Тема 16. Синергетка – наука о самоорганизации

16.1. Моделирование сложных систем

В настоящее время горизонты научных познаний расширились до фантастических размеров. Например, время можно измерить до 10^-23 с; расстояние до 10^-15 см; возраст Вселенной ≈10¹⁸ с; радиус Вселенной ≈10²⁸ см. Обнаружены объекты, свет от которых идет к нам около 12 миллиардов лет.

В системе научного знания происходит дифференциация и интеграция знаний, появляются новые направления, одним из таких является синергетика.

Синергетика являются наука, интегрирующего характера. Синергетика – это наука о принципах самоорганизации объектов природы, ее возникновения, развития и самоусложнения. Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем у закрытых, линейных. Вместе с тем «нелинейный мир» сложнее моделировать. Установлено, что переход от хаоса к порядку поддается математическому моделированию

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: морфогенеза (формообразование) в биологии, некоторых аспектов функционирования мозга, флаттера крыла самолета, автоколебательных процессов в химии, эволюции звезд, космологического расширения, формирования общественного мнения, демографических процессов и др.

Вопросы для самоконтроля

1. Какое минимальное время, наука может измерить?

2. Какое минимальное расстояние, наука может измерить?

3. Какое максимальное время известно, науке?

4. Какое максимальное расстояние известно, науке?

5. Что происходит в системе научного знания?

6. Какая наука появилась, в конце ХХ века?

7. Что за наука синергетика?

8. Мир, каких систем, гораздо богаче, чем закрытых и линейных?

9. Какие системы сложнее моделировать?

10. Методы, какой наук применяются для моделирования сложных самоорганизующихся систем?

16.2. Характеристики самоорганизующихся систем

Системы, которые под действием окружения обретают пространственную, временную или функциональную структуру, называют самоорганизующимися. Синергетика ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, способных к самоорганизации и саморазвитию. Основные свойства самоорганизующихся систем – открытость, нелинейность, диссипативность и сложность.

Открытость. Эволюция Вселенной показывает, что в открытой системе энтропия уменьшается. В открытых, неравновесных и необратимых системах ключевую роль могут играть флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существующая организация разрушается.

Нелинейность. Во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а нелинейность, неустойчивость и неравновесность. В нелинейных системах процессы часто носят пороговый характер и могут меняться скачкообразно. В состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению. Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородность в среде. В таких условиях, между системой и окружением могут возникнуть обратные положительные связи.

Неустойчивые системы, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и в результате система выходит из стационарного состояния. Критерием эволюции (развития) системы является величина ∆s<0, т.е. уменьшение энтропии. Это неравенство указывает направление развития системы к новому устойчивому стационарному состоянию.

Диссипативность. Открытые, сложные и неравновесные системы, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность (лат. диссипатио – разгонять, рассеивать). Прирост энтропии за единицу времени в единице объема в открытых системах называется функцией диссипации, а системы, в которых функция диссипации отлична от нуля, названы диссипативными. В таких системах, постепенно упорядоченное движение переходит в неупорядоченное. Практически все физические системы являются такими, так как трение приводит к диссипации энергии. Благодаря, диссипативности в системе могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации.

Принцип локального равновесия и теорема о минимуме производства энтропии в равновесных состояниях были положены в основу современной термодинамики необратимых процессов, а их автор И. Пригожин стал лауреатом Нобелевской премии по химии в 1977 г.