 |
|
Глава 1. Синергетика по Хакену. Принципы
Введение
Синергетика – междисциплинарное научное направление. Этот термин впервые употребил в своих лекциях в университете Штутгарта в 1969 немецкий физик-теоретик Герман Хакен. Происходит термин от греческого слова «synergēticos», что означает «совместный, согласованный, действующий». Г. Хакен утверждает о существовании общих закономерностей, имеющих силу не только для основополагающих составных частей материи, но и для поведения сложных систем любой природы. Иными словами, синергетика занимается изучением атомов, молекул, клеток, нейронов, механических элементов, органов и является учением о взаимодействии элементов внутри этих систем, в результате которого возникают их новые макроскопические свойства.
В рамках данного предмета изучается самоорганизация, являющаяся результатом совместного действия отдельных частей какой-либо неупорядоченной системы. Существует множество примеров из различного рода открытых систем, физических, химических, биологических, в которых из хаотического состояния, путем подведения к ним энергии, возникают упорядоченные пространственные, временные или пространственно-временные структуры. Таким образом, появляется возможность проведения аналогии между различными системами в процессе их перехода из неупорядоченного состояния в упорядоченное. В свою очередь, самоорганизация, возникающая из состояния хаоса, требует рассмотрения и изучения с точки зрения теории вероятности, основных концепций теории информации, введения понятия энтропии, изучения динамических процессов, детерминированных процессов, определения равновесных конфигураций. Необходимо это для того, чтобы показать схожее поведение систем различного рода и охарактеризовать основные принципы этого поведения.
В то же время, обобщение синергетикой структур различной природы препятствует образованию единой терминологии. Дисциплина не является ограниченной какой-либо областью исследований и существуют различные научные подходы к изучению этого направления. Бельгийский физик и химик И. Пригожин сформулировал первичную терминологию синергетики, открыл явление образования упорядоченных структур из хаотического, неупорядоченного состояния системы, сформулировал теорему о минимуме производства энтропии в неравновесном состоянии. Г. Хакен развивал методологию синергетики, основанную на нелинейной оптике, квантовой механике и статистической физике.
Синергетика изучает закономерности и механизмы самоорганизации в открытых нелинейных системах сложной конфигурации, которыми являются, природа и, безусловно, человеческое общество, многие системы искусственного происхождения. Синергетика, тесно связанная с кибернетикой, математическим моделированием и системным подходом к изучению реальности, расширяет человеческое представление о самообновлении и развитии материи, взаимосвязи между материальным и духовным, позволяет по-новому рассмотреть эволюционные процессы в природе, а также процессы возникновения жизни, на перспективы развития человеческой цивилизации в масштабах космологии.
Особенность предмета синергетики заключается в изучении ею процессов самоорганизации открытых систем именно с точки зрения нелинейного мышления. Объектом исследования синергетики являются сложноструктурированные неравновесные системы, стоящие на различных стадиях перехода от хаоса к порядку и наоборот.
Данная работа призвана раскрыть основные теоретические аспекты синергетики, обосновать необходимость и важность существования данной дисциплины для многих разделов научного познания. Подлежат рассмотрению этапы становления и развития синергетики, так как существование этого направления уходит корнями в античную историю, существует и активно развивается в настоящее время. За время существования синергетики возникли некоторые общие методологические подходы к изучению этого предмета. Тем не менее, синергетика не является уже сложившейся наукой и продолжает находить применение в современных сферах жизни общества, таких как информатика, кибернетика, медицина. Большое внимание уделено синергетике по Г. Хакену, чьи труды стали одними из основных в изучении данного вопроса. Методы дисциплины неотрывно связаны с принципами, формулировке и трактованию которых уделял большое внимание Г. Хакен, чей замысел теории самоорганизации впоследствии был развит многими другими учеными. Это параметры порядка, принцип подчинения, циклическая причинность, а также структурные и порождающие принципы синергетики. Также будет рассмотрена связь синергетики и диалектики, их онтологическое и эпистимологическое единство в аспекте синергетической концепции самоорганизации, так как данная концепция играет главенствующую роль в изложении синергетической мысли.
Глава 1. Синергетика по Хакену. Принципы
Существует вопрос, можно ли организовать синергетическую дисциплину в таком ключе, чтобы она приводила к вероятным прогнозам в эволюции сложных систем, которые интересуют физиков, биологов, химиков, социологов? Возможно, что реального решения этого вопроса можно добиться обобщением научных фактов, полученных в результате изучения развивающихся систем, имеющих разные пространственно-временные масштабы и требующих разных способов описания. На подобный путь, который вел бы к формулированию предмета синергетики и к организации синергетической мысли, обращал внимание Г.Хакен. «Так как сложные системы поистине вездесущи, перед нами возникает острая проблема отыскания унифицирующих принципов, которые позволили бы нам должным образом подходить к исследованию таких систем. Для описания сложной системы на микроскопическом уровне необходимо огромное количество данных, которое в настоящее время не в состоянии обработать ни человек, ни даже общество в целом. Следовательно, сбор данных и мышление требует своего рода экономии. Кроме того, мы надеемся, что, когда нам удастся найти законы, применимые к широкому кругу самых различных сложных систем, на нас снизойдет озарение и мы сможем постичь их внутреннюю сущность.
При поиске универсальных законов разумно спросить, на каком уровне их формулировать - на микроскопическом или макроскопическом. В зависимости от ответа мы можем прийти к совершенно различному описанию одной и той же системы» [9]
Согласно Г. Xакену, синергетика относится к направлению универсализма, занимающего промежуточное место между редукционизмом и холизмом. То есть, синергетика не сводит порядок поведения системы ни к ее микроскопическомому уровню (редукционизму), ни к ее макроскопическому поведению (холизму), она скорее пытается изучить, каким образом устанавливается и действует связь между этими уровнями. Это становится возможным благодаря введению понятий и принципов синергетики.
Синергетическая модель, созданная Г. Xакеном для обоснования самоорганизующегося поведения элементов, включает несколько наиболее важных аспектов - это параметры порядка, принцип подчинения, циклическая причинность. В результатах исследований, изложенных Хакеном, понятие «параметр порядка» соотносится с масштабами, или объемами, сложных развивающихся систем. Эти системы классифицируются, будучи расположенными на различных уровнях в зависимости от пространственно-временных масштабов. В неравновесной открытой системе, к которой поступает энергия, в результате колебаний и конкуренции параметров порядка (мод) устанавливаются коллективные способы поведения. Хотя система может состоять из огромного количества элементов, обладающих большим числом степеней свободы, ее макроскопическое поведение может быть охарактеризовано небольшим количеством мод (параметров порядка) или всего одной модой.
Параметры порядка определяют поведение всех элементов системы - принцип подчинения. Иными словами, принцип подчинения означает многократное сокращение информации: вместо того чтобы описывать характеристики системы посредством большого количества ее индивидуальных компонентов и их поведения, достаточно описать ее при помощи параметров порядка. Таким образом, наблюдается феномен циклической причинности: параметры порядка детерминируют (идут во взаимосвязи) поведение остальных элементов системы, которые, в свою очередь, обратным образом воздействуют на параметры порядка и определяют их.
Каждый раз элементы, связываясь в структуру, передают ей долю своих функций, степеней свободы, которые теперь выражаются от лица коллектива всей системы, причем на уровне элементов этих понятий могло и не существовать. Эти коллективные переменные «живут» на более высоком иерархическом уровне, чем элементы системы, и в синергетике, следуя Г. Хакену, они называются параметрами порядка — именно они описывают в сжатой форме смысл поведения и цели-аттракторы системы. Данная природа параметров порядка называется принципом подчинения, когда изменение параметра порядка как бы дирижирует синхронным поведением множества элементов низшего уровня, образующих систему, при этом, феномен их когерентного, то есть взаимосогласованного, сосуществования иногда называют явлением самоорганизации. Необходимо подчеркнуть принцип круговой причинности в явлениях самоорганизации, взаимную обусловленность поведения элементов любых двух соседних уровней, своеобразный общественный договор: одни управляют, организуя согласованное поведение и порядок, другие подчиняются, передавая первым часть своих степеней свободы, и тем самым, участвуя в создании порядка. Важным свойством иерархических систем является невозможность полной редукции, то есть сведения свойств-структур более сложных иерархических уровней, к языку более простых уровней системы. Каждый уровень имеет внутренний предел сложности описания, превысить который не удается на языке данного уровня. Существуют так называемые зоны непрозрачности языка — семантического хаоса. Это является еще одной причиной иерархии языков, отвечающих иерархии уровней. Именно поэтому является абсурдной попытка редукционизма, сведения всех феноменов жизни и психики к законам физики элементарных частиц только на том основании, что из них все состоит. Выделенную роль в иерархии систем играет время, и синергетический принцип подчинения Хакена формулируется именно для временной иерархии. Небходимо рассмотреть три произвольных ближайших последовательных временных уровня. Это их микро-, макро- и мега- уровни. Принято говорить, что параметры порядка — это долгоживущие коллективные переменные, задающие язык среднего макроуровня. Сами они образованы и управляют быстрыми, короткоживущими, массовыми переменными, задающими язык нижележащего микроуровня. Последние быстрые переменные ассоциируются для макроуровня с бесструктурным «тепловым» хаотическим движением, неразличимым на его языке в деталях. Следующий, вышележащий над макроуровнем, мегауровень образован сверхъмедленными «вечными» переменными, которые выполняют для макроуровня роль параметров порядка, но теперь, в этой триаде уровней, их принято называть управляющими параметрами или контрольными параметрами. Плавно меняя управляющие параметры, можно менять систему находящихся ниже уровней, иногда эти изменения выглядят весьма бурно, кризисно, и тогда говорят о критических (бифуркационных) значениях управляющих параметров.
Модель Г. Xакена, если говорить о качественном уровне ее применения, служит таким сложным системам, как мозг человека, сознание, социальная организация. В качестве примеров самоорганизации социума Xакен рассматривает изучение ребенком родного языка, проявление у народов характерных особенностей национального характера, приверженность обычаям и традициям. Язык является мерой порядка в обществе и существует дольше, чем любой из его носителей. Таким образом, если говорить используя термины синергетики, ребенок подчинен усвоению этого языка, сначала языка родителей, а в дальнейшем языка своего народа.
§ 1. Развитие синергетики как теории. Основные этапы развития синергетики.
Синергетика, представляя собой совместные исследования ученых из различных научных областей, является дисциплиной, которая ищет новые модели познания природных явлений, социологии и создает картину мира, которая могла бы отвечать требованиям современного мира. Именно на границах нескольких наук, на пути объединения их рамками нелинейного мышления существует возможность взглянуть под другим углом на результаты исследований в математике, физике, химии, биологии, а также космологии, астрономии и социологии. Стоит отметить, что при подобном подходе осуществляется не только соединение научных достижений современности, связанных с применением различных теоретико-методологических направлений, но происходит также и обращение к идеям различных времен и народов, в том числе, к идеям древности, как Востока, так и на Запада.
У философов Востока, в особенности Китая и Индии, синергетика почерпнула и развила такие философские концепции, как целостность мироздания, идея единого закона, общего пути, по которому следуют человек и мир в целом. От идей Запада синергетика заимствует порядок исследования при помощи математического аппарата, а также опору на данные, полученные путем эксперимента. Если говорить о философских течениях нового времени, то развитию синергетики послужили подспорьем диалектический материализм, некоторые из идей позитивизма, онтологизма, редукционизма. Таким образом, на подобной концептуальной основе синергетика осуществляет связь с прошлым, настоящим и будущим. В результате, происходит формирование принципиально новой теории и методологии познания.
В. Буданов [4] предлагает следующий взгляд на исторический аспект синергетической теории. Синергетика, будучи наукой о процессах развития и самоорганизации сложных систем произвольной природы наследует и развивает универсальные, междисциплинарные подходы своих предшественниц: тектологии А.И. Богданова, теории систем Л. фон Берталанфи, кибернетики Н.Винера. Однако, ее язык и методы сформировались в нелинейной математике и естественных науках, изучающих эволюцию сложных систем, и существенно обогащают наши представления о законах изменчивого мира.
История методов синергетики связана с именами многих выдающихся ученых ХХ века. Прежде всего, это великий французский математик, физик и философ Анри Пуанкаре, который уже в конце XIX века заложил основы методов нелинейной динамики и качественной теории дифференциальных уравнений. Именно он ввел понятия аттракторов (притягивающих множеств в пространствах состояний открытых системах), точек бифуркаций (значений параметров задачи, при которых появляются альтернативные решения, либо теряют устойчивость существующие), неустойчивых траекторий и динамического хаоса в задаче трех тел небесной механики (притяжение Земля-Луна-Солнце).
