Предмет методы и школы синергетики

Обновлено: 02.07.2024

Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем), и для их описания должен бы быть пригоден общий математический аппарат.

Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному.

В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер, и тогда они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

Содержание

Возникновение термина

Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.

Предмет, методы и школы синергетики

Область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания. Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций. Математический аппарат синергетики скомбинирован из разных отраслей теоретической физики: нелинейной неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп, тензорного анализа, дифференциальной топологии, неравновесной статистической физики. Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход:

В России

Концептуальный вклад в развитие синергетики внёс академик Н. Н. Моисеев — идеи универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.

Математический аппарат теории катастроф, пригодный для описания многих процессов самоорганизации, разработан российским математиком В. И. Арнольдом и французским математиком Рене Томом.

В рамках школы академика А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П. Курдюмова разработана теория самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента (включая теорию развития в режиме с обострением).

Синергетический подход в биофизике развивается в трудах членов-корреспондентов РАН М. В. Волькенштейна и Д. С. Чернавского.

Синергетический подход в теоретической истории (историческая математика) с подразделами клиодинамика и клиометрика, развивается в работах Д. С. Чернавского, Г. Г. Малинецкого, Л. И. Бородкина, С. П. Капицы, А. В. Коротаева, С. Ю. Малкова, П. В. Турчина, А. П. Назаретяна и др. [5]

Приложения синергетики распределились между различными направлениями:

теория динамического хаоса исследует сверхсложную упорядоченность, напр. явление турбулентности;

теория детерминированного хаоса исследует хаотические явления, возникающие в результате детерминированных процессов (в отсутствие случайных шумов);

теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации. Сам процесс самоорганизации также может быть фрактальным;

исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркация, аттрактор, неустойчивость;

лингвистическая синергетика и прогностика.

Синергетический подход в естествознании

Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом:

Псевдосинергетика

Область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания, Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций. Математический аппарат синергетики скомбинирован из разных отраслей теоретической физики: нелинейной неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп, тензорного анализа, дифференциальной топологии, неравновесной статистической физики. Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход:

1. Школа нелинейной оптики, квантовой механики и статистической физики Германа Хакена, с 1960 года профессора Института теоретической физики в Штутгарте. В 1973 году он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет 69 томов с широким спектром теоретических, прикладных и научно-популярных работ, основанных на методологии синергетики: от физики твёрдого тела и лазерной техники и до биофизики и проблем искусственного интеллекта.

1. Концептуальный вклад в развитие синергетики внёс академик Н. Н. Моисеев — идеи универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.

2. Математический аппарат теории катастроф пригодный для описания многих процессов самоорганизации разработан российским математиком В. И. Арнольдом и французским математиком Рене Томом.

3. В рамках школы академика А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П. Курдюмова разработана теория самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента (включая теорию развития в режиме с обострением).

4. Синергетический подход в биофизике развивается в трудах членов-корреспондентов РАН М. В. Волькенштейна и Д. С. Чернавского.

5. Синергетический подход в теоретической истории развивается в работах Д. С. Чернавского, Г. Г. Малинецкого, Л. И. Бородкина, С. П. Капицы, С. Ю. Малкова, А. В. Коротаева, П. В. Турчина, В. Г. Буданова, А. П. Назаретяна и др.

Синергетика - это теория, исследующая
процессы самоорганизации, устойчивости,
распада и возрождения самых разнообразных
структур живой и неживой природы.
Синергетика стоит в одном ряду с такими
дисциплинами, как теория систем и
кибернетика, является естественным их
продолжением.
Как и эти науки, она претендует на статус
обобщенной теории поведения систем
различной природы.

5. Синергетика (это понятие означает кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы)

6. Объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим требованиям:

1)открытость - обязательный обмен
энергией и (или) веществом с
окружающей средой;
2)существенная неравновесность достигается
при
определенных
состояниях и при определенных
значениях
параметров,
характеризующих систему, которые
переводят ее в критическое состояние,
сопровождаемое
потерей
устойчивости;
3)выход из критического состояния
скачком, в процессе типа фазового
перехода,
в
качественно
новое
состояние с более высоким уровнем
упорядоченности.

