20. Самоорганизация систем. Синергетика

Концепция самоорганизации систем все больше распространяется не только в естествознании, но и в социально-гуманитарных науках. Поэтому концепция самоорганизации становиться парадигмой исследования широкого класса систем. (Под парадигмой подразумевают фундаментальную теорию, которую применяют для объяснения широкого спектра явлений). Существуют междисциплинарные парадигмы, примерами которых являются кибернетика и синергетика, описывающая самоорганизацию систем.

Одним из первых подходов к изучению самоорганизации систем в 18 в. была экономическая теория Смита, который считал, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных устремлений, целей и интересов многочисленных участников. Именно такое взаимодействии приводит к установлению на рынке равновесия между спросом и предложением.

Аналогичные идеи относительно самоорганизации норм нравственности в обществе высказывали в 18 в. шотландские моралисты, которые считали, что принципы нравственного поведения людей не создаются правителями и политиками, а формируются медленно и постепенно в ходе самоорганизации людей под влиянием изменяющихся условий жизни.

Если рассматривать системы термодинамические, то из второго начала вытекает, что система постепенно эволюционирует в сторону возрастания энтропии, т.е. в сторону беспорядка. Но это справедливо для закрытой системы. Процессы самоорганизации могут протекать в открытых системах, т.е. системах которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. При определенных условиях в открытых системах могут возникнуть процессы самоорганизации в результате получения новой энергии и вещества извне, или рассеяния использованной системой энергии. Таким образом ключ к пониманию процессов самоорганизации содержится в изучении взаимодействия системы с окружающей средой.

Автор самого термина «синергетика» немецкий физик Хакен, исследовавший механизмы процессов происходящих в твердотельных лазерах. Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате этого между ними устанавливается когерентное, ли согласованное взаимодействие, которое приводит в конце концов к коллективному поведению (т.е. самоорганизации).

В последние десятилетия получил широкое распространение системный метод изучения, заключающийся в изучении не отдельных предметов и процессов, а всей целостной системы в форме комплексных и междисциплинарных исследований. И кибернетика и синергетика развиваются в этом русле, изучая важнейшие аспекты динамической устойчивости, самоорганизации и возникновения новых системных качеств. С этой точки зрения кибернетика отличается от синергетики тем, что всякое нарушение в самоорганизующейся системе через отрицательную обратную связь корректируется управляющим устройством. В синергетике в противоположность кибернетики исследуются механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранения и поддержания старых форм. Именно поэтому она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения возникшие в системе, не подавляются или корректируются, а накапливаются и постепенно приводят к разрушению старой и возникновению новой системы.

Таким образом самоорганизующиеся системы — это сложные открытые системы, неравновесные (находящиеся вдали от точки термодинамического равновесия). Полная энергия E такой системы состоит из свободной энергии F и деградированной энергии, представляющей собой отработанную энергию (которую нельзя использовать для совершения какой-либо работы) и которая характеризуется энтропией S и температурой по Кельвину Е=F+ST.

Согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе все время возрастает и стремиться к максимальному значению. Следовательно по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции системы и о времени ее изменения. И второй закон термодинамики можно сформулировать так, замкнутая система стремиться к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации (или самоорганизации с отрицательным знаком).

Очевидно, что для объяснения процессов самоорганизации необходимо рассматривать открытые системы. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, поскольку система в ходе эволюции система производит энтропию, которая однако не накапливается, а рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и вследствие такого обмена энтропия система может не возрастать, а оставаться постоянной или уменьшаться. Отсюда ясно, что открытая система не является равновесной, т.к. протекают непрерывные процессы обмена энергией. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между элементами (т.е. структура системы) разрушается, а между элементами возникают новые когерентные (согласованные) отношения, приводящие к коллективному поведению ее элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах Самоорганизация выступает как источник эволюции системы, так как она служит началом процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в развитии системы.

Поскольку флуктуации представляют собой случайные отклонения системы (т.е. являются случайными факторами самоорганизации), то в критической точке развития систем может существовать несколько путей дальнейшей эволюции, что математически выражают термином «бифуркация», означающем раздвоение или разветвление. Какой путь эволюции выберет система в значительной мере зависит от случайностей (например, от флуктуаций), но если путь определен, то дальнейшее подчиняется законам. Таким образом динамику развития систем следует рассматривать как единое целое двух взаимно дополняющих сторон единого процесса развития — случайности и необходимости.

Фундаментальное единство естественных наук. Наблюдение, эксперимент, теория. Разделение естествознания на научные дисциплины

1. Естественные науки — это науки, складывающиеся в определенную систему знаний о природе. Их объединяют по предмету и методу познания. Но что является основой их фундаментального единства, что объединяет все естественные науки в целостную систему естествознания?

Упрощенно рассмотрим ситуацию когда представителям двух естественных наук, физикам и химикам, предложено исследовать образец неизвестного вещества. Каждая из этих наук обладает своими методиками и методами исследований: физики будут определять физические параметры образца (вес, плотность, механические свойства), химики — химические свойства и состав химическими методами. Но есть более современные методы исследования, такие как спектральный анализ, позволяющий определить химикам химический состав. Этот метод позаимствован у физиков. Т.е. в конкретном случае эти науки объединяет метод, но не это является фундаментальной основой их единства. В итоге исследований будет получено два представления об одном образце, каждый из которых не дает полной картины. Полное представление может дать только вся сумма знаний естественных наук. Получается, что эти науки объединяет конкретный образец. Можно на это возразить — астрофизик исследует далекие и огромные звезды, а микробиолог микроскопическую клетку. Но оба эти объекты, и огромная раскаленная звезда и живая клетка являются предметами материального мира, их объединяет понятие материи.