Реферат: Синергетика

КАК НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ НАУКИ

Введение

В последние годы наблюдается стремительный и бурныйрост интереса к междисциплинарному направлению, получившему название“синергетика”. Издаются солидные монографии, учебники, выходят сотни статей,проводятся национальные и международные конференции. Серия “Синергетика”,выпускаемая известным издательством “Шпрингер”, насчитывает без малого семьдесятков выпусков и продолжает расширяться тематически.

Цель данной работы – попытаться на доступном уровнеопределить существо синергетики, как нового направления современной научноймысли и очертить круг исследуемых ею вопросов с позиции неискушенного разумамолодого аспиранта. Ссылка на неискушенность существенна, и вот почему.Литература по вопросу, как уже упоминалось выше, обширна. Однако, в раскрытиивопроса она либо опирается на специальные знания частных научных теорий (чтомало помогает неспециалисту в данных областях), либо даже будучи в известнойстепени популярной не позволяет увидеть глубокую суть направления. Итак, даннаяработа, в сущности, компиляция многих источников, результат поиска некоей золотойсередины в описании синергетики как перспективного направления современнойнаучной мысли.

СинергетикаХакена

Создателемсинергетического направления и изобретателем термина «синергетика»является профессор Штутгартского университета и директор Институтатеоретической физики и синергетики Герман Хакен. Сам термин“синергетика” происходит от греческого “синергена” — содействие,сотрудничество, “вместедействие”.

По Хакену,синергетика занимается изучением систем, состоящих из большого (очень большого,“огромного”) числа частей, компонент или подсистем, одним словом, деталей,сложным образом взаимодействующих между собой. Слово “синергетика” и означает“совместное действие”, подчеркивая согласованность функционирования частей,отражающуюся в поведении системы как целого.

Предтечисинергетики

Подобно тому, какпредложенный Норбертом Винером термин “кибернетика” имел предшественников влице кибернетики Ампера, имевшей весьма косвенноеотношение к “науке об управлении, получении, передаче и преобразовании информациив кибернетических системах”, синергетика Хакена также имела своих “предшественниц” по названию: синергетику Ч.Шеррингтона, синергию С. Улана, синергетический подход И. Забуского.

Ч.Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованноевоздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечнымидвижениями (согласованное действиесгибательных и разгибательных мышц — протагониста и антигониста).

С.Улам был непосредственным участником одного из первых численных экспериментов наЭВМ первого поколения (ЭНИВАКе) и понял всю важность и пользу “синергии, т. е.непрерывного сотрудничества между машиной и ее оператором”, осуществляемого всовременных машинах за счет вывода информации на дисплей.

И.Забуский к середине 60-х годов, реалистически оценивая ограниченные возможностикак аналитического, так и численного подхода к решению нелинейных задач, пришелк выводу о необходимости единого синтетического подхода. По его словам,“синергетический подход к нелинейным математическим и физическим задачам можноопределить как совместное использование обычного анализа и численной машиннойматематики для получения решений разумно поставленных вопросов математическогои физического содержания системы уравнений”.

Подчеркнем,что во всех случаях речь идет о согласованном действии.

Отсутствиестандарта терминов

Синергетика,занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания,устойчивости и распада структур самой различной природы, еще далека отзавершения и единой общепринятой терминологии (в том числе и единого названиявсей теории) пока не существует. Бурные темпы развития новой области, неоставляют времени на унификацию понятий и приведение в стройную систему всейсуммы накопленных фактов. Кроме того, исследования в новой области ввиду ееспецифики ведутся силами и средствами многих современных наук, каждая изкоторых обладает свойственными ей методами и сложившейся терминологией.Параллелизм и разнобой в терминологии и системах основных понятий взначительной мере обусловлены также различием в подходе и взглядах отдельныхнаучных школ и направлений и в акцентировании ими различных аспектов сложного имногообразного процесса самоорганизации. Отсутствие в синергетике единого общепринятого научного языка глубокосимволично для науки, занимающейся явлениями развития и качественногопреобразования.

 Разумеется,строгое определение синергетики требует уточнения того, что следует считатьбольшим числом частей и какие взаимодействия подпадают под категорию сложных.Считается, что сейчас строгое определение, даже если бы оно было возможным,оказалось бы явно преждевременным. Поэтому далее (как и в работах самого Хакенаи его последователей) речь пойдет лишь об описании того, что включает в себяпонятие «синергетика», и её отличительных особенностей.

Междисциплинарностьсинергетики

Системы,составляющие предмет изучения синергетики, могут быть самой различной природы исодержательно и специально изучаться различными науками, например, физикой,химией, биологией, математикой, нейрофизиологией, экономикой, социологией,лингвистикой (перечень наук легко можно было бы продолжить). Каждая из наукизучает «свои» системы своими, только ей присущими, методами иформулирует результаты на «своем» языке. При существующей далекозашедшей дифференциации науки это приводит к тому, что достижения одной наукизачастую становятся недоступными вниманию и тем более пониманию представителейдругих наук.

В отличие оттрадиционных областей науки синергетику интересуют общие закономерностиэволюции (развития во времени) систем любой природы. Отрешаясь от специфическойприроды систем, синергетика обретает способность описывать их эволюцию наинтернациональном языке, устанавливая своего рода изоморфизм двух явлений,изучаемых специфическими средствами двух различных наук, но имеющих общуюмодель, или, точнее, приводимых к общей модели. Обнаружение единства моделипозволяет синергетике делать достояние одной области науки доступным пониманиюпредставителей совсем другой, быть может, весьма далекой от нее области науки ипереносить результаты одной науки на, казалось бы, чужеродную почву.

Следует особоподчеркнуть, что синергетика отнюдь не является одной из пограничных наук типафизической химии или математической биологии, возникающих на стыке двух наук(наука, в чью предметную область происходит вторжение, в названии пограничнойнауки представлена существительным; наука, чьими средствами производится«вторжение», представлена прилагательным; например, математическаябиология занимается изучением традиционных объектов биологии математическимиметодами). По замыслу своего создателя профессора Хакена, синергетика призванаиграть роль своего рода метанауки, подмечающей и изучаюшей общий характер техзакономерностей и зависимостей, которые частные науки считали «своими».Поэтому синергетика возникает не на стыке наук в более или менее широкой илиузкой пограничной области, а извлекает представляющие для нее интерес системыиз самой сердцевины предметной области частных наук и исследует эти системы, неапеллируя к их природе, своими специфическими средствами, носящими общий(«интернациональный») характер по отношению к частным наукам. Физик, биолог, химик и математик видят свой материал, икаждый из них, применяя методы своей науки, обогащает общий запас идей иметодов синергетики.

Как и всякоенаучное направление, родившееся во второй половине ХХ века, синергетикавозникла не на пустом месте. Ее можно рассматривать как преемницу ипродолжательницу многих разделов точного естествознания, в первую очередь (ноне только) теории колебаний и качественной теории дифференциальных уравнений.Именно теория колебаний с ее «интернациональным языком», авпоследствии и «нелинейным мышлением» (Л.И. Мандельштам) стала длясинергетики прототипом науки, занимающейся построением моделей систем различнойприроды, обслуживающих различные области науки. А качественная теориядифференциальных уравнений, начало которой было положено в трудах АнриПуанкаре, и выросшая из нее современная общая теория динамических системвооружила синергетику значительной частью математического аппарата.

Взгляд с позициитеории динамических систем

Любые объектыокружающего нас мира представляют собой системы, то есть совокупностьсоставляющих их элементов и связей между ними.

Элементы любойсистемы, в свою очередь, всегда обладают некоторой самостоятельностьюповедения. При любой формулировке научной проблемы всегда присутствуютопределенные допущения, которые отодвигают за скобки рассмотрения какие-тонесущественные параметры отдельных элементов. Однако этот микроуровеньсамостоятельности элементов системы существует всегда. Поскольку движенияэлементов на этом уровне обычно не составляют интереса для исследователя, ихпринято называть “флуктуациями”. В нашей обыденной жизни мы такжеконцентрируемся на значительных, информативных событиях, не обращая внимания намалые, незаметные и незначительные процессы.

Малый уровеньиндивидуальных проявлений отдельных элементов позволяет говорить осуществовании в системе некоторых механизмов коллективного взаимодействия –обратных связей. Когда коллективное, системное взаимодействие элементовприводит к тому, что те или иные движения составляющих подавляются, следуетговорить о наличии отрицательных обратных связей. Собственно говоря, именноотрицательные обратные связи и создают системы, как устойчивые, консервативные,стабильные объединения элементов. Именно отрицательные обратные связи, такимобразом, создают и окружающий нас мир, как устойчивую систему устойчивыхсистем.