7. Примеры синергетических систем

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.
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.
Первоначально сферой приложения синергетики была квантовая электроника и радиофизика. Примером
самоорганизации может служить система, изучаемая в разделах квантовой электроники,- лазер - создает
высокоорганизованное оптическое излучение.
(Традиционные источники света - лампы накаливания, газоразрядные лампы - создают оптические
излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Так, в нагретой до высокой
температуры среде возбужденные атомы и ионы спонтанно излучают кванты света с различными длинами
волн во всех направлениях. Только малую часть из них мы воспринимаем как видимый свет. Уровень организации
подобной среды крайне низок, упорядоченность мала).
Для лазерной активной среды, которая должна находиться в сильно неравновесном состоянии, характерна
высокая упорядоченность атомных, ионных или молекулярных избирательно возбуждаемых состояний, что
достигается направленным введением в среду организованного потока энергии (накачка). При выполнении
определенного условия в среде лавинообразно нарастает вынужденное излучение почти монохроматических
квантов света, движущихся в одном направлении. Лазерная генерация возникает скачком после того, как
плотность вводимой в среду энергии накачки превысит пороговое значение, зависящее от свойств активной
среды, характера накачки и параметров оптического резонатора, в который помещают активную среду для
усиления эффекта. Излучение выходит в виде узконаправленного луча.
Подобные же процессы есть в химии - смешивание жидкостей разных цветов, когда попеременно
получается жидкость то красного, то синего цвета; 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.

8. Специфика самоорганизующихся систем

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.

Чтобы система могла не
только поддерживать, но и
создавать упорядоченность из
хаоса, она непременно должна
быть открытой и иметь приток
энергии и вещества извне.
Такие
системы
названы
Пригожиным диссипативными.
Весь доступный нашему
познанию мир состоит именно
из таких систем, и в этом мире
повсюду
обнаруживается
эволюция, разнообразие форм и
неустойчивость.

В ходе эволюционного этапа развития диссипативная система
достигает в силу самого характера развития состояния сильной
неравновесности и теряет устойчивость. Это происходит при
критических значениях управляющих параметров, и дальнейшая
зависимость происходящих процессов от действующих сил
приобретает крайне нелинейный характер.
Разрешением возникшей кризисной ситуации служит быстрый
переход диссипативной системы в одно из возможных устойчивых
состояний, качественно отличающихся от исходного. Пригожин
трактует такой переход как приспособление диссипативной
системы к внешним условиям, чем обеспечивается ее выживание.
Это и есть акт самоорганизации системы.
Самоорганизация
проявляется
в
форме
гигантской
коллективной флуктуации, которая не имеет ничего общего со
статистическими законами физики. В состоянии перехода
элементы системы ведут себя коррелированно, хотя до этого они
пребывали в хаотическом движении.

Неравновесные
фазовые
переходы
синергетических систем, включающие в
себя
колебания,
пространственновременные структуры и хаос, отличаются
несравненно бoльшим разнообразием, чем
фазовые переходы систем, находящихся в
состоянии теплового равновесия.
В
отличие
от
кибернетики,
занимающейся разработкой алгоритмов и
методов, позволяющих управлять системой
так, чтобы та функционировала заданным
образом,
синергетика
изучает
самоорганизацию
системы
при
произвольном изменении управляющих
параметров.
В отличие от теории динамических
систем, которая игнорирует флуктуации в
точках бифуркации, синергетика занимается
изучением стохастической динамики во
всей ее полноте в подпространстве
зависящих от времени управляющих
параметров.

В замкнутых, изолированных и близких к равновесию системах
протекающие процессы, согласно второму началу термодинамики,
стремятся к тепловому хаосу, т.е. к состоянию с наибольшей энтропией.
В открытых системах, находящихся далеко от состояний
термодинамического равновесия, могут возникать упорядоченные
пространственно-временные структуры, т.е. протекают процессы
самоорганизации.
Структуры-аттракторы
показывают,
куда
эволюционируют
процессы в открытых и нелинейных системах.
Для всякой сложной системы, как правило, существует определенный
набор возможных форм организации, дискретный спектр структураттракторов эволюции.
Критический момент неустойчивости, когда сложная система
осуществляет выбор дальнейшего пути эволюции, называют точкой
бифуркации.
Вблизи этой точки резко возрастает роль незначительных случайных
возмущений, или флуктуаций, которые могут приводить к возникновению
новой макроскопической структуры.
Структуры
самоорганизации,
обладающие
свойством
самоподобия,
или масштабной инвариантности, называют фрактальными структурами.

В процессе временной эволюции синергетическая система,
находящаяся в одном состоянии, переходит в новое состояние
(старое состояние утрачивает устойчивость).
При описании перехода из одного состояния в другое не
все параметры состояния имеют одинаковое значение, и одни
параметры состояния (быстрые переменные) можно выразить
через другие (медленные переменные), которые называются
параметрами порядка, в результате чего количество
независимых переменных уменьшается.
Возможность представления быстрых переменных в виде
функций параметров порядка составляет содержание
синергетического принципа подчинения.

Основное понятие синергетики - определение
структуры
как состояния, возникающего в результате
многовариантного и неоднозначного поведения таких
многоэлементных структур или многофакторных сред,
которые не деградируют к стандартному для замкнутых
систем усреднению термодинамического типа, а развиваются
вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности
внутренних процессов, появления особых режимов с
обострением и наличия более одного устойчивого состояния.
В обозначенных системах неприменимы ни второе
начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме
скорости производства энтропии, что может привести к
образованию новых структур и систем, в том числе и более
сложных, чем исходные.
Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий
механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления
эволюции: от элементарного и примитивного - к
сложносоставному и более совершенному.

Задача синергетики - выявление и познание общих
закономерностей, управляющих процессами самоорганизации в
системах различной природы (электронов, атомов, молекул, клеток,
нейронов, механических элементов, органов животных, людей,
транспортных средств и пр.).
Задача синергетики - выяснение законов построения
организации,
возникновения
упорядоченности
(принципы
построения организации, ее возникновении, развитии и
самоусложнении).
В нее входят такие области как нелинейная динамика, хаос,
фракталы, катастрофы, бифуркации, волны, солитоны, полевые
эффекты и т.д.
Предмет синергетики - анализ, вскрывающий причину
неожиданного явления.
Метод (или математический аппарат), который используется в
синергетике - теория динамических систем.

По классификации РФФИ синергетика, в настоящее время,
относится к разряду философских наук.
Синергетика – это научная дисциплина, которая рассматривает
закономерности
процессов
системной
интеграции
и самоорганизации в различных системах.
В отличие от системного подхода, где основное внимание
акцентируется на связях частей в целом, синергетика исследует
причины свойств системы. В системном подходе анализ ведется,
как правило, на качественном уровне.
Синергетика:
- изучает количественные отношения и параметры.
-исследует системы, состоящих из большого (очень большого,
огромного) числа частей, компонент или подсистем, другими словами,
деталей, сложным образом взаимодействующих между собой.
-изучают общие закономерности процессов перехода от хаоса к порядку
и обратно (процессов самоорганизации и самопроизвольной
дезорганизации) в открытых нелинейных системах физической,
химической, биологической, экологической, социальной и др. природы.

Синергетика - не единственное научное направление,
которое занимается изучением сложных систем. Но
используемые
в
синергетике
понятия
делают
синергетический подход уникальным, причем не только
в концептуальном, но и в операциональном плане.
В отличие от других научных направлений, обычно
возникавших на стыке двух наук, когда одна наука давала
новому направлению предмет, а другая - метод исследования,
синергетика опирается на сходство математических моделей,
игнорируя различную природу описываемых ими систем
Одним из разделов синергетики является физика
автоматизированных сред и протекающих в них
автоволновых процессов. Эти процессы происходят в любых
открытых
системах
(биологических,
физических,
социальных и т.п.), то есть системах, далеких
от термодинамического равновесия, в которых приток
энергии осуществляется извне.

В России
Концептуальный вклад в развитие синергетики - академик Н. Н. Моисеев - идеи
универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.
Математический аппарат теории катастроф, пригодный для описания многих процессов
самоорганизации, разработан российским математиком В. И. Арнольдом и французским
математиком Рене Томом.
В рамках школы академика А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН
С. П. Курдюмова разработана теория самоорганизации на базе математических моделей и
вычислительного эксперимента (включая теорию развития в режиме с обострением).
Синергетический подход в биофизике развивается в трудах членов-корреспондентов РАН
М. В. Волькенштейна и Д. С. Чернавского.
Синергетический подход в теоретической истории развивается в работах
Д. С. Чернавского, Г. Г. Малинецкого, Л. И. Бородкина, С. П. Капицы, А. В. Коротаева,
С. Ю. Малкова, П. В. Турчина, А. П. Назаретяна и др.
Приложения синергетики распределились между различными направлениями:
-теория динамического хаоса исследует сверхсложную упорядоченность, напр. явление
турбулентности;
-теория детерминированного хаоса исследует хаотические явления, возникающие в
результате детерминированных процессов (в отсутствие случайных шумов);
-теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто
возникающих в результате самоорганизации. Сам процесс самоорганизации также может
быть фрактальным;
-теория катастроф исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах
бифуркация, аттрактор, неустойчивость;
-лингвистическая синергетика и прогностика.

