Синергетика

Каков предмет синергетики?

– По предложению Г. Хакена (Германия) с начала 70-х гг. ХХ столетия синергетикой стала называться область научных исследований процессов самоорганизации, разные макроскопические формы которой возникают в открытых системах вдали от состояния равновесия. Слово «синергетика» происходит от греческого «синергетикос», означающего совместно или согласованно действующий. Синергетика изучает нелинейные процессы в открытых диссипативных системах вне зависимости от их природы. Её выводы применимы для описания физических, химических, биологических, экономических и других процессов. По сути своей это междисциплинарная наука. В 1972 г. состоялся первый международный семинар по синергетике.

Какое место в реальности занимают нелинейные процессы в открытых системах?

– Вообще говоря, в реальности все системы открыты и в них осуществляются нелинейные процессы. Изолированность систем и линейность процессов – это идеализации, которые позволяют эффективно описывать реальность в том случае, когда связи системы с миром и отклонение её поведения от линейности несущественны для изучаемого явления. Таких ситуаций, как показало развитие естествознания, довольно много. Ещё недавно учёным казалось, что эти абстракции представляют единственный путь постижения мироздания. Однако, сегодня мы видим, что это не так. Появились реальные возможности изучения открытых систем и нелинейных процессов. Обнаружение различных форм самоорганизации в неравновесных состояниях систем и открытие динамического хаоса являются замечательным свидетельством эффективности нового подхода к изучению реальности.

Что такое состояние системы?

– Существует широкий класс систем, поведение которых характеризуется конечным числом переменных, изменяющихся во времени. Среди них есть множество независимых переменных, через значение которых устанавливается значение остальных. Количество независимых переменных (n) определяет степень свободы системы, а их значение в данный момент времени – состояние системы. Состояние системы может быть отображено точкой в пространстве n измерений, каждое из которых определяет область изменений данной независимой переменной. Такое пространство называется фазовым. Эволюция системы во времени будет в этом пространстве описываться некоторой кривой. Так, например, в механике состояние материальной точки определяется её местом в пространстве и скоростью, т. е. тремя пространственными координатами (x, y, z) и тремя составляющими скорости (vx, vy, vz). Таким образом, фазовое пространство в данном случае будет представлено шестью измерениями. Понятие состояния может применяться к любым системам: механическим, термодинамическим, электромагнитным, химическим, биологическим и др.

Что характерно для детерминированных систем?

– Для детерминированных систем характерно то, что их состояние в любой данный момент времени определяет однозначно их будущее. В этом случае мы имеем дело с динамическими законами.

Каково содержание концепции лапласовского детерминизма?

– Концепция лапласовского детерминизма была наиболее чётко выражена французским математиком П.С. Лапласом. Она представляет такое понимание мироздания, в котором все явления подчиняются динамическим законам, а поэтому настоящее является необходимым следствием предшествующего, а будущее предопределено настоящим.

Вот как об этом писал сам П.С. Лаплас. «Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, и относительное положение всех её составных частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить эти данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел вселенной наравне с движением легчайших атомов: не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором. Ум человеческий в совершенстве, которое он сумел придать астрономии, даёт нам представление о слабом наброске того разума… Правильность, которую обнаруживает нам астрономия, без всякого сомнения, имеет место во всех явлениях. Кривая, описанная простою молекулою воздуха или пара, определена так же точно, как и орбиты планет: разницу меж ними делает только наше незнание».

Что такое аттрактор?

– Если диссипативная (теряющая энергию) система в ходе её эволюции приходит в состояние равновесия или к устойчивому, периодически повторяющемуся, режиму, то такие «конечные» состояния называются аттракторами. Простейшим примером первого случая является неизбежная остановка свободно качающегося маятника в результате воздействия сил трения. Второй случай реализуется широко известной реакцией Белоусова–Жаботинского, в которой периодически меняется цвет жидкости. В этих системах происходит как бы забывание начальных условий, поскольку вне зависимости от них конечная судьба процесса предопределена.

Что такое «странный аттрактор»?

– В 1963 году американский метеоролог Э. Лоренц обратил внимание на существование ситуации, которая не была прежде известна. Он описал особый тип аттрактора, подобные которому в 1971 году Д. Руэль (Бельгия) и Ф. Такенс (Нидерланды) назвали «странными аттракторами». Их особенность заключалась в том, что системы, даже с небольшим числом степеней свободы, несмотря на их детерминированную природу, вели себя не предсказуемо. В этих системах проявлялась сильнейшая зависимость будущего от ничтожных изменений в начальных условиях. Это означало, что детерминированные системы при определённых условиях порождают хаос, называемый динамическим хаосом. Он будет порождаться такими системами, у которых сколь угодно малое отклонение в начальных условиях ведёт за относительно малое время к разбеганию траекторий.