обнаруживает, что и в современном исследовании процесс выдвижения
математических гипотез может быть целенаправлен онтологическими принципами
картины мира.
5. Теория самоорганизации (синергетика).
От моделирования простых к моделированию сложных систем.
Классическое и неклассическое естествознание объединяет одна общая
черта: предмет познания у них - это простые (замкнутые, изолированные,
обратимые во времени) системы. Но, в сущности, такое понимание предмета
познания является сильной абстракцией. Вселенная представляет из себя
множество систем. И лишь некоторые из них могут трактоваться как замкнутые
системы, т.е. как “механизмы”. Во Вселенной таких “закрытых” систем
меньшинство. Подавляющее большинство реальных систем открытые. Это значит,
что они обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.
К такого рода системам относятся и такие системы, которые больше всего
интересуют человека, значимы для него - биологические и социальные системы.
Человек всегда стремился постичь природу сложного. Как ориентироваться
в сложном и нестабильном мире? Какова природа сложного и каковы законы его
функционирования и развития? В какой степени предсказуемо поведение сложных
систем?
В 70-е годы ХХ века начала активно развиваться теория сложных
самоорганизующихся систем, получившая название синергетики. Результаты
исследований в области нелинейного (порядка выше второго) математического
моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного
научного направления в современном естествознании - синергетики. Как и
кибернетика (наука управления ) , синергетика - это некоторый
междисциплинарный подход. Но в отличие от кибернетики, где акцент делается
на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на
исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и
самоусложнения.
Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче мира закрытых,
линейных систем. Вместе с тем, “нелинейный мир” и сложнее поддается
моделированию. Большинство возникающих нелинейных уравнений не может быть
решено аналитически. Как правило, для их (приближенного) решения требуется
сочетание современных аналитических методов с большими сериями расчетов на
ЭВМ, с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для
исследования - необычные для классического и неклассического естествознания
- стороны мира: его нестабильность, многообразие путей изменения и
развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных
структур, делает возможным моделирование катастрофических ситуаций и др.
Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных
самоорганизующихся систем в физике и гидродинамике, в химии и биологии, в
астрофизике и в обществе: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов
функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и
автоколебательных процессов в химии (так, например реакция
самоструктурирования химических соединений Белоусова - Жаботинского) до
эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до
формирования общественного мнения и демографических процессов.
6. Характеристики самоорганизующихся систем.
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся
системы. Что такое самоорганизующиеся системы? Один из основоположников
синергетики Г. Хакен следующим образом определяет понятие
самоорганизующейся системы: “Мы называем систему самоорганизующейся, если
она без специфического воздействия извне обретает какую-то
пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим
внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе
структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем
испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость,
подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате
самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки. Таким
образом, современное естествознание ищет пути для теоретического
моделирования самых сложных систем, которые присущи природе - систем,
способных к самоорганизации, саморазвитию.
Основные свойства самоорганизующихся систем - открытость,
нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с
открытыми, нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия.
6.1 Открытость.
Классическая термодинамика имела дело с закрытыми системами, т.е.
такими системами, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и
информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является
понятие энтропии. Это понятие относится к закрытым системам, находящимся в
тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой Т.
Изменение энтропии определяется формулой:
d E = d Q / T ,
где d Q - количество тепла, обратимо подведенное к системе или
отведенное от нее.
Именно по отношению к закрытым системам и были сформулированы два
начала термодинамики. В соответствии с первым началом термодинамики, в
закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные
формы.
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия
никогда не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет
максимума. Иначе говоря, согласно второму началу термодинамики запас
энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к
тепловой смерти. Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы
воспрепятствовать возрастанию энтропии. Со временем способность Вселенной
поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры
распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены
случайными элементами. По мере того как иссякает запас энергии и возрастает
энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет
все более однородное будущее.
Вместе с тем, уже во второй половине ХIХ века, и особенно в ХХ веке,
биология - и, прежде всего, теория эволюции Дарвина - убедительно показали,
что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и
обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. История и эволюция
Вселенной развивают ее в противоположном направлении - от простого к
сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к
более организованному. Иначе говоря, со временем, старея, Вселенная
обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало
термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были
безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности
открытых систем. И только в конце ХХ века, с переходом естествознания к
изучению открытых систем появилась возможность такого согласования. Что
такое открытые системы?
Открытые системы - это такие системы, которые поддерживаются в
определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии
или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является
необходимым условием существования неравновесных состояний в
противоположность замкнутым системам, которые неизбежно стремятся (в
соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному
состоянию. Открытые системы - это системы необратимые; в них важным
оказывается фактор времени.
В открытых системах ключевую роль - наряду с закономерным и
необходимым - могут играть случайные факторы- флуктуационные процессы.
Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая прежде
организация не выдерживает и разрушается.
6.2 Нелинейность.
Но если большинство систем Вселенной носят открытый характер, то это
значит, что во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а
неустойчивость и неравновесность. Неравновесность, в свою очередь,
порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние
воздействия среды. Неравновесные системы обретают способность воспринимать
различия во внешней среде и “учитывать” их в своем функционировании. Так,
некоторые воздействия, хотя и более слабые, но могут оказывать большее
воздействие на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но
не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, на нелинейные
системы не распространяется принцип суперпозиции: в нелинейных системах
возможны ситуации, когда совместные действия причин А и В приводят к
эффектам, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия А и В
по отдельности.
Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто имеют пороговый
характер - при плавном изменении внешних условий поведение системы
изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия,
очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих
сложившуюся структуру и способствующих радикальному качественному изменению
этой структуры.
Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и
поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях могут иногда
создаваться отношения обратной положительной связи между системой и ее
средой. Положительная обратная связь означает, что система влияет на свою
среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые,
в свою очередь, обратно воздействуют на изменения в самой этой системе.
(Примером может служить ситуация, когда в ходе химической реакции или
какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого
стимулирует производство его самого). Последствия такого рода
взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и
необычными.
6.3 Диссипативность.
Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней
средой, могут приобретать особое динамическое состояние - диссипативность.
Диссипативность - это качественно своеобразное макроскопическое
проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание
множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую
на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с
каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в
неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, может
совершаться переход от хаоса и беспорядка к порядку и организации,
возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах. И в способности
“забывать” детали некоторых внешних воздействий, И в факторе “естественного
отбора” среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает
общей тенденции развития. И в факторе когерентности (согласованности)
микропроцессов, устанавливающем в них некий общий темп развития и др.
Понятие диссипативности тесно связано с понятием о “параметрах
порядка”. Самоорганизующиеся системы - это обычно очень сложные открытые
системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако
далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее
функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое
количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым
“подстраиваются” остальные. Такие основные степени свободы системы получили
название “параметров порядка”.
Параметры порядка отражают содержание основания неравновесной системы.
В процессе самоорганизации возникает множество новых свойств и состояний. И
очень важно, что, обычно, соотношения, связывающие параметры порядка,
оказываются намного проще, чем математические модели, в которых дается
детальное описание всей новой системы. Это делает задачу определения
параметров порядка одной из главных при конкретном моделировании
самоорганизующихся систем.
7. Закономерности самоорганизации.
Главная идея синергетики - это идея о принципиальной возможности
спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в
результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации
является образование петли положительной обратной связи. С образованием
такого типа связи системы и среды система начнет самоорганизовываться и
будет противостоять тенденции ее разрушения средой. Например, в химии
аналогичное явление принято называть автокатализом. В неорганической химии
автокаталитические реакции встречаются редко, но, как показали исследования
послед0них десятилетий по молекулярной биологии, петли положительной
обратной связи (вместе с другими связями - взаимный катализ, отрицательная
обратная связь и др.) составляют самую основу жизни.
В переломный момент самоорганизации (точка бифуркации) принципиально
невозможно сказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее
развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на
новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые
переходы и диссипативные структуры - лазерные пучки, неустойчивости плазмы,
явления флаттера, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке
бифуркации система как бы “колеблется” перед выбором того или иного пути
организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент
случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в
некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном)
направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других
направлениях.
Как выясняется, переход от порядка к Хаосу вполне поддается
математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж
много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых
различных сферах действительности (в природе и в обществе - его истории,
экономике, демографических процессах, в духовной культуре и др. )
подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе
существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития
природы - это история образования все более и более сложных нелинейных
систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех
уровнях ее организации, от низших и простейших к высшим и сложнейшим
(человек, общество, культура) - глобальный эволюционизм.
8. Заключение.
Наука и будущее человечества. Естествознание как революционизирующая
сила цивилизации.
Один из старинных девизов гласит: “знание есть сила” Наука делает
человека могущественным перед силами природы. С помощью естествознания
человек осуществляет свое господство над силами природы, развивает
материальное производство, совершенствует общественные отношения. Только
благодаря знанию законов природы человек может изменить и приспособить
природные вещи и процессы так, чтобы они удовлетворяли его потребности.
Естествознание - и продукт цивилизации и условие ее развития. С
помощью науки человек развивает материальное производство, совершенствует
общественные отношения, образовывает и воспитывает новые поколения людей,
лечит свое тело. Прогресс естествознания и техники значительно изменяет
образ жизни и благосостояние человека, совершенствует условия быта людей.
Естествознание – один из важнейших двигателей общественного прогресса.
Как важнейший фактор материального производства естествознание выступает
мощной революционизирующей силой. Великие научные открытия (и тесно
связанные с ними технические изобретения) всегда оказывали колоссальное (и
подчас совершенно неожиданное) воздействие на судьбы человеческой истории.
Такими открытиями были, например, открытия в ХVII в. законов механики,
позволившие создать всю машинную технологию цивилизации; открытие в ХIХ в.
электромагнитного поля и создание электротехники, радиотехники, а затем и
радиоэлектроники; создание в ХХ в, теории атомного ядра, а вслед за ним -
открытие средств высвобождения ядерной энергии; раскрытие в середине ХХ в.
молекулярной биологией природы наследственности (структуры ДНК) и
открывшиеся вслед возможности генной инженерии по управлению
наследственностью; и др. Большая часть современной материальной цивилизации
была бы невозможна без участия в ее создании научных теорий, научно-
конструкторских разработок, предсказанных наукой технологий и др.
В современном мире наука вызывает у людей не только восхищение и
преклонение, но и опасения. Часто можно услышать, что наука приносит
человеку не только блага, но и величайшие несчастья. Загрязнения атмосферы,
катастрофы на атомных станциях, повышение радиоактивного фона в результате
испытаний ядерного оружия, “озонная дыра” над планетой, резкое сокращение
видов растений и животных – все эти и другие экологические проблемы люди
склонны объяснять самим фактом существования науки. Но дело не в науке, а в
том, в чьих руках она находится, какие социальные интересы за ней стоят,
какие общественные и государственные структуры направляют ее развитие.
Нарастание глобальных проблем человечества повышает ответственность
ученых за судьбы человечества. Вопрос об исторических судьбах и роли науки
в ее отношении к человеку, перспективам его развития никогда так остро не
обсуждался, как в настоящее время, в условиях нарастания глобального
кризиса цивилизации. Старая проблема гуманистического содержания
познавательной деятельности приобрела новое конкретно-историческое
выражение: может ли человек (и если может, то в какой степени) рассчитывать
на науку в решении глобальных проблем современности? Способна ли наука
помочь человечеству в избавлении от того зла, которое несет в себе
современная цивилизация технологизацией образа жизни людей?
Наука - это социальный институт, и он теснейшим образом связан с
развитием всего общества. Сложность, противоречивость современной ситуации
в том, что наука, безусловно, причастна к порождению глобальных, и, прежде
всего, экологических, проблем цивилизации (не сама по себе, а как зависимая
от других структур часть общества); и в то же время без науки, без
дальнейшего ее развития решение всех этих проблем в принципе невозможно. И
это значит, что роль науки в истории человечества постоянно возрастает. И
потому всякое умаление роли науки, естествознания в настоящее время
чрезвычайно опасно, оно обезоруживает человечество перед нарастанием
глобальных проблем современности. А такое умаление, к сожалению, имеет
подчас место, оно представлено определенными умонастроениями, тенденциями в
системе духовной культуры.
9. Литература
1) Л.В.Тарасов «Физика в природе»
Москва « Просвещение», 1990 г.
2) Д.В. Кресин «Физика сложных систем»
Москва «Просвещение», 1992 г.
3) Д.Джанколи «Физика».
Москва . Издательство «Мир».