Синергетический подход в естествознании
Основные принципы
Природа иерархически структурирована в несколько видов
открытых нелинейных систем разных уровней организации: в
динамически стабильные, в адаптивные, и наиболее сложные эволюционирующие системы.
Связь между ними осуществляется через хаотическое,
неравновесное состояние систем соседствующих уровней.
Общее для всех эволюционирующих систем: неравновесность,
спонтанное образование новых микроскопических (локальных)
образований, изменения на макроскопическом (системном) уровне,
возникновение новых свойств системы, этапы самоорганизации и
фиксации новых качеств системы.
Неравновесность является необходимым условием появления новой
организации, нового порядка, новых систем, т.е - развития.
Когда нелинейные динамические системы объединяются, новое
образование не равно сумме частей, а образует систему другой
организации или систему иного уровня.

Работы представителей брюссельской школы и
Г. Хакена послужили основой нового направления
в исследовании систем как систем, существующих
за счет постоянного обмена со средой, как
неустойчивых
(диссипативных)
самоорганизующихся комплексов.
Неустойчивые
системы
в
процессе
взаимообмена со средой не находятся в состоянии
равновесия. Напротив, такая система упорядочена
и хаотична одновременно.
Хаос обеспечивает накопление мутационных
изменений, которые представляют собой набор
возможностей. Достигнув предела накопления
возможностей (который задан организационными
характеристиками),
система
оказывается
в
состоянии бифуркации.

В открытых системах, т. е.
системах, в которых возможен обмен
веществом и энергией с окружающей
средой,
в
ходе
непрерывного
процесса
из
пространственнооднородного
состояния
может
самопроизвольно
сформироваться
более сложная пространственная или
временная
структура
(например,
колебания концентраций реагентов во
времени
или
неравномерное
пространственное
распределение
концентраций реагентов по длине
реактора).
Процесс
самопроизвольного
формирования
структуры
более
сложной,
чем
первоначальная,
называют самоорганизацией.
Структуры,
образующиеся
в
процессе
самоорганизации,
называются
диссипативными
структурами.

Бифуркация (от англ. fork вилка) - неустойчивая система,
которая имеет свои пороговые
величины, характеризующие ее
фундаментальные свойства.
При
количественном
достижении
критического
(порогового) значения происходит
качественный скачок - точка
разветвления
эволюционной
линии - бифуркация (Николис Г.,
Пригожин
И.
Познание
сложности. – М., 1990).

Развитие синергетики как междисциплинарного направления исследований
влечет за собой глубокие мировоззренческие следствия.
- Возникает качественно иная, отличная от классической науки картина мира.
-Формируется новая парадигма, изменяется вся концептуальная сетка мышления.
-Происходит переход от категорий бытия к событию, от существования
к становлению, сосуществованию в сложных эволюционирующих структурах
старого и нового; от представлений о стабильности и устойчивом развитии
к представлениям о нестабильности и метастабильности, оберегаемом
и самоподдерживаемом развитии (sustainable development); от образов порядка
к образам хаоса, генерирующего новые упорядоченные структуры;
от самоподдерживающихся систем к быстрой эволюции через нелинейную
положительную обратную связь; от эволюции к коэволюции, взаимосвязанной
эволюции сложных систем; от независимости и обособленности к связности,
когерентности автономного; от размерности к соразмерности, фрактальному
самоподобию образований и структур мира.
-В новой синергетической картине мира акцент падает на становление,
коэволюцию, когерентность, кооперативность элементов мира, нелинейность
и открытость (различные варианты будущего), возрастающую сложность
формообразований и их объединений в эволюционирующие целостности.
-Синергетика придает новый импульс обсуждению традиционных философских
проблем случайности и детерминизма, хаоса и порядка, открытости и цели эволюции,
потенциального (непроявленного) и актуального (проявленного), части и целого.

Синергетика и законы природы. Синергетика как наука. Синергетика как научный подход и метод. Универсальная теория эволюции - синергетика.

Синергетика. Наука синергетика.

Синергетика, или теория сложных систем, - это междисциплинарное направление науки, изучающее общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и других) на основе присущих им принципов самоорганизации.

Синергетика является междисциплинарным подходом, поскольку принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же безотносительно природы систем, и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

Синергетика. История синергетики. История современной синергетики.

В течение своей жизни Ричард Фуллер задавался вопросом относительно того, есть ли у человечества шанс на долгосрочное и успешное выживание на планете Земля и если да, то каким образом. Считая себя заурядным индивидом без особых денежных средств или учёной степени, Ричард Фуллер решил посвятить свою жизнь этому вопросу, пытаясь выяснить, что личности вроде него могут сделать для улучшения положения человечества из того, что большие организации, правительства или частные предприятия не могут выполнить в силу своей природы.

Сэр Чарльз Скотт Шеррингтон, британский учёный в области физиологии и нейробиологии, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1932 года, называл в рамках своих исследований синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.

Синергетика. Предмет синергетики.

Область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена какими-то рамками, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания. Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций.

Математический аппарат синергетики, который кстати продолжает развиваться, скомбинирован из разных инновационных отраслей теоретической физики и математики: нелинейной неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп, тензорного анализа, дифференциальной топологии, неравновесной статистической физики.

Синергетика. Школы синергетической науки.

В мире существуют несколько школ, в рамках которых активно развивается синергетический подход:

1.Школа нелинейной оптики, квантовой механики и статистической физики Германа Хакена, с 1960 года профессора Института теоретической физики в Штутгарте.

В 1973 году он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет 69 томов с широким спектром теоретических, прикладных и научно-популярных работ, основанных на методологии синергетики: от физики твёрдого тела и лазерной техники и до биофизики и проблем искусственного интеллекта.

2.Физико-химическая и математико-физическая Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой формулировались первые теоремы, разрабатывалась математическая теория поведения диссипативных структур (термин Пригожина), раскрывались исторические предпосылки и провозглашались мировоззренческие основания теории самоорганизации, как парадигмы универсального эволюционизма.

3.Российская школа синергетики и её представители. У российской школы синергетики есть свои богатые традиции и достижения.

Так, академик Н. Н. Моисеев дополнил теоритические основы синергетики идеями универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.

Российским математиком В. И. Арнольдом совместно с французским математиком Рене Томом, разработан и предложен математический аппарат теории катастроф, пригодный для описания многих процессов самоорганизации.

В рамках школы, руководимой академиком А. А. Самарским и членом-корреспондентом РАН С. П. Курдюмовым, разработана теория самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента (включая теорию развития в режиме с обострением).

Синергетика. Синергетический подход в естествознании.

Основные принципы, сформированные синергетической наукой для синергетических исследований в естествознании:

- Природа иерархически структурирована в несколько видов открытых нелинейных систем разных уровней организации: в динамически стабильные, в адаптивные, и наиболее сложные - эволюционирующие системы.

- Связь между открытыми системами осуществляется через хаотическое, неравновесное состояние систем соседствующих уровней.

- Неравновесность является необходимым условием появления новой организации, нового порядка, новых систем, то есть - развития.

- Когда нелинейные динамические системы объединяются, новое образование не равно сумме частей, а образует систему другой организации или систему иного уровня.

- Общее для всех эволюционирующих систем: неравновесность, спонтанное образование новых микроскопических (локальных) образований, изменения на макроскопическом (системном) уровне, возникновение новых свойств системы, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы.

- При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все развивающиеся системы ведут себя одинаково (в том смысле, что для описания всего многообразия их эволюций пригоден обобщённый математический аппарат синергетики).

- Развивающиеся системы всегда открыты и обмениваются энергией и веществом с внешней средой, за счёт чего и происходят процессы локальной упорядоченности и самоорганизации.

- В сильно неравновесных состояниях системы начинают воспринимать те факторы воздействия извне, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии.

- В состояниях, далёких от равновесия, начинают действовать бифуркационные механизмы - наличие кратковременных точек раздвоения перехода к тому или иному относительно долговременному режиму систем, аттрактору. Заранее точно невозможно предсказать, какой из возможных аттракторов займёт система.

Синергетика. Синергетические принципы самоорганизации.

Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах и определяет его возможности следующими условиями:

- Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые эволюции.

- Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия сколь угодно сложная система обладает максимальной энтропией и не способна к какой-либо самоорганизации. В положении, близком к равновесию и без достаточного притока энергии извне, любая система со временем ещё более приблизится к равновесию и перестанет изменять своё состояние. Ни одна открытая система не может бесконечно сохранять своё равновесие. Ни одна закрытая система не может бесконечно оставаться закрытой. Абсолютное равновесие природой не допустимо.

- Самоорганизация, имеющая своим исходом образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может произойти лишь в системах достаточного уровня сложности, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации. Недостаточно сложные системы не способны ни к спонтанной адаптации ни, тем более, к развитию и при получении извне чрезмерного количества энергии теряют свою структуру и необратимо разрушаются.

- Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями. Функционирование динамически стабильных, неэволюционирующих, но адаптивных систем - а это и гомеостаз в живых организмах и автоматические устройства - основывается на получении обратных сигналов от рецепторов или датчиков относительно положения системы и последующей корректировки этого положения к исходному состоянию исполнительными механизмами. В самоорганизующейся, в эволюционирующей системе возникшие изменения не устраняются, а накапливаются и усиливаются вследствие общей положительной реактивности системы, что может привести к возникновению нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы. Таковы, к примеру, механизмы фазовых переходов вещества или образования новых социальных формаций.

Синергетика. Современная синергетика.

Синергетика - универсальная теория эволюции!

Современная синергетика – это междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем); - наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы.

В обозначенных структурах и системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может и должно привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные. В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер, и тогда они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

Феномен появления новых природных структур часто трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного к сложносоставному и более совершенному.

Современная синергетика. Глобальный эволюционизм.

Синергетика и законы природы. Синергетика как наука. Синергетика как научный подход и метод. Универсальная теория эволюции – синергетика.

Открытие нового мира необратимости, внутренней случайности и сложности (И. Пригожин, 1986).

Что такое синергетика?

Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, одни и те же безотносительно природы систем.

Основное понятие синергетики – определение структуры как состояния, возникающего в результате поведения многоэлементной или многофакторной среды, не демонстрирующей стремления к усреднению термодинамического типа.

В отдельных случаях образование структур имеет волновой характер и иногда называется автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

II. Области исследований

Область исследований синергетики до сих пор до конца не определена, так как предмет её интересов лежит среди различных дисциплин, а основные методы синергетики взяты из нелинейной неравновесной термодинамики.

Постепенно предмет синергетики распределился между различными направлениями:

теория динамического хаоса исследует сверхсложную упорядоченность, напр. явление турбулентности;

теория детерминированного хаоса исследует хаотические явления, возникающие в результате детерминированных процессов (в отсутствие случайных шумов);

теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации, процесс самоорганизации также может быть фрактальным;

теория катастроф исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркация, аттрактор, неустойчивость;

лингвистическая синергетика и прогностика.

Синергетика основывается на следующих идеях и выводах:

1. Системности или целостности мира и научного знания о нем, общности закономерностей развития объектов всех уровней материальной и духовной организации.

2. Нелинейности (т.е. многовариантности и необратимости).

Нелинейность – одно из центральных понятий в синергетике. Нелинейность в математическом плане отражает определенный вид математических уравнений, содержащих искомые величины в степенях, больших 1, или коэффициенты, зависящие от свойств среды.

Нелинейные уравнения имеют несколько решений. Множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции системы, описываемой этими уравнениями (нелинейной системы).

Нелинейность в мировоззренческом плане может быть развернута посредством идеи многовариантности путей эволюции, идеи выбора из альтернатив и вытекающей отсюда идеи необратимости эволюции.

4. Открытости систем и мира в целом.

5. Новое понимание времени.

III. Синергетический подход в современном познании, основные принципы

Наука имеет дело с системами разных уровней организации, связь между ними осуществляется через хаос

Когда системы объединяются, целое не равно сумме частей

Общее для всех систем: спонтанное образование, изменения на макроскопическом уровне, возникновение новых качеств, этап самоорганизации. При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все системы ведут себя одинаково

Неравновесность в системе является источником появления новой организации (порядка)

Системы всегда открыты и обмениваются энергией с внешней средой

Процессы локальной упорядоченности совершаются за счет притока энергии извне

В сильно неравновесных условиях системы начинают воспринимать те факторы, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии

В неравновесных условиях независимость элементов уступает место корпоративному поведению

Вдали от равновесия согласованность поведения элементов возрастает. В равновесии молекула видит только своих соседей, вдали равновесия – видит всю систему целиком. Примеры: костная материя – коммуникация посредством сигналов, работа головного мозга.

В условиях, далеких от равновесия, в системах действуют бифуркационные механизмы – наличие точек раздвоения продолжения развития. Варианты развития системы практически не предсказуемы.

IV. Ключевые положения синергетики. Г.Хакен

«Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.

Эти системы являются нелинейными.

При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия.

Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.

Системы могут стать нестабильными.

Происходят качественные изменения.

В этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. вновь возникшие) новые качества.

Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.

Структуры могут быть упорядоченными или хаотичными.

Хакен прежде всего подчеркивает, что части систем взаимодействуют друг с другом. Он выделяет истоки, которые приводят к образованию новых систем. Хаос есть хаос, он никак не может превратиться в порядок. Логика Хакена идет в другом направлении. Основополагающий системный фактор состоит не в хаотичности, а во взаимодействии, в динамике.

Динамика не чужда даже хаосу. А раз так, то вполне возможно, что в хаосе рождается порядок, упорядоченность. Это действительно имеет место. Многим упорядочение хаоса, его самоорганизация кажется чем-то диковинным. Им трудно понять, что хаос не лишен динамики, они абсолютизируют хаос, считают его деструктивным началом.

Важнейшим концептом синергетики является нелинейность. В синергетике основное внимание уделяется изучению нелинейных математических уравнений. Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, торжество постоянства. Нелинейность фиксирует непостоянство, многообразие, неустойчивость, отход от положений равновесия, случайности, точки ветвления процессов, бифуркации.

Точкой бифуркации называют состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса (от лат. bifurcus – раздвоенный). Благодаря хаотичности дальнейшее развертывание неравновесного процесса имеет не один путь движения, а множество возможных путей из точки бифуркации

Имея дело с открытыми (имеющими источники и стоки энергии) нелинейными системами, синергетика утверждает, что мир возникает в результате самопроизвольных и самоорганизующихся механизмов. В их основе лежит единая симметрия форм в живой и неживой природе. Например, спирали Галактики и циклона подобны спирали раковины улитки, рогов животных.

Случайность оказывается необходимым элементом мира: порядок (закон) и беспорядок (хаос) включают в себя друг друга. Более того, случайность играет роль творческого начала в процессе самоорганизации. Чем дальше от состояния равновесия, тем быстрее растет число решений, состояний сложной системы.

Синергетика, как правило, имеет дело с открытыми системами, далекими от равновесия. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, например, вещества, энергии и информации.

Чтобы система образовалась, необходим соответствующий динамический источник, который как раз и выступает организующим началом. Там, где наступает равновесие, самоорганизация прекращается.

Самоорганизующиеся системы подвержены колебаниям. Именно в колебаниях система движется к относительно устойчивым структурам. Нелинейные уравнения, как правило, описывают колебательные процессы

Синергетика, как это показал в своих многочисленных работах И. Пригожин, позволяет с новых позиций понять два важнейших фактора существования как нас самих, так и нашего окружения - время и необратимость.

Речь идет о том, что, во-первых, именно необратимость играет конструктивную роль, во-вторых, следует переоткрыть понятие времени.

Так же как и размерность, симметрия существенно зависит от того, какие операции разрешается производить над объектом. Например, строение тела человека и животных обладает билатеральной (двусторонний, двубокий, относящийся к обеим сторонам, частям чего-то) симметрией, но операция перестановки правого и левого физически не осуществима. Следовательно, если ограничиться только физически выполнимыми операциями, то билатеральной симметрии не будет. Симметрия - свойство негрубое: небольшая вариация объекта, как правило, уничтожает весь запас присущей ему симметрии.

Есть основания предположить, что в связи с интенсивным развитием синергетики в науке происходит сейчас не меньшая, а скорее всего даже более глубокая и масштабная по своему характеру революция, чем научная революция, вызванная возникновением на рубеже нашего века теории относительности и квантовой механики.

Итак, синергетика явилась радикально новым способом видения мира. И в то же время она парадоксальным образом возвращает нас к тем идеям, которые имеют тысячелетнюю историю. Синергетика – и в этом ее своеобразие – не только синтезирует фрагменты обыденного и отчасти научного, дисциплинарно разбросанного знания, но даже связывает эпохи – древность с современностью, с новейшими достижениями науки, – а также принципиально различные, восточный и западный, способы мышления и мировосприятия.

От Востока синергетика воспринимает и развивает далее идею целостности (все во всем) и идею общего закона, единого пути – пути Дао, – которому следуют и мир в целом, и человек в нем. А от Запада она берет традиции анализа, опору на эксперимент, их транслируемость (от одной школы в науке к другой, от науки - к обществу в целом) через научные тексты, особый математический аппарат и даже запись на дискете компьютера.

Синергетика как мировоззрение несет в себе немалый гуманистический потенциал. Основной пафос синергетики состоит в том, чтобы попытаться описать сначала на качественном уровне посредством некоторых фундаментальных идей и образов, а затем, возможно, и посредством одного и того же математического языка взаимоподобные процессы развития в сложных системах физики, химии, биологии, географии, социологии.

В результате разработки синергетики переосмысливается и место человека в структуре познавательной и практической деятельности. Ученый не представляется более в виде некоего отстраненного от мира оракула-просветителя, который открывает вечные и неизменные законы действительности и на основе этого знания вырабатывает истинное на все времена нормы деятельности.

Синергетика стирает непреодолимые грани между физическими и химическими процессами, с одной стороны, и биологическими – с другой, ибо исследует общие механизмы самоорганизации тех и других. Нелинейные системы ведут себя как живые системы в том смысле, что их реакция на внешние воздействия зависит не только от величины этого воздействия, но и существенным, нелинейным образом от собственных свойств системы.

Каково место синергетики в ряду других наук? Синергетика изучает открытые (обменивающиеся веществом и энергией с внешним миром, иными словами, имеющие источники и стоки энергии) нелинейные (описывающиеся нелинейными уравнениями) системы.

Предмет синергетики - механизмы самоорганизации, т.е. механизмы самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения макроскопических упорядоченных структур, имеющие место в такого рода системах. Механизмы образования и разрушения структур, механизмы перехода от хаоса к порядку и обратно не зависят от конкретной природы элементов или подсистем. Они присущи и миру природных (живых и неживых), и миру человеческих, социальных процессов.

В синергетике к настоящему времени сложилось уже несколько школ или течений. Эти школы окрашены в те тона, которые привносят их сторонники, идущие к осмыслению идей синергетики с позиции своей исходной дисциплинарной области, будь то математика, физика, химия, биология или даже обществознание.

В числе этих школ – брюссельская школа лауреата Нобелевской премии И. Пригожина, разрабатывающего теорию диссипативных структур (иное название синергетики).

Интенсивно работает также школа Г.Хакена, профессора Института синергетики и теоретической физики в Штутгарте.

Классические работы, в которых развивается математический аппарат для описания катастрофических синергетических процессов, принадлежит перу советского математика, академика В.И. Арнольда и французского математика Р.Тала.

Школа академика А.А. Самарского и члена-корреспондента АН СССР С.П. Курдюмова выдвинула ряд оригинальных идей для понимания механизмов возникновения и эволюции относительно устойчивых структур в нелинейных средах (системах). Широко известны также работы академика Н.Н. Моисеева, разработавшего идеи глобального эволюционизма в поведении человека и природы.

Такое разнообразие научных школ и идей свидетельствует о том, что синергетика представляет собой скорее парадигму, чем теорию. Под парадигмой в философии науки понимают определенную совокупность общепринятых в научном обществе идей и методов (образцов) научного исследования. Синергетику как новую парадигму можно предельно кратко охарактеризовать всего лишь тремя ключевыми идеями: нелинейность, самоорганизация и открытые системы. Синергетика важна в первую очередь как подход к пониманию развития открытых нелинейных систем, как особый стиль мышления, т.е. своей методологической и эвристической стороной.

1. Данилов Ю.А., Кадомцев Б.Б. Что такое синергетика? // Нелинейные волны. Самоорганизация. – М., Наука, 1983.

Читайте также: