочь от хаоса. Налицо явная несостыковка законов развития живой и неживой природы.

«Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)?»2. Этими вопросами задавались ученые из разных областей естествознания, разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказались в тупике и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире, что в немалой степени способствовало возрастанию роли комплексных исследовательских программ в организации научных исследований. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники - проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования и т.д.

«Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств»1. В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. «Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования - процесс развития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса»2.

Однако речь идет не только об утверждении какой-то новой концепции, претендующей на общенаучное значение, а о создании новой познавательной модели, о новом направлении исследовательской деятельности, о выработке новой системы принципов научного мышления и нового категориального аппарата, о необходимости разработки и использования нового комплексного подхода к исследованию объектов и явлений. Все это было объединено и получило термин, введенный Г. Хакеном, «синергетика». «Синергетика - это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения»3.

1 В.Н.Михайлевский: Диалектика формировния совр. науч. Картины мира.-Л.:ЛГУ, 1989,с.45

2 Ф.М.Дягилев: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998,стр.92

2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Характеристики самоорганизующихся систем

Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру и функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки»1. Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присуще природе,- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.

Основные свойства самоорганизующихся систем, по мнению Г. Хакена являются:

«1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнообразных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом;

2) системы являются нелинейными;

3) речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия;

4)системы нестабильны;

5)в них происходят качественные изменения;

1 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр.48

2 Концепция самоорганизации: становление нового образа мышления.- М.,1994, стр.36

3 Г.Николис, И.Пригожин: Познание сложного.- М., 1990, стр.84

6)в этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества;

7)системы подвержены внешним и внутренним колебаниям;

8)возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры;

9)структуры могут быть упорядоченными или хаотичными;

10)во многих случаях возможна математизация»2

Рассмотрим основные из этих свойств: открытость, линейность и диссипативность.

2.1.1 Открытость

Объект изучения классической термодинамики - закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. 1

Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная приближается к «тепловой смерти».

И.Пригожин, И.Стенгерс: Порядок из хаоса.- М.,1986, стр.87

2 П.У.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М., 1986, стр.39

«Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии»1. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. «По мере того как иссякает запас энергии возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее»2.

Вместе с тем, уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. «История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении - от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному»3. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.

Открытые системы - это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии и информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному неравновесному состоянию.

1 Ю.Л.Климонтович:Статистическая теория открытых систем.-М., Наука, 1994, стр.82

2 Г.Хакен:Информация и самоорганизация.-М., 1993, стр.187

3 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр.113

«Открытые системы - это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени»1.

Рисунок №1 Открытая система

В открытых системах ключевую роль - наряду с закономерным и необходимым ­ могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. «Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается»2.

1 С.Курдюмов:Синергетика:начала нелинейного мышления.-2,1993, стр.145

2 Н.Н.Моисеев:Современный рационализми мировоззренческие парадигмы.-3,1994, стр.152

3 Н.Н.Моисеев:Алгоритмы развития.-М., 1987, стр.126

4 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр.184

2.1.2 Нелинейность

«Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства»3.

Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. «Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды»4. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.

Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер - при плавном изменении внешних условий поведение системы меняется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению.

«Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде»1. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обуславливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). «Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными»2.

2.1.3 Диссипативность

«Открытия неравновесной системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние - диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на макроуровне»3. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и т.д.

1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр.146

2 С.Х.Карпенков: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1998, стр.147

3 П.Девис:Случайная Вселенная.-М.:Мир, 1989, стр.165

2.2 Системная модель мира

«С точки зрения системного подхода Мироздание - это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархически взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, политические, экономические и т.д.), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность»1. Схематично она представлена на Рисунке №2. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.

Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем». Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. «Его можно представить как вселенский процесс самоорганизации материи, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором созидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом»2. Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое множество окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой - сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. «Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией, которой управляют фундаментальные законы природы: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации и т.д.)»1.

1 Н.Р.Пригожин, И.Стенгерс:Время,хаос,квант.-М:Мир, 1994, стр.138

2 Р.Е.Реванский: Развивающаяся Вселенная.-М.:1995, стр.54

2.3 Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия

Случайность и случайные флуктуации параметров системы играют особую роль в ее функционировании. «Нужно отличать два типа случайностей. Первый тип дает начало направленной эволюции системы и имеет созидающий характер, второй - порождает неопределенность, неоднозначность, разрушает и отсекает все лишнее»2.

1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр.201

2 М.Эйген:самоорганизация материи эволюция биологических макромолекул.-М.:Мир, 1993,с.39

В результате их действия в системе возникают неустойчивости, которые могут служить толчком для возникновения из хаоса зародышей новых структур, которые при благоприятных условиях будут переходить во все более упорядоченные и устойчивые. Их спонтанное (самопроизвольное) образование происходит за счет внутренней перестройки системы и синхронного (одновременного) кооперативного взаимодействия ее элементов. Это явление и получило название самоорганизации. Самоупорядочивание системы связано с уменьшением ее энтропии. «Дезорганизация и случайность на микроуровне выступают созидающей силой, упорядочивающей состояние системы на макроуровне, интегрирующей ее элементы в устойчивое единое целое»1. «Порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают в диалектическом единстве, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы»2.

Идеи самоорганизации высказывались еще в традиционной классической науке XVIII-XIX веков (космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, рыночная экономическая теория Смита и т.д.). Но лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен достаточный теоретический и практический опыт, разработан необходимый математический аппарат (теория вероятностей, нелинейная динамика, теория катастроф, системный анализ, топология и т.д.) стало возможным детальное исследование поведения открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия, описание общих механизмов и закономерностей их развития. Основы теории самоорганизации были разработаны в трудах химиков, получивших мировой признание - И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия.

1 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр.141

2 Г.Н.Рузавин: Концепция современного естествознания.-М.:Юнити,1997,стр.68

Термин «синергетика», ставший с названием общенаучного направления, которое изучает общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности процесса смены их качественных состояний на пути развития, в научный обиход ввел Г. Хакен. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А.П.Руденко, физик Ю.Л, Климонтович, математики А.Н.Колмогоров и Я.Г. Синая. Основные законы и принципы синергетики были установлены на основе наблюдения процессов самоорганизации и эволюции сложных систем и, прежде всего, установление закономерностей протекания физико-химических процессов. Сегодня это трансдисциплинарная научная теория, идеи которой, зародившись в химии и физике, с успехом используются в экологии, биологии, геологии, экономике, политике, медицине и т.д. «Она дает новый образ мира природы, человека и общества как открытых систем, развивающихся по нелинейным законам, раскрывает двойственную природу случайного, его созидающее и деструктивное начала, показывает, что чередование порядка и хаоса является фундаментальным принципом развития»1.

«В основе синергетической парадигмы лежит утверждение о фундаментальной роли случайных флуктуаций в развитии мира, при этом случайность и неопределенность выступают неотъемлемое свойство не только микромира, но и всего Мироздания, включая самого человека с его непредсказуемыми эмоциями и невероятным разнообразием вариантов поведения в идентичных условиях»2. Понятие хаоса в синергетике отлично от классического представления беспорядка. Хаос, связанный со случайным отклонением отдельных параметров системы от некоторого среднего значения, имеет активное начало. В подходящих условиях даже малая флуктуация одного из параметров может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку, к новому ее качеству.

Страницы: 1, 2