Синергетический анализ сложноорганизованных систем

 

Если редукционизм и атомизм классической физики основыва­ ются на редукции, или сведении сложных явлений к простым, то синергетика стремится понять связь и взаимодействие между ними. Поэтому она рассматривает, например, изменения, которые проис­ ходят на макроскопическом, наблюдаемом уровне как результат взаимодействия огромного числа элементов и частиц системы на ненаблюдаемом микроуровне.

Чтобы пояснить механизм такого взаимодействия рассмотрим пример образования шестиугольных ячеек, которое впервые наблю­ дал французский физик Бенарна поверхности подогреваемой жид­ кости. Если разница температуры жидкости между нижней частью Т2 и верхней поверхностью Т1 будет ниже некоторого критического значения ас, т.е. Т2 - Т1 <ас, тогда нагревание жидкости будет про­ исходить путем теплопроводности и не отразится внешне на ее по­ ведении. Но как только эта разница превысит критическое значе­ ние, спонтанно возникнет конвективное движение и огромное чис­ ло частиц как бы по команде начнет участвовать в этом движении. Результатом такого движения будет образование гексагональных ячеек на поверхности жидкости.

Классическая термодинамика равновесных систем не могла объ­ яснить это явление, ибо оно не укладывалось в рамки представлений о замкнутых, изолированных системах. Поэтому оно долгое время оставалось непонятным, и на него обратили внимание только с воз­ никновением неравновесной термодинамики и синергетики. С точ­ ки зрения этих направлений исследования появление ячеек Бенара обязано обмену энергией между рассматриваемой системой жидко­ сти и окружающей средой. Флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего состояния, в открытых системах не подавляются, а, напротив, усиливаются по мере возрастания нерав­ новесности между системой и окружающей средой. В результате этого беспорядочное тепловое движение молекул в критической точке сменяется согласованным, кооперативным их движением, что и приводит к образованию новой структуры в жидкости. Возникаю­ щая при этом энтропия в системе диссипиируется (рассеивается)

в окружающую среду. На этом основании И.Р. Пригожин предло­ жил назвать вновь возникающие структуры диссипативными.

Более сложный характер имеют процессы самоорганизации, происходящие при химических реакциях, которые впервые еще в

50-х гг. исследовал Б.П. Белоусов и обобщил А.М. Жаботинский со своими сотрудниками. Они рассматривались подробно в главе 9, здесь же обратим внимание на то, что в них кроме обмена энергией происходит также обмен между реагирующими веществами: новые реагенты вступают в реакцию, а использованные - выводятся из нее. Важным условием возникновения такой самоорганизующейся реакции является наличие катализаторов, ускоряющих ее процесс. В ходе реакции на поверхности раствора веществ спонтанно обра­ зуются упорядоченные пространствеиные и временные структуры. Наиболее примечательным из них являются так называемые <<хими­ ческие>> часы, которые представляют собой периодический процесс изменения цвета раствора, например, с красного на голубой и об­ ратно. Как уже говорилось в главе 1, Пригожин вместе со своими сотрудниками в Брюсселе построил теоретическую модель этого процесса, названную им брюсселятором.

Третьим примерам может служить самоорганизация, которая происходит в процессе лазерного излучения, который впервые под­ робно исследовал Г. Хакен. О нем шла речь также в главе 9. В этом случае когерентное движение атомов газового лазера достигается посредством электрического разряда, под воздействием которого возбужденные атомы начинают испускать фотоны. Когда критиче­ ская точка будет достигнута, лазер начнет излучать мощный цуг электромагнитных волн с высокой энергией.

Все эти примеры можно описать с помощью единой схемы. Лю­ бая открытая система, взаимодействуя с окружающей средой, испы­

тывает определенные флуктуации. Под воздействием энергии или вещества, поступающих извне, эти флуктуации усиливаются и начи­

нают <<расшатывать>> старые связи между элементами или компо­ нентами системы. Возникает неустойчивость, которая со временем усиливается, и когда она достигает определенного критического значения, система резко меняет свое макроскопическое состояние. Между ее элементами возникает новое взаимодействие, и они на­ чинают двигаться когерентно, или согласованно, образуя коопера­ тивные процессы. Хакен, как мы видели, самоорганизацию связы­ вает именно с кооперативными процессами, а Пригожин - с воз­ никновением диссипативных структур.

