Два подхода к исследованию самоорганизации

Теория самоорганизации и язык сложности.

Теория самоорганизации и ее роль в развитии науки

Синергетика? это слово используется для названия нового междисциплинарного направления, которое исследует системы которые состоят из большого числа элементов взаимодействующих между собой, большого числа параметров. В результате этого взаимодействия возникают коллективные процессы которые приводят к самоорганизации систем. Родоначальником синерге-тики является немецкий ученый Г.Хакен, также ее изучал бельгиец И.Пригожин, в России С. Курдюмов. Синергетика изучает общие закономерности процесса самоорганизации в различных системах. Ключевая идея синергетики заключается в том, что в открытых системах в результате самоорганизации происходит возникновение порядка и беспорядка т.е. организации из хаоса. Синергетика объясняет процесс самоорганизации следующим образом: 1- чтобы возникла самоорганизация в системе, она должна быть открытой? активно взаимодействовать с окружающей средой; 2- открытая система должна находиться далеко от точки термодинамического равновесия (состояние равновесия). Если система находится в точке равновесия эта система обладает максимальной энтропией (необратимое рассеивание энергии) и не способна к самоорганизации. Если она находится вблизи этой точки то со временем попадет в нее. Основополагающая идея синергетики состоит в том, что неравновесность мыслится источником появления новой организации. Неравновесные состояния обусловлены потоками энергии между системой и внешней средой. В состоянии когда расшатаны устойчивые связи возникают флуктуации? всплески отступления от нормы. Флуктуация носит случайный характер, с нее начинается формирование новой организации, возникновение новой системы. В обычных системах система существует с помощью механизма обратной связи. Гомеостаз - способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Принцип положительной связи. Порядок организации энтропии происходит за счет поддержания положительной связи. Новая система возникает за счет внутренних воздействий. В условиях, далеких от равновесия, действуют бифуркационные механизмы, предполагающие наличие точек раздвоения и неединственность продолжения развития. Результаты их действия трудно предсказуемы.

Г. Хакен? основатель синергетики определил ее как науку о самоорганизации. До XXI века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий выяснилось, что термин самоорганизация, в области супрамолекулярной химии и эволюционной биологии определен иным образом для других феноменов, нежели в синергетике. Кроме того, определение данное в рамках синергетики, благодаря междисциплинарности этой науки, расплылось по разным дисциплинам, стало нечетким.
Синергетический подход сегодня становится все более перспективным и распространенным.
1. Идея самоорганизации лежит в основе прогрессивной эволюции, которая характеризуется возникновением все более сложных и иерархически организованных систем.
2. Она позволяет лучше учитывать воздействие социальной среды на развитие научного познания;
3. такой подход свободен от малообоснованного метода «проб и ошибок» в качестве средства решения научных проблем.

 

Два подхода к исследованию самоорганизации

Долгое время в философии господствовала точка зрения на самоорганизацию, как на явление, присущее только живым систе­мам. Кибернетическое понимание «управления в животном и машине» как понимание централизованной иерархической структуры, где инфор­мация «снизу» поступает лишь как конечный результат по каналу обрат­ной связи, а решения принимаются только «наверху», оказалось не спо­собным отразить сложность функционирования реальных систем, а также создать хорошие объяснительные модели процессов самоорганизации, происходящие в сложных системах. Во второй половине 50-х годов в рамках кибернетики зарождается так называемое неклассическое направ­ление изучения самоорганизующихся систем, предложившее механизм самоорганизации, близкий скорее к синергетическому, чем к классиче­скому кибернетическому. Одним из таких «неклассиков» стал основатель кибернетики Н. Винер. В начале 60-х гг. XX в. советский кибернетик МЛ. Цетлин писал: «Если считать, что все управление происходит сверху донизу адресным способом, то система становится очень сложной... Если заданы условия игры, автоматы уже сами находят нужные действия. При этом они не нуждаются в индивидуальных указаниях».
Новая, появившаяся на Западе научная дисциплина «синергетика», установившаяся к 1975 г. как новое перспективное направление в нау­ке, существенно расширяет круг процессов самоорганизации изучав­шихся кибернетикой. В работах по синергетике отмечается универсаль­ность явления самоорганизации как для живых, так и для неживых сис­тем. Именно с вхождением в научный обиход термина «синергетика» связывают появление двух основных подходов к исследованию проблем самоорганизации: кибернетический и синергетический подходы. Два понятия самоорганизации различаются прежде всего по их отнощению к целенаправленности поведения системы.
Кибернетический подход подразумевает наличие заранее определен­ной цели, к которой система стремится самостоятельно, самооргани­зуется вокруг нее.
Синергетический подход механизм не требует цели, самоорганизо­ванность системы проявляется как эффект кооперации между элемен­тами системы. Новые формы организации возникают спонтанно, без какого-либо внешнего воздействия или цели.
Термин «синергетика» вошел в научную терминологию с легкой ру­ки Г. Хакена. По-гречески зупегрейкоз — совместный, согласованно действующий. В одной из своих работ Хакен подчеркивает, что история синергетики началась с обнаружения аналогии между лазерной генера­цией и фазовыми переходами в термодинамике: уравнения, описывающие фазовые переходы и лазерное излучение, практически совпали. «Начав с физики, я перешел затем к рассмотрению проблем химии и биологии. Совсем недавно было обнаружено, что такие дисциплины, как социология и экономика, давно уже использовали понятия синергети­ки. (К этому замечанию Г. Хакена мы вернемся в следующей главе при рассмотрении закона синергии).
По определению Хакена, «синергетика занимается изучением сис­тем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, механические элементы, фотоны, органы, животные и даже люди». В работах по синергетике акцент делается не на функционировании системы в про­цессе управления, а на ее структуре, на принципах построения новой структурной организации: на условиях ее возникновения, развития и самоусложнения. Синергетика исследует особые состояния сложных систем в области неустойчивого равновесия, вблизи точек бифурка­ции, когда даже малое воздействие на систему может привести к не­предсказуемому и быстрому (лавинообразному) развитию процесса.
Хакен писал: «И кибернетика, и синергетика придают первосте­пенное значение понятию управления, но при этом преследуют со­вершенно различные цели. Кибернетика занимается разработкой алгоритмов и методов, позволяющих управлять системой для того, чтобы та функционировала заранее заданным образом. В синергетике мы изменяем управляющие параметры более или менее непредска­зуемым образом и изучаем самоорганизацию системы, т.е. ее различ­ные состояния, в которые она переходит под воздействием "рычагов управления"». Таким образом, если кибернетическая система организуется под действием управляющего органа, то в синергетике «управляющие параметры» не управляют непосредственно поведени­ем системы, но «запускают» ее внутренний механизм самоорганиза­ции. Поведение и кибернетических, и синергических самооргани­зующихся систем выгладит целенаправленным, но в первом случае эта цель задается заранее, а во втором система сама выбирает путь своего развития к более высокой организации. Складывается впечат­ление, что сама суперсистема очень хорошо знает все свое хозяйство в целом и по частям.
В настоящее время понятия синергетики и самоорганизации час­то используются как синонимы. Действительно, по большому счету и задача у них общая: самоорганизация и синергетика изучают то, как во времени и в пространстве из хаоса возникает организация (про­цессы самоорганизации), а также противоположные процессы (самодезорганизации) в сложных неравновесных открытых динамических системах любой природы. Оба механизма самоорганизации — кибер­нетический и синергетический — имеют одну основу: самообращенные связи между элементами, позволяющие производить структуры, создавать в системе организацию за счет локальных взаимодействий, без управляющих команд.
В настоящий период синергетическая точка зрения на проблему самоорганизации доминирует над кибернетической, и речь идет о но­вом подходе к анализу сложных систем: «Синергетическая парадигма допускает далеко идущие параллели и имеет не меньшее значение для экологических, социальных, экономических, психологических и даже политических реальностей. Такие слова, как "социальное поведение", "эволюция", "политический кризис" и т.д. приобретают новые оттен­ки, когда мы начинаем мыслить синергетически».
И все-таки понятие синергетики более конкретно, оно указывает на кооперацию разного, на совместное действие элементов, а это хоть и существенный, но только один аспект самоорганизации. Самоорга­низация более широкое понятие: оно предполагает возможность дей­ствия и других, еще не познанных наукой механизмов.
Говоря о самоорганизации сложных систем, априори предполага­ется их стремление к сохранению своей целостности, гомеостатической устойчивости. Ведущая тенденция в поведении самоорганизую­щейся системы: как можно дальше находиться от состояния уровня максимальной энтропии, хаоса, от «равновесия». С другой стороны, синергетики утверждают: без неустойчивости нет развития; развитие происходит через неустойчивость, бифуркации, случайность. Неста­бильность и кризисы способствуют выявлению и отбору лучшего. «Хорошая» система как бы знает возможные границы этой области неустойчивости, области своей допустимой стохастичности, и по ка­ким-то законам вводит себя в такое состояние, чтобы активизировать процессы самоорганизации. Таким образом, рискуя, система борется с энтропией.
Какого-либо одного, принятого определения самоорганизации нет. Мы уже рассмотрели взаимосвязь кибернетики, синергетики и самоорганизации и пришли к выводу, что термин «самоорганизация» шире, чем «синергетика». Синергетика рассматривает механизмы сво­бодной кооперации взаимодействия элементов систем в неустойчи­вых состояниях.
Самоорганизация шире: она включает механизмы свободной коо­перации, но рассматривает и другие механизмы, которые «подвига­ют» систему к самоорганизации.
В этой части работы мы предлагаем рассмотреть концепцию самоорганизации, изложенную академи­ком Н.Н. Моисеевым в его последней работе. При этом следует помнить, что сам Моисеев считал проблему самоорганизации систем да­леко не познанной: «...нет даже интерпретаций, имеющих смысл эм­пирических обобщений». Поэтому будем относиться к выводам Н.Н. Моисеева не как к догме, а как к одному из объяснительных ме­ханизмов процессов самоорганизации систем.
В качестве основного языка для описания схемы механизмов са­моорганизации Н.Н. Моисеев выбирает язык дарвиновской триады — изменчивость, наследственность, отбор, считая, что именно эта триада может служить хорошим основанием для анализа систем с мини­мальным привлечением новых терминов и понятий и позволит уви­деть то, что лежит в основе общей логики развития любых систем.
Основное определение самоорганизации по Н.Н. Моисееву: Самоорганизация системы — это такой процесс изменения ее состояния (или характеристик), который происходит без целенаправленного начала, каковы бы ни были источники целеполагания. «Причины, побуждающие процесс самоорганизации, могут быть как внешними, так и внутренними. Можно говорить и о стихии самоорга­низации — здесь мы ошибки не сделаем», — пишет Н.Н. Моисеев.
Ис­ходя из формулировки можно сделать вывод, что академик Моисеев стоит на принципах синергегического подхода к самоорганизации, т.е. утверждает, что механизм самоорганизации не требует цели, самооргани­зованность системы проявляется как эффект кооперации между подсис­темами (элементами) системы.
Уже в самой формулировке много спорного и недосказанного. Возможно, только с точки зрения челове­ка кажется, что это «стихия» и что Система не имеет цели. Возможно, цель системы для нас неочевидна, непонятна. Например, вполне воз­можно, что главным «соорганизатором» для Биосферы является закон, который предписывает всем остальным природным системам необхо­димость вписанности в природные (биогеохимические) циклы, или это закон «минимума диссипации энергии», т.е. система все-таки самоорганизуется в области целевого состояния системы, так называе­мого аттрактора системы. (Вспомним, что этим термином называют одну из возможных траекторий или состояний системы, около ко­торых и происходит реальное развитие событий.)
Последуем логике академика Моисеева, рассмотрим его кон­цепцию самоорганизации системы, в основе которой — рынок как универсальный механизм самоорганизации систем; в основе само­организации рынка лежит дарвиновская триада: изменчивость, на­следственность, отбор.
Проблема изменчивости. Это одна из основных проблем не только в естествознании: изменчивость как процесс можно наблюдать в любой социально-экономической системе (организации). Существу­ет множество причин, порождающих изменения в системе. По мере усложнения объекта роль стохастических, непредвиденных факто­ров возрастает. В силу изменчивости системы происходит некоторое накопление возмущений, в результате система теряет стабильность и происходит переход системы из одного канала эволюционного развития в другой. Область, в которой система теряет стабильность, называют областью бифуркации системы.
Проблема наследственности. Наследственность системы — это зависимость ее будущего от настоящего и прошлого. Она существу­ет во всех системах. Этот факт лежит в основе любой прогностики. Н.Н. Моисеев использует термин «память системы», подразумевая под этим зависимость системы от прошлого, и делит системы на системы с абсолютной памятью и системы с полным ее отсутстви­ем. Первые характеризуются бесконечной памятью — это означает, что по ее состоянию в настоящий момент возможно восстановить все прошлые состояния системы и, более того, предсказать ее пове­дение в будущем, так как такая система может быть описана систе­мой уравнений. Например, турбулентное движение жидкости — это система с полным отсутствием памяти. В реальности все системы имеют ограниченную память.
Проблема отбора. Критериями отбора являются законы, зави­симости, правила, нарушив которые система уничтожит себя. Из множества вариантов отбираются те, которые удовлетворяют зако­нам: в природных системах — это законы физики или химии, в об­щественных — законы, принятые в данном обществе. Отбор много­лик, из множества он отсекает нежизнеспособные формы организа­ции для конкретной системы. Еще следует помнить, что любая сис­тема — это часть некоторой системы более высокого уровня. И эта система накладывает свои ограничения на функционирование эле­мента и его структуру. В этом явлении как раз и проявляются сис­темные законы.
Система отбраковывает те варианты развития своих элементов, которые препятствуют ее собственному развитию или сохранению стабильности. Устойчивость элемента зависит от его соответствия тем функциям, которые он выполняет как элемент системы.
Итак, до поры до времени система развивается по дарвиновской схеме. Несмотря на способность системы к сохранению стабильности (гомеостазу) и на память системы о своем прошлом состоянии, про­исходит медленное накопление новых особенностей, изменений, и в какой-то момент ее дарвиновское развитие теряет устойчивость (до­пустим, нарушены условия системы высшего порядка) и переходит в новый эволюционный канал. В этот переходный период определяю­щими оказываются стохастические (случайные, непредсказуемые) факторы. Оттого и невозможно предсказать постбифуркационное со­стояние системы. Случайные, непредсказуемые факторы изменяют всю совокупность взаимодействующих элементов, следовательно, качест­венно меняется целое.
Совокупность механизмов самоорганизации: изменчивость, на­следственность, отбор — Н.Н. Моисеев называет рынком. Именно рынок предъявляет множество вариантов, а принципы отбора, сис­темные законы и стабильность отбирают наиболее эффективные из них. По Моисееву, рынок, который изучали еще Смит и Рикардо, — частный случай рынка Универсума. Никакой другой схемы Природа не придумала. И люди пошли по проторенной тропе, другой просто не было: логика самоорганизации человеческой экономики и экономики природы общая.
Некоторые авторы выделяют техническую, биологическую и со­циальную самоорганизацию, предполагая, что механизмы самоор­ганизации в них основаны на разных принципах. Так, в учебни­ке Э.А. Смирнова выделено три типа самоорганизации:

• техническая — основана на программе автоматической смены ал­горитма действия в случае изменяющихся условии (система самонаве­дения ракет, автопилот и т.п.). На наш взгляд, приведенные примеры не имеют отношения к самоорганизации, к ним больше подходит термин «авторегуляция»;
• биологическая — основана на генетической программе сохранения вида и на дарвиновской триаде: изменчивость, наследственность, отбор;
• социальная — основана на общественной социальной программе гармонизации общественных отношений, включающей меняющиеся во времени приоритеты, ценности, законы.

Принципы синергетики

В раскрытии механизмов самоорганизации помимо не­равновесной термодинамики были использованы также но­вые идеи и результаты, появившиеся в разных областях физики и химии — в гидродинамике, физике лазеров, при исследовании автокаталитических химических реакций и некоторых других явлениях.

Для всех изученных явлений найден ряд принципи­ально важных признаков: 1) самоорганизующаяся система является сложной, состоит из большого числа элементов; 2) она является открытой, неравновесной и нелинейной; 3) при увеличении неравновесности системы выше определен­ного предела она переходит в неустойчивое состояние; 4) выход из неустойчивости происходит скачком на счет быст­рой перестройки элементов системы; 5) при этом наблюда­ется согласованное поведение элементов системы, которое проявляется в переходе системы в качественно новое состо­яние с упорядоченной структурой (это может быть какая-либо пространственная или временная упорядоченность); 6) выбор одного из возможных состояний случаен.

Осмысление различных процессов самоорганизации при­вело к становлению нового междисциплинарного направле­ния в науке — синергетике. Эта наука изучает общие прин­ципы, лежащие в основе всех явлений самоорганизации — в физике, химии, биологии, в технике и теории вычисли­тельных систем, в социологии и экономике. Конкретными подсистемами, составляющими в совокупности сложную систему, могут быть электроны, фотоны, атомы, молекулы, живые клетки, нейроны мозга, части технических устройств или организмов, животные, люди, социальные образования. Таким образом, под синергетикой понимают теорию само­организации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. Это новая наука, занимающаяся изучением возникновения, поддержания, устойчивости и распада самоорганизующихся структур, кооперативных эффектов в них.

Синергетика заметно отличается от традиционной науч­ной дисциплины: она не сложилась пока как единая наука, а существует как бы в нескольких вариантах, отличающихся не только названиями, но и степенью общности, и полно­той результатов, и непосредственным предметом исследова­ний. Важнейшим из таких вариантов синергетики можно считать неравновесную термодинамику (теорию диссипа-тивных структур). Синергетическими по существу тео­риями являются математическая теория бифуркаций, теория хаоса, теория нелинейных колебаний и волн, нелиней­ная динамика, теория фазовых переходов и некоторые дру­гие.

Синергетика прогрессирует вместе с математическим ап­паратом описания нелинейных и неустойчивых систем и соответствующими вычислительными методами. Эти мето­ды опираются на использование компьютерного моделиро­вания, поэтому синергетика могла возникнуть и развивать­ся только в эпоху мощной компьютерной техники.

Можно сказать, что синергетика на современном этапе ее развития — это совокупность общих идей о принципах самоорганизации и вместе с тем сумма общих математи­ческих методов для ее описания. Предпринимаются все более активные попытки использования этих идей и мето­дов в экологии, медицине, социологии, экономике ивообще в области социально-гуманитарного знания.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: