http://profbeckman.narod.ru/

8. СИНЕРГЕТИКА

До сих пор, рассматривая эволюцию системы, мы в основном имели дело с процессами перехода типа порядок беспорядок. Это справедливо в рамках классической термодинамики, в которой полагают, что замкнутая система стремится к равновесию и это равновесие можно интерпретировать как хаос. Мерой степени разупорядочения системы служит энтропия. Следует, однако, понимать, что в общем случае энтропия не является универсальной мерой беспорядка. Самопроизвольный рост энтропии наблюдается в закрытых, простых системах (системах, которые можно разложить на отдельные компоненты, и для анализа которых применим системный анализ), и в случае необратимых процессов, адекватно описываемых линейным математическим аппаратом.

Между тем в мире существуют сложные системы, в которых принципиально нельзя выделить и исследовать отдельные компоненты, системы, в которых протекают обратимые и необратимые процессы, находящиеся в статическом и динамическом состоянии, стационарные и нестационарные; их описание требует нелинейного математического аппарата. Важно, что в таких системах возможны самопроизвольные процессы самоорганизации, которые трактуются как переход от беспорядка к порядку.

Одно время анализ динамики открытых, нелинейных, сложных систем относили к междисциплинарной науке – синергетике. Сейчас синергетику рассматривают как часть нелинейной динамики, занимающуюся процессами самоорганизации в живых, неживых и общественных системах.

Вданной главе приведём некоторые сведения по особенностям синергетики, как раздела, нелинейной динамики сложных систем, и дадим определение некоторых понятий, важных для понимания последующих текстов.

8.1Синергизм и синергетика

Внастоящее время различные подходы к изучению сложных систем и описанию их эволюции в пространстве и времени объединяют в рамках единого научного направления, которое ради краткости и универсальности применения на разных языках названо "синергетикой". Этот короткий, хотя и непонятный, термин пытались заменить более длинным и более осмысленным: "наука о сложности", "нелинейная наука", "теория сложных систем", "теория самоорганизации в активных средах", "теория диссипативных структур", "теория динамического (детеминированного) хаоса", "нелинейная динамика" и др., но пока успеха не достигли. Сейчас в естественных науках под синергетикой понимают разделы по самоорганизации систем. Однако в гуманитарных науках (в основном – в России) синергетика всё ещё воспринимается как меганаука.

Воснове синергетики лежит явление синергизма, в свою очередь базирующегося на сверхаддитивном эффекте.

Сверхаддитивный – превосходящий сумму.

Пример: Результат групповой деятельности, количественно и качественно более высокий по сравнению с индивидуальной работой; знания и усилия нескольких человек могут организовываться таким образом, что они взаимно усиливаются.

Синергизм – совместное действие для достижения общей цели, основанное на принципе, что целое представляет нечто большее, чем сумма его частей; означает превышение совокупным результатом суммы слагающих его факторов.

Примеры синергизма: совместное и однородное функционирование органов (например, мышц) и систем; комбинированное действие лекарственных веществ на организм, при котором суммарный эффект превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности; соединение двух и более кусков плутония, при превышении критической массы в сумме дают выделение энергии, превосходящее излучение энергии простого суммирования отдельных кусков; прибыль после слияния двух компаний превосходит сумму прибылей этих компаний до объединения.

http://profbeckman.narod.ru/

Синергетический эффект – превышение результата деятельности системы над арифметической суммой результатов элементов системы, действующих по отдельности (эффект 2+2=5). Это возрастание эффективности деятельности в результате интеграции, слияния отдельных частей в единую систему за счёт эмерджентности.

Синергия – суммирующий эффект взаимодействия двух или более факторов, характеризующийся тем, что их действие существенно превосходит эффект каждого отдельного компонента в виде их простой суммы, эмержентность.

Эмерджентность (эмергентность) – наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих её элементам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов.

Системный эффект – неожиданное поведение; возникновение паттернов и свойств, которые невозможно предсказать на основе знания свойств их частей, рассматриваемых изолированно (одно дерево – не лес, скопление клеток – не организм; свойства биологической популяции не есть свойства отдельных особей, понятия рождаемость, смертность неприменимы к отдельной особи, но применимы к популяции или виду в целом).

Идеи сверхаддитизма, синергизма и эмергентности известны давно. Ещё Аристотель в своей "Метафизике" писал: "Целое это больше, чем сумма его частей". Убеждённый в этом, Я. Смэтс (1926) предложил философию холизма (философия цельности), исходящую из качественного своеобразия и приоритета целого по отношению к его частям. Согласно холизму целое всегда есть нечто большее, чем простая сумма его частей (с этой точки зрения Г. Гегель был последовательным холистом). Именно из холистических представлений выросла синергетика. Практическим воплощением идеи холизма стало возникшее в синергетике понятие эмерджентности, т. е. возникновения в

системе нового системного качества, несводимого к сумме качеств элементов системы.

Смэтс – основатель философии холизма.

Ян Христиан Смэтс (1870-1950) – премьер-министр ЮжноАфриканского союза, командир отрядами буров во время Англобурской войны в Трансваале, командующий британской армией в Восточной Африке, во время второй мировой войны – британский фельдмаршал, соавтор устава Лиги Наций, активный проводник политики апартеида. Холизм – философия цельности – направление в философии, рассматривающее мир как результат творческой эволюции, которая направляется нематериальным «фактором цельности». Смэтс студентом написал трактат "Эволюция личности", а в 1926 – издал книгу “Холизм и эволюция”. Когда Альберт Эйнштейн её прочитал, он сделал прогноз: "в грядущем тысячелетии холизм станет главной концепцией естествознания".

Впервые синергетический эффект явно описал физиолог, лауреат нобелевской премии Ч.С. Шеррингтон в монографии «Интегративная деятельность нервной системы» (1906). Он называл синергетическим согласованное воздействие нервной системы при управлении мышечными движениями (согласованное действие сгибательных и разгибательных мышц).

Автором термина "синергетика" считается Р. Фуллер (1975), но синергетика, как наука о процессах самоорганизации открытых нелинейных систем стала развиваться после прочитанного (в 1969) Г. Хакеном в университете Штутгарта курса лекций, а особенно активно после выхода в свет монографии H. Haken. Synergetik. Springer-Verlag, Berlin ,Heidelberg New York, 1982.

http://profbeckman.narod.ru/

Ричард Фуллер (1895 – 1983) – дизайнер, архитектор и изобретатель; не имея законченного образования, получил множество почётных докторских научных степеней и полсотни международных премий. Основным его изобретением является лёгкий и прочный «геодезический купол» – пространственная стальная сетчатая оболочка из прямых стержней. Автор книг: "Синергетика: исследование геометрии мышления" (1975) и "Синергетика 2: дальнейшие

исследования геометрии мышления" (1979), в которой высказана идея об упаковке шарами как основе организации пространства. Под синергетикой Фуллер понимал геодезическую синергию, т.е. новую векторную геометрию, по которой проектируют геодезические купола.

Ричард Фуллер (1895–1983) – автор термина синергетика.

Герман Хакен – теоретик, один из основателей синергетики, правнучатый племянник Карла Маркса, директор Института теоретической физики и синергетики университета Штутгарда, автор

книг: "Синергетика", "Тайны природы", "Принципы работы головного мозга", "Тайны восприятия", "Квантополевая теория твёрдого тела", "Лазерная светодинамика", "Информация и самоорганизация" и др. Хакен обнаружил явление самоорганизации при исследовании механизмов кооперативных процессов, происходящих в твёрдом лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе, между ними устанавливается когерентное (согласованное) взаимодействие, приводящее к их кооперативному поведению. Интерпретацию этого явления Хакен распространил на самоорганизацию сложных систем.

Герман Хакен (род. 12.07.1927) – немецкий физик-теоретик, один из основателей синергетики.

Замечание. Привлечь мировое сообщество к своим идеям - большое искусство. Так, Клаудиус сделал себе имя, назвав свой мало кому интересный интеграл энтропией, он пригрозил Вселенной смертью, чем вызвал

столетние дискуссии, хотя Вселенная так и не погибла. Хакен, исходя из своих локальных работ по лазерной светодинамике и фазовым переходам зародил меганауку – синергетику, призванную раскрыть все тайны природы. Потребовалось полстолетия, чтобы убедиться в бесперспективности таких попыток.

Г. Хакен обратил внимание на то, что в открытых системах, находящихся вдали от термодинамического равновесия, за счёт потока энергии и вещества из внешней среды, создаётся и поддерживается неравновесность, благодаря которой происходит согласованное взаимодействие элементов и подсистем, приводящее к образованию новых устойчивых структур и самоорганизации. Термином «синергетика» он обозначал совокупный, коллективный эффект взаимодействия большого числа подсистем, приводящий к образованию устойчивых структур и самоорганизации в сложных системах.

Синергетика (от др.-греч. συν- – приставка со значением совместности и ἔργον «деятельность», совместное или кооперативное действие) – наука, изучающая общие закономерности процессов в сложных неравновесных системах. Определяет структуру как состояние, возникающее в результате многовариантного и неоднозначного поведения многоэлементных структур, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния.

Синергетика изучает связи между элементами структуры, которые образуются в открытых благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В такой системе наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень её упорядоченности, т. е. уменьшается

http://profbeckman.narod.ru/

энтропия (самоорганизация). Основа синергетики – термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Синергетика – раздел науки о сложном, о том, как в хаосе устанавливается определенный порядок, который, однако, рано или поздно разрушается. Она пытается охватить все этапы универсального процесса самоорганизации как процесса эволюции порядка – его возникновения, развития, самоусложнения и разрушения, т.е. весь цикл развития системы в аспекте её структурного упорядочения. Эта наука занята поиском (пока безуспешным) универсального механизма, по которому осуществляется самоорганизация (переход от беспорядка к порядку) как в живой, так и в неживой природе. Под самоорганизацией понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Синергетика исследует явления самоорганизации, самодезорганизации; бифуркационные процессы, детерминированный хаос и др.

Для синергетики характерно представление о хаосе как о таком же закономерном этапе развития, что и порядок. Подобно тому как различают статический (повторение только в пространстве) и динамический (повторение во времени) порядок, можно различить также статический (беспорядок в пространстве) и динамический (беспорядок во времени) хаос. Рождение нового порядка из хаоса не вынуждается какой-то внешней силой, а имеет спонтанный характер. Вот почему синергетика является теорией самоорганизации (а не организации).

Синергетике не удалось разработать собственного математического аппарата, но она активно использует методы нелинейной динамики, нелинейной неравновесной термодинамики, геометрию фракталов, теорию катастроф, математическую статистику на базе распределений Леви, с характерными для них бесконечными дисперсиями, дифференциальные уравнения с дробными частными производными. Для решения отдельных задач привлекается теория нелинейных (выше второго порядка) дифференциальных уравнений, теория групп, тензорный анализ дифференциальная топология, вейвлет анализ, теория клеточных автоматов, метод термодинамических функций Ляпунова, теория катастроф, принцип минимума производства энтропии, способы исследования устойчивости линейных систем и т.п.

Синергетика рассматривает процесс развития как многократное чередование порядка и хаоса. Она полагает, что хаос обладает творческой силой, способной рождать новый порядок. Важно, что рождение нового порядка из хаоса не вынуждается какой-то внешней (по отношению к данной реальности) силой, а имеет спонтанный характер. Поэтому синергетика является теорией самоорганизации (а не теорией организации).

Синергетика – теория нестационарных быстро развивающихся структур в открытых нелинейных средах. Она претендует на количественное описание нестабильности, многообразия путей изменения и развития систем, моделирует катастрофические ситуации и т.п. Синергетика занимается системами, состоящими из нескольких или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимосвязи друг с другом; нелинейными системами, открытыми системами, находящимися вдали от теплового равновесия, системами при внутренних и внешних колебаниях, нестабильными системами, системами, в которых происходят качественные изменения, в том числе – эмерджентные, возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры (упорядоченные или хаотические).

Замечание. Одно время на синергетику возлагали большие надежды, как на основу междисциплинарного мышления и направление установления связи между естественными и гуманитарными науками, и, возможно, религией. Они не оправдались. В настоящее время синергетика подвергается жесточайшей критике и ей пророчат исчезновение (как это уже случилось с кибернетикой). Сейчас это раздел нелинейной динамики, занимающийся процессами самоорганизации. Мы используем термин "синергетика" именно для