Передісторія виникнення синергетики

Синергетика, що є наукою про процеси розвитку і самоорганізації складних систем довільної природи, успадковує і розвиває універсальні, міждисциплінарні підходи своїх попередниць: тектології О.О. Богданова, теорії систем Л. фон Берталанфі, кібернетики Н.Вінера. Проте, її мова і методи спираються на нелінійну математику і результати природничих наук, що вивчають еволюцію складних систем, істотно збагачуючи наші уявлення про складне.
Історія методів синергетики пов'язана з іменами багатьох видатних учених ХХ століття. Перш за все, це великий французький математик, фізик і філософ Анрі Пуанкаре, який вже в кінці XIX століття заклав основи методів нелінійної динаміки і якісної теорії диференціальних рівнянь. Саме він ввів поняття аттракторів (притягуючої множини в просторі станів відкритих системах), точок біфуркацій (значень параметрів задачі, при яких з'являються або альтернативні рішення, або втрачають стійкість ті, що існують), нестійких траєкторій і динамічного хаосу у задачі трьох тіл небесної механіки (тяжіння Земля-Луна-Сонце).

У першій половині ХХ століття велику роль в розвитку методів нелінійної динаміки грала російська і радянська школа математиків і фізиків: О.М. Ляпунов, М.М. Боголюбов, Л.І. Мандельштамм, О.О. Андронов, А.М. Колмогоров, А.М. Тихонов. Ці дослідження стимулювалися великою мірою вирішенням стратегічних оборонних завдань: створення ядерної зброї, освоєння космосу. Західні учені також використовували перші оборонні ЕОМ при виявленні нерівноважних теплових структур: модель морфогенезу (Алан Т’юрінг) і відокремлених хвиль - солітонів (Енріко Фермі). Цей період можна назвати "синергетикою до синергетики", оскільки сам термін ще не використовувався.

У 60-70 роки ХХ століття відбувається справжній прорив в розумінні процесів самоорганізації в самих різних явищах природи і техніки. Перерахуємо деякі з них: теорія генерації лазера Г.Б. Басова, О.М. Прохорова, Ч. Таунса; коливальні хімічні реакції Б.П. Білоусова і А.М. Жаботинського - основа біоритмів живого; теорія дисипативних структур І. Пригожина; теорія турбулентності А.М. Колмогорова і Ю.Л. Клімонтовіча. Нерівноважні структури плазми в термоядерному синтезі вивчалися Б.Б. Кадомцевим, О.А. Самарським, С.П. Курдюмовим. Теорія активного середовища і біофізичне застосування самоорганізації досліджувалися О.С.Давидовим, Г.Р.Іваницьким, І.М. Гельфандом, А.М.Молчановим, Д.С.Чернавським. У 1963 році відбувається епохальне відкриття динамічного хаосу, спочатку в задачах прогнозу погоди (Э. Лоренц), потім теоретично, починається вивчення дивних аттракторів в роботах Д. Рюеля, Ф. Такенса, Л.П. Шильникова. Для дивних аттракторів характерна нестійкість рішення за початковими даними - знаменитий "ефект метелика", помах крил якого може радикально змінити далекий прогноз погоди - образ динамічного хаосу. Створюються універсальна теорія катастроф (стрибкоподібних змін станів систем) Р.Тома і В.І. Арнольда і розвиваються її застосування в психології і соціології; теорія автопоезіса живих систем У. Матурани і Ф. Варелли. Коло цих методів і підходів у вивченні складних систем Герман Хакен і назве в 1970 році синергетикою (теорією колективної, кооперативної, комплексної поведінки систем), заздалегідь ефективно застосувавши їх в теорії генерації лазера.

У 80-90 роки продовжується вивчення динамічного хаосу і проблеми складності. У зв'язку із створенням нових поколінь потужних ЕОМ, розвиваються фрактальна геометрія (Б.Мандельброт), геометрія самоподібних об'єктів (типу хмари, крони дерева, берегової лінії), яка описує структури динамічного хаосу і дозволяє ефективно стискувати інформацію при розпізнаванні і зберіганні образів. Були виявлені універсальні сценарії переходу до хаосу М. Фейгенбаума, І. Помо. У 1990 році було відкрито феномен самоорганізованої критичності. Його можна досліджувати, розглядаючи купу піску (П. Бак). Лавинки, що сходять, відтворюють розподіли Парето по величинах подій для біржових криз, землетрусів, аварій складних технічних комплексів і так далі

Сьогодні синергетика швидко інтегрується в область гуманітарних наук, виникли напрями соціосинергетики і еволюційної економіки, застосовують її психологи і педагоги, розвиваються застосування в лінгвістиці, історії і мистецтвознавстві, реалізується проект створення синергетичної антропології.

Проте, таке зростання вшир інколи зводиться лише до декларацій про наміри, оскільки міждисциплінарність в сучасній науці передбачає взаємоузгоджене використання образів, представлень методів і моделей дисциплін як природничонаукового і технічного, так і соціогуманітарного профілю. Це, у свою чергу, передбачає, окрім всього іншого, існування єдиної наукової картини світу. В той же час зараз такої загальнонаукової (міждисциплінарної) єдиної картини світу (у сенсі самоузгодженої цілісності), строго кажучи, немає. Існують її окремі фрагменти, що іменуються спеціальними картинами світу, дисциплінарними онтологіями такі, наприклад, як: фізична, біологічна, космологічна картини світу, що репрезентують предмети кожної окремої науки. Синергетика і намагається навести мости між цими картинами, створити єдине поле міждисциплінарної комунікації, сформувати принципи нової картини світу.

Синергетичні моделі

Основою синергетики є єдність явищ, методів і моделей, з якими доводиться зіштовхуватися при дослідженні виникнення порядку з безладдя (або, як кажуть, з хаосу). У хімії – це, наприклад, хімічні хвилі в реакції Білоусова-Жаботинського, в космології - спіральні галактичні утворення, в екології - організація біологічних співтовариств, в економіці – хвилі Кондрат’єва і т.п. Прикладом самоорганізації в гідродинаміці служить ефект Релея-Бенара - утворення в шарі неоднорідно нагрітої рідини (при певній величині температурного градієнту) конвективних чарунок (як правило, гексагональних), а, також, виникнення в рідині тороїдальних вихорів між циліндрами, що обертаються (вихори Тейлора). Прикладом змушеної організації є генерація когерентного електромагнітного випромінювання в лазері за допомогою зовнішньої накачки.

Моделі синергетики - це моделі нелінійних, неврівноважених систем, що зазнають серії послідовних нерівноважних фазових переходів під дією внутрішніх флуктуацій. У момент переходу впорядкована і неупорядкована фази відрізняються одна від одної настільки мало, що саме флуктуації переводять одну фазу в іншу. Якщо в системі можливо кілька стійких станів, то флуктуації відбирають одну з них. При аналізі складних систем, наприклад, у біології або екології, синергетика досліджує найпростіші основні моделі, що дозволяють зрозуміти й виділяти найбільш істотні механізми "організації порядку", виборчу нестійкість, імовірнісний відбір, конкуренцію або синхронізацію підсистем. Поняття й образи синергетики пов'язані, у першу чергу, з оцінкою впорядкованості й безладдя: це інформація, ентропія, кореляція, точка біфуркації та інше. Методи синергетики в значній мірі перетинаються з методами теорії коливань і хвиль, термодинаміки нелінійних неврівноважених процесів, теорії катастроф, теорії фазових переходів, статистичної механіки, теорії самоорганізації, системного аналізу і інше.

Класична термодинаміка у своєму аналізі систем відволікалася від їхньої складності й проблем взаємозв'язку із зовнішнім середовищем. По суті, вона розглядала ізольовані, закриті системи. Але у світі реальні системи є відкритими, оскільки обмінюються з навколишнім середовищем різними ресурсами: речовиною, енергією, інформацією та ін.. У відкритих системах має місце виробництво ентропії, а, також, виникають потоки ентропії, в тому числі і від’ємної (негентропії), відбуваються необоротні процеси, але за рахунок одержання матеріальних ресурсів, енергії й інформації система не тільки зберігається, а й може підвищувати ступінь своєї організації. Відкриті системи характеризуються неврівноваженою структурою. Нерівновага пов'язана з адаптацією до зовнішнього середовища (система змушена змінювати свою структуру), система може пристосовуватись і мати багато різних станів, невизначеність подальшої траєкторії свого розвитку (функціонування) і т.д. Перехід від термодинаміки рівноважних процесів до аналізу відкритих систем ознаменував великий поворот у науці. Саме у відкритих системах виявлено ефект самоорганізації, ефект розвитку від хаосу до порядку.

Звичайно, феномен переходу від безладдя до порядку, до упорядкування вчені знали й до цього появи синергетики. Як приклади самоорганізації в неживій природі можна привести принцип найменшої дії й принцип Ле-Шателье. Біологічні й соціальні системи підтримують упорядковані стани, незважаючи на збурюючі впливи навколишнього середовища.

Синергетика досліджує особливі стани систем в області їхнього нестійкого стану, здатність до самоорганізації, точки біфуркації (перехідні моменти, переломні точки).