Стабильность иустойчивость, однако, не являются неизменными. При определенных внешнихусловиях характер коллективного взаимодействия элементов изменяется радикально.Доминирующую роль начинают играть положительные обратные связи, которые неподавляют, а наоборот – усиливают индивидуальные движения составляющих. Флуктуации,малые движения, незначительные прежде процессы выходят на макроуровень. Этоозначает, кроме прочего, возникновение новой структуры, нового порядка, новойорганизации в исходной системе.

Момент, когдаисходная система теряет структурную устойчивость и качественно перерождается,определяется системными законами, оперирующими такими системными величинами,как энергия, энтропия.

«Мнекажется, что особую роль в мировом эволюционном процессе играет принципминимума диссипации энергии. Сформулирую его следующим образом: если допустимоне единственное состояние системы (процесса), а целая совокупность состояний,согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему (процесс), тореализуется то ее состояние, которому отвечает минимальное рассеяние энергии,или, что то же самое, минимальный рост энтропии.» Н.Н.Моисеев, академикРАН.

Справедливостиради необходимо отметить, что принцип минимума диссипации (рассеяния) энергии,приведенный выше в изложении академика Моисеева, не признается в качествеуниверсального естественнонаучного закона. Илья Пригожин, в частности, указална тип систем, не подчиняющихся этому принципу. Оставим, однако, ведущим ученымфундаментальные вопросы. С другой стороны, употребление термина “принцип”, а не“закон”, оставляет возможность уточнения формулировок.

Моментыкачественного изменения исходной системы называются бифуркациями состояния иописываются соответствующими разделами математики – теория катастроф,нелинейные дифференциальные уравнения и т.д. Круг систем, подверженных такогорода явлениям, оказался настолько широк, что позволил говорить о катастрофах ибифуркациях, как об универсальных свойствах материи.

Таким образом,движение материи вообще можно рассматривать, как чередование этаповадаптационного развития и этапов катастрофного поведения. Адаптационноеразвитие подразумевает изменение параметров системы при сохранении неизменногопорядка ее организации. При изменении внешних условий параметрическая адаптацияпозволяет системе приспособиться к новым ограничениям, накладываемым средой.

Катастрофныеэтапы – это изменение самой структуры исходной системы, ее перерождение,возникновение нового качества. При этом оказывается, что новая структурапозволяет системе перейти на новую термодинамическую траекторию развития,которая отличается меньшей скоростью производства энтропии, или меньшимитемпами диссипации энергии.

Возникновениенового качества, как уже отмечалось, происходит на основании усиления малыхслучайных движений элементов – флуктуаций. Это в частности объясняет тот факт,что в момент бифуркации состояния системы возможно не одно, а множествовариантов структурного преобразования и дальнейшего развития объекта. Такимобразом, сама природа ограничивает наши возможности точного прогнозированияразвития, оставляя, тем не менее, возможности важных качественных заключений.

Таким образом,синергетика находится целиком в русле традиционной диалектики, ее законовразвития – перехода количественных изменений в качественные, отрицанияотрицания и т.п.

Исторический процессразвития любых типов систем предстает перед нами в виде чередования “спокойных”этапов изменения количественных свойств и “революционных” этапов качественногоусложнения структуры, самоорганизации, поднимающей системы вверх по осисложности. Синергетика вплотную подошла к научному описанию таких явлений, какпроисхождение жизни, происхождение видов, возникновение и развитие сознания.

Синергетическийпроцесс с социальной точки зрения

Говоря о развитиисистем в историческом плане, мы невольно смотрим на них с позиции Господа Бога.Ученые также, как правило, в качестве исследователей занимают позициюВсевышнего. И системы и их составляющие – всего лишь объекты рассмотрения. И сэтой позиции выражение “системы меняют свои свойства так, чтобы…” имеет правона существование.

Однако не следуетзабывать, что изменение параметров технических, человеко-машинных, илисоциальных систем – это всегда работа конкретных людей: инженеров, менеджеров,технологов, администраторов, бизнесменов. История социальной системы – это ведьнаша с вами жизнь, полная радости и страданий, свершений и трагедий. То, чтоисследователю или Всевышнему представляется скачком, быстрым переходом на новыйуровень, бифуркацией состояния, для конкретных личностей может составлят целыйэтап жизни (если не всю ее).

Синергетическийпроцесс самоорганизации материи это (с точки зрения Господа) бесконечноечередование этапов “спокойной” адаптации и “революционных” перерождений,выводящих системы на новые ступени совершенства.

Но в тоже время(спускаемся с небес на грешную землю!), синергетический процесс самоорганизацииматерии это бесконечное чередование этапов “спокойной” инженерной,управленческой, организационной работы, адаптирующей существующие объекты кизменениям среды, и неординарных идей, новаторских решений, изобретений и“революционных” реорганизаций, выводящих системы на совершенно новые ступенисовершенства. Именно на этих этапах человек, нашедший неординарное решение,практически реализует бифуркацию состояния конкретной системы.

Что такое“адаптационный этап” с нашей земной точки зрения? С точки зрения, так сказать,элементика, находящегося внутри системы. Просто мы все время занимаемсяоптимизацией: инженер “шлифует” конструкцию изделия, управляющий добиваетсялучшей работы коллектива, бизнесмен — повышения рентабельности фирмы.

Что означает“катастрофный этап”? Это означает, что наступает наш звездный час: инженеризобретает новую конструкцию, управленец проводит коренную реорганизацию,бизнесмен открывает новое дело. Очевидно, что такие решения составляют наиболееэффективную форму человеческой деятельности. Умение, во-первых, в любойситуации увидеть суть дела, во-вторых, вовремя заметить проблему, то есть непропустить момент, когда обстоятельства требуют ломки привычных представлений,и, в-третьих, найти одно или несколько красивых решений, отличает людей,добивающихся успеха в любом деле.

Бифуркациясостояния социальных и человекомашинных систем таким образом есть не толькообъективный факт, но и продукт мыслительной деятельности конкретных личностей.

Итак, историялюбой системы есть чередование эволюционных этапов, когда специалисты могутприменять полученные ими знания, и этапов бифуркационного развития, когданаходится человек, способный к неординарному мышлению, новаторству, изобретательству.

И если законысинергетического развития универсальны, то можно предположить, что в основенеординарных творческих способностей гениальных личностей лежат как раз этизаконы.

Подходы к анализусистем

Нужно сказать,что изучением систем, состоящих из большого числа частей, взаимодействующихмежду собой тем или иным способом, занимались и продолжают заниматься многиенауки. Одни из них предпочитают подразделять систему на части, чтобы затем,изучая разъятые детали, пытаться строить более или менее правдоподобныегипотезы о структуре или функционировании системы как целого. Другие изучаютсистему как единое целое, предавая забвению тонко настроенное взаимодействиечастей. И тот, и другой подходы обладают своими преимуществами и недостатками.

Синергетика наводит мост через брешь, разделяющуюпервый, редукционистский, подход от второго, холистического. К тому же всинергетике, своего рода соединительном звене между этими двумя экстремистскимиподходами, рассмотрение происходит на промежуточном, мезоскопическом уровне, имакроскопические проявления процессов, происходящих на микроскопическом уровне,возникают «сами собой», вследствие самоорганизации, без руководящей инаправляющей «руки», действующей извне системы.

Этообстоятельство имеет настолько существенное значение, что синергетикуможно было бы определить как науку о самоорганизации.

Редукционистскийподход с его основным акцентом на деталях сопряжен с необходимостью обработкиинформации о подсистемах, их структуре, функционирования и взаимодействии вобъемах зачастую непосильных для наблюдателя, даже вооруженногосверхсовременной вычислительной техникой. Сжатие информации до разумныхпределов осуществляется различными способами. Один из них используется встатистической физике и заключается в отказе от излишней детализации описания ив переходе от индивидуальных характеристик отдельных частей к усредненным темили иным способом характеристикам системы. Импульс, получаемый стенкой сосудапри ударе о нее отдельной частицы газа, заменяется усредненным эффектом отударов большого числа частиц — давлением. Вместо отдельных составляющих системыстатистическая физика рассматривает множества (ансамбли) составляющих, вместодействия, производимого индивидуальной подсистемой, — коллективные эффекты,производимые ансамблем подсистем.

Синергетикаподходит к решению проблемы сжатия информации с другой стороны. Вместо большогочисла факторов, от которых зависит состояние системы (так называемых компонентвектора состояния) синергетика рассматривает немногочисленные параметрыпорядка, от которых зависят компоненты вектора состояния системы и которые, всвою очередь, влияют на параметры порядка.

В переходе откомпонент вектора состояния к немногочисленным параметрам порядка заключенсмысл одного из основополагающих принципов синергетики — так называемогопринципа подчинения (компонент вектора состояния параметрам порядка). Обратнаязависимость параметров порядка от компонент вектора состояния приводит квозникновению того, что принято называть круговой причинностью.

О критикесинергетики и синергетиков

Справедливостиради необходимо отметить, что появление нового междисциплинарного направлениявстретило неоднозначный прием со стороны научного сообщества. Хакена и егопоследователей иногда обвиняют в честолюбивых замыслах, в умышленном введениилегковерных в заблуждение. Кроме прочего утверждается, будто кроме названия (укоторого, как было отмечено выше, также имелись предшественники), синергетиканапрочь лишена элементов новизны.

В отношенииназвания направления существует любопытный контрагрумент. Даже если бы новациейбыло только название, появление синергетики было бы оправдано. ПредложенноеХакеном выразительное название нового междисциплинарного направления привлекалок этому новому направлению гораздо больше внимания, чем любое«правильное», но «скучное» и понятное лишь узкому кругуспециалистов, название. Уместно вспомнить аналогичные обвинения в адрес ещеодной теории, внесшей свою лепту в развитие синергетического направления, — теории катастроф французского математика Рене Тома. Предложенное им название,сочтенное пуристами чрезмерно зазывным и рекламным, оказалось, особенно длянематематиков, намного более привлекательным, чем существовавший до Томавариант — теория особенностей дифференцируемых отображений.

Уже нетнеобходимости доказывать полезность синергетического подхода и неправильнонастаивать на непременном использовании названия «синергетика» всеми,чьи достижения, текущие результаты или методы сторонники синергетики склоннысчитать синергетическими. Явления самоорганизации, излучение сложности,богатство режимов, порождаемых необязательно сложными системами, оставляютпростор для всех желающих. Каждый может найти свою рабочую площадку и спокойнотрудиться в меру желания, сил и возможностей. Однако нельзя не отметить, чтоперенос синергетических методов из области точного естествознания в области,традиционно считавшиеся безраздельными владениями далеких от математикигуманитариев, вскрыли один из наиболее плодотворных аспектов синергетики исущественно углубили её понимание.

Заключение

Синергетика с еёстатусом метанауки изначально была призвана сыграть роль коммуникатора,позволяющего оценить степень общности результатов, моделей и методов отдельныхнаук, их полезность для других наук и перевести диалект конкретной науки навысокую латынь междисциплинарного общения. Положение междисциплинарногонаправления обусловило еще одну важную особенность синергетики — ее открытость,готовность к диалогу на правах непосредственного участника илинепритязательного посредника, видящего свою задачу во всемирном обеспечениивзаимопонимания между участниками диалога. Диалогичность синергетики находитсвое отражение и в характере вопрошания природы: процесс исследованиязакономерностей окружающего мира в синергетике превратился (или находится встадии превращения) из добывания безликой объективной информации в живой диалогисследователя с природой, при котором роль наблюдателя становится ощутимой,осязаемой и зримой.

Общиезакономерности поведения систем, порождающих сложные режимы, позволяютрассматривать на содержательном, а иногда и на количественном уровне, такиевопросы, как уровень сложности восприятия окружающего мира как функциисловарного запаса воспринимающего субъекта, роль хаотических режимов, ихиерархий и особенностей в формировании смысла, грамматические категории какносители семантического содержания, проблемы ностратического языкознания(реконструкция праязыка) как восстановление “фазового портрета” семействаязыков и выделения аттракторов, и многое другое.

Является ли синергетика междисциплинарным подходом,совершенно новой наукой или просто особым философским взглядом – ей предстоитеще доказать самой. Однако, свежесть новых идей и неожиданных подходов кизвестным проблемам составляет несомненную прелесть этой отрасли знания.