Преджізні Відкритість Нелінійність Аттрактори

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Трохи історії

"У лазері велике число атомів занурені в активне середовище, наприклад, у такий кристал, як рубін. Після накачування ззовні атоми збуджуються і можуть випускати окремі цуги світлових хвиль. Таким чином, кожен атом випускає сигнал, тобто створює інформацію, стерпну світловим полем. У порожнині лазера іспущенние цуги хвиль можуть зіткнутися з іншим порушеними атомом, що призведе до посилення испускаемой ним хвилі ... Так як окремі атоми можуть випускати світлові хвилі незалежно один від одного і так як ці хвилі можуть потім посилюватися іншими збудженими атомами, виникає суперпозиція некорельованих, хоча і посилених цугов хвиль, і ми спостерігаємо абсолютно нерегулярну картину. Але коли амплітуда сигналу стає досить великий, починається абсолютно новий процес. Атоми починають когерентно осцілліровать, і саме поле стає когерентним, тобто воно не складається більше з окремих некорельованих цугов хвиль, а перетворюється в одну практично нескінченно довгу синусоїду.

Перед нами типовий приклад самоорганізації: тимчасова структура когерентної хвилі виникає без втручання ззовні. На зміну хаосу приходить порядок. Детальна математична теорія показує, що виникає когерентна світлова хвиля служить свого роду параметром порядку, що вимушує атоми осцілліровать когерентно, або, інакше кажучи, підпорядковує собі атоми "[1]

У наведеному уривку ми виділимо спочатку одне поняття - самоорганізація. Саме воно є ключовим для розуміння сутності синергетики. Синергетику і визначають як науку про самоорганізацію або, більш розгорнуто, про самовільне виникненні і самопідтримки впорядкованих часових і просторових структур у відкритих нелінійних системах різної природи. В описі процесу освіти когерентної світлової хвилі Хакен використовує цілий ряд інших основоположних понять синергетики. Накачування енергії означає, що розглянута система є відкритою, тобто має інтенсивний приплив енергії ззовні, а також відтоки енергії. Виникаюча тимчасова або просторова структура формується в активному середовищі і являє собою виявлення одного з потенційно властивих їй дискретних станів. Система реагує нелінійно, тобто перехід від неорганізованого поведінки атомів до злиття їх випромінювання в когерентну світлову хвилю відбувається не плавним шляхом, в лінійній пропорції до збільшення енергії, а стрибкоподібно - в момент, коли приплив енергії перевищить певний бар'єр. Розрізнене і невпорядковане поведінка окремих атомів відповідає хаотичного стану системи, макроскопічному хаосу, з якого шляхом фазового переходу народжується порядок. Для будь-якої системи можна визначити параметри порядку, що дозволяють описати її складну поведінку досить простим чином, а також вибрати певні контролюючі параметри, при зміні яких істотно змінюється макроскопічне поводження системи. Параметри порядку підпорядковують поведінку окремих елементів системи - в чому виражається введений Хакеном принцип підпорядкування.

Хакен належить безперечний пріоритет у створенні нового терміну - "синергетика" - і в розробці системи понять і теоретичних моделей, що описують механізми самоорганізації, але не абсолютну першість у дослідженні самих явищ самоорганізації.

У фізиці ефекти утворення стійких структур в умовах інтенсивного зовнішнього припливу енергії відомі досить давно. Взяти класичний приклад - утворення так званих осередків Бенара, викликаних конвективними течіями в підігрівається знизу в'язкої рідини. Цей досвід кожен може відтворити у себе вдома. Досить налити в сковороду товстий шар рослинного масла і поставити її на сильний вогонь. Через деякий час можна буде спостерігати, як нижній, дуже гарячий шар масла і верхній, не настільки гарячий, починають постійно змінювати один одного у вертикальному течії - але не безладному або поширюється відразу на всю ємність, а структурованому у формі правильних шестигранних осередків, що нагадують бджолині стільники. Просторові структури самоорганізації виникають тоді, коли різниця температур нижнього і верхнього шарів рідини досягає певного порогового значення. Потоки рідини спонтанно, тобто без будь-якого організуючого впливу ззовні, переходять на упорядкований стан, що відповідає відносно стійким і геометрично правильним формам. Варто зменшити вогонь під сковородою, і осередки знову перетворяться на безладні завихрення масла (що не завадить за підсумками досвіду підсмажити в ньому ковбасу). При більш інтенсивному нагріванні рідини в ній можуть виникнути більш складні просторово-часові структури, наприклад, осциляції вихорів. У Росії протягом декількох десятиліть продуктивно розвивається оригінальне напрямок синергетики, що вивчає локалізовані структури горіння і тепла, що виникають в надшвидких, лавиноподібних еволюційних процесах, в так званих режимах з загостренням. Цей напрямок представлено науковою школою академіка РАН А. А. Самарського та члена-кореспондента РАН С. П. Курдюмова. Досліджуються механізми формування локалізованих структур (самоорганізації), їх трансформації, синтезу (коеволюції) і розпаду.

Спочатку вивчення локалізованих структур горіння і тепла було пов'язано з практичним завданням утримання клубка плазми в заданих межах з метою отримання температури, необхідної для початку керованої термоядерної реакції. Корінь технічної проблеми полягав у тому, щоб зменшити контакт розжареної плазми зі стінками реактора і зменшити енергетичні витрати на утримують її магнітні поля.

Обчислювальні експерименти, проведені в 60-х роках, показали несподівану річ: існує такий режим надшвидкого стиснення і розігрівання плазми, при якому показник її температури на графіку злітає вгору майже вертикально, прагнучи до нескінченності, а ось просторовий об'єм клубка, тобто острівця тепла в навколишньому холодному світі, не розповзається, залишаючись в початкових кордонах. Виходить, що плазма створює кордону навколо себе із самої себе. Цей нелінійний ефект дозволяє у десятки тисяч разів знизити енергію, яка потрібна для ініціювання реакції термоядерного синтезу. Незвичайність такого стану плазмового середовища полягає в тому, що в будь-яких нормальних умов потенціал "тепло - холод" прагне до вирівнювання, подібно до того як порція холодного молока, влити в гарячу каву, робить його теплим.

А ось синергетика - чим вона і приваблива для допитливих розумів, що тяжіють до незвичайного в навколишньому світі, - доводить можливість руху в протилежному напрямку: від розповзання до локалізації тепла, від рівноваги до зростаючого нерівновазі і створенню структур у станах, далеких від рівноваги.

Відоме нам другий початок термодинаміки, що говорить про зростання безладу (ентропії) в замкнутих системах, втрачає свою силу для відкритих нелінійних систем, досліджуваних синергетикою. Локалізовані, що швидко розвиваються структури існують за рахунок зростаючої хаотизації середовища, на основі виробництва в ній ентропії. Структури горіння як би інтенсивно "випалюють" середовище навколо себе. І організація (порядок), і дезорганізація (ентропія) збільшуються одночасно. Але на піку загострення процесу розігріву і "підбирання" кордонів тепла структура стає надзвичайно хиткою, чутливої ​​до щонайменших флуктуацій, випадковим змінам ходу процесу. Вони здатні ініціювати розпад складної структури або ж вивести на інший, протилежний режим - режим спаду температури і розповзання тепла.

Преджізні

Важливі результати, що стосуються спонтанного виникнення упорядкованих структур, були отримані до початку 70-х років і в хімії. Вони пов'язані в першу чергу з дослідженнями, проведеними у Вільному університеті Брюсселя під керівництвом Іллі Пригожина - бельгійського вченого російського походження (в 1927 році в десятирічному віці він був відвезений батьками з Росії), що отримав в 1977 році за свої роботи в області нерівноважної термодинаміки Нобелівську премію .

"У різних експериментальних умовах, - пишуть Ілля Пригожин і його співавтор Ізабелла Стенгерс, - в однієї і тієї ж системи можуть спостерігатися різні форми самоорганізації - хімічні годинник, стійка просторова диференціація або утворення хвиль хімічної активності на макроскопічних відстанях" [2].

Хімічні годинник - мабуть, самий яскравий феномен самоорганізації хімічних процесів, відкритий на початку 50-х років російськими вченими Б. П. Бєлоусовим і А. М. Жаботинським. Структура, яка тут утворюється, являє собою не просторову, а тимчасову структуру - коливання з регулярною періодичністю.

Для теоретичного опису реакції Бєлоусова - Жаботинського Пригожин зі своїми співробітниками розробив спеціальну модель, названу брюсселятором. Вона виглядає так. Є речовини, що вступають між собою в хімічну реакцію. Концентрацію тільки одного з них - "керуючого" речовини - плавно збільшують. Як тільки концентрація переходить критичний поріг (за інших рівних параметрах), колишнє стаціонарне стан хімічної системи стає нестійким і концентрації двох інших реагуючих речовин починають коливатися з чітко вираженою періодичністю. Коливання відбуваються навколо деякого нестабільного фокуса і виходять на граничний цикл, тобто встановлюється сталий періодичне рух.

Кінцеву область неминучого сходження фазових траєкторій руху складної системи називають в синергетики аттракторів. В якості атрактора може виступати або точка (стійкий фокус), або інше більш складне утворення.

Існують дивні атрактори, коли траєкторії системи здійснюють довільні і не піддаються регулярному опису блукання всередині певної області. Дотримуючись Пригожина, дивний атрактор можна назвати "привертає хаосом". Щоб уявити собі наочніше картину хімічних годин, а її незвичайність висловити більш вражаючим чином, Пригожин і Стенгерс пропонують умовно вважати, що в реакції беруть участь молекули двох сортів - "червоні" і "сині". До переходу критичного порога концентрації "керуючого" речовини вони знаходяться в хаотичній суміші, і ми маємо в пробірці якусь фіолетову рідину з легкими безладними відхиленнями в один із двох первинних кольорів. "Іншу картину ми побачимо, розглядаючи хімічні годинник: вся реакційна суміш буде мати синій колір, потім її колір різко зміниться на червоний, потім знову на синій і т.д. Оскільки зміна забарвлення відбувається через правильні інтервали часу, ми маємо справу з когерентним процесом. Настільки висока впорядкованість, заснована на узгодженому поведінці мільярдів молекул, здається неправдоподібною, і якщо б хімічні годинник не можна було б спостерігати "на живо", навряд чи хто-небудь повірив, що такий процес можливий. Для того щоб одночасно змінити свій колір, молекули повинні "якимось чином" підтримувати зв'язок між собою. Система повинна вести себе як єдине ціле "[3]. У наявності ефект когерентного, кооперативної поведінки елементів у хімічних системах. У теорії самоорганізації проводиться чітке розходження між стаціонарними, "застиглими" структурами, такими, як грати кристалів, і відносно стійкими структурами, що викликаються до життя з спочатку хаотичного стану шляхом інтенсивної зміни по деякому ведучому параметру - будь то накачуванням енергії у фізичному ефекті лазерного випромінювання, збільшенням концентрації речовини в описаному вище хімічному ефекті або, з самої загальної точки зору, припливом інформації в середу, що також охоплюється синергетичним моделями. Перший тип структур - це, можна сказати, тупики еволюції. Для рівноважних стаціонарних структур мале збурення "звалюється" на ту ж саму структуру. Другий тип - це структури, здатні спонтанно виникати і розвиватися в активних, які розсіюють (дисипативних) середовищах в станах, далеких від термодинамічної рівноваги. Для позначення такого типу структур Пригожин запропонував використовувати поняття дисипативної структури. Саме вони у фокусі уваги синергетики.

Дисипативні структури виявляють характерне властивість: у станах нестійкості вони можуть виявитися чутливими до найменших випадковим відхиленням в середовищі. Короткий момент нестійкості, балансування системи на вістрі вибору між майбутніми станами, коли доля всієї системи може залежати від вторгнення однієї випадкової флуктуації, називається в синергетиці біфуркацією. Дослідження явищ самоорганізації в хімічних процесах призвели Пригожина до створення власної узагальненої теорії самоорганізації, далеко виходить за межі хімії. Він називає її по-різному: нелінійної нерівноважної термодинаміки, наукою про складне, теорією переходу від хаосу до порядку, але найчастіше теорією дисипативних структур.

Пригожин вважає за краще не користуватися терміном "синергетика", хоча за своїм внутрішнім змістом його дослідження, безперечно, належать до синергетичної теорії еволюції та самоорганізації складних систем.

Але створення теорії самоорганізації для Пригожина - ще не самоціль. Його надзавдання - використовувати дану теорію для розкриття глибинних механізмів походження живого. Він прагне подолати якісний розрив між описом живої та неживої природи чи з меншою мірою - що лежить у межах можливостей сучасної науки - додати ще кілька прольотів до того мосту, який вчені здавна намагаються навести над прірвою, що лежить між ними.

"Життя, свідомо вкладається в рамки природного порядку, постає перед нами як вищий прояв відбуваються в природі процесів самоорганізації. Ми ... стверджуємо, що, якщо умови для самоорганізації виконані, життя стає настільки ж передбачуваною, як нестійкість Бенара або падіння вільно кинутого каменя "[4], - пишуть Пригожин і Стенгерс.

У пошуках сполучних ланок між живим і неживим Пригожин спирається на дані молекулярної біології, що знаходиться як би посередині річки, що розділяє два береги. Він високо оцінює модель передбіологічній еволюції, розроблену німецьким вченим Манфредом Ейген. Згідно з дослідженнями Ейгена, системи полімерних молекул - молекул, які, взяті самі по собі, позбавлені в традиційному уявленні і "краплі" життя, - здатні підтримувати власне існування через цикл самовідтворення та протидії возмущающим впливам ззовні. Механізм їх самозбереження і адаптації до навколишнього середовища є прообразом механізму відтворення живих організмів через ланцюга ДНК.

Пригожин каже про спонтанні острівцях самоорганізації при переході до живого: "Мабуть, розумно припустити, що деякі з перших стадій еволюції до життя були пов'язані з виникненням механізмів, здатних поглинати і трансформувати хімічну енергію, як би виштовхуючи систему в сильно нерівноважні умови. На цій стадії життя, або "преджізні", була рідкісним подією і дарвінівський відбір не грав такої суттєвої ролі, як на більш пізніх стадіях "[5]. Погляд на природу як на єдине ціле, де поділ на живе і неживе не є абсолютним, але пов'язано з обмеженістю нашого розуміння речей, можна простежити далеко вглиб історії людської думки. Більш характерний він для східної філософії, але мав вплив і на Заході. У числі прихильників такого погляду і, по суті, віддалених попередників синергетичного світогляду варто згадати Шеллінга, який будував свою філософію виходячи з уявлення про природу як про єдиний живий організм. "Неорганічна і органічна природа зв'язані одним і тим же початком" [6], - писав він, вбачаючи такий початок у феноменах "організації" і спонтанного творчого акту. Що ж нового вносить тоді синергетика? Її нововведення і її крок вперед по відношенню до попередніх уявлень про єдині засадах живого і неживого полягають в міждисциплінарному науковому та узагальнено-теоретичному вивченні тих закономірностей, які складають універсальну основу процесів самоорганізації та еволюції складного, і в постійному підкріпленні своїх теоретичних уявлень численними досвідченими даними базових наукових дисциплін.

В античні часи наука, мистецтво і філософія знаходилися в нерозривній єдності і гармонії, а в самій науці дисциплінарні поділу були ледь намічені. Але в Новий час наука розпалася на автаркического володіння, кожне з яких вирізало з тіла природи власний фрагмент, скрупульозно розбирала його по клітинках і намагалося зрозуміти принцип його діяльності виходячи тільки з нього самого. Не дивно, що у наступну епоху, особливо з другої половини ХХ століття, посилилося зустрічне прагнення: зрозуміти світ у його цілісності, угледіти в штучно розсічених сферах щось суттєво спільне і як до природного підсумку прийти до об'єднання наук, створення єдиної науки про єдину природу. Об'єднання наук при цьому, звичайно, розумілося не як непродуктивне механічне злиття, а як вичленення в них деякого загального змістовного ядра і стиковка наук в якості лише умовно поділених ділянок єдиного дослідного поля.

Синергетика в найбільш послідовній формі відповідає на цей виклик часу. Вона говорить про можливі способи поєднання природничих та ряду гуманітарних наук - із збереженням, зрозуміло, їх власної ідентичності і предметної специфіки, а також про перспективи крос-дисциплінарної комунікації, творчого діалогу фахівців у різних галузях. Об'єднання можливе навколо вивчення основоположного феномену - феномену самоорганізації. Ймовірно, об'єднання наук здійсненно не у всій їх цілісності, а лише в певному аспекті - вивченні складних утворень (систем) на різних рівнях реальності, механізмів їх еволюції та самоорганізації.

Опозиція "живе - неживе" мислиться при цьому як головний, але не єдиний камінь спотикання з числа тих, що лежить на шляху об'єднання. Настільки ж важливою представляється задача об'єднати в єдиному дослідному фокусі мікро-і макросвіти, світ індивідуальної психології та поведінки і світ масових суспільних процесів, нарешті, світ науки з тим, що можна назвати життєвим світом людини, світом людської екзистенції. Синергетика покликана не тільки повернути науці цілісної людини, а й науку повернути людині, поставити її обличчям до його реальних проблем і турбот. До суті синергетики відноситься універсальний характер розкритих нею закономірностей, а значить, за необхідності міждисциплінарний характер проведених у її рамках досліджень. На перше місце вона ставить спільність процесів еволюції та самоорганізації, що мають місце у фізичних, хімічних, біологічних, соціальних та інших системах. Вказівка ​​ж на специфіку, несхожість цих систем розглядається скоріше як уточнюючій, коригуючої поправки, виноситься за дужки. При цьому завдання синергетики - не просто вловити зовнішні аналогії, а встановити внутрішні ізоморфізми поведінки таких систем. Синергетика рівним чином передбачає як сходження від конкретних експериментальних даних до теоретичних та міждисциплінарним узагальнень, так і зворотний процес - прикладне використання теоретичних уявлень і розроблених моделей у різних дисциплінах і сферах практичної діяльності.

Відповідно в синергетики можна виділити два напрямки - синергетику теоретичну і прикладну, хоча таке членування вельми умовно. Учені, що працюють над будь-якими конкретними завданнями у своїй області, часто пропонують синергетичного спільноті свіжі ідеї і гіпотези загального порядку, що народилися в ході вирішення таких завдань.

А запропоновані ідеї та гіпотези часто дають несподіваний імпульс для досліджень в зовсім іншій дисциплінарної області, в результаті чого в науковому співтоваристві відбувається постійний конструктивний обмін ідеями.

Сила й ефективність синергетики - у постійній взаємній підживленні дисциплін, у тому, що, виражаючись комп'ютерною мовою, фахівець в одній галузі знань має можливість перебувати в режимі прямого зв'язку з базами даних інших спеціальних наук.

У цьому полягає істотна перевага синергетики перед двома її попередниками, з якими її часто порівнюють, - кібернетикою, дітищем 50-х років, і так званим системним підходом (створенням загальної теорії систем), що отримав розвиток в 60-х роках. І кібернетика, і системний підхід функціонували наступним чином: вони витягали, абстрагувати щось спільне з різних конкретних дисциплін і потім працювали переважно з цією абстрагованою есенцією. Задаючими категоріальними схемами були в кібернетиці "вхід - вихід" і "сигнал - відгук", а в системному підході "елемент - система", "зворотний зв'язок - гомеостазис". Вчені отримували тюбик такий есенції і додавали її в казан своєї дисципліни, вважаючи, що тим самим застосовують кібернетичні ідеї або реалізують системний підхід. Не було прямої стикування, безпосередньої взаємодії дисциплін, що дали матеріал для отримання абстрагованою витяжки - того, що як раз є життєдайним для синергетичного спільноти.

Тут фізик охоче читає книгу нейрофізіолога про дивні атракторах в діяльності мозку, метеоролог знаходить багато цікавого в роботах з гідродинаміки і навіть галактичної астрономії (що не дивно, оскільки і тут і там йдеться про вихрових формоутворення і тонкій структурі хаосу в турбулентних течіях), психіатр черпає цінні підказки з лікування своїх пацієнтів, вивчаючи сценарії еволюції детермінованого хаосу, і всі вони чудово спілкуються на універсальній мові "атракторів", "флуктуацій" і "біфуркацій".

Однією з сполучних точок у створенні міжнародного синергетичного спільноти став Інститут теоретичної фізики і синергетики при Університеті Штутгарта, заснований і довгі роки беззмінно очолюваний Германом Хакеном. У 1997 році Хакен відзначив свій сімдесятирічний ювілей і пішов з посади директора, очоливши Центр синергетики в цьому інституті. Об'єднання вчених навколо інституту сприяло налагодженню регулярних особистих контактів і широкому поширенню ідей синергетики в науковому світі.

Наочним втіленням авторитету і високої продуктивності синергетики стала серія індивідуальних і колективних монографій під загальною назвою "Синергетика", що випускається провідним німецьким науковим видавництвом "Springer" в тісній співпраці з Інститутом Хакена. З середини 70-х років вийшло вже понад 70 томів. Перерахування спеціальних наукових областей, представники яких друкувалися в серії, вийшло б, напевно, за межі двох десятків.

Разом з тим і тридцять років потому "синергетики" так і не стали називати себе "Синергетика". Фізик скромно скаже: "Я використовую синергетичні моделі", як скаже і захоплений синергетикою хімік, біолог чи географ-урбаніст.

Важко знайти підходяще місце для синергетики в науковій табелі про ранги. Що це: теорія? парадигма? дисципліна? наука? Всі ці слова здаються не дуже підходящими. Правильно було б назвати синергетику науковим напрямом, а ще точніше - науковим рухом, за аналогією з рухом політичним. Тут немає ані суворого членства, ні чіткої організаційної ієрархії, ні інституційного віднесення до однієї з наукових рубрик, створених для зручності університетського викладання і просування по дисертаційним сходами. Є діяльну устремління вчених-однодумців, що складається в тому, щоб пізнати - кожному з даного йому в силу його наукової спеціалізації кута зору - один з дивних феноменів буття: феномен самоорганізації.

Відкритість. Нелінійність. Аттрактори

Отже, ми маємо систему, відкриту для протоки енергії чи іншого досить інтенсивного впливу ззовні. Система розуміється як складна, тобто містить дуже велике, іноді важко ісчіслімое безліч елементів - атомів в кристалі лазера, молекул в хімічному розчині, людей у ​​суспільстві, нейронів в мозку, що знаходяться в складній взаємодії один з одним, - і тому процеси в системі будуються як масові кооперативні процеси.

Разом з тим складність чи простота системи - поняття відносні. Вдаватися до них як до визначальними показниками здається нам не дуже продуктивним. Синергетика здатна розглядати будь-яку систему одночасно і на макрорівні - як цілісність, описувану досить просто небагатьма параметрами порядку, і на мікрорівні - як складна взаємодія безлічі елементів. Наприклад, полум'я, будучи видимим вираженням структури горіння, може зображуватися і як самостійне утворення, як власне полум'я, з його формою, кольором, температурою, іншими об'єктивними показниками, і як поєднання, взаємодія безлічі не до кінця згорілих частинок, які й утворюють видимий язичок . Нарешті, полум'я може бути розібране і на більш дрібні складові і представлено у вигляді турбулентного потоку розігрітих, що швидко молекул.

На різних рівнях можна описати і будь-яке психологічне явище, скажімо, пережите людиною глибоке потрясіння. На одному рівні, описуваному власне психологічної наукою, воно буде виглядати як перегрупування, переконстелляція елементів духовного світу людини - невеликого безлічі описаних у психологічних і моральних термінах показників ("У мене заново відкрилися очі", "Я став іншою людиною"). Але той же особистісний зрушення може бути представлений на рівні перебудови нейронних мереж, що забезпечують протягом психологічних процесів. А тут ми знову, як і у випадку з полум'ям, маємо справу вже з практично безмежним безліччю.

Те ж саме може бути сказано і про співвідношення понять "хаос" та "порядок", яким в синергетики іноді неправомірно надається сутнісний, самодостатній сенс. Немає абсолютного хаосу і абсолютного порядку. Коректніше було б говорити, що зростає міра впорядкованості (або хаотичності) за будь-яким показником за рахунок або на противагу зниженню заходи упорядкованості (або хаотичності) по іншому показнику.

Сам хаос має тонку, іноді невидиму для зовнішнього спостерігача структуру, наприклад, в турбулентному плині. А порядок - це організований хаос.

Відкритість - необхідна, але не достатня умова для самоорганізації системи. Система повинна бути ще й нелінійної.

З математичної точки зору нелінійність означає особливий тип математичних рівнянь, які описують не плавний, а суттєво нерівномірний ріст функції і мають кілька якісно різних рішень. Звідси зрозумілий і фізичний зміст нелінійності: певного набору рішень нелінійного рівняння відповідає множина шляхів еволюції системи, що описується цим рівнянням, а перехід в той чи інший відносно стійкий стан системи або русло еволюції відбувається стрибкоподібно, відповідно особливим точкам графічної кривої.

Для тих, хто любить образні роз'яснення, можна запропонувати таке: ви берете свисток або дудку і починаєте туди дути, спочатку слабо, потім все сильніше і сильніше (відкритість системи і проток енергії). У якийсь момент при посиленні потоку повітря неясне шипіння раптом стрибком (нелінійність) переходить в свист - який, по суті, являє собою резонансну звукову хвилю єдиного тону, тобто впорядковану хвильову структуру. Але якщо ви перестараєтеся і станете дути з усієї наявної у вас сечі, то радує душу чистий звук перейде в переривчастий хрип зі слиною на виході (незнання синергетики). Повернемося до порівняння синергетики з кібернетикою. Кібернетика і різні варіанти теорії систем досліджували головним чином процеси гомеостазу, підтримки рівноваги в технічних, біологічних та соціальних системах. Кібернетика намагалася звести складні нелінійні еволюційні процеси до лінійним, принаймні, на певних стадіях, де це можливо. Вона розглядала тільки ті випадки, коли нелінійна система могла досліджуватися, як якщо б це була лінійна система з повільно змінними параметрами. Кібернетика розробляла алгоритми і методи зовнішнього контролю над системами. Синергетика ж вивчає процеси самоорганізації систем, їх свого роду самоконтролірованіе, основу для чого створюють нелінійні властивості систем.

Отже, якщо нелінійна система відкрита і її внутрішні флуктуації або зовнішні впливи перевищать якесь порогове значення, то вона може стрибком перейти в нове макроскопічне стан. Але що це за стан? І які стану взагалі можливі?

Ми підходимо тут до одного з центральних тез синергетики. Це - дискретність можливих станів, у які може переходити система в процесі еволюції, а також заданість, обмеженість їх числа. Інакше кажучи, спектр можливих структур-атракторів еволюції, тобто структур, на які виходять еволюційні процеси в цій системі, не є суцільним. У процесі еволюції система може перейти або в той, чи в цей стан, але не в щось середнє між ними. Тільки певний набір еволюційних шляхів дозволений, бо тільки цей набір відповідає внутрішнім властивостям даної системи. У принципі, принаймні, в задачах математичної фізики, які пов'язані, наприклад, з виявленням щодо стійких структур самоорганізації плазми, цей набір математично обчислюємо.

Проілюструвати уявлення про дискретність і обмеженості набору потенційних станів можна багатьма прикладами. У фізичної і хімічної областях ми стикаємося з основоположними феноменами - дискретністю енергетичних рівнів в атомі, що задовольняють заданим орбітах електронів, і якісною визначеністю хімічних елементів, що представляють собою набір можливих у природі типів атомів.

Дискретність проявляється і в рухах живих істот. Давним-давно людина помітила, що коням властиві певні алюр: крок, рись, інохідь, галоп. У кожному алюрі рух членів коні погоджено строго певним чином, причому перехід від одного типу руху до іншого відбувається за стрибком. Незліченні кінські покоління на Землі відтворюють один і той же набір аллюров. Можна спостерігати характерні положення хобота слона, хвоста кішки і собаки, відповідні цілком певним емоційним станам або реакцій тварин. Вони не змінюються від особини до особини і не мають проміжних, полувираженних ступенів.

Звернемося тепер до поняття аттрактора. Під аттракторів розуміється стан системи, до якого вона еволюціонує. Наявність спектру потенційно можливих стійких структур-атракторів системи є просто інше, переформулювати відображення ідеї дискретності. Набір атракторів можна образно уявити як набір лунок на поле настільної гри, в одну з яких обов'язково скотиться пущений пружиною металева кулька.

На графіку аттрактор виглядає як сходження траєкторій до однієї точки або замкнутої петлі, в межах якої регулярно коливається стан системи. Точка сходження не залежить від того, з якого місця графіка тягнеться траєкторія, тобто від початкових умов руху. У синергетики говорять про конусі тяжіння аттрактора, який як би затягує в себе безліч можливих траєкторій системи, визначених різними початковими умовами. Воронка тяжіння стягує розрізнені вихідні лінії траєкторій до загального, все більш вузький пучок.

Парадоксальність дії аттрактора полягає в тому, що він здійснює як би детермінацію майбутнім, точніше, майбутнім станом системи. Стан ще не досягнуто, його не існує, але воно якимсь загадковим чином простягає щупальця з майбутнього в сьогодення. Тут і постає філософська проблема можливості цілепокладання в неорганічної природи. Чи можна аттрактор розглядати як свого роду мета руху системи? У синергетики відповідають: в онтологічному сенсі - навряд чи. Але в методологічному сенсі погляд на аттрактор за аналогією з метою, як якщо б це була обрана системою мета, часто виявляється дієвим.

Не треба думати, що "траєкторії", "воронки тяжіння", "атрактори" - це щось дуже далеке від звичайного життя. "Кігтик загруз - всій пташці прірву", - народ давним-давно сформулював ідею, яку синергетика втілює в строгі математизувати одягу.

А ось як осмислював події свого життя А. И. Герцен. "Кожна людина, багато що випробував, - писав він, - пригадає собі дні, години, ряд ледь помітних точок, з яких починається перелом, з яких тягне вітер з іншого боку, ці ознаки чи перестороги зовсім не випадкові, вони - наслідки, початкові втілення готового вступити в життя викриття, таємно бродячого і вже існуючого "[7]. Читача, вперше знайомиться з світоглядним і методологічним змістом синергетики, може переслідувати неясне відчуття, що він десь про це вже чув. І потім до нього доходить: та це ж діалектичний матеріалізм! Взяти хоча б одну з ключових синергетичних ідей - плавне кількісне наростання з якого-небудь ведучому параметру і раптовий (хоча й, в принципі, математично описуваний) перехід системи в якісно новий стан. Можливо, для західного вченого, чий світогляд формувався, скажімо, в дусі кантіанства, логічного позитивізму або критичного раціоналізму К. Поппера, тут містяться елементи одкровення, що частково пояснює репутацію синергетики як піонерської дисципліни. Але радянському читачеві, якого зі школи виховували в дусі марксизму-ленінізму, пам'ятний закон переходу кількісних змін у якісні: їм у марксизмі пояснюється і виникнення життя на певній стадії розвитку матерії, і виникнення свідомості, і виникнення людського суспільства, і зміна однієї суспільно-економічної формації іншою.

Разом з тим є суттєві відмінності між синергетикою і діалектичним матеріалізмом. Зокрема, марксизм пропонує безальтернативну картину розвитку суспільства. Капіталістична стадія з необхідністю змінює феодальну стадію, і з такою ж необхідністю на зміну капіталізму має прийти комунізм. Синергетики ж чужа ідея предзаданності історичного ходу розвитку. Вона стверджує, що, хоча набір можливих еволюційних шляхів обмежений, з них у силу впливу випадкових факторів може бути обраний той чи інший.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
66.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Відкритість економіки
Відкритість властивість реальних систем
© Усі права захищені
написати до нас