Самоорганизация: синергетический подход

Оглавление.

Оглавление.

Введение

Глава 1. Роль и место синергетики в современной науке.

Глава 2. Самоорганизация: синергетический подход.

2.1. Понятие  и методологическая сущность синергетики.

2.2. Синергетическая концепция  самоорганизации.

Глава 3. Синергетический подход как новая управленческая парадигма.

Заключение.

Литература.

Введение

Синергетика – современная теория самоорганизующихся систем, основанная на принципах целостности мира, общности закономерностей развития всех уровней материальной и духовной организации; нелинейности (многовариантности, альтернативности) и необратимости, глубинной взаимосвязи хаоса и порядка, случайности и необходимости.

Почему целое может обладать свойствами, которыми не обладает ни одна из его частей? В чем человек видит сложность окружающего его мира? Почему, зная фундаментальные физические законы, мы не можем предсказывать поведение простейших биологических объектов? Как согласовать следующую из классической термодинамики тенденцию к установлению равновесия с переходом от простого к сложному, от низшего к высшему, который мы видим в ходе биологической эволюции?

Перечисленные вопросы еще совсем недавно можно было бы смело назвать общефилософскими и отнести к той науке, которые представляет собой учение об общих принципах пребывания человека в мире, взаимодействия человека с миром и его преобразования – а наукой этой является философия.

И, на самом деле, не более как полтора десятилетия назад эти вопросы специалисты относили к компетенции философии. Сейчас же они встают в конкретном контексте физических, химических, биологических задач. В их решении все больше помогает теория самоорганизации, или синергетика (от греческого synergeia – совместное действие).

Почему, однако, общефилософские вопросы вдруг стали предметом рассмотрения теории синергетики и почему в этом возникла необходимость?

Что стало причиной возникновения науки самоорганизации, какие причины привели к возникновению этой науки, чем отличается взгляд на мир этой науки от представлений, выработанных раньше? Попробуем ответить на эти вопросы.

Очевидно, что системы, существующие в природе, безусловно, не похожи на те, которые созданы человеком и существенно отличаются от них.

Для систем, существующих в естественной природной среде, характерны устойчивость относительно внешних воздействий, возможность к самоусложнению, развитию, росту, самообновляемость и согласованность всех составных частей. Для систем же, являющихся творением рук человеческих, свойственны такие черты, как резкое ухудшение функционирования даже при сравнительно небольшом изменении внешних воздействий или ошибках в управлении.

При этом сам собой напрашивается вывод: нужно позаимствовать опыт построения организации, накопленный природой, и использовать его в нашей деятельности. Отсюда вытекает одна из задач синергетики: выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновении, развитии и самоусложнении.

При решении задач в самых разных областях от физики и химии до экономики и экологии, создание и сохранение организации, формирование упорядоченности является либо целью деятельности, либо ее важным этапом. Покажем это на следующих примерах.

Первый – задачи, связанные с управляемым термоядерным синтезом. В большинстве проектов самый важный момент – создание необходимой пространственной или пространственно-временной упорядоченности.

Другой пример – формирование научных коллективов, где активная творческая работа большинства сотрудников должна сочетаться с возможностью совместно решать крупные задачи. Такой коллектив должен быть устойчив и быстро реагировать на все новое. Какова же оптимальная организация, позволяющая добиваться этого?

Данный вопрос особенно остро стоит при исследованиях таких глобальных проблем, как энергетические, экологические и многие другие проблемы, которые требуют привлечения огромных ресурсов. И здесь нет возможности искать ответ методом проб и ошибок, а «навязать» системе необходимое поведение очень трудно. Гораздо разумнее действовать, опираясь на знание внутренних свойств системы, законов ее развития. В такой ситуации значение законов самоорганизации, формирования упорядоченности в биологических, физических и других системах трудно переоценить.

Еще одной причиной, обусловившей создание синергетики, является необходимость при решении ряда задач науки и техники анализировать сложные процессы различной природы, используя при этом новые математические методы.

              Классическая математическая физика (наука об исследовании математических моделей физики) имело дело с линейными уравнениями. Формально это уравнения, в которые неизвестные входят только в первой степени. А реально они описывают процессы, идущие одинаково при разных внешних воздействиях. С увеличением интенсивности воздействия изменения остаются количественными, новых качеств не возникает.

Однако ученым все чаще приходится иметь дело с явлениями, где более интенсивные внешние воздействия приводят к качественно новому поведению системы. Здесь нужны нелинейные математические модели. Их анализ – дело гораздо более сложное, но при решении многих задач он необходим.

