Концепции самоорганизации и управления: синергетика и кибернетика

КОНЦЕПЦИИ САМООРГАНИЗАЦИИ  И УПРАВЛЕНИЯ: СИНЕРГЕТИКА И КИБЕРНЕТИКА

 

1. Синергетическая парадигма в современном  естествознании

Современные физические концепции  строения материи приписывают ей свойства динамизма, развития, эволюционный характер. Научному мировоззрению, по крайней мере, с XIX века была присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) – самого простого из всех возможных состояний системы, не обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной маловероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Следовательно, упорядоченное состояние вещества, которое наблюдается в доступной части Вселенной, возникло случайно, жизнь, как самая высокая из всех известных науке форм упорядоченности, тем более случайна и противоестественна. Это подтверждала, распространенная в 19 веке в космологии модель стационарной Вселенной. Что же заставило изменить этот, казалось бы, незыблемый взгляд на развитие, прийти к идее самоорганизации материи, которая внедрилась в научное мировоззрение во второй половине ХХ века и коренным образом изменила старые взгляды на материю и процессы ее развития?

 

Истоки идеи самоорганизации  систем. Эта идея порождена увеличением  числа исследований в различных  областях естествознания, посвященных  кооперативным эффектам в открытых неравновесных системах. Первоначально  в 60-х годах ХХ столетия такие  исследования проводились независимо в разных дисциплинах, позже (в 70-х  годах) они стали предметом сравнения, и в них обнаружилось много  общего. Необходимо отметить, что в  научной литературе одни авторы используют термин «самоорганизация», другие «синергетика». К концепции самоорганизации  через разработку термодинамики  открытых систем пришел бельгийский  ученый Илья Пригожин (р. 1927 г.). А термин «синергетика» ввел немецкий физик  Герман Хакен (р. 1927 г.). Слово «синергетика»  древнегреческого происхождения, означает «сотрудничество, совместное действие». Лингвистический смысл слов различен, но концептуальных расхождений между  этими научными направлениями нет. Как синергетика, так и теория самоорганизации исследуют процессы самоорганизации и самодезорганизации в открытых системах физической, химической, биологической, экологической, социальной и другой природы. Сегодня наука  считает все известные системы  от самых малых (элементарные частицы), до самых больших (Вселенная) – открытыми, обменивающимися энергией, (или) веществом и (либо) информацией с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. А развитие таких систем, как стало известно, протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем. В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

 

Критическое состояние –  это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной  системой в ходе предшествующего  периода плавного, эволюционного  развития. Прежде чем привести примеры  самоорганизации, необходимо уточнить, что же считать усложнением элементов  и систем, их переходом от более простых к более сложным формам. Понятия «простой» и «сложный» всегда относительны, их смысл выявляется только при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, протон сложен относительно кварков, но прост относительно атома водорода; атом сложен относительно протона и электрона, но прост относительно молекулы и т.д. При этом мы видим, что сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, доставляющие их. Таким образом, природу можно представить как цепочку нарастающих по сложности элементов. Процессы объединения «простых» элементов с образованием «сложных» систем протекают лишь при выполнении определенных условий. Например, если температура (энергия) окружающей среды превышает энергию связи двух частиц, то они не смогут удерживаться вместе. При снижении температуры до значений, при которых энергия среды и энергия связи частиц окажутся равными, наступает критический момент, и дальнейшее снижение температуры делает возможным процесс фиксирования частиц (например, протона и электрона) в атоме водорода. Намного сложнее обстоит дело при соединении атомов в молекулы. Здесь также существуют пороговые значения параметров (температуры, плотности), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен. Затем идут новые уровни сложности и упорядоченности вещества. Наиболее высокий уровень упорядоченности, известный науке – живая система. Считалось, что феномен жизни противоречит господствовавшим физическим представлениям о стремлении материи к хаосу. Жизнь представлялась упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не только на тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Эта проблема впервые была четко сформулирована в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Анализ, проделанный им, показывал, что феномен жизни разрушает постулат о единственной тенденции развития вещества – от случайно возникшей упорядоченности к неупорядоченности, рожденный классической термодинамикой. Живые системы оказались способны поддерживать упорядоченность вопреки «естественной» тенденции. После выхода книги Шредингера создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция – неизбежно разрушать любую упорядоченность, возникшую в результате случайных отклонений от равновесия. И лишь сравнительно недавно стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Нужны лишь подходящие условия для ее проявления. Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и пространстве. Разработка теории самоорганизации началась в середине ХХ столетия и продолжается в настоящий момент, причем по нескольким, сходящимся направлениям:

 

ü  синергетика (Г. Хакен),

 

ü  термодинамика неравновесных  процессов (И. Пригожин),

 

ü  концепция эволюции органических молекул (М. Эйген),

 

ü  концепция эволюции открытых каталитических систем (А.П. Руденко)

 

ü  теория катастроф (Р. Том).

 

Синергетика – по определению  ее создателя – немецкого физика Г. Хакена – занимается изучением  систем, состоящих из многих подсистем  самой различной природы, таких  как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди… Это  наука о самоорганизации простых  систем, о превращении хаоса в  порядок.

 

В синергетике возникновение  упорядоченных сложных систем обусловлено  рождением коллективных типов поведения  под воздействием флуктуации, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который  оказывается способным выжить в  условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в  определенном смысле, к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир. Самоорганизация, по Г. Хакену, – это «спонтанное  образование высокоупорядоченных  структур из зародышей или даже из хаоса». Переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному происходит за счет совместного и синхронного  действия многих подсистем (или элементов), образующих систему.

 

Г. Хакен выделил кооперативные (коллективные) процессы во всех самоорганизующихся системах. Первоначально сферой приложения синергетики Г. Хакена была квантовая  электроника и радиофизика. Ярким  примером самоорганизации может  служить система, изученная им –  лазер. Этот прибор создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники  света – лампы накаливания, газоразрядные  лампы – создают оптические излучения  за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Роль рабочего вещества в твердотельном  лазере выполняет монокристалл (чаще всего рубин), в котором имеются  активные атомы, возбужденные энергией, подведенной извне в процессе так называемой «накачки» энергии. Пока мощность накачанной энергии мала, атомы в кристалле возбуждаются не согласовано и излучают световые микроволны тоже разрозненно по времени и направлению. В этом случае лазер испускает рассеянный свет, как осветительная лампа. Но когда накачка энергией активного вещества лазера достигает порогового значения мощности, то все возбужденные в кристалле атомы – антенны внезапно начинают излучать свет синхронно и однонаправленно, и от сложения множества микроизлучений образуется один мощный поток света, лазерная установка переходит в режим генерации. То есть при генерации лазерного луча в атомной системе кристалла происходит самоорганизация. Это означает также, что лазер является системой, находящейся вдали от равновесия и что такая система может находится в устойчивом состоянии только за счет поступления извне энергии.

 

Другими примерами кооперативных  эффектов могут быть: коллективно  выстраивающиеся одинаковые ориентации элементарных магнитных моментов в  ферродинамике; коллективно и согласованно самоорганизующиеся вихри внутри жидкости, порождающие видимую на макроскопическом уровне турбулентную структуру.

 

По Хакену, объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим  требованиям:

 

ü  открытость – обязательный обмен энергией и (или) веществом  с окружающей средой;

 

ü  существенная неравновесность  – достигается при определенных состояниях и при определенных значениях  параметров, характеризующих систему, которые переводят ее в критическое  состояние, сопровождаемое потерей  устойчивости;

 

ü  выход из критического состояния скачком, в процессе типа фазового перехода, в качественно  новое состояние с более высоким  уровнем упорядоченности.

 

Скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором  малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают очень сильные  изменения состояния системы, ее переход в новое качество.

 

Например, при снижении температуры  воды до определенного значения она  скачком превращается в лед. Около  критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий  параметр) на доли градуса, чтобы вызвать  ее практически мгновенное превращение  в твердое тело.

 

Подобные же процессы есть в химии – смешивание жидкостей  разных цветов, когда попеременно  получается жидкость то красного, то синего цвета (реакция Белоусова–Жеботинского); в биологии – мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга, явление морфогенеза (отдельные клетки бывают только недифференцированными, специализация развивается в  соответствующем окружении других клеток), динамика популяций (временные  колебания численности видов) и  т.д.

 

Самоорганизующиеся системы  обретают присущие им структуры или  функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно эти  системы состоят из большого числа  подсистем. При изменении определенных условий, которые называются управляющими параметрами, в системе образуются качественно новые структуры. Эти  системы обладают способностью переходить из однородного, недифференцированного  состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние  или в одно из нескольких возможных  состояний. Этими системами можно  управлять, изменяя действующие  на них внешние факторы. Поток  энергии или вещества уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень  радиации, давление и т.д., мы можем  управлять системами извне.

 

Самоорганизующиеся системы  способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

 

Таким образом, сама логика научного развития, включая новые экспериментальные  данные, потребовала в 50–60-х годах  ХХ столетия перейти от рассмотрения слабонеравновесных к изучению сильнонеравновесных  систем, от стационарных неравновесных  состояний к исследованию неустойчивых неравновесных состояний.

Механизм протекания процессов  самоорганизации (по И. Пригожину)

 

В начале 70-х годов И. Пригожину  удалось разработать новую концепцию  самоорганизации химических и физических систем. Источником самоорганизации  Пригожин считал случайные неоднородности, либо флуктуации (отклонения среды  от положения нормали), которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Далее случайные  микрофлуктуации перерастают в  состояние хаоса. Но когда в систему  с хаотическим состоянием поступает  из среды достаточно большое количество свежей энергии, то из хаоса рождаются  крупномасштабные флуктуации макроскопического  уровня. Эти макроскопические флуктуации представляют собой коллективные формы  поведения множества микрочастиц, которые назвали модами. Между  модами (конфигурациями) возникает  конкуренция и происходит отбор  наиболее устойчивых из них.

 

Вот как И. Пригожин обрисовывает в общем виде и кратко путь эволюции системы от исходного состояния  через хаос к состоянию новой  организованности. В замкнутую изолированную  систему энергия или вещество вводятся извне дозировано, чтобы  исходное состояние в ней не выходило за рамки заданных границ (к примеру, русская печь, костер и т.д.). В  открытой нелинейной системе нет  таких ограничений. Здесь вещество и энергия среды могут поступать  в нее произвольно, поэтому такая  система может выходить из состояния  равновесия и стать неравновесной. По мере дальнейшего притока вещества и энергии она с ускорением (нелинейно, не однонаправленно) уходит все дальше от положения равновесия, становясь, все более неравновесной  и нерегулируемой. Организация состояния  такой системы все больше расшатывается, пока, наконец, вовсе не разрушится и процесс не станет хаотичным. Таким  образом, на первой стадии своей эволюции неравновесный процесс переходит  от состояния порядка к хаосу.

 

Состояние максимальной хаотичности  неравновесного процесса называют точкой бифуркации (от лат.bifurkus – раздвоенный). Благодаря хаотичности дальнейшее развертывание неравновесного процесса имеет не один путь движения, а множество возможных путей из зоны ветвления, то есть из точки бифуркации. Состояние бифуркации можно уподобить положению шарика на выпуклой поверхности, типа сферической, которое является неустойчивым. Любое влияние может вывести шарик из неустойчивого состояния, и он начнет скатываться сверху вниз. По какой траектории он будет катиться из точки бифуркации – угадать точно невозможно. Это – случайный процесс.