Категориальный каркас синергетики

Являясь междисциплинарным знанием, синергетика изучает системы, но не любые, а определенный класс динамических систем. Динамической системой можно считать любой объект или процесс, для которого можно определить понятие состояния, как некоего мгновенного описания этой системы. Подклассом динамических систем являются линейные динамические системы, примером которых является свободное колебание маятника. Поведение линейной системы происходит вблизи одного стационарного состояния. Нелинейные динамические системы имеют устойчивые и неустойчивые стационарные состояния. Это создает феномен сложного и разнообразного поведения. Иллюстрировать разницу между состоянием устойчивого равновесия и состоянием динамического равновесия можно таким наглядным примером, как устойчивость лежащего в лузе бильярдного шара и устойчивость движущегося велосипеда. Велосипед легче удержать в равновесии, когда он едет.

Диссипативными называют открытые нелинейные системы, и они являются объектами синергетики. Примером таких систем являются живые организмы. Они поддерживают динамическое равновесие, которое в биологии называют состоянием гомеостазиса, за счет постоянного обмена с окружающей средой веществом, энергией, информацией.

Важнейшая характеристика диссипативных систем - открытость. Сам термин "диссипация" происходит от английского "dissipate" - рассеивать. Им обозначается класс систем, рассеивающих, обменивающих с окружающей средой вещество, энергию, информацию. Поэтому открытость - это необходимое условие их существования, это способность к взаимодействию. Покажем, что и это свойство наряду с целостностью, иерархичностью не случайно, а является необходимым признаком развивающихся систем. Возможно, именно с открытости было бы логичней начинать изложение атрибутивных свойств эволюционирующих объектов-систем, поскольку процессы обмена (открытость) обуславливают структурно-функциональную целостность, универсальное свойство эволюционирующих систем, рассмотренное в предыдущем параграфе.

Поясним, что под открытостью систем понимается, прежде всего, их способность к взаимодействию и обмену веществом и энергией. Например, важнейшим признаком живых систем является осуществляемый ими обмен веществ. Обмен веществом и энергией осуществляют так же геологические и космические объекты. Геологические объекты-системы переживают постоянные процессы обмена между поверхностными и глубинными слоями земной коры, эти процессы есть результат непрерывных геохимических процессов и скачкообразных извержений. Роль геологического круговорота вещества, геологического обмена веществ в геологической эволюции отмечается многими исследователями. Например, А. А. Ивакин утверждает, что "литосфера, в мысленном эксперименте или реально (спутники планет, астероиды, метеориты и т.д.) изъятая из системы геохимического круговорота, подобно органу, отделенному от организма, фактически перестает быть геологически развивающейся системой" [2], т.е. без обменных процессов невозможна геологическая эволюция. Космические тела также ведут обмен веществом и энергией, они излучают в космическое пространство и поглощают потоки частиц и волн.

Еще одним проявлением открытости может служить "размытость" границ эволюционирующих систем, существующая, несмотря на их пространственную локализацию, относительную изоляцию. Так, биологи замечают, что сложноорганизованные системы (организм, например) трудно выделить из окружающей среды, как и разложить такие системы на составляющие. "Для системы, в которой компоненты - подсистемы эволюционируют совместно, не очевидно, что последние отделены друг от друга..." [3]. Такая же характеристика - размытость границ - присуща сложным системам, изучаемым астрономией. По мнению Б. А. Воронцова-Вельяминова, "граница между скоплением и общим полем галактик стерта. Общее поле галактик состоит из сходящих на нет по своей четкости скоплений галактик и групп. Многие из скоплений можно объединять или расчленять с еще большим произволом, чем в случае комплексов диффузных туманностей" [4].

Итак, обмен веществом и энергией осуществляют не только биологические, но и геологические, и астрономические системы. Для живых организмов обмен веществ - это способ существования, благодаря открытости биологических систем, в них происходит увеличение упорядоченности. Как писал Э. Шредингер, живые организмы "концентрируют на себе поток порядка", "пьют упорядоченность". Какую же роль играет открытость как общее, универсальное свойство неживых систем, насколько оно необходимо? Ответа на этот вопрос не было до 70-х годов нашего столетия. Еще в конце ХIХ в. сам подход к поиску общего между живым и неживым казался странным.

Негэнтропийные процессы воспринимались как особенность живого, причем это принималось без объяснения, как данность, чему не в малой степени способствовало мировоззренческое убеждение в полной противоположности живого и неживого. Считалось, что объяснять эволюцию, зарождение структур является задачей биологической теории, cоциальных наук, но не физики. Для физика мир в своем качественном проявлении был неизменен. Единственной областью физики, где различались зависящие от времени (необратимые) и не зависящие от времени (обратимые) процессы, была термодинамика. Но классическая термодинамика, даже отличив, выделив временные процесcы, тем не менее рассматривала их как недостойные внимания. Возможно, этому способствовала та самая традиция жесткого разграничения живого и неживого, процессов образования структур - прерогативы биологии и процессов разрушения структур, описываемых вторым законом термодинамики.

Между тем, астрономия, геология, другие науки выявили образование структур и в неживой природе. Объяснить эти факты, а также роль открытости как общего свойства систем стало возможным, когда временные процессы (необратимые - в терминах термодинамики) стали предметом физики, которая связала их со структурой эволюционирующих систем. Для того, чтобы понять способность ряда природных систем образовывать в ходе эволюции новые сложности и не разрушаться вопреки второму закону термодинамики, вопрос нужно было ставить, пишет И. Пригожин, так: "Какова специфическая структура динамических систем, которая позволяет им "различать" прошлое и будущее?" [5].

Брюссельской школой, возглавляемой И. Пригожиным, было показано, что в случае равновесного состояния (автоматически устойчивого состояния) или в состояниях, близких к равновесию, развитие системы невозможно. Примеры живых систем, т.е. систем, активно взаимодействующих со средой, позволяли предположить, что источником порядка может быть не только равновесие, но и неравновесие. В ходе исследований было установлено, что вдали от равновесия могут самопроизвольно возникать и неорганические структуры, которые также поддерживают устойчивость за счет взаимодействия со средой. Такие структуры по своему динамическому состоянию существенно отличаются от "равновесных", они образуются вдали от равновесия и обязательно термодинамически открыты (нелинейны), их называют диссипативными (от англ. "dissipate" - рассеивать).

Диссипативные структуры, как уже говорилось в главе первой, уникальны в том смысле, что могут возникать при соблюдении названных условий в самых различных процессах природы, и только они способны к развитию. Теория диссипативных структур (синергетика) - это теория процессов самоорганизации, она указала некоторые условия, необходимые для эволюции, и тем самым явилась первым шагом на пути к объяснению жизни с позиций физики. Именно это дает основание И. Пригожину рассматривать современное состояние науки как переходное состояние, отмеченное стиранием жесткой грани между живым и неживым, введением в физику и химию элемента истории (через теорию изменения структур) [6].

Итак, с позиций синергетики открытость эволюционирующих систем получила объяснение. Она понимается как необходимое условие для осуществления развития, это общее универсальное свойство всех развивающихся объектов-систем.

Теория диссипативных структур применяется для изучения структурообразования в самых разных процессах. Например, с этих позиций объясняются процессы кристаллообразования, выявлены некоторые механизмы, которые носят универсальный характер и могут быть использованы для объяснения других процессов. Так предполагается, что механизм модуляции структур кристаллических фаз может служить исходной моделью при изучении мутационных превращений в живых организмах. Понятие "вентильный механизм кристаллизации", применяемое к эволюции сложных неорганических систем, ставится в соответствие биологическому понятию "приспособление", а идея "вентильных систем", обоснованная на примерах неживых систем, по мнению разработчиков, может быть транслирована для объяснения эволюции веществ в биологических системах [7]. Высказана гипотеза, согласно которой в процессе выветривания кристаллических изверженных и метаморфических пород происходит поглощение солнечной энергии при фотосинтезе растений. Это далеко не все примеры проявления интеграции и экстраполяции эволюционных знаний. Безусловно, эти приемы осуществлялись и раньше, но сегодня, в контексте парадигмы самоорганизации, они получают особое распространение.

Современная наука объясняет и совпадение форм природных образований, которое ранее лишь фиксировалось, но оставалось загадкой. Среди бактерий по форме различают палочковидные - бациллы, шарообразные - кокки и спиральные - вибрионы. Те же самые формы встречаются в космосе. Галактики и их скопления, за исключением иррегулярных, имеющих неправильную форму (следствие недавно происшедшего в них взрыва), являются либо спиральными, либо шаровидными, либо эллиптическими (разной вытянутости). Систематика форм кристаллов убедительно демонстрирует, что и среди кристаллов хорошо известны округлые (например, алмаз), спиралеподобные, так называемые скрученные кристаллы, и кристаллы, имеющие вытянутые формы. Формы кристаллов не случайны, они соответствуют шести типам стационарных состояний, предсказанных теорией катастроф Р. Тома (теорию катастроф называют языком синергетики), которая ориентирована на описание морфогенетических процессов.

Физическое объяснение распространенности спиральных форм найдено при изучении автоволн - одного из видов диссипативных систем. Выяснилось, что принципы функционирования всех автоволн одни и те же и не зависят от того, возникают ли они в физических, химических, биологических, геологических и т.д. средах. В частности, универсален механизм возникновения вихрей - ревербераторов. Именно действие универсального механизма приводит к формированию спиральных форм в разных средах.

Исследователи делают важный методологический вывод, что универсальность автоволновых процессов, обладание общими особенностями, а так же то, что механизм появления источников автоволн, их взаимодействия и размножения одинаков и не зависит от природы активной среды (будь то сетчатка глаза, сердечная мышца, система звезд и т.д.), открывает уникальную возможность переносить закономерности, установленные в какой-либо активной среде, на широкий класс сред иной физической природы [8].

Итак, интеграция наук, экстраполяция знаний из одной области в другую, осуществляемая в контексте теории диссипативных структур, становится все более устойчивой тенденцией развития современного естествознания.

Диссипативные системы оказываются способными к конструированию порядка, каких-то новых процессов, которые поддерживают их гомеостазис, и формированию нового. Иллюстрировать конструктивную роль динамической неустойчивости можно таким примером: научная конференция объединяет участников единой тематикой, программой, организацией. Когда участники конференции разъезжаются по своим местам, казалось бы, порядок нарушается. На самом деле, каждый из участников конференции является носителем тех идей, которые объединили их на конференции, и вернувшись домой, участники конференции продолжают организовывать эти знания. Здесь распадающаяся конфигурация, динамическая неустойчивость (разъезд участников конференции) несет конструктивную роль в плане идей и знаний.

Итак, синергетика может быть определена как наука о нестабильности. Но мир синергетики - это не только мир критических неустойчивостей и "обвальных процессов". Мир синергетики - это процессы становления порядка из хаоса. Синергетика становится источником нового взгляда на мир, нового эволюционного и холистического видения мира. Становится понятным, что самоорганизация возможна среди хаоса, хаос может играть организующую роль. Чтобы подчеркнуть конструктивность диссипации, вводят термин "диссипативные структуры" (И. Пригожин). Чтобы подчеркнуть роль коллективных процессов в самоорганизации, вводят термин "синергетика" (Г. Хакен) от греческого "синергейя" - сотрудничество, содружество, совместная кооперация, совмещение.

Предложенный Г. Хакеном термин акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как целого. Синергетические процессы - это процессы, детерминированные целостностью, конфигурацией взаимодействий, местом в структуре. Важным аспектом самоорганизации является то, что части ведут себя как бы согласованным образом. Примеры такого поведения можно встретить в биологии, например, согласованность большого косяка рыб, самоорганизация колоний амебы, перелеты птиц, согласованное поведение больших стай животных. Кооперативные свойства проявляют системы и в неживой природе, они прослеживаются в поведении плазмы, в когерентных излучениях лазеров. Например, при определенных критических порогах энергетической "накачки" лазера возникает эффект испускания световой волны атомами: они действуют строго коррелятивным образом, каждый атом испускает чисто синусоидальную волну как бы согласуясь с поведением другого излучающего атома, то есть возникает эффект самоорганизации [9].

В синергетике создается новый язык описания со своими понятиями, в которых наиболее важным является понятие "порядок через флуктуацию". Флуктуация - от лат. "fluctuatio" - колебание. Для входа в новое состояние система сначала должна потерять устойчивость. За счет чего этот переход осуществляется? За счет случайных колебаний, флуктуаций. Наличие флуктуаций, наличие шума - условие перехода из одного состояния в другое. Но для этого устойчивые состояния должны быть достаточно близки к неустойчивой точке, иначе флуктуации может как бы "не хватить", чтобы "перекинуть" систему из одного состояния в другое.

Для описания согласованных взаимодействий используют понятия когерентности и аттрактора. Когерентность - явление, известное из волновой оптики как сохранение соотношения между фазами различных колебательных процессов. В квантовой механике когерентность обозначает синхронизацию фаз волновых функций элементарных частиц, атомов, составляющих конкретную физическую структуру. Согласованное, коллективное поведение системы (макроуровень) и ее составляющих (микроуровень) может приводить к таким эффектам как сверхпроводимость, сверхтекучесть. Квантовые коллективные взаимодействия физической структуры могут привести к появлению, благодаря когерентной синхронизации фаз волновых функций, составляющих структуры, совершенно нового физического свойства.

Характер этого явления принципиально неклассический, несиловой. Сверхпроводимость, сверхтекучесть, лазерный луч и др. явления типа сверхизлучения, все они возникают благодаря квантовой организованности - когерентности в макроскопических масштабах. Малые, но согласованные воздействия несилового характера, описываемые в физике понятием когерентность, в смысловом содержании предугаданы в философии Г. В. Лейбницем как принцип предустановленной гармонии. Древней традицией рациональной деятельности на Востоке был идеал минимального вмешательства в протекание процессов. Существовавший в древнекитайской культуре принцип "у-вэй", требующий невмешательства в протекание природного процесса, сегодня приобрел более широкое толкование, благодаря синергетической парадигме. Принимая во внимание способность к согласованному функционированию компонентов системы, которые как бы "коллективизируются" и "синхронизируются", можно создавать эффекты без сколько-нибудь значительного воздействия сил и энергий.

Волновой характер процессов самоорганизации, действие законов ритма отражено в синергетике двумя основными режимами: LS-режим - режим локализации, оформления структур, здесь малые флуктуации обретают макроскопическую жизнь и локализуются; HS-режим - режим "неограниченно разбегающейся волны", режим рассеивания, здесь флуктуации "замываются". Взаимодействие системы и среды происходит в условиях чередования этих дополняющих режимов. Причина колебаний - это сильная нелинейность системы-среды. Это знание также имеет культурные "прототипы", оно использовано в практике иглоукалывания - акупунктуры. Сегодня мы активно пользуемся календарем биоритмов растений и человека, стремясь к оптимальному результату воздействия.

Еще одно понятие вводится в синергетике для описания согласованного поведения - аттрактор. Аттрактор - это то самое состояние, которое притягивает, структурирует поведение составляющих системы. Аттрактором называется множество точек фазового пространства динамической системы, к которому притягивается траектория динамической системы с течением времени. Аттрактор - от английского слова "attract" - притягивать. Отличие странных аттракторов от нормальных состоит в том, что это притягивающее множество оказывается стохастическим, оно состоит из одних неустойчивых траекторий. Весть об открытии странных аттракторов произвела впечатление шока в соответствующем научном обществе. Отмечалось, что проявление случайного поведения, не замеченного исследователями, выглядит как творение из ничего или творение для ничего.

Синергетика описывает рождение и формирование сложных систем по сценариям сменяющих друг друга периодов устойчивости и неустойчивости, причем, периоды устойчивости могут быть совершенно различными. Система как бы блуждает в пространстве состояний, формируя свой первый аттрактор. Аттрактор здесь играет роль памяти системы. Приведем одно из описаний феномена самоорганизации. Память системы - наличие аттракторов-"ложбинок" в пространстве состояний. После формирования первого аттрактора система, за счет потери устойчивости и флуктуаций, "перескакивает" в другую область, формирует аттрактор там, затем может пойти "искать" третий аттрактор или перескочить в первый и т.д. За счет этого формируется рельеф состояний системы: особые точки, туннели, области устойчивости. Образуется понятие цели самоорганизации сложной системы [10]. В системе могут возникать хаотические состояния, когда аттрактор имеет сложную структуру. Для обозначения такого хаотического состояния вводится понятие "странный аттрактор" и используется аппарат совершенно новой геометрии, геометрии фракталов, описывающих такие вещи как "структуры хаоса".

Понятие хаоса для характеристики самоорганизации систем не совсем удачно, т.к. например, в задачах хаотической динамики речь идет не о бесструктурных случайных процессах, а как раз о результатах самоорганизации, создании очень сложных структур. Структуры настолько сложны, что не вполне поддаются описанию с точки зрения традиционных критериев случайности. К таким и относится странный аттрактор. Странный аттрактор можно описать в терминах стохастичности, хаотичности и типичности. Есть в нем и такие вещи, как, например, фрактальные структуры, которые теория случайности увидеть не может. Это и есть то, что называется имманентная случайность.

Фрактальные объекты - это объекты, которые обладают свойством самоподобия, когда малый фрагмент структуры объекта подобен другим фрагментам и структуре в целом. Таково устройство кораллов или, например, легкие человека, в которых каждый бронх разветвляется на более мелкие бронхи. Не только мир вещей демонстрирует такую закономерность организации, в культуре она выражена известным афоризмом: "Каков мир - таков человек, каков человек - таков и мир".

Наконец, следует ввести самое характерное понятие синергетики - бифуркация. Дословно "bifurcus" - двузубый, раздвоенный (лат.), это точка ветвления, точка разветвления. Точке бифуркации соответствует критическое значение процесса самоорганизации, когда траектория развития системы начинает отклоняться от того пути, по которому система шла до сих пор. Вблизи точки бифуркации система "ищет", куда она пойдет. Наглядным образом бифуркационной модели в культуре является один из древнейших архетипических образов человека - образ мирового древа. В биологической эволюционной модели ему соответствует генеалогическое древо, иллюстрирующее дивергентный путь развития.

Вопрос о том, как синергетическая модель мира соотносится с образами мира, выраженный в различных культурах, рассматривался Е. Н. Князевой. В ее книге "Одиссея научного разума" дается характеристика синергетики как новой исследовательской парадигмы в широком культурно-историческом контексте. Многие идеи синергетики, выраженные на специфическом языке и формализованные математически, представлены в виде образов культуры. Автор показывает, что синергетика резонирует со старым и придает новые смыслы давним представлениям, идеям и символам [11].

Весьма убедительно проводится параллель между синергетическим и восточным типом мышления. Это идея единства и согласованности мира, связи всего со всем. И синергетика обнаруживает внутреннюю связь элементов мира, осуществляемую "через малые воздействия, флуктуации. Принцип "у-вэй" и идея когерентности. Символ "инь - ян", закон кармы и идея цикличности, ритма, "автопоэтической реальности" (Варела, Матурана), в которую вплетено личное бытие.

Не только Е. Н. Князева, но и другие авторы, Ф. Капра, Т. Григорьева, прежде всего, И. Р. Пригожин указывают на сближение современного научного мировоззрения, основанного на синергетической парадигме, с восточным мировидением. "В Китае, например, - пишет И. Пригожин, - развилась впечатляющая наука, но никогда не ставилась задача узнать, как падает камень, поскольку идея законов природы в том привычном смысле, в каком мы их рассматриваем, была чужда китайской цивилизации. Китай рассматривал Вселенную как когерентную, в которой каждое событие связано с другими событиями. Наука сегодня, я надеюсь, сохранит аналитическую точность, присущую западной науке, но также будет заботиться о глобальной, холистской перспективе, стало быть, выйдет за рамки раздробленности классической культуры" [12].