ТЕМА 2.8. КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ В СОВРЕМЕННОМ

ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

2.8.1. Понятие о самоорганизации

Самоорганизация — это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или

совершенствуется организация сложной динамической системы.

Системы, в которых могут иметь место процессы самоорганизации должны обладать

высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми

имеют не жесткий, а вероятностный характер. К раскрытию тайн существования и

функционирования таких систем естествознание пришло лишь в XX столетии.

Основы теории самоорганизации были заложены еще в 30 – 40 –х годах нашего века,

когда ученые обратили внимание на живые системы. Важную роль здесь сыграла книга Э.

Шредингера «Что такое жизнь», в которой впервые четко формулировалось положение о

том, что высокая упорядоченность, присущая живой природе, принципиально связана с

сильной неравновестностью живых систем и с наличием потока энергии, проходящего через

них.

Начиная со второй половины XX в, было обнаружено, что подобные системы

изучаются не только биологией, но и физикой, и химией. Активное изучение явлений

самоорганизации в неорганической природе было подготовлено накоплением

многочисленных наблюдений, данных физических и химических систем, в которых из

хаотических состояний возникают высокоупорядоченные, временные или пространственные

структуры.

Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы (физические,

химические, биологические или социальные) имеют единый алгоритм перехода от менее

сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям.

Поэтому разработка теории самоорганизации идет сразу по нескольким сходным

направлениям. Так современное естествознание ищет пути теоретического моделирования

сложных систем, присущих природе, систем, способных к самоорганизации и саморазвитию.

Основными свойствами таких систем являются: открытость, нелинейность,

диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными,

диссипативными системами, далекими от равновесия.

Открытые системы — это такие системы, которые поддерживаются в определенном

состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации.

Постоянное поступление энергии, вещества или информации является необходимым

условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым

системам, стремящихся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному

равновесному состоянию.

Открытые системы — 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 организация разрушается.

Неравновесность системы порождает ее избирательность, т.е. необычные ее реакции

на внешние воздействия среды. Неравновесные системы имеют способность воспринимать

различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Например,

некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию

системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям

системы (т.е., когда совместные действия причин А и В вызывают эффекты, которые не

имеют ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности).

Такие процессы часто носят пороговый характер - при плавном изменении внешних

условий поведение системы меняется скачком. Скачок — это крайне нелинейный процесс.

Т.о., неравновесные, открытые системы, являясь нелинейными, сами создают и

поддерживают неоднородности в среде. Поэтому между системой и средой могут иногда

создаваться отношения положительной обратной связи.

Такие системы могут приобретать особое динамическое состояние, названное

диссипативностью. Диссипативность — качественное своеобразие макроскопических

проявлений процессов, протекающих на микроуровне. Иными словами, неравновесное

протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную

результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с

каждым отдельным ее микрокомпонентом.

Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать

новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку от

организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать»

детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» тех микропроцессов,

которые не вписываются в общую тенденцию развития; в когерентности или

согласованности микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития и т.п.

Итак, в современном естествознании появилась возможность единого

теоретического описания систем разного порядка, но имеющих одни и те же характеристики.

Этим и занимаются синергетика, термодинамика неравновесных процессов и теория

катастроф.

2.8.2. Синергетика теория самоорганизации

Понятие синергетики было введено в науку проф. Штутгарского университета Г.

Хакеном, хотя впервые этот термин употреблен английским физиологом Ч. Шеррингтоном

около ста лет назад. Название «синергетика» происходит от греческого «sinergeia», что

означает совместное или кооперативное действие. Такое действие непременно присутствует

в процессах самоорганизации.

Под синергетикой Г. Хакен предложил понимать область науки, которая занимается

изучением эффектов самоорганизации в физических системах, а также родственных им

явлений в более широком классе систем. Новый ракурс, предложенный синергетикой для

изучения проблем самоусложнения и развития материальных систем, имеет ряд

несомненных достоинств.

Синергетика включила в свою сферу практически все мыслимые объекты и

сконцентрировала внимание на изучении конкретных механизмов возникновения и

совершенствования организации.

В методологическом плане синергетика представляет собой общую парадигму

эволюции, охватывающую как живые, так и открытые диссипативные системы неживой

природы. Синергетика делает возможным изучение процессов усложнения и эволюции

материи с точки зрения ее самоорганизации на разных уровнях развития. Она претендует на

открытие универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация,

как в живой, так и в неживой природе.

Синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем

протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой

системы можно выделить две фазы:

1) период плавного эволюционного развития, с хорошо предсказуемыми линейными

изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому

состоянию;

2) выход из критического состояния скачком и переход в новое устойчивое

состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия

случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система самоорганизуется не

гладко и просто, не неизбежно. Она переживает и переломные моменты — точки

бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации,

и роль случайных факторов резко возрастает.

В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком

направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы

хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и

организации. В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или

иного пути организации, пути развития. В этой точке эволюционный путь системы

разветвляется, и какая именно ветвь будет выбрана, — решает случай!

Но после того, «как выбор сделан» и система перешла в качественно новое

устойчивое состояние — назад возврата нет. Этот процесс необратим. Т.е., развитие таких

систем имеет принципиально непредсказуемый характер.

Итак, новизна синергетического подхода заключается в следующих положениях:

_ хаос не только разрушителен, но созидателен и конструктивен; развитие осуществляется

через неустойчивость (хаотичность).

_ линейный характер эволюции сложных систем, не правило, а исключение; развитие

большинства таких систем носит нелинейный характер, т.е. для сложных систем всегда

существует несколько возможных путей эволюции.

_ развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных

возможностей дальнейшей эволюции в точке бифуркации.

Т.к. идеи синергетики носят междисциплинарный характер, они подводят базу под

совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез.

Как выясняется, переход от хаоса к порядку вполне поддается математическому

моделированию. Более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей

такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности (в

живой и неживой природе, в обществе – его истории, экономике, духовной культуре и пр.)

подчиняются одному и тому же математическому сценарию.

2.8.3. Понятие о неравновесной термодинамике, теории катастроф и критичности

Принципы неравновесной термодинамики и ее понятийный аппарат стал активно

использоваться в становлении теории самоорганизации с 70-х гг. XX в. Основоположником

этого направления является И. Пригожин. Основной задачей нового направления является

доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка.

В противоположность представлениям классической термодинамики,

утверждающей неизбежность и непрерывность роста беспорядка или энтропии, И. Пригожин

доказал, что неравновесность состояния термодинамически открытой системы может стать

причиной возникновения в ней порядка, что необратимые процессы могут приводить к

возникновению нового типа динамических систем, названных им диссипативными

структурами.

Понятие диссипативных структур занимает одно из центральных мест в его

концепции. Оно обозначает новое состояние вещества, которое индуцируется потоком

свободной энергии в неравновесных условиях. Пригожин утверждал, что в этом новом

состоянии мы имеем новую физическую химию на супермолекулярном уровне, в то время

как законы, относящиеся к молекулярному уровню, остаются неизменными и выражаются

через квантово - механические и классические уравнения движения.

И. Пригожин, а затем и Г. Николис показали, что появление диссипативных

структур на предбиологической стадии могло привести систему к условиям, далеким от

равновесия, а также к сохранению этих условий, что необходимо для возникновения

определенных ключевых реакций, обеспечивающих дальнейшую эволюцию.

Представление о диссипативных структурах стало методологическим регулятивом

молекулярно – эволюционных исследований. В понятии «диссипативные структуры»

отражается не просто термодинамический подход к проблемам жизни, но и то новое видение

мира в целом, которое формируется благодаря современным достижениям естественных

наук.

Возникновение новой структуры — диссипативной — в открытой системе всегда

является результатом нестабильности. Флуктуации усиливаются в области, удаленной от

равновесия, где образуется «порядок через флуктуацию».

Согласно И. Пригожину и Г. Николису, создание структур может осуществляться по

определенным нелинейным кинетическим законам вне области стабильности состояний,

отвечающих термодинамическому поведению. Переход диссипативной системы из

критического состояния в устойчивое неоднозначен. Критическое значение параметров

системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, ученые назвали

точкой бифуркации.

И. Пригожин и Г. Николис развивают не только основы нелинейной неравновесной

термодинамики, но и дают философский анализ таких категорий, как случайность и

необходимость, выходя на обсуждение такой важной проблемы, как детерминизм.

Они считают что, когда речь идет о системах, обладающих большим числом

степеней свободы, то жестко детерминированное описание может быть недостаточным.

Существование многих степеней свободы автоматически приводит к флуктуации, т.е. к

спонтанным отклонениям от некоторого от некоторого среднего макроскопического

поведения. При этом в большинстве случаев появление флуктуации данного типа можно

отнести к случайным событиям, подчиняющимся определенным вероятностным законам.

С другой стороны, как предполагают И. Пригожин и Г. Николис, система

откликается на возникшую флуктуацию в соответствии с некоторыми макроскопическими

законами, имеющими истинно детерминистический характер, и стремится к возвращению в

исходное положение. И только в точке образования новой структуры флуктуации

усиливаются, достигают макроскопического уровня и, наконец, делают устойчивым новый

режим, представляющий структуру, возникающую вслед за неустойчивостью.

Т.о., налицо не конфликт случайности и детерминизма, а скорее их кооперирование.

Такая взаимодополнительность случайного и необходимого рассматривается Пригожиным

как веское доказательство общих черт физического и биологического познания.

Суждения И. Пригожина об универсальных чертах самоорганизации и в целом ее

оценка как универсального свойства материи пронизаны собственно научными

достижениями, полученными как бы независимо от философских посылок. Такие

философские по сути вопросы, как возникновение порядка из хаоса, единство вероятностных

и казуальных событий, зависимость характеристик структуры от ее предистории, иерархия

структур, необратимость времени обсуждаются так, что ответы на них вытекают из

неравновесной термодинамики, примененной к определенным типам нелинейных систем,

далеких от равновесия. Поэтому неравновесная термодинамика оказывается тем

фундаментом, на котором базируются очень многие положения общей теории эволюции.

Проблемами самоорганизации занимается также еще одно направление, которое

получило название теории катастроф и теории критичности. Основопожником теории

катастроф является Р. Том. В понятии катастрофы отражен пороговый характер процессов

самоорганизации, т.е. скачкообразное изменение системы, вызванное плавными внешними

воздействиями. Развитие теории катастроф позволило свести множество сложных случаев к

небольшому набору схем, которые точно и подробно исследованы. Поэтому эта теория

превратилась в универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов,

разрывов, внезапных качественных изменений. Теория катастроф используется в оптике,

метеорологии, гидро- и аэромеханике, теории кооперативных явлений и пр.

Согласно теории самоорганизованной критичности (над ней работали П. Бак, К.

Визенфельд, Ч. Танг и Г. Хелд), каждая часть большой системы стремится к своему

критическому состоянию, в котором малое изменение какого-либо параметра может вызвать

цепную реакцию, способную повлиять на любое число частей всей системы. Было

установлено, что малые события вызывает тот же механизм, что и крупные. Кроме того,

составные части системы никогда не достигают равновесия, а эволюционизируют от одного

метастабильного состояния к другому.

В этой теории считается, что глобальные характеристики не зависят от

микроскопических механизмов, поэтому их нельзя понять, разбивая большую систему на

подсистемы и анализируя части отдельно. Эта теория улучшила понимание процессов в

эволюции земной коры, на рынке акций, в экосистемах и других больших системах, которые

ранее анализировали по частям.

Развивая теорию самоорганизованной критичности, ученые пришли к выводу о том,

что в эволюции подобных систем большое значение имеет фликкер – шум или шум

мерцания, а также фракталы. Фракталами называются мгновенные «срезы»

самоорганизующихся критических процессов. Фрактальные структуры и шум мерцания

являются пространственными и временными «отпечатками» самоорганизованной

критичности.

В 60-е гг. нашего столетия Ю. Вигнер и др. установили, что случайные воздействия

могут повлиять и на простые динамические системы, приводя их в хаотическое состояние.

Такие системы являются нелинейными колебательными системами – электрическими или

механическими. Эволюцию таких систем прослеживают в фазовом пространстве, изучая их

фазовые траектории.

Особенностью фазовых траекторий этих систем является наличие аттракторов —

точек, отражающих стремление систем к равновесию. По аттракторам можно установить

устойчивость движения системы и переход ее к состоянию хаоса. Область, заполненная

хаотическими траекториями, названа странным аттрактором. Важнейшим свойством

странных аттракторов является фрактальность.

Фракталы — это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число

деталей. Хаос порождает фракталы, а фазовая траектория фракталов обладает самоподобием,

т.е. при выделении двух близких точек на фазовой траектории фрактала и последующем

увеличении масштаба траектория между этими точками окажется столь же хаотичной, как и

вся в целом. По мнению Б. Мандельброта введение фрактальных множеств позволяет

объяснить и предсказать многие явления в самых различных областях.

Итак, мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем,

развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма лежит

присущая материи способность к самоорганизации, исследование которой продолжается.

Контрольные вопросы

1.Что такое самоорганизация?

2.Когда были заложены основы теории самоорганизации?

3.Какие закономерности присущи самоорганизации?

4.Какие ученые оставили след в формировании теории самоорганизации?

5.Какие свойства проявляют самоорганизующиеся системы?

6.Что такое синергетика?

7.Почему синергетику называют общей парадигмой эволюции?

8.Как синергетика трактует развитие открытых, неравновесных систем?

9.Что такое бифуркация?

10.В чем заключается новизна синергетического подхода?

11.Почему основы неравновесной термодинамики используются в становлении

теории самоорганизации?

12.В чем сущность теории катастроф и критичности?

Литература

1.Арнольд А.И. Теория катастроф. — М., 1990.

2.Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. — М., 1986.

3.Хакен Г. Синергетика. — М., 1985.

Контрольные задания к теме 2.8.

№ 1. Дайте определение самоорганизации.

№ 2. Укажите направления развития теории самоорганизации.

№ 3. Раскройте смысл понятия «синергетика».

№ 4. Перечислите основные характеристики сложных самоорганизующихся систем.

Раскройте смысл этих характеристик.

№ 5. Закончите предложение. «Диссипативность — это …»

№ 6. Вставьте нужный по значению термин: « … - разветвление, раздвоение в

траектории развития системы в определенной точке».

№ 7. Используя следующие понятия, составьте схему развития неживой природы:

существующая первоначальная система; флуктуация; новая система; распад системы; новое

стационарное состояние; возврат к прежнему первоначальному состоянию; потеря

устойчивости; создание диссипативной структуры; точка бифуркации; возврат к прежней

системе.

№ 8. Опишите этапы развития сложной системы. Почему не всегда сбываются

прогнозы о развитии таких систем?

№ 9. Поясните, какие основные выводы можно сделать из теории самоорганизации.

№ 10. Определите смысл термина «катастрофы» в теории самоорганизации.

Глоссарий к разделу 2.

Адроны(от греч. — сильный, тяжелый) — общее название элементарных частиц,

подверженных сильному взаимодействию.

Аннигиляция(от лат. — превращение в ничто, уничтожение) — превращение

элементарных частиц античастиц при их столкновении в другие частицы.

Античастицы— частицы, имеющие такие же физические характеристики, что и

элементарные частицы (их двойники), но отличающиеся от них знаками электрического

заряда (электрон – позитрон; протон – антипротон и др.).

Атом( от греч. — неделимый) — мельчайшая частица химического элемента,

носитель его свойств.

Бифуркация(от лат. — раздвоенный) — разветвление в траектории движения

системы в определенной точке.

Близкодействие— передача взаимодействия от тела к телу, от точки к точке с

конечной скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

Вакуум(от лат. — пустота) — низшее энергетическое состояние поля, при котором

число квантов равно нулю.

Виртуальные частицы— элементарные частицы в промежуточных состояниях,

теоретически вычисленные, непрерывно возникающие и исчезающие в очень короткие

промежутки времени.

Галактика(от греч. — млечный, молочный) — Млечный путь, наша звездная

система, включающая в себя Солнце со всеми планетами.

Галактики— гигантские звездные системы, подобные нашей Галактике.

Гравитон— гипотетическая частица гравитационного поля, движущаяся со

скоростью света и не имеющая массы покоя (введена для объяснения гравитационного

взаимодействия).

Глюоны— гипотетические частицы, которые обусловливают взаимодействие

между кварками.

Гравитация(от лат. — тяжесть) — тяготение, универсальное взаимодействие

между любыми видам и физической материи.

Дальнодействие— представление, согласно которому действие тел друг на друга

передается мгновенно через пустоту на любое расстояние.

Детерминизм(от лат. — определяю) — философское учение об объективной

закономерности и причинной обусловленности всех явлений природы и общества.

Дискретный(от лат. — раздельный, прерывистый) — прерывный, состоящий из

отдельных частей.

Диссипация(от лат. — рассеивание) — переход энергии упорядоченного движения

в энергию хаотического движения (теплоту).

Диссипативные структуры— новые структуры, требующие для своего

становления большого количества энергии.

Иерархия(от греч. — священный + власть) — структурная организация сложных

систем, которая упорядочивает взаимодействия между уровнями в порядке от высшего к

низшему.

Изотропность(от греч. — свойство) — одинаковость свойств объектов

(пространства, вещества и др.) по всем направлениям.

Ион(от греч. — идущий) — электрически заряженная частица, образующаяся при

потере или приобретении избыточных электронов атомами или группами атомов.

Квазар— космический объект, обладающий интенсивным радиоизлучением и

чрезвычайно малыми размерами, Предположительно является протоядром новых галактик.

Квант— понятие, введенное М. Планком для обозначения элементарной

дискретной порции энергии.

Кварки— гипотетические элементарные частицы, из которых состоят адроны.

Континуальность(от греч. — непрерывное) — непрерывность.

Континуум —сплошная материальная среда, свойства которой изменяются в

пространстве непрерывно.

Корпускула(от лат — частица) — частица в классической (неквантовой) физике.

Корпускулярно – волновой дуализм— двойственная природа мельчайших частиц

вещества, состоящая в наличии у них не только корпускулярных, но и волновых свойств.

Космогония(от греч.) — учение о происхождении и эволюции космических тел и

их систем.

Космология— учение о Вселенной как едином целом, основанное на исследовании

той части, которая доступна для астрономических наблюдений.

Лептоны(от греч. — легкий) — элементарные частицы, не участвующие в сильном

взаимодействии.

Метагалактика— изученная в настоящее время часть Вселенной со всеми

находящимися в ней галактиками и другими объектами.

Молекула— наименьшая частица вещества, обладающая его химическими

свойствами.

Метафизика(от греч. — после физики) — философское учение о

сверхчувствительных (недоступных опыту) принципах бытия.

Нуклон(от лат. — ядро) — общее название протона и нейтрона, являющихся

составными частями атомных ядер.

Организация— упорядоченность, достигаемая внешними по отношению к системе

факторами.

Планета —небесное тело, по форме близкое к шару, получающее свет и тепло от

Солнца и обращающееся вокруг него по эллиптической орбите.

Порядок— исходное понятие теории систем, означающее определенное

расположение элементов или их последовательность во времени.

Пульсары(от англ. — пульсирующие источники радиоизлучения) — космические

источники импульсного электромагнитного излучения, открытые в 1967 г.

Реликтовое излучение— космическое электромагнитное излучение, связанное с

эволюцией Вселенной.

Самоорганизация —природный скачкообразный процесс, переводящий открытую

неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое

устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению

с исходным.

Синергетика— возникшее в 70-х гг. XX в. междисциплинарное научное

направление, занятое поисками общих принципов самоорганизации систем различной

природы. С конца XX в. — теория самоорганизации.

Система— совокупность взаимодействующих объектов, образующих

определенную целостность.

Стохастический(от греч. — умеющий угадывать) — случайный, вероятностный.

Сциентизм— представление о науке и особенно о естествознании как о главном

факторе общественного прогресса.

Термодинамика— раздел физики, в котором изучаются наиболее общие свойства

систем, находящихся в состоянии теплового равновесия, и процессы перехода между

такими состояниями, сопровождаемые превращением теплоты в другие виды энергии.

Термоядерная реакция— синтез атомных ядер, эффективно протекающий при

сверхвысоких температурах и способствующий поддержанию этих температур за счет

большого энерговыделения.

Фотон— частица света, квант электромагнитного поля.

Флуктуация(от лат. — колебание) — случайное отклонение системы от

равновесного положения.

Энтропия(от греч. — поворот, превращение) — мера хаотичности (беспорядка) в

изолированной системе.