Синергетика (теория самоорганизации)

Данная теория разработана выдающимся бельгийским ученым российского происхождения, лауреатом Нобелевской премии И. Р. Пригожиным. Важно отметить, что возникновению и развитию основных идей синергетики способствовали исследования А. Тыоринга, Э. Лоренца, С. Смэйла, а также отечественных ученых А. Н. Колмогорова, Б. П. Белоусова, А. М. Жаботинского.

Синергетика — область научного знания, изучающая общие закономерности возникновения, развития и структуры сложных самоорганизующихся систем.

Объектом исследования синергетики являются сложные открытые нелинейные диссипативные системы, далекие от равновесия.

Свойства самоорганизующихся систем

Открытость. Открытыми считаются системы, определенное состояние которых поддерживается за счет непрерывного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. При этом данный обмен происходит в каждой точке (элементе) системы, т.е. носит объемный характер. Необходимо специально подчеркнуть, что второй закон термодинамики (энтропия изолированной системы, находящейся в неравновесном состоянии, имеет тенденцию увеличиваться с течением времени, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия) применим к такого рода системам только при условии их рассмотрения совместно с внешней средой. Дело в том, что открытые нелинейные системы поддерживают свою сложную организацию за счет окружающей среды, упорядоченность которой при этом уменьшается. Согласно теореме Пригожина, «стационарному состоянию неравновесной системы (в условиях, препятствующих достижению равновесного состояния) соответствует минимальное производство энтропии». При этом большая устойчивость системы обеспечивается таким состоянием, в котором скорость образования энтропии за счет внутренних необратимых процессов сохраняет свое положительное значение, но стремится к минимуму.

Неравновесность открытых систем является результатом взаимодействия двух противоположных сил. Действие одной силы направлено на порождение и фиксацию неоднородностей, структурирование системы, определенную локализацию ее элементов, другой — на деструктурирование системы, «размывание» неоднородностей. Очевидно, что если преобладает первая сила, то в открытой системе начинается процесс самоорганизации, если верх берет вторая сила, то система рассеивается, превращается в хаос. Если временно устанавливается динамическое равновесие этих сил, то в дальнейшем развитии системы решающую роль могут играть случайные факторы.

Открытые системы характеризуются необратимостью, т.е. с течением времени происходит сужение области их фазового пространства до некоторого участка, в котором состояние системы стационарно. Данный процесс сопровождается уменьшением числа микросостояиий и, следовательно, уменьшением энтропии (повышением степени упорядоченности).

Нелинейность. Неравновесные системы «строят» свои отношения с окружающей средой па избирательной основе. Даже слабые воздействия, если они адекватны собственным тенденциям развития системы, могут оказывать значительное влияние на ее динамику. И напротив, сильные, но нс соответствующие внутренней динамике системы факторы могут нс оказывать на се эволюцию заметного эффекта. Потому для сложных открытых систем возможны ситуации, когда результат совместного действия на нес различных факторов существенно отличается от эффектов, оказываемых этими факторами по отдельности.

Открытые нелинейные системы, как правило, находятся в состояниях, далеких от равновесия. В таких ситуациях очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, коренным образом преобразующих структуру систем или разрушающих ее. Иными словами, многие процессы, протекающие в открытых системах, носят пороговый характер: при медленном, плавном изменении внешних условий поведение системы на макроуровне изменяется скачкообразно.

Для каждой конкретной системы существует определенный «интервал нелинейности», в пределах которого усиление нелинейности способствует образованию локальных структур и их разнообразию, установлению связей между ними и, как результат, усложнению организации системы. Важно отмстить, что количество вариантов сценария дальнейшей эволюции системы в этих условиях существенно увеличивается.

Характерной особенностью нелинейных систем является их способность создавать неоднородности в окружающей среде. При этом в их взаимоотношениях могут возникать петли положительной обратной связи, т.е. система может влиять на среду таким образом, что в среде формируются условия, вызывающие изменения в самой системе. Примером может служить ферментный каскад — особая метаболическая система, обеспечивающая быструю наработку большого количества определенного продукта в ответ на специфический сигнал. Другим примером является перевыпас скота - уничтожение лугов или подроста в лесу, что вызывает бескормицу и падеж животных.

Диссипативность. Диссипация (от лат. dissipate — рассеивать, разгонять) формально выражает тенденцию к упрощению (размыванию) организации системы. Практически все объекты природы являются диссипативными системами, так как силы сопротивления (трение и др.) приводят к рассеиванию энергии. В то же время в нелинейных неравновесных системах, активно взаимодействующих с окружающей средой, диссипация, напротив, может выполнять структурообразующую функцию. Дело в том, что такие системы отличаются избирательностью, т.е. различной чувствительностью к тем или иным внешним и внутренним воздействиям. В этих условиях действие фактора диссипации также носит избирательный характер: он «размывает» одни структуры и способствует образованию других. При этом могут самопроизвольно формироваться новые виды конструкций, осуществляться переходы от хаоса к порядку, возникать новые динамические состояния системы. Существенно, что эти преобразования происходят не из-за внешнего воздействия (оно, как правило, выполняет лишь функцию начального стимула), а за счет перестройки внутренней структуры системы (самоорганизация). Важную роль в этих явлениях играют процессы с положительной (усиливающей) обратной связью.

Хаос. Теория самоорганизующихся систем по-новому трактует понятие хаоса. Хаос рассматривается как многогранный материальный фактор, который не только разрушает системы и процессы и сам является продуктом деструкции, но и обладает потенциальной «творческой» силой, способствуя возникновению новых объектов и явлений. Раскрывая эту сторону его «деятельности», следует указать, что хаос необходим для начального самоструктурирова- ния нелинейных систем. Кроме того, он содействует резонансной интеграции простых субструктур в общую сложную структуру, согласованию скоростей их эволюции. И, наконец, хаос может выполнять роль механизма переключения, смены сценариев эволюции системы, переходов от одной относительно стабильной конструкции к другой. Таким образом, как это ни кажется парадоксальным на первый взгляд, хаос при определенных условиях выступает как фактор самоорганизации.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >