Эссе: Основные идеи синергетики

Долгое время существовало мнение о том, что способностью к самоорганизации обладают только биологические объекты и системы. После появления компьютеров, самообучающихся программ и возникновения робототехники стало очевидно, что искусственно создаваемые объекты неживой природы могут эволюционировать. Относительно недавно выяснилось, что способностью к самоорганизации могут обладать и объекты неживой природы, возникшие естественным путем без участия человека. К настоящему времени в физике и химии известно множество примеров самообразования более упорядоченных или организованных структур из структур менее упорядоченных. Так, в физике известны феномены образования устойчивых вихрей в нестационарных потоках жидкостей и газов; возникновение упорядоченного излучения в лазерах; образование и рост кристаллов. В химии — это прежде всего концентрационные колебания в реакции Белоусова Жаботинского.

Необходимость и законы самоорганизации изучает синергетика. Термин «синергетика» предложил в начале 1970-х гг. XX в. немецкий физик Г. Хакен. Большой вклад в развитие теории самоорганизации внес И. Пригожин. В настоящее время объем выделения — это междисциплинарное направление научных исследований, предметом которых являются общие закономерности самоорганизации в природных и социальных системах.

Для возникновения более упорядоченных структур из структур менее упорядоченных необходимо сочетание следующих условий:
• они могут образовываться только в открытых системах (которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой). Для их возникновения обязателен приток энергии извне, компенсирующий потери и обеспечивающий существование упорядоченных состояний;
• упорядоченные структуры возникают в макроскопических системах, т. е. в системах, состоящих из большого числа атомов, молекул, клеток и т. д. Упорядоченное движение в таких системах всегда носит кооперативный характер, так как в него вовлекается большое число объектов;
• упорядоченные структуры возникают только в системах, описываемых нелинейными уравнениями. Следует подчеркнуть, что самоорганизация не связана
с каким-либо особым классом веществ. Она существует лишь при специфических внутренних и внешних условиях системы и окружающей среды.

Рассмотрим конкретный пример самоорганизации — ячейки Бенара. Структурирование (т. е. организацию) первоначальной однородной жидкости можно наблюдать при возникновении конвекции (перемешивании ее слоев). Пусть в начальный момент жидкость находится в покое при некоторой постоянной температуре. Далее начнем подогревать эту жидкость снизу. По мере повышения интенсивности нагрева возникает явление конвекции: нагретый нижний слой жидкости расширяется, становится более легким и поэтому стремится всплыть вверх. На смену ему, сверху вниз, опускается более холодный и плотный слой. Сначала это происходит спорадически: восходящие потоки возникают то в одном, то в другом месте и существуют недолго. То есть конвекция идет в хаотическом режиме. Когда разность температур между верхним и нижним слоями жидкости достигает некоторого критического значения, картина меняется принципиальным образом. Весь объем жидкости разделяется на одинаковые ячейки, в каждой из которых происходят уже незатухающие конвекционные движения частиц жидкости по замкнутым траекториям.

Характерный размер ячеек Бенара в случае экспериментов с жидкостью находится в миллиметровом диапазоне (10-3 м), в то время как характерный пространственный масштаб межмолекулярных сил приходится на существенно меньший диапазон — 10-10 м. Иначе говоря, отдельная ячейка Бенара содержит около 1021 молекул. Таким образом, огромное число частиц может демонстрировать когерентное (согласованное) поведение.

Ячейки Бенара могут образовываться при соответствующих условиях в любых жидкостях. Такие ячейки обнаружены на поверхности Солнца и предположительно существуют в мантии Земли. Более того, согласно современным астрономическим представлениям наблюдаемая часть Вселенной также состоит из ячеистых структур — скоплений галактик.

Кроме самоорганизации, другим важным понятием синергетики является понятие бифуркации. Термин «бифуркация» — развилка, или разделение надвое (от латинского bi — двойной и furca — развилка) — в современной научной терминологии служит для описания фундаментальной особенности поведения сложных систем, подверженных воздействиям и напряжениям. Бифуркация происходит в том случае, когда система теряет устойчивость в окружающей среде, будучи выведенной из состояния, в котором она могла бы пребывать сколь угодно долго. В решающий момент перехода система должна совершить критический выбор-, выбрать либо одну ветвь развития, либо другую. Простейший пример системы, находящейся в точке бифуркации, — это неустойчивое равновесие шарика на поверхности выпуклой сферы большого диаметра. Шарик может скатиться с поверхности сферы в любую сторону и практически в любой момент времени. В рассмотренном нами примере с ячейками Бенара точкой бифуркации является случайное возникновение право- или левовращательных ячеек в жидкости. Подобная картина наблюдается и при биологической эволюции: случайная мутация, которая приведет к необратимой качественной перестройке организма, есть, говоря языком синергетики, точка бифуркации.

Важнейшими особенностями точки бифуркации является то, что, во-первых, прохождение ее переводит систему в качественно новое состояние, во-вторых, нельзя заранее знать, по какому именно направлению пойдет развитие системы, т. е. бифуркация недетерминирована однозначно.

Иллюстрация бифуркации примером с шариком достаточно проста, но, как написал И. Пригожин, «довольно заманчиво на мгновение вообразить, что вместо шарика мог оказаться динозавр конца мезозойской эры или группа наших предков, собирающихся принять идеографическую или символическую письменность». Понятие бифуркации может использоваться для описания изменений в самых разных системах, в том числе в экологических и социальных.

Следует четко представлять, что основная идея синергетики заключается в том, чтобы описать возможность самопроизвольного (без вмешательства человеческого разума) возникновения упорядоченных структур из неупорядоченных, или, говоря словами И. Пригожина, «порядка из хаоса».

Синергетика занимается изучением сложных систем, состоящих из большого числа взаимодействующих частей. Ее специфическая особенность в том, что она уделяет основное внимание когерентному, согласованному состоянию процессов самоорганизации в системах различной природы. Термин 'синергетика' означает и совместное действие, подчеркивая согласованность функционирования частей, отражающуюся в поведении системы как целого.

Основная идея синергетики о бытии как сложной саморазвивающейся системе формировалась уже давно. Немало способствовали этому идеи русских космистов. Например, Н.Ф. Федоров (1828-1903) полагал, что человеческий разум порожден эволюцией как сознательное орудие ее дальнейшего разворачивания. В И. Вернадский (1868-1945) считал, что всеобщим законом Вселенной является постоянное усложнение бытия и рост разнообразия его структур, а восходящая направленность развития живого не может прекратить свое действие на человеке. По мнению Тейяра де Шардена, за сознанием и жизнью в нынешней форме должны следовать сверхсознание и сверхжизнь.

На основе реализации прогрессивной тенденции развития возникают более сложные формы реальности с увеличивающимся диапазоном возможностей дальнейшего развития. Современная синергетика оперирует категориями 'самоорганизация', 'нелинейность', 'открытость', 'хаос'.