Это приводит к формированию широкого фронта исследований нелинейных явлений, к попыткам создать общие подходы, применимые ко многим системам. Именно такие подходы и применяются в  синергетике.

Глава 1. Роль и место синергетики в современной науке. 

В последние годы наблюдается стремительный и бурный рост интереса к междисциплинарному направлению, получившему название "синергетика". Издаются солидные монографии, учебники, выходят сотни статей, проводятся национальные и международные конференции. Серия "Синергетика", выпускаемая известным издательством "Шпрингер", насчитывает без малого семь десятков выпусков и продолжает расширятся тематически. Экспансия синергетики, трактуемой весьма произвольно и расширительно, охватывает не только различные области науки, но и проникает в сферы человеческой деятельности, носящие сугубо прикладной, чтобы не сказать земной, характер. Как следствие этого процесса растет число словосочетаний, использующих ставший модным термин в самых неожиданных и парадоксальных контекстах: синергетическая парадигма, синергетический подход к проблемам национальной безопасности, синергетические начала образования и т.д. Столь широкая популярность, "подхваченность", одного из направлений современного точного естествознания радует, но вместе с тем не может не настораживать, ибо употребление термина всуе, без должного понимания специфики направления, подчас в полном отрыве от первоначального значения термина "синергетика", а то и просто как дань модному увлечению, короче, чрезмерно экстенсивный рост синергетического направления таит в себе опасность скорой дискредитации и (как следствие) быстрого, хотя и незаслуженного, забвения.

Именно поэтому представляется важным вернуться к истокам синергетики и выяснить, какой смысл первоначально вкладывал (и продолжает вкладывать) создатель синергетического направления и изобретатель термина "синергетика" профессор Штугггартского университета и директор Института теоретической физики и синергетики Герман Хакен.

По Хакену, синергетика занимается изучением систем, состоящих из большого (очень большого, "огромного") числа частей, компонент или подсистем, одним словом, деталей, сложным образом взаимодействующих между собой. Слово "синергетика" и означает "совместное действие", подчеркивая согласованность функционирования частей, отражающуюся в поведении системы как целого. Подобно тому, как предложенный Норбертом Винером термин "кибернетика" имел предшественников в кибернетики Ампера, синергетика Хакена также имеет предшественников, например, в синергетике физиолога Шерринггона, означавшей согласованное действие сгибательных и разгибательных мышц (протагонист и антагонист) при работе конечностей, или синергии - слиянии человека и Бога в молитве. Подчеркнем, что во всех случаях речь идет о согласованном действии. Разумеется, строгое определение синергетики потребовало бы уточнения того, что следовало бы считать большим числом частей и какие взаимодействия подпадают под категорию сложных. Однако сейчас строгое определение, даже если бы оно было возможным, оказалось бы явно преждевременным. Поэтому далее (как и в работах самого Хакена и его последователей) речь пойдет лишь об описании того, что включает в себя понятие "синергетика", и о ее отличительных особенностях. Строгое определение молодого направления было бы чрезмерно ограничительным, или, если воспользоваться сравнением Л.И.Мандельштама, напоминало бы колючую проволоку, в которую укутали младенца. Системы, составляющие предмет изучения синергетики, могут быть самой различной природы и содержательно и специально изучаться различными науками, например, физикой, химией, биологией, математикой, нейрофизиологией, экономикой, социологией, лингвистикой (перечень наук легко можно было бы продолжить). Каждая из наук изучает "свои" системы своими, только ей присущими, методами и формулирует результаты на "своем" языке. При существующей далеко зашедшей дифференциации науки это приводит к тому, что достижения одной науки зачастую становятся недоступными вниманию и тем более пониманию представителей других наук. В отличие от традиционных областей науки синергетику интересуют общие закономерности эволюции (развития во времени) систем любой природы. Отрешаясь от специфической природы систем, синергетика обретает способность описывать их эволюцию на интернациональном языке, устанавливая своего рода изоморфизм двух явлений, изучаемых специфическими средствами двух различных наук, но имеющих общую модель, или, точнее, приводимых к общей модели. Обнаружение единства модели позволяет синергетике делать достояние одной области науки доступным пониманию представителей совсем другой, быть может, весьма далекой от нее области науки и переносить результаты одной науки на, казалось бы, чужеродную почву. Следует особо подчеркнуть, что синергетика отнюдь не является одной из пограничных наук типа физической химии или математической биологии, возникающих на стыке двух наук (наука, в чью предметную область происходит вторжение, в названии пограничной науки представлена существительным; наука, чьими средствами производится "вторжение", представлена прилагательным; например, математическая биология занимается изучением традиционных объектов биологии математическими методами). По замыслу своего создателя проф. Хакена, синергетика призвана играть роль своего рода метанауки, подмечающей и изучающей общий характер тех закономерностей и зависимостей, которые частные науки считали "своими". Поэтому синергетика возникает не на стыке наук в более или менее широкой или узкой пограничной области, а извлекает представляющие для нее интерес системы из самой сердцевины предметной области частных наук и исследует эти системы, не апеллируя к их природе, своими специфическими средствами, носящими общий ("интернациональный") характер по отношению к частным наукам. Как и всякое научное направление, родившееся во второй половине ХХ века, синергетика возникла не на пустом месте. Ее можно рассматривать как преемницу и продолжательницу многих разделов точного естествознания, в первую очередь (но не только) теории колебаний и качественной теории дифференциальных уравнений. Именно теория колебаний с ее "интернациональным языком", а впоследствии и "нелинейным мышлением" (Л.И.Мандельштам) стала для синергетики прототипом науки, занимающейся построением моделей систем различной природы, обслуживающих различные области науки, а качественная теория дифференциальных уравнений, начало которой было положено в трудах Анри Пуанкаре, и выросшая из нее современная общая теория динамических систем вооружила синергетику значительной частью математического аппарата. Нужно сказать, что изучением систем, состоящих из большого числа частей, взаимодействующих между собой тем или иным способом, занимались и продолжают заниматься многие науки. Одни из них предпочитают подразделять систему на части, чтобы затем, изучая разъятые детали, пытаться строить более или менее правдоподобные гипотезы о структуре или функционировании системы как целого. Другие изучают систему как единое целое, предавая забвению тонко настроенное взаимодействие частей. И тот, и другой подходы обладают своими преимуществами и недостатками. Синергетика наводит мост через брешь, разделяющую первый, редукционистский, подход от второго, холистического. К тому же в синергетике, своего рода соединительном звене между этими двумя экстремистскими подходами, рассмотрение происходит на промежуточном, мезоскопическом уровне, и макроскопические проявления процессов, происходящих на микроскопическом уровне, возникают "сами собой", вследствие самоорганизации, без руководящей и направляющей "руки", действующей извне системы. Это обстоятельство имеет настолько существенное значение, что синергетику можно было бы определить как науку о самоорганизации. Редукционистский подход с его основным акцентом на деталях сопряжен с необходимостью обработки, зачастую непосильным для наблюдателя, даже вооруженного сверхсовременной вычислительной техникой, объема информации о подсистемах, их структуре, функционирования и взаимодействии. Сжатие информации до разумных пределов осуществляется различными способами. Один из них используется в статистической физике и заключается в отказе от излишней детализации описания и в переходе от индивидуальных характеристик отдельных частей к усредненным тем или иным способом характеристикам системы. Импульс, получаемый стенкой сосуда при ударе о нее отдельной частицы газа, заменяется усредненным эффектом от ударов большого числа частиц - давлением. Вместо отдельных составляющих системы статистическая физика рассматривает  множества (ансамбли) составляющих, вместо действия, производимого индивидуальной подсистемой, - коллективные эффекты, производимые ансамблем подсистем. Синергетика подходит к решению проблемы сжатия информации с другой стороны. Вместо большого числа факторов, от которых зависит состояние системы (так называемых компонент вектора состояния) синергетика рассматривает немногочисленные параметры порядка, от которых зависят компоненты вектора состояния системы и которые, в свою очередь, влияют на параметры порядка. В переходе от компонент вектора состояния к немногочисленным параметрам порядка заключен смысл одного из основополагающих принципов синергетики - так называемого принципа подчинения (компонент вектора состояния параметрам порядка). Обратная зависимость параметров порядка от компонент вектора состояния приводит к возникновению того, что принято называть круговой причинностью. Появление нового междисциплинарного направления встретило, как принято теперь говорить, неоднозначный прием со стороны научного сообщества. Дебаты между приверженцами синергетики и ее противниками по накалу страстей напоминали печально знаменитую сессию ВАСХНИЛ или собрания, на которых разоблачали и осуждали буржуазную лженауку кибернетику. Хакена обвиняли в честолюбивых замыслах, в умышленном введении легковерных в заблуждение. Утверждалось, будто кроме названия (у которого, как было сказано выше, уже  имелись предшественники), синергетика напрочь лишена элементов Новизны. (Даже если бы новацией было только название, появление синергетики было бы оправдано. Предложенном Хакеном название нового междисциплинарного направления, лапидарное и выразительное, привлекало к новому направлению гораздо больше внимания, чем любое "правильное", но "скучное" и понятное лишь узкому кругу специалистов, название. В этой связи нельзя не вспомнить аналогичные обвинения в адрес еще одной теории, внесшей свою лепту в развитие синергетического направления, - теории катастроф французского математика Рене Тома. Предложенное им название, сочтенное пуристами чрезмерно зазывным и рекламным, оказалось, особенно для нематематиков, намного более привлекательным, чем существовавший до Тома вариант - теория особенностей дифференцируемых отображений). Нет необходимости доказывать полезность синергетического подхода или настаивать на непременном использовании названия "синергетика" всеми, чьи достижения, текущие результаты или методы сторонники синергетики склонны считать синергетическими. Явления самоорганизации, излучение сложности, богатство режимов, порождаемых необязательно сложными системами, оставляют простор для всех желающих. Каждый может найти свою рабочую площадку и спокойно трудиться в меру желания, сил и возможностей. Однако нельзя не отметить, что перенос синергетических методов из области точного естествознания в области, традиционно считавшиеся безраздельными владениями далеких от математики гуманитариев, вскрыли один из наиболее плодотворных аспектов синергетики и существенно углубили наше понимание ее. Синергетика с ее статусом метанауки изначально была призвана сыграть роль коммуникатора, позволяющего оценить степень общности результатов, моделей и методов отдельных наук, их полезность для других наук и перевести диалект конкретной науки на высокую латынь междисциплинарного общения. Положение междисциплинарного направления обусловило еще одну важную особенность синергетики - ее открытость, готовность к диалогу на правах непосредственного участника или непритязательного посредника, видящего свою задачу во всемирном обеспечении взаимопонимания между участниками диалога. Диалогичность синергетики находит свое отражение и в характере вопрошания природы: процесс исследования закономерностей окружающего мира в синергетике превратился (или находится в стадии превращения) из добывания безликой объективной информации в живой диалог исследователя с природой, при котором роль наблюдателя становится ощутимой, осязаемой и зримой. Из множества примеров, наглядно иллюстрирующих опасность неправомерного распространения синергетического подхода на области, достаточно далекие от идеологии точного естествознания, и плодотворность переноса синергетических идей по существу, упомянем науки о языке. Появилось довольно много работ, в которых авторы бойкой скороговоркой открывали глаза ничего не подозревавшему человечеству на то, что "обработка лингвистической информации на синтаксическом и лингвистическом уровнях определяют фазовые переходы на мультифрактальных множествах", что "число возможных паттернов в словообразовании резко ограничено  неоднородными диссипативными хаотическими потоками, обусловленными мультифрактальностью как на одном аттракторе, так и в перемежающихся перескоках с одного из сосуществующих аттракторов на другой" и т.п.

В работах подобного толка нет даже "торжества науки над здравым смыслом" (А.Н.Крылов). За терминологической трескотней в них скрывается "абсолютная пустота" (С.Лем). Между тем синергетический подход к проблемам языка и его философскому осмыслению возможен и плодотворен.  Общие закономерности поведения систем, порождающих сложные режимы, позволяют рассматривать на содержательном, а иногда и на количественном уровне, такие вопросы, как уровень сложности восприятия окружающего мира как функция словарного запаса воспринимающего субъекта, роль хаотических режимов, их иерархий и особенностей в формировании смысла, грамматические категории как носители семантического содержания, проблемы ностратического языкознания (реконструкция праязыка) как восстановление "фазового портрета" семейства языков и выделения аттракторов, и многое другое.

Глава 2. Самоорганизация: синергетический подход.

2.1. Понятие  и методологическая сущность синергетики.

Синергетика основана на принципиально новом видении мира и новом понимании процессов развития по сравнению с тем преобладающим способом видения, который господствовал в классической науке на протяжении предшествующих столетий – науке И. Ньютона и П. Лапласа: случайность исключалась как нечто внешнее и несущественное; протекающие в мире процессы представлялись обратимыми во времени и предсказуемыми на неограниченно долгий период; эволюция считалась процессом, лишенным отклонений, возвратов, побочных явлений.

В классической науке XIX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало хаос). Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием представлений равновесной термодинамики, науки, занимающейся процессами взаимопревращения различных видов энергии. Установлено, что взаимное превращение тепла и работы неравнозначно: работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Следовательно, во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует определенная самой природой направленность. Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса – о том, что теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему.