3. Синергетический анализ сложноорганизованных систем

Синергетика стремится понять связь и взаимодействие между сложными и простыми явлениями. Поэтому она рассматривает, например, изменения, которые происходят на макроскопическом, наблюдаемом уровне как результат взаимодействия огромного числа элементов и частиц системы на ненаблюдаемом микро уровне.

Механизм такого взаимодействия на примере образования шестиугольных ячеек впервые наблюдал французский физик Бенар на поверхности подогреваемой жидкости. Если разница температуры жидкости между нижней частью Т₂ и верхней поверхностью Т₁ будет ниже некоторого критического значения a_с, т.е. Т₂ – Т₁ < a_c , тогда нагревание жидкости будет происходить путем теплопроводности и оно не отразится внешне на её поведении. Но как только эта разница превысит критическое значение, огромное число частиц как бы по команде начнут участвовать в этом движении. Результатом такого движения будет образование шестиугольных ячеек на поверхности жидкости. Появление ячеек Бенара обязано обмену энергией между рассматриваемой системой жидкости и окружающей средой.

Другим примером являются так называемые «химические» часы, которые представляют собой периодический процесс изменения цвета раствора, например, с красного на голубой и обратно (опыты Б. П. Белоусова и А. М. Жаботинского).

Третьим примером может служить самоорганизация, которая происходит в процессе лазерного излучения. Под воздействием электрического заряда возбужденные атомы газового лазера начинают колебаться в одной фазе. Когда критическая точка будет достигнута, лазер начинает излучать мощный поток электромагнитных волн с высокой энергией.

Все эти примеры можно описать с помощью единой схемы.

• Любая открытая система, взаимодействуя с окружающей средой, испытывает определенные флуктуации.

• Под воздействием энергии или веществ, поступающих извне, эти флуктуации усиливаются и начинают «расшатывать» старые связи между элементами или компонентами системы.

• Возникает неустойчивость, которая со временем усиливается, и когда она достигает определенного критического значения, система резко меняет свое макроскопическое состояние. Между её элементами возникает новое взаимодействие и они начинают двигаться когерентно, или согласованно, образуя кооперативные процессы. Возникающая при этом энтропия в системе диссипируется (от лат. dissipatio – рассеяние), или рассеивается в окружающей среде.

Герман Хакен самоорганизацию связывает именно с кооперативными процессами, а И.Р. Пригожин – с возникновением диссипативных структур. Он предложил назвать вновь возникающие структуры диссипативными.

Основная идея синергетики заключается, таким образом, в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне. Последние изменения можно рассматривать как количественные, описываемые управляющим параметром системы. При критическом значении этого параметра система переходит в новое макроскопическое состояние. Так, в опыте Бенара управляющим параметром является градиент температуры подогреваемой жидкости, в реакции Белоусова - Жаботинского - концентрация химических веществ, в лазере - напряженность электромагнитного поля внутри него. Изменяя управляющий параметр, можно достичь критического значения, когда система резко и спонтанно переходит в качественно новое состояние.

Таким образом, синергетика показывает, что развитие открытых и существенно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:

1. Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.

2. Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний (такое состояние обозначается как аттрактор). В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана – решает случай! Но после того как «выбор сделан», и система перешла в качественно новое устойчивое состояние — назад возврата нет. Процесс этот необратим. Развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем – однозначно спрогнозировать нельзя.

В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями:

• Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

• Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а, скорее, исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

• Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Следовательно, случайность – не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. Благодаря случайности возникает множество различных конфигураций состояний и их будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются параметрами порядка. Принцип подчинения параметрам порядка Г. Хакен сравнивает с действиями кукловода: «В определенном смысле параметры порядка действуют как кукловоды, заставляющие марионеток двигаться. Однако между наивным представлением о параметрах порядка как о кукловодах и тем, что происходит в действительности, имеется одно важное различие. Оказывается, что, совершая коллективное действие, индивидуальные части системы, или «куклы», сами воздействуют на параметры порядка, т.е. на «кукловодов»¹³.

• Если традиционное понимание линейной причинности предполагает, что только причина вызывает или порождает действие, то в процессах самоорганизации действия также могут оказывать влияние на породившую их причину. Действительно, поведение компонентов системы подчиняется и управляется параметрами порядка, но в то же время сами параметры порядка возникают в результате взаимодействия компонентов системы. Так возникает представление о циклической причинности, включающее признание обратного влияния действия на породившую его причину.

Синергетика родом из физических дисциплин — термодинамики, радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной научной картины мира.