Основная идея, выдвигаемая синергетикой, заключается, таким образом, в том, что сложные системы качественно меняют свое мак­

роскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне. Последние изменения можно рассматривать как ко-

личественные, описываемые управляющим параметром системы. При критическом значении этого параметра система переходит в новое макроскопическое состояние. Установить связь между невидимыми количественными изменениями на микроуровне и видимыми каче­ ственными изменениями на макроуровне, как и определить критиче­ ское значение управляющего параметра из чисто абстрактных, теоре­ тических соображений не представляется возможным. Поэтому здесь прибегают к конкретному исследованию сложноорганизованных систем с помощью наблюдений или экспериментов. В опыте Бена­ ра управляющим параметром является градиент температуры подог­ реваемой жидкости, в реакции Белоусова- Жаботинского - кон­ центрация химических веществ, в лазере - напряженность элек­ тромагнитного поля внутри него. Изменяя управляющий параметр, можно достичь критического значения, когда система резко и спон­ танно переходит в качественно новое состояние. Поэтому анализ поведения системы при переходе от прежнего состояния к новому состоянию в критической точке имеет решающее значение для по­ нимания процесса самоорганизации.

1. Именно здесь ясно прослеживается взаимосвязь между случай­

ностью и необходимостью в процессе самоорганизации системы. Флуктуации, представляющие собой случайные отклонения от рав­ новесия в ходе взаимодействия со средой и возрастания неравновес­

ности системы, постепенно усиливаются, пока не достигнут опреде­ ленной критической точки, в которой и происходит превращение случайных изменений в детерминированное, необходимое движение системы. Однако какое направление дальнейшего движения вблизи критической точки выберет при этом система, зависит, в свою оче­ редь, от ряда случайных обстоятельств. Используя заимствованный из математики термин бифуркации, можно сказать, что в зависимо­ сти от таких сложившихся случайных обстоятельств система может выбрать по крайней мере два возможных направления будущего развития, хотя их может быть и больше.

2. В процессе постепенного изменения состояний на микро­ уровне обычно возникает множество различных конфигураций со­ стояний, и их будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются пара­ метрами порядка.

Этот принцип управления или подчинения параметрам порядка,

который впервые четко сформулировал Хакен 1, он сравнивает с действиями кукловода: <<В определенном смысле параметры поряд­ ка действуют как кукловоды, заставляющие марионеток двигаться. Однако между наивным представленнем о параметрах порядка как

 

 

1 Хакен Г. Основные понятия синергетики // Синергетическая парадигма. - М.,

2000. - С. 29.

o кукловодах и тем, что происходит в действительности, имеется одно важное различие. Оказывается, что, совершая коллективное действие, индивидуальные части системы, или <<куклЫ>>, сами воздей­ ствуют на параметры порядка, т.е. на <<кукловодов>).

Принцип подчинения параметрам порядка играет важнейшую

роль в понимании процессов самоорганизации. В каждом таком процессе параметров порядка существует сравнительно немного, в то время как система может состоять из большого числа компонен­ тов, которые могут создавать огромное количество состояний. Это значительно облегчает анализ самоорганизующихся процессов и проливает дополнительный свет на понимание категории причинности в современном научном познании. Если традиционное понимание линейной причинности предполагает, что только причина вызывает или порождает действие, то процессы самоорганизации ясно пока­ зывают, что действия также могут оказывать влияние на породив­ шую их причину или причины. Действительно, поведение компо­ нентов системы подчиняется и управляется параметрами порядка, но в то же время сами параметры порядка появляются в результате взаимодействия компонентов системы. Так возникает представле­ ние о циклической причинности, включающее признание обратно­ го влияния действия на породившую его причину. Хотя в диалекти­ ческой философии такая взаимосвязь в абстрактном виде и призна­ валась, но конкретные ее механизмы сколь-нибудь подробно не рассматривались.

3. Существенная особенность самоорганизующихся процессов и систем заключается в нелинейнам характере взаимодействия между элементами системы, что математически может быть выражено диф­ ференциальными уравнениями степени выше первой, откуда и про­ исходит название таких систем - нелинейные.

4. Если в классическом естествознании хаос играл чисто негатив­ ную роль, являясь символом дезорганизации и разрушения порядка, то в синергетике он выступает в качестве конструктивного фактора. С одной стороны, из хаоса или беспорядка возникает порядок, а с другой- сам хаос представляет собой весьма сложную форму упоря­ доченности.

5. В синергетике становится возможным говорить о категории времени, отображающем реальные процессы изменения систем не только в направлении их дезорганизации и разрушения, но и само­ организации и становления. Классическая термодинамика, как мы видели, хотя и ввела понятие необратимости и <<стрелы>> времени, но эта <<стрела>> бьша направлена в сторону увеличения энтропии систе­ мы, а тем самым возрастания в ней беспорядка. Однако такое пони-

 

 

1 Хакен Г. Указ раб. С. 37.

мание времени не согласуется как с Представлениями здравого смысла, так и теориями биологической эволюции и социального раз­ вития. В этом отношении особого внимания заслуживает позиция Пригожина. Еще со студенческих лет он поставил своей целью пе­ реосмыслить представления о времени, господствовавшие не только в классической физике, но и в современной квантовой механике и теории относительности.