Современные концепции развития геосферных оболочек

В последние 30 лет признание получила концепция тектонических литосферных плит, согласно которой в течение всего мезозоя и кайнозоя материки перемещались по поверхности планеты. Рассмотрев карту мира как разрезную картинку, можно заметить, что Южная Америка и Африка, Антарктида, Австралия и Индостан – границы материков – хорошо совмещаются. Это обстоятельство было отмечено давно, но лишь в 1912 г. немецкий метеоролог и геолог Альфред Вегенер (1880–1930) сделал предположение о существовании единого праконтинента, его расколе и последующем движении образовавшихся континентов. Понадобилось более полувека, чтобы эта теория получила признание специалистов.

Теория тектонических литосферных плит существенно изменила представления об эволюции нашей планеты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением. Если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность приближения сейсмического толчка или серии таких толчков. Теория литосферных плит сделала более понятным распределение полезных ископаемых.

Гидросфера (водная оболочка) покрывает 71 % поверхности планеты и включает в себя Мировой океан, моря, озера, реки и подземные воды. Вода – сильнейший, почти универсальный растворитель: в 1 т океанической воды содержится 35 кг различных солей. Одним из замечательных ее свойств является то, что ее твердая фаза (лед) имеет при температуре замерзания плотность меньшую, чем жидкая вода. Поэтому замерзание водоемов начинается сверху, где зимой температура атмосферы понижается, и в глубине сохраняются условия, благоприятные для жизни. Значительная часть воды содержится в криосфере – льдах Арктики и Антарктики, занимающей огромные пространства.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, существенно отличается от атмосфер других планет Солнечной системы. Первоначально она состояла из водорода, водяных паров, углекислого газа, метана, аммиака и небольших количеств гелия и неона. На Земле углекислота была удалена химическими реакциями с горными породами при участии жидкой воды, а впоследствии и фотосинтезом растений. Современная атмосфера состоит из азота (около 80 %) и кислорода (около 20 %). Атмосфера подразделяется на несколько уровней – приземную тропосферу с интенсивным вертикальным и горизонтальным движением воздуха, стратосферу с озоновым слоем, мезосферу, ионосферу и экзосферу. Совокупность движений воздуха тропосферы образует атмосферную циркуляцию. Наблюдается широтное чередование сезонно смещающихся зон высокого и низкого давления, и отрывающиеся от них атмосферные вихри, связанные с областями низкого и высокого давления, называются циклонами и антициклонами.

Сложное взаимодействие трех геосфер – атмосферы, литосферы и гидросферы (возможно, и при неких дополнительных внешних воздействиях) привело в глубокой древности к формированию новой геосферы – биосферы, сферы жизни. Ее составляющей является и та часть материи, которая пытается познать строение Земли и Вселенной и определить свое место в ней, – люди.

СИНЕРГЕТИКА

В системе научного знания выделяются новые, более сложные типы объектов познания, характеризующиеся историзмом, универсальностью, сложностью организации, которые раньше не поддавались теоретическому (математическому) моделированию. Одно из таких новых направлений в современном естествознании представлено синергетикой.

Классическое и неклассическое естествознание объединяет одна общая черта: их предмет познания – это простые (замкнутые, изолированные, обратимые во времени) системы. В 70-е гг. XX в. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области нелинейного (порядка выше второго) математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании – синергетики. Как и кибернетика, синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. Синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.

Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем закрытых, линейных систем. Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем. Основной вопрос синергетики – существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.

Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие». Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присущи природе, – систем, способных к самоорганизации, саморазвитию. Основные свойства самоорганизующихся систем – открытость, нелинейность, диссипативность.

Главная идея синергетики – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. Система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Становление самоорганизации определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.

Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим, таким как человек, общество, культура.

КИБЕРНЕТИКА

Задачу выяснить с общих позиций закономерности процессов самоорганизации и образования структур ставит перед собой не только синергетика. Важную роль в понимании многих существенных особенностей этих процессов сыграл, например, кибернетический подход, представляемый иногда как абстрагирующийся от конкретных материальных форм и поэтому противопоставляемый синергетическому подходу, учитывающему физические основы спонтанного формирования структур.

Термином «кибернетика» 2500 лет назад древнегреческий философ Платон называл «искусство управления кораблем». В начале XIX в. французский физик и математик А.-М. Ампер называл кибернетику наукой об управлении государством. В 1948 г. американский математик Н. Винер издал книгу «Кибернетика», в которой определил это понятие как «науку об управлении и связи в животном и машине». Одна из важнейших задач кибернетики – исследование управляющих систем живой природы. Ключевым вопросом в ее решении стало понятие обратной связи, влияния следствий на причины, их вызывающие и определяющие ход процесса.

Кибернетика возникла на стыке многих областей знания: математики, логики, семиотики, биологии и социологии. Обобщающий характер кибернетических идей и методов сближает науку об управлении, каковой является кибернетика, с философией. Задача обоснования исходных понятий кибернетики, особенно таких, как информация, управление, обратная связь и другие, требует выхода в более широкую, философскую область знаний, где рассматриваются атрибуты материи – общие свойства движения, закономерности познания. Явления, которые отображаются в таких фундаментальных понятиях кибернетики, как информация и управление, имеют место в органической природе и общественной жизни. Таким образом, кибернетику можно определить как науку об управлении и связи с живой природой в обществе и технике. Информация в живой природе в отличие от природы неживой играет активную роль, так как участвует в управлении всеми жизненными процессами.

Эффект обратной связи означает цикличность, замкнутость несущего информацию сигнала с выхода на вход системы управления. Посредством обратной связи осуществляется приведение объекта управления в соответствие с функционально-заданным результатом управления. Отрицательная обратная связь уменьшает действие возмущающих воздействий, положительная – усиливает, что может привести к разрушению системы управления.

В традиционной кибернетике гомеостаз рассматривается как некоторое устойчивое с точки зрения цели управления состояние объекта. Гомеостаз здесь обеспечивается тем, что всякие отклонения состояний объекта управления от цели управления компенсируются за счет отрицательной обратной связи. То есть в этом представлении гомеостаз прочно связан с целью управления.

Эвристический путь совершенствования систем управления постепенно формализуется в рамках теории систем путем выработки синтетических обобщающих концепций методологического плана. Среди них общая теория систем Л. Берталанфи, кибернетика Н. Винера, функциональная теория систем М. И. Сетрова, ветви системного анализа, системотехнические и системологические работы, «глобальные идеи» теории управления, такие как обратная связь, адаптация.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ (СИСТЕМА, ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ, ИНФОРМАЦИЯ). СВЯЗЬ ИНФОРМАЦИИ И ЗНАНИЯ

Те практические задачи, которые сегодня решаются, требуют глубокого изучения отдельных объектов и явлений природы. Большое число задач связано с исследованием сложных систем, включающих множество элементов, каждый из которых представляет собой достаточно сложную систему, и эти системы тесно взаимосвязаны с внешней средой. В настоящее время термин «общая теория систем» трактуется в широком и узком смысле. ОТС в широком смысле – это комплекс математических и инженерныхдисциплин.

Аналогична ситуация и с теорией развития сложных систем. Ее тоже можно понимать в широком и узком смысле. В широком смысле теория развития сложных систем – это естественно-научная конкретизация общей теории развития – материалистической диалектики. В рамках этой же теории должны быть объединены основные положения о поведении сложных систем, разработанные в различных областях научного знания, в результате чего может быть построена концептуальная модель процессов развития сложных систем. Более узкое понимание теории развития предполагает построение математических моделей развития конкретных систем (биологических, экологических, экономических, социальных и т. п.). В этом случае объект исследования выделяется и анализируется конкретной научной дисциплиной.

Особенность простых систем – в практически взаимной независимости их свойств, позволяющей исследовать каждое из них в отдельности в условиях классического лабораторного эксперимента; особенность сложных систем заключается в существенной взаимосвязи их свойств. Систему считают сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, каждый из которых может быть представлен в виде системы. В качестве содержания теории развития сложных систем можно рассматривать совокупность методологических подходов, позволяющих строить модели процессов развития сложных систем, используя достижения различных наук, а также методы анализа получаемых моделей.

Действие регуляторного механизма развития системы проявляется на различных уровнях ее организации и зависит от реакции на изменение внешних факторов, от форм взаимодействия системы с факторами внешней среды. В зависимости от уровня структуризации системы взаимозависимость с внешними факторами проявляется в различных формах, так как относится к разным уровням организации системы и различным процессам. В роли регулятора выступает внешняя среда, включающая рассматриваемую систему. Внешняя среда должна быть связана с развивающейся системой двумя линиями связи – прямой линией передачи управляющих сигналов от внешней среды к системе и линией обратной связи, передающей во внешнюю среду информацию о действительном состоянии системы. В процессе функционирования система передает во внешнюю среду информацию о количественном составе соответствующих элементов-признаков, об их распределении. Во внешней среде происходит преобразование этой информации (контроль и отбор наиболее ценной информации). Отобранная информация накапливается во внешней среде и передается в систему путем появления соответствующих свойств (признаков) у элементов системы.