Синергетика: самоорганизация систем в терминах: бифуркация, аттрактор, неустойчивость, фракталы. Рол флуктуации. Понятие хаоса.

Изучение различных природных явлений привело науку к осознанию того, что природа подвержена непрерывной эволюции. Изменения происходят на всех уровнях материальных структур, которые сами являются результатом эволюционного процесса, поскольку в природе непрерывно происходит увеличение разнообразия и сложности.

Идея о глобальном эволюционном процессе, который охватывает Вселенную, определяет эволюцию всех ее подсистем и единство наиболее общих закономерностей эволюции, составляет содержание концепции всеобщего эволюционизма.

В основе концепции лежит понимание эволюции как проявления самоорганизации в сильно неравновесных системах. Исследование процессов самоорганизации привело к становлению нового междисциплинарного направления в науке – синергетики.

Синергетика (от греч. συν — «совместное» и греч. εργος — «действие») — наука, целью которой является выявление и исследование общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы.

Синергетика представляет собой новый этап изучения сложных систем, продолжающий и дополняющий кибернетику и общую теорию систем. Синергетика изначально представлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, одни и те же в системах любой природы (в физике, химии, технике, биологии, социологии, экономике):

• Самоорганизующаяся система является сложной, состоящей из многих элементов;

• Система является открытой, неравновесной и нелинейной;

• При увеличении неравновесности выше некоторого предела система переходит в неустойчивое состояние;

• Выход из неустойчивости переходит скачком за счет быстрой перестройки элементов системы;

• Наблюдается согласованное поведение элементов системы, которое приводит к переходу системы в качественное состояние с упорядоченной структурой (пространственной или временной);

• Выбор одного из возможных новых состояний является случайным

Синергетика отличается от традиционной научной дисциплины – она пока существует как бы в нескольких вариантах, отличающихