Формирование синергетики как нового направления в науке

Таким образом, для системного подхода характерно именно целостное рассмотрение, установление взаимодействия составных частей или элементов совокупности, несводимость свойств целого к свойствам частей.

Становление и сущность системного метода исследования

В самом общем смысле слова под системным исследованием предметов и явлений окружающего нас мира понимают такой метод, при котором они рассматриваются как части единого образования. Эти части, или элементы, взаимодействуя друг с другом, определяют новые, целостные свойства системы, которые отсутствуют у отдельных ее элементов.

Корни системного подхода к изучению окружающего мира уходят в глубокую древность. В неявной форме они ясно сознавались и широко применялись вантичной науке, хотя сам термин «система» появился значительно позднее. Настоящий прорыв в системных исследованиях возник после окончания Второй мировой войны, когда появилось системное движение, способствовавшее внедрению идей, принципов и методов системного исследования не только в естествознание, но и в социально-экономические и гуманитарные науки.

Понятие системы. Чем мы руководствуемся при отнесении одних совокупностей к системам, а других – к агрегатам (этим термином будем обозначать совокупность предметов и явлений, системами не являющихся)? В первом случае обнаруживается определенная целостность, единство составляющих систему элементов. Во втором случае такое единство и взаимосвязь отсутствуют, установить их трудно, и поэтому речь идет об агрегате элементов.

Свойства агрегатов возникают из суммирования свойств составляющих их частей. Так, длина тела, состоящего из нескольких частей, так же как и его вес, могут быть найдены путем суммирования соответственно длин и весов его частей. В отличие от этого температуру воды, полученную путем смешения разных ее объемов, нагретых до разных градусов, нельзя вычислить таким способом. Нередко поэтому говорят, что если свойства простых совокупностей аддитивны, то есть суммируются или складываются из свойств или величин их частей, то свойства систем как целостных образований неаддитивны.

Строение системы характеризуется теми компонентами, из которых она образована. Такими компонентами являются: подсистемы, части или элементы системы, в зависимости от того, какие единицы принимаются за основу деления.

Подсистемы составляют части системы, которые обладают определенной автономностью, но в то же время они подчинены и управляются системой. Обычно подсистемы выделяются в особым образом организованных системах, которые называются иерархическими.

Элементами обычно называют наименьшие единицы системы, хотя в принципе любую часть можно рассматривать в качестве элемента, если отвлечься от ее размера.

В качестве типичного примера можно привести человеческий организм, который состоит из нервной, дыхательной, пищеварительной и других подсистем, часто называемых просто системами. В свою очередь, подсистемы содержат в собственном составе определенные органы, которые состоят из тканей, а ткани – из клеток, а клетки – из молекул.

Структурой системы называют совокупность тех специфических взаимосвязей и взаимодействий, благодаря которым возникают новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у отдельных ее компонентов. Такие свойства называют эмерджентными, или возникающими в результате взаимодействия.

В зависимости от конкретного характера взаимодействия между компонентами мы различаем различные типы систем: электромагнитные, атомные, ядерные, химические, биологические и социальные.

Классификация систем может производиться по самым разным основаниям. Так, системы можно разделить на системы материальные и идеальные,или концептуальные. К материальным системам относится подавляющее большинство систем неорганического, органического и социального характера. Материальные системы в свою очередь могут быть разделены на основные классы, соответственно той форме движения материи,которую они представляют: гравитационные, физические, химические, биологические, геологические, экологические и социальные системы, а также технические и технологические системы.

Все эти системы называются материальными, или объективными, потому что их содержание и свойства не зависят от познающего субъекта. Однако субъект может все глубже, полнее и точнее познавать их свойства и закономерности с помощью создаваемых им концептуальных систем. Такие системы на этом основании называются концептуальными, или идеальными, именно потому, что они представляют собой отражение материальных, объективно существующих в природе и обществе систем.

Наиболее типичным примером концептуальной системы является научная теория, которая выражает спомощью своих понятий, обобщений и законов объективные, реальные связи и отношения, существующие в конкретных природных и социальных системах.

Другие классификации в качестве основания деления рассматривают признаки, характеризующие состояние системы, ее поведение, взаимодействие с окружением, целенаправленность и предсказуемость поведения и т. п. свойства.

Наиболее простой классификацией является деление систем на статические и динамические,которое в известной мере является условным, так как все в мире находится в постоянном изменении и движении. Поскольку, однако, даже в механике мы различаем статику и динамику, то целесообразно рассматривать специально также статические системы.

Среди динамических систем обычно выделяют детерминистские и стохастические системы. Так, предсказания, основанные на изучении поведения детерминистских систем, имеют однозначный и достоверный характер. Именно такими системами являются динамические системы, исследуемые в классической механике и астрономии. Стохастические системы, которые чаще всего называют вероятностно-статистическими, имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями и явлениями. Предсказания в них имеют не достоверный, а лишь вероятностный характер.

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), аиногда выделяют также частичнооткрытые системы. Такая классификация носит в основном условный характер, ибо представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике как определенная абстракция, которая оказалась не соответствующей объективной действительности, где подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.

Возникновение самого системного метода и его применение в естествознании и других науках знаменуют значительно, возросшую зрелость современного этапа их развития. Системный метод прошел разные этапы, что отразилось на самой терминологии, которая, к сожалению, не отличается единством.

С точки зрения практической значимости можно выделить:

· системотехнику, занимающуюся исследованием, проектированием и конструированием новейших технических систем, в которых учитывается не только работа механизмов, но и действия человека-оператора, управляющего ими. Это направление в настоящее время приобретает все большее значение в связи с внедрением человеко-машинных систем, в том числе и компьютеров, работающих в режиме диалога с исследователем;

· важной областью применения системных идей является системный анализ,который занимается изучением комплексных и многоуровневых систем. К ним относятся, например, система организации современной фабрики или завода, в которых в единое целое объединены производство, снабжение сырьем, сбыт товаров и инфраструктура;

· особый интерес для науки представляют, конечно, системы в точном смысле слова, которые изучают специфические свойства систем, состоящих из объектов единой природы, например, физические, химические, биологические и социальные системы.

Если системотехника и системный анализ фактически являются приложениями некоторых системных идей в области организации производства, транспорта, технологии и других отраслей народного хозяйства, то теория систем исследует общие свойства систем, изучаемых в естественных, технических, социально-экономических и гуманитарных науках.

Фундаментальная роль системного метода заключается в том, что с его помощью достигается наиболее полное выражение единства научного знания. Это единство проявляется, содной стороны, во взаимосвязи различных научных дисциплин, которая выражается в возникновении новых дисциплин на «стыке» старых (физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, биогеохимия и другие), в появлении междисциплинарных направлений исследования (кибернетика, синергетика, экологические программы и т. п.).

С другой стороны, системный подход дает возможность выявить единство и взаимосвязь в рамках отдельных научных дисциплин.Это единство заключается, прежде всего, в установлении связей и отношений между самыми различными по сложности организации, уровню познания и целостности охвата концептуальными системами, с помощью которых как раз и отображается рост и развитие нашего знания о природе. Чем обширнее рассматриваемая система, чем сложнее она по уровню познания, иерархической организации, тем больший круг явлений она в состоянии объяснить. Таким образом, единство знания находится в прямой зависимости от его системности.

В полной мере методологическая роль системного подхода проявилась при формировании нового направления научных исследований – синергетики.

В классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием классической физической дисциплины – равновесной термодинамики. Ею установлено, что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны. Первое начало (закон) термодинамики устанавливает, что работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность! Знаменитое второе начало термодинамики в формулировке немецкого физика Рудольфа Клаузиуса (1822 – 1888) звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему».

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, но в реальности такого никогда не происходит. Такая однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивается с помощью второго начала. Для отражения этого процесса в термодинамике служит понятие «энтропия» (от греч. entropia – поворот, превращение) как мера беспорядка системы. Формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц - состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Общий итог достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. всреднем равномерно распределится между всеми элементам и системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная – замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. На основе такого рода рассуждений Клаузиус сформулировал гипотезу «тепловой смерти Вселенной».

Возникает, правда, вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как же она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? В эпоху классической термодинамики единственным немым укором ей служила дарвиновская теория эволюции: процесс развития биологического мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием организации и порядка, иными словами, живая природа стремилась прочь от термодинамического равновесия. Такое «противоречие» законов развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.

Такое удивление возросло с появлением модели развивающейся Вселенной. Если принцип возрастания энтропии универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Стоит отметить, что постулат о способности материи к саморазвитию, к самоорганизации в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. В технике обычно под самоорганизующимися системами подразумевают саморегулирующиеся механизмы: различные автоматические системы и регуляторы, в экономике саморегулирующимся считают механизм рынка свободной конкуренции, в физиологии - механизмы гомеостаза. В биологии стали говорить о механизме автопоэзиса, обеспечивающего самообновление живой системы.

Термин «синергетика» (от греч. synergeticos – совместный, согласованно действующий процесс), введенный Германом Хакеном в 1973 г., как раз и предназначен для более точного понимания самоорганизации: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин»[12].

Синергетика возникла благодаря системным идеям современной науки несколько десятилетий назад. Иное название синергетики – неравновесная термодинамика – дано Ильей Романовичем Пригожиным (1917 2003) для того, чтобы подчеркнуть отличие от классической равновесной термодинамики. В свою очередь, идеи синергетики являются дальнейшим обобщением и развитием специфических понятий и принципов, найденных в конкретных дисциплинах.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют следующим условиям:

во-первых, являются открытыми, то есть взаимодействуют с окружающей средой, обмениваясь с ней веществом, энергией, а нередко и информацией;

во-вторых, они находятся достаточно далеко от точки термодинамического равновесия, являются существенно неравновесными;

в-третьих, они должны состоять из достаточно большого числа элементов, которые взаимодействуют друг с другом специфическим образом, а тем самым быть системами сложноорганизованными и нелинейными.

Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики – это определенная идеализация, в реальности такие системы – исключение, а не правило.

Указанные условия минимально необходимы для возникновения самоорганизации на самых низших уровнях строения материи. Синергетика впервые установила возможность появления самоорганизации даже в системах неорганической природы, то есть в самом фундаменте здания материи. Она показала место самоорганизации в механизме эволюции, поставила и решила ряд мировоззренческих вопросов:

Состоит ли окружающий нас мир из разнообразных по содержанию и форме самоорганизующихся материальных систем?

Возникла ли живая природа в результате закономерного процесса самоорганизации, начавшегося в неорганической природе и завершившегося возникновением сначала живой материи, а затем и общества?

Самоорганизация в ряде сфер общества происходит стихийно, и результаты её заранее не сознаются людьми, однако определенные общественные и государственные организации формируются вполне сознательно и преследуют вполне конкретные цели и интересы отдельных сообществ людей, народов и государств. Отсюда возникает задача ясного разграничения самоорганизации и организации, их соотношения и взаимодействия между ними в процессе эволюции общества.

Действительно, социально-экономические и гуманитарные науки встретились с проблемой самоорганизации уже в самом начале своего возникновения:

Почему, несмотря на разнообразные, а часто прямо противоположные интересы и цели людей, на рынке возникает никем не запланированный, спонтанный порядок?

Устанавливаются ли нормы нравственности сверху или же они формируются постепенно в ходе длительного взаимодействия людей в ходе культурно-исторического развития под влиянием изменяющихся условий жизни?

Создаются ли язык, культура и остальные институты общества в результате деятельности идеологов, политиков или людей, стоящих у власти?

Ответы на эти вопросы впервые высказывались именно в социально-экономических и гуманитарных науках, хотя и в недостаточно ясных и точных терминах. Не случайно поэтому некоторые современные ученые называли, например, основоположника классической политической экономии Адама Смита (1723 – 1790) предтечей кибернетики на том основании, что у него в неявном виде встречается апелляция к принципу отрицательной обратной связи.

Осознанию глубины и общности значения принципа самоорганизации мешала разобщенность исследователей, работавших в различных отраслях естественных и общественных наук. Постепенно принцип самоорганизации в той или иной форме появлялся в разных науках при решении конкретных отдельных проблем. Так, в физиологии Уолтер Кеннон (1871 – 1946) сформулировал свой знаменитый принцип гомеостаза: в процессе адаптации к изменяющимся условиям существования живые организмы перестраиваются так, чтобы поддержать устойчивость важнейших параметров своей жизнедеятельности.

Значительный импульс исследованию процессов самоорганизации придало возникновение кибернетики (от греч. kybernetike — искусство управления) – науки об управлении, связи и переработке информации. Кибернетика обобщила принцип отрицательной обратной связи. Однако этот принцип объясняет лишь сохранение и поддержание устойчивости динамических систем, но не раскрывает, каким образом такая устойчивость и порядок возникают. Большинство автоматов и технических устройств, сконструированных в кибернетике, опираются, по сути дела, на внешнюю организацию, то есть «самоорганизация» в них заранее запланирована и организована человеком - конструктором. В отличие от этого самоорганизация и основанная на ней эволюция в живой природе и обществе всегда сопровождается теми или иными изменениями.

Синергетика стремится объяснить то, что не удавалось понять с помощью принципа отрицательной обратной связи. Именно для раскрытия механизма возникновения новых структур и систем синергетика использует принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, происходящие в старой системе, не устраняются, а наоборот накапливаются и усиливаются. Количественные изменения в рамках систем приводят к их коренным, качественным изменениям и, в итоге, к образованию систем с новыми структурами и новыми системными свойствами.

Диалектика простого и сложного. В классической науке тенденция исследования сложного и объяснения его на основе простых, элементарных частей, сформировалась в метод редукции, то есть сведения сложного к простому. Так, сначала редукция применялась для объяснения сложных явлений и процессов посредством понятий и законов механики, после открытия атомно-молекулярного строения вещества ее использовали для объяснения макроскопических свойств тел посредством простейших свойств составляющих их мельчайших частиц – атомов и молекул. По сути дела, все качественные различия тел в природе на основе редукционизма сводятся к количественной комбинации простейших её элементов.

Редукционизм оправдан, когда речь идет о поиске взаимосвязи и единства между кажущимися на первый взгляд разнообразными явлениями и процессами природы. Так, открытие законов земной и небесной механики позволило раскрыть единство между перемещениями тел на земной поверхности и движениями небесных тел; с помощью спектрального анализа было доказано, что химический состав небесных тел содержит те же самые элементы, которые встречаются на Земле.

Со временем стало ясным, что подобный подход является ограниченным: он не учитывает коренного, качественного различия между разными уровнями строения материи.

Системный метод обосновал глубокую внутреннюю связь не только между целым (системой) и её частями (элементами), но и простым и сложным. Вопреки редукционизму, свойства целого не могут быть сведены к свойствам частей. Свойства системы как целого имеют эмерджентный (от англ. emergent – внезапно возникающий) характер, ибо они возникают в результате взаимодействия частей, а не простого суммирования их свойств. Иными словами эмерджентные свойства – это такие свойства, которых нет ни у одного элемента системы, взятого в отдельности.

Однако до возникновения синергетики механизм такого взаимодействия оставался неясным. На основе теоретического анализа таких процессов, как образование снежинок при кристаллизации воды, образование ячеек на поверхности жидкости (опыт Бенара), самоорганизация структур в химических реакциях («химические часы» Белоусова – Жаботинского), в лазерном излучении, – сформировались первые теоретические представления и модели сложноорганизованных процессов.

Дата добавления: 2015-06-04