Тема 4.06. Закономерности самоорганизации

Синергетика - теория самоорганизации. В переводе с греческого языка – содружество, коллективное поведение. Термин введен Г.Хакеном, а сама наука сформировалась благодаря достижениям Н.А.Пригожина в области неравновесной термодинамики. Синергетика объясняет, за счет чего в системах происходит эволюция (как процесс становления чего-то нового, отличающегося от ранее существовавшего более высоким уровнем организации). Под синергетикой понимают теорию самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. Это – новая наука, занимающаяся изучением возникновения, поддержания и распада самоорганизующихся структур, кооперативных эффектов в них.

Синергетика - междисциплинарное направление исследований. Важнейшим из вариантов синергетики можно считать неравновесную термодинамику (теорию диссипативных структур). Синергетическими теориями по существу являются математическая теория бифуркаций, теория хаоса, теория нелинейных колебаний и волн, нелинейная динамика, теория фазовых переходов и некоторые другие. Синергетика прогрессирует вместе с математическим аппаратом описания нелинейных и неустойчивых систем и соответствующими математическими методами. На современном этапе ее развития синергетика это – совокупность общих идей о принципах самоорганизации и вместе с тем сумма общих математических методов для ее описания. Предпринимаются все более активные и плодотворные попытки использования этих идей и методов в экологии, медицине, социологии, экономике и вообще в области социально-гуманитарного знания.

Самоорганизация (в природных и социальных системах). Наиболее яркими примерами реализации законов синергетики являются эволюционные процессы в природе, а также развитие и эволюция цивилизации – государственных, экономических и политических институтов, совершенствование и усложнение их структур.

Примеры самоорганизации в простейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара, реакцияБелоусова-Жаботинского. В оптически активных средах в лазерах микроскопические процессы, заключающиеся в согласованных изменениях энергетических состояний электронов, оказывающихся в неравновесном состоянии из за внешнего энергетического воздействия, проявляются на макроскопическом уровне как когерентное и поляризованное (т.е. высоко упорядоченное) излучение. Еще один пример самоорганизации – ячейки Бенара, образующиеся на поверхности подогреваемой жидкости. Эти гексагональные ячейки наблюдаются в следствие конвективного движения в приповерхностных слоях жидкости в неравновесных условиях, когда температурный градиент достигает критического значения. В химии хорошо известна реакция Белоусова-Жаботинского, в ходе которой на поверхности раствора веществ образуются упорядоченные пространственно-временные структуры, например, так называемые «химические часы» - раствор, периодически изменяющий свой цвет. Важными особенностями этого типа реакций является то, что помимо обмена энергией в них происходит обмен реагирующими веществами, а также наличие катализатора.

Потоки (вещества, энергии, заряда и т.д.) в неравновесных системах. Неравновесность и открытость системы – необходимые (но не достаточные) условия самоорганизации. Неравновесная система, будучи открытой, обязательно должна обмениваться с окружающей средой материей, энергией, количеством движения и его моментом, а также информацией.

Необходимое условие самоорганизации – нелинейность взаимодействия между элементами системы. Это означает, что если параметр одного из элементов изменяется и вызывает изменение другого параметра, то последнее в свою очередь влияет на изменение первого. Математически это выражается дифференциальными уравнениями степени выше первой, т.е. нелинейными дифференциальными уравнениями.

Управляющий параметр. Основная идея синергетики заключается в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне. Последние можно рассматривать как количественные, описываемые управляющим параметром системы. При критическом значении этого параметра система переходит в новое макроскопическое состояние. В опыте Бенара управляющим параметром является градиент температуры, в реакции Белоусова-Жаботинского – концентрация химических веществ, в лазере – интенсивность световых источников накачки.

Пороговый характер (внезапность) самоорганизации. Изменяя управляющий параметр, можно достичь критического значения, когда система резко и спонтанно переходит в качественно новое состояние.

Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости. В точках бифуркации для системы, находящейся в состоянии неустойчивого равновесия, возможны, по крайней мере, два направления развития. Накопленные системой к моменту попадания ее в точку бифуркации изменения являются количественными. Преодоление точки бифуркации сопровождается переходом количественных изменений в качественные.

Особенности механизмов сомоорганизации:

• рост флуктуаций вблизи точки бифуркации (теоретическое положение и примеры),

• стабилизация флуктуаций за точкой бифуркации (порядок из хаоса),

• синхронизация (временная согласованность) частей системы в результате самоорганизации,

• невозможность точного прогноза будущего за точкой бифуркации,

• понижение энтропии системы при самоорганизации,

• повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации.

Диссипация - рассеяние энергии в неравновесной системе.

Принципы универсального эволюционизма:

• всё существует в развитии;

• объективность и познаваемость процессов самоорганизации;

• законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

• фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;

• развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);

• непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

• устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления;

• коэволюция (т.е. совместные и взаимообусловленные эволюционные процессы) развивающейся системы и окружающей среды.