В первой половине ХХ века большую роль в развитии методов нелинейной динамики играла русская и советская школа математиков и физиков: А.М. Ляпунов, Н.Н. Боголюбов, Л.И. Мандельштамм, А.А. Андронов, А.Н. Колмогоров, А.Н. Тихонов. Эти исследования стимулировались в большой мере решением стратегических оборонных задач: создание ядерного оружия, освоение космоса. Западные ученые также использовали первые оборонные ЭВМ при обнаружении неравновесных тепловых структур: модель морфогенеза (А.М.Тьюринга) и уединенных волн - солитонов (Э.Ферми). Этот период можно назвать "синергетикой до синергетики", так как сам термин еще не использовался.
В 60-70 годы происходил действительный прорыв в понимании процессов самоорганизации в самых разных явлениях природы и техники. Необходимо перечислить некоторые из них - это теория генерации лазера Г.Б. Басова, А.М. Прохорова, Ч. Таунса; колебательные химические реакции Б.П. Белоусова и А.М. Жаботинского - основа биоритмов живого; теория диссипативных структур И. Пригожина; теория турбулентности А.Н. Колмогорова и Ю.Л. Климонтовича. Неравновесные структуры плазмы в термоядерном синтезе изучались Б.Б. Кадомцевым А.А. Самарским, С.П. Курдюмовым. Теория активных сред и биофизические приложения самоорганизации исследовались А.С. Давыдовым, Г.Р. Иваницким, И.М. Гельфандом, Молчановым А.М., Д.С. Чернавским. В 1963 году произошло значимое открытие динамического хаоса, сначала в задачах прогноза погоды (Э. Лоренц), затем теоретически, начинается изучение странных аттракторов в работах Д. Рюэля, Ф. Такенса, Л.П. Шильникова. Для странных аттракторов характерна неустойчивость решения по начальным данным, знаменитый "эффект бабочки", взмах крыльев которой может радикально изменить дальний прогноз погоды - образ динамического хаоса. Создаются униваерсальная теория катастроф (скачкообразных изменений состояний систем) Р.Тома и В.И. Арнольда и развиваются ее приложения в психологии и социологии; теория автопоэзиса живых систем У. Матураны и Ф. Вареллы. Круг этих методов и подходов в изучении сложных систем Герман Хакен и назвал в 1970 году синергетикой (теорией коллективного, кооперативного, комплексного поведения систем), предварительно эффективно применив их в теории генерации лазера.
В 80-90 годы продолжалось изучение динамического хаоса и проблемы сложности. В связи с созданием новых поколений мощных ЭВМ, развиваются фрактальная геометрия (Б.Мандельброт), геометрия самоподобных объектов (типа облака, кроны дерева, береговая линия), которая описывает структуры динамического хаоса и позволяет эффективно сжимать информацию при распознавании и хранении образов. Были обнаружены универсальные сценарии перехода к хаосу М. Фейгенбаума, Ив. Помо. В 1990 году был открыт феномен самоорганизованной критичности. Его можно исследовать, рассматривая кучу песка (П. Бак). Сходящие лавинки воспроизводят распределения Парето по величинам событий для биржевых кризисов, землетрясений, аварий сложных технических комплексов и т.д.
В 60-80 годы принципиально изменилась и общенаучная картина мира. Мегаобъекты неживой природы в астрофизике и геофизике – Земля, Солнечная система, Вселенная начинают рассматриваться как эволюционирующие в одном ряду с живыми и социальными объектами. Возникает единый подход к миру сложных явлений – универсальный эволюционизм Э.Янча и Н.Н. Моисеева. В философии этот синтез, согласно В.С. Степину, осмысливается в терминах постнеклассической науки о саморазвивающихся системах, которая обосновывает перспективу конвергенции наук о природе и человеке, а также полагает, что синергетика является ядром научной картины мира ХХ I века и пытается навести мосты между частнонаучными картинами реальности и сформировать принципы новой общенаучной картины мира.
Сегодня синергетика быстро интегрируется в область гуманитарных наук, возникли направления социосинергетики и эволюционной экономики или эконофизики, применяют ее психологи и педагоги, развиваются приложения в лингвистике, истории и искусствознании, реализуется проект создания синергетической антропологии.
В последние годы вопросам синергетики как постнеклассического междисциплинарного направления научных исследований, ее методологии, анализу возможностей ее приложений в сфере социогуманитарного знания, в частности, перспективам использования ее эвристического потенциала для новой постановки и решения проблем современного образования и воспитания было посвящено довольно много работ.