Лекция 2. Сложные системы и синергетика

История познания учит: мир вокруг нас – движущаяся материя. Она выступает как физическое пространство с макротелами или системами, кои открыты (т.е. взаимодействуют с другими телами) и динамичны (т.е. меняются во времени). Та-кие макросистемы, способные менять тип своего поведения при внешнем действии, называют сложными системми. Субъект, познающий мир, материю и, стало быть, сложные системы, – это человек; он и сам есть сложная система. Дуальность поло-жения человека в мире как его субъекта и продукта составляет феномен человече-ского фактора. Такой фактор – причина и содержание проблем (т.е. затруднённых вопросов), возникающих постоянно и неизбежно перед людьми... Познание мира человеком отражает наука. Наука – генетически обусловленная, исторически сложившаяся, социально востреебованная и развивающаяся на основе общественной практики людей система знаний о мире и система способов приобретения таких знаний. Знания приобретаются наблюдениями, накоплением фактов и их осмыслением при поиске связей и отношений между фактами и явлениями, закономерностей в их проявлениях, путём открытия и установления законов и новых явлений. Цель и смысл науки – поиск новых явлений или новых проявлений известных явлений и открытие законов мира... Новое – это явление, которое нельзя предугадать, предвидеть на основе имеющихся к данному моменту времени знаний... Люди применяют для своего блага знания и выявленно е (т.е. открытое для себя и переданное другим) понимание законов мира. Применение людьми чего-либо для сво ег о блага есть прагматика. Для естественных наук – это техника или средства труда, которые развились и развиваются в общественном производстве для его осуществления, а также возникающие при этом и отношения человека с миром, и условия труда, и воздействие средств труда на предмет труда и среду окружения. Часто в быту техника – это приёмы, применяемые в некоей сфере деяний (техника танца, бега и т.п.)... Потребность людей в обеспечении отношений с миром придала особую роль информации и средствам её использования (приёму, хранению и передаче). Наука о процессах использования информации – информатика; она же и техника средств её использования. Но общепринятого определения «информации», которой орудует информатика, пока нет. Примем определение Г.Кастлера для наук о живом: информация – запомненный выбор варианта из набора возможных и равноправ-ных. Оно даёт меру информации. Её единица – бит (выбор варианта из двух воз-можных и равноправных). Количество информации I – логарифм по основанию 2 от числа вариантов N: I = log₂N (2.1).

. Логарифмическая мера взята, видимо, для практических удобств. Так, в случае всего лишь 20 остатков молекул аминокислот, важных для живого существа, число вариантов N независимых перестановок этих элементов есть факториал этого числа:

N = 20! ≈ 10²⁷. а количество информации: I» 89,7 (бит).. И неслучайно понятие «информаци я» часто подменяют мерой I её количества... А «выбор» в определении «информации» можно понимать и как «процесс», и как его «результат». В определении это результат. Но информация немыслима без выбора как процесса или информационногопроцесса... Для нашего времени очень значима технология как сознательно подготовленное и выполняемое применение системно построенной, иерархически организованной и технически обеспеченной совокупности подходов и действий, способов и приёмов, средств и условий, нужных для поддержани я и развития функциональных процессо в и связанных с ними образований... Наукоёмкие технологии разнообразны, но имеют общую черту. Это получение новых материалов с нужными свойствами и их обработка. И это придаёт научно-практическую ценность нашей дисциплине, ибо обеспечить управление синтезом новых материалов с нужными свойствами и их обработкой без оптотехнических средств, а среди них эллипсометрических средств на практике производственных отношений не удаётся и, видимо, не удастся... Решать задачи естествознания и техники, как учит история познания и общественная практика, надо, лищь опираясь на научную методологию. Различают методологию с позиций прагматики и гносеологии... Методология в прагматике – а) система методов познания при научной деятельности и б) система приёмов её осуществления... Методология в гносеологии– а) учение о методах научного познания материи и б) учение о системе научных понятий... В наше время основанием научной методологии стала синергетика. Термин ввёл в 70-х годах ХХ в. немецкий физик Г. Хакен в рамках его подхода к сложным системам. Он построен на греческой основе: synergetikos, причём приставка syn- означает ‘вместе’, а корень ergetikos – ‘работающий’... Синергетика – научное направление междисциплинарного характера, изучающее общие законномерности самоорганизации динамических открытых систем путём перехода их от хаоса к порядку... Сложная система с огромным числом её подсистем самоорганизуется при подводе потоков вещества, энергии и информации, причём состояние её задано огромным числом переменных. Но роль их для системы не одинакова. Среди всего огромного числа переменных есть одна и только одна, которая определяет неустойчивость системы в целом при внешнем воздействии. Это так называеиая неустойчивая пере-менная. Остальные же переменные устойчивы, так как не меняются практически за то короткое время, в течение которого эта неустойчивая переменная навязывает системе свой режим поведения при отклике на внешнее действие. И стратегически важен принцип подчинения, состоящий в том, что сложная система ведёт себя соответственно поведению лишь неустойчивой переменной. Oна-то и служит параметром порядка сложной системы. Уравнение параметра порядка – это есть нелинейное дифференциальное уравнение. Параметр порядка и принцип подчине-ния в сложных системах позволяют описать поведение в так называемых точках неустойчивости (бифуркации – раздвоения, даже полифуркации – ветвления) единым универсальным образом. Важно только правильно найти параметр порядка для систем различной природы. Так, для системы «пар + жидкость» параметр порядка – плотность; для магнетика – намагниченность; для лазера – плотность потока энергии; для биосистемы – популяция; для социума – капитал и т.п... Специфику сложных систем отражают сцепленные нами девять их признаков:. – 1) открытость (наличие взаимодействия макросистем с внешним миром);. – 2) пороговость или квантование отклика систем на внешнее воздействие;. – 3) нелинейность (наличие нелинейной связи отклика с этим воздействием);. – 4) несводимость сборки целого из отдельных частей к сумме таких частей;. – 5) динамическая неоднородность в состоя-ниях элементов и частей системы;. – 6) когерентность или самосогласованность, когда навязывание системе путей развития вне связи с тенденциями её движения создаёт обратный эффект;. – 7) катастрофа как средство самоорганизации всей динамической системы;. – 8) альтернативность (выбор возможного из путей развития);. – 9) эвристичность (непредсказуемость выбора путей движения системы)... И выскажем мысль фундаментальной значимости: сплошная среда, совершенно однородная и изотропная, содержит в себе разные виды локализации процессов (разные структуры). Структура в синергетике – локально организованный и движущийся во времени и пространстве процесс. Oна возникает, если есть (а) внешнее действие и (б) элементы системы, откликающиеся на него по-разному. Внешнее действие и динамическая неоднородность реакции на него элементов сложной системы и есть условие и источник её самоорганизации... Рассмотрим примеры. Развитые в синергетике методы не позволяют описать процесс самоорганизации на основе одного принципа (схемы). Видимо, таких принципа и схемы вообще нет. Но уравнения параметра порядка группируются по классам. И можно изучать системы независимо от их физической природы... И один тип поведения удалось описать подходящей моделью. Это есть процесс развития. Он отличен от других процессов, скажем, процесса роста, квантовым переходом в виде скачка из одного состояния в другое. До перехода системы её параметр порядка монотонно меняется до некоторого значения, а при достижении его система перескакивает в другое состояние, которое качественно отличается от прежнего. Но и в этом новом состоянии система ведёт себя хотя и по-иному, но так, что и на этом уровне параметр порядка системы меняется монотонно в одном направлении. Сам переход и есть квантование в поведении системы... Описание квантового скачка в сложной системе даёт теория особенностей устой- чивых отображений. Она с подачи Е.Зимана названа эффектно, хотя и пугающе для не совсем искушённой публики, – теория катастроф... Параметр порядка Х нестационарной системы описывается нелинейным диффе-ренциальным уравнением вида:

(dX/dt) = X³ – NX + R (2.2). а в случае стационарной системы: 0 = X³ – NX + R (2.3). где t – время, N и R – нормальный и расщепляющий соответственно факторы... Уравнения (2.2) и (2.3) – нестационарное и стационарное уравнения элементарной катастрофы типа «сборки» (или просто уравнения «сборки»)... Факторы N и R позволяют моделировать многие реальные сложные системы, при этом сами факторы N и R находят свой смысл только в конкретном процессе. И самая главная проблема при описании процесса моделью катастрофы «сборки» – это удачный выбор этих факторов N и R... А система уравнений Лоттке-Вольтерры позволяет эффективно описать динамику популяций при эволюции экосообществ типа «хищник + жертва»:

(dX/dt) = (K₁A – K₂B)X – K₂XY (2.4-1).. (dY/dt) = K₂XY – K₃BY (2.4-2). где X и Y – популяция жертв и хищников; А и В – объём и качественный уровень наличной пищи; К₁ и К₂ – параметры рождаемости и смертности жертв; К₃ – параметр смертности хищников; K₂XY – скорость убыли жертв из-за зубов хищников и, стало быть, скорость роста популяции хищников... Типичны здесь экосообщества «зайцы + волки», «зайцы + лисы», «овцы + волки», «воробьи + ястребы», «мыши + совы» и т.п. Имея некий опыт, можно представить, не вникая в детали решения этой системы уравнений (2.4), общие черты жизни таких экосистем. Так, если в экосистеме «зайцы + волки» у зайцев много пищи и волков мало, то зайцы создают нечто типа «демографического взрыва». А это ведёт к росту и популяции волков, так как у них под ногами копошится огромная масса приятной пищи. В итоге взрыв и в популяции волков, а они в силу своей натуры хищников съедают зайцев. Поедая практически всех зайцев, волки обрекают себя на смерть ещё до своего естественного срока, данного природой, так как у них нет пищи. И волки мрут повально. Резкий спад их популяции даёт рост популяции зайцев засчёт тех страдальцев, что остались как-то в живых. Этот рост популяции зайцев идёт быстро, так как морковки и капусты много, а волков мало. Этот цикл отношений в экосистеме «зайцы + волки» длится многие годы. Это наблюдают учё-ные и для других экосообществ «жертва + хищник» в различных регионах Земли... Кстати, эволюция многих динамических открытых систем сводится к уравнениям Лоттке-Вольтерры (2.4). Это и биочасы, и нейронные сети, и химические реакции в реакторах, и системы регуляции в автоматике. Здесь «жертва» – объект, «хищник» – элемент управления. А учебным стал пример саморегулирующейся системы в виде химической смеси, в которой течёт реакция Белоусова-Жаботинского. Если взять в равных объёмах такие вещества, как Ce(SO₄)₃, KB₂O₃, CH₂(COOH)₂ и H₂SO₄ при малом количестве окислительно-восстановительного индикатора, затем взболтать и поместить их при температуре 21°С в мелкую колбу, то можно видеть, как цвет смеси меняется периодически через 4 минуты от красного до синего. Затем через некоторое число циклов возникает пространственная неоднородность концентра-ции ионов церия, когда видны слои то красного цвета при избытке ионов Се⁺³, то слои синего цвета при избытке ионов Се⁺⁴. Картина держится около 30 минут, а потом исчезает и создаётся однородное по объёму сосуда распределение вещества. А при подводе веществ и отводе продуктов реакции, она держится довольно долго.. Обратимся к роли человеческого фактора в про-блемах (затруднённых вопросах) естествознания и техники. Их трудно понять, а честно говоря, практически и вообще нельзя понять, если не учесть суть и специфику человеческой деятельности вообще и, в частности, её реализации как феномена мысли-речи-языка. Oна служит способом, формой и содержанием жизни и развития такой уникальной сложной системы как человеческий социум. Это означает, что игнорировать законы, свойства и специфику взаимоотношений при осуществлении деятельности людей вообще и её мысле-рече-языкового феномена, в частности, было бы серьёзной ошибкой для наук в плане методологии без каких-то доводов и прагматической целесообразности. Но обратим внимание на некоторые факты и явления, свойства и законы, присущие деятельности людей вообще и мысле-рече-языковому феномену в частности. Это (а) прагматичность; (б) синергетичность, т.е. согласованность по цели и способу действий, синхронизация по месту и времени, коллективность по содержанию и реализации, подчинённость цели общего движения для жизни и творческого развития; (в) антиподные принципы максимальной экономии и достаточност и в достижении цели деятельности; (г) принцип антиципации или опережающего отражения реальности, по идее академика П.К. Анохина... Заостримся на последних моментах. Так, принцип максимальной экономии означает извечное стремление людей иметь максимум при минимуме усилий. Если принцип подчинения – стратегия развития сложных систем, то принцип максимальной экономии – тактика, дающая структуры в момент их жизни... Принцип достаточности значит, что человек вопреки принципу максимальной экономии тратит столько усилий, сколько их надо приложть ради цели деятельности в конкретных условиях её реализации... Антиципация (лат. anticipation – ‘предвосхищение’) – мысленное предвидение хода событий в будущем. Она присутствует в любой деятельности, производ-ственной, коммерческой и бытовой, культурной, научной и образовательной, военной, спортивной и т.п. Природа антиципации пока не ясна, но есть основания думать, что она как-то связана с памятью и наработанными эволюцией живой природы механизмами временной и пространственной кодировки сигналов, поступающих от окружающего мира. В ходе биоэволюции живые особи приобрели механизмы стабилизации, обеспечивающие контакт со средой через строго определённые каналы связи. И особи обмениваются с внешней средой веществом и энергией лишь при дискретно выраженных соотношениях и условиях. В ходе биоэволюции некие кодовые механизмы преобразовались в механизмы управления по принципу реле. Они имели 1) сверхнизкие пороги по энергии для пуска механизма различения и 2) минимум информации. Управление путём химических пространственных кодов дополнилось механизмами пуска электрическими сигналами. Oни, возникая при восприятии звуков речи и зрения за счёт действия второй сигнальной системы, бегут в нейронной сети организма с ничтожными нагрузками по энергии и информации. Благодаря кодировке во времени они определяют действия, задающие самоорганизацию биосистемы... И сверхспецифической формой кодового общения человека с миром стал язык, организованный по принципу временной кодировки, а точнее, феномен мысли - речи - языка при участии памяти. Этот феномен рождён, развит и развивается людьми как орудие разумно-жизненного общения... Язык – это информационная беспороговая в идеале система. Но и для языка есть барьер (порог) восприятия из-за отсутствия языкового контакта, или, наоборот, наличия сверхшума. По мнению французского психолингвиста Г. Гийома «мыслить – это значит подавлять шумы». Антиципирующая система развивается с ростом способности делать прогнозы будущего по мере их точности, дальности, длитель-ности и расширения спектра событий. Точный и надёжный прогноз поведения сложных систем в наукоёмких технологиях – важная и трудная научно-техническая задача естествознания и техники. Беспомощность в её решении ныне обязана многопараметричности процессов и конфликтности технологических систем. Конфликты весьма неустойчивы и описываются лишь теорией катастроф... Способ реализация и суть содержания познавательной и прагматической деятель-ности людей – измерение, а в её высшей форме – феномене мысли-речи-языка – оценка. Измерение – целенаправленная сознательная деятельность, состоящая в сравнении чего-то неизвестного с чем-то уже известным, одинаковым с изучае-мым по природе и взятым (принятым) как эталон (единица) сравнения, которое выполняется согласно выбранному критерию сравнения и всегда с некоторой погрешностью (ошибкой, неточность ю) сравнения. Измерить – значит сравнить с некоторой целью по выбранному критерию нечто неизвестное с чем-то известным, одинаковым с неизвестным по природе и взятым как единица (эталон) сравнения, и всегда с некоторой погрешностью... Измерение бывает трёх видов: а) научное измерение (эксперимент); б) оценка и в) контроль. Эксперимент – измерение, выполняемое для познания мира с минимально возможной погрешностью. Оценка – прагматическое измерение с нормативной (достаточной для цели сравнения) погрешностью.Контроль (контрольное измерение) – оценка в условиях общественного производства, а его погрешность бывает и не хуже, чем в эксперименте... Важная в естествознании и технике физическая величина, присутствующая при измерении, есть одно из многих конкретных свойств физического объекта (физической системы, процесса, явления или состояния), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, но различным по количеству для каждого конкретного объекта и выступающего как наше нечто при измерении. Измерение как деятельность имеет ряд компонент: 1) выбор физической величины; 2) выбор единицы сравнения; 3) выбор его критерия; 4) реализация сравнения; 5) его результат; 6) его запись; 7) оценка границ егодостоверности... Результат иерархии этих действий для естествознания и техники есть наименованное число в виде произведения обычного числа (без наименования) на единицу измерения... А вот результат оценки при мысле-рече-языковом действии представляется не числом, а словом. В повседневной жизни мы, называя что-либо, всегда так или иначе делаем оценку. Что-либо назвать – значит оценить называемое, внести его в опыт отношений с миром. Называние, номинация – это оценка без числа... Академик Виноградов В.В. в своём классическом труде «Русский язык» заметил, что «само предметное значение слова формируется оценкой и оценке принадлежит творческая роль в изменении значения». Важность этого замечания очевидна, так как известно, что разрешение научно-технических проблем глобального масштаба сост о ит в смене языка и системы понятий. Иначе говоря, такое разрешение сво-дится к смене парадигмы об отношениях субъекта с окружающим миром, природ-ным и техногенным. Парадигма есть мировоззренческая система представлений о мире. Мы держимся квантовой парадигмы как целостной системы мировоззрен-ческих представлений, основой которых служит признание и понимание квантовой природы отношений в мире, квантовой организации мира и квантовых законов его движения и квантовой методологии приобретения знаний о мире... Наконец, речевое общение людей задано целью мысле-рече-языкового действия; цель его даёт оценка ситуации речевого общения. И при обдумывании действий, когда роятся мотивы предвосхищения результата, и при решении выполнить действие; и в речи при анализе, выборе способа и средств действия, и при его выполнении, когда оно контролируется и регулируется с позиции как преодоления трудностей в достижении цели действия, так и самого достижения цели действия, оценка опять-таки всё решает. Для феномена мысле-рече-языка налицо психо-физическое поле взаимности, которое обеспечивает по оценке необходимые «согласное течение дел» (М.В. Ломоносов) и общение.

Дата добавления: 2014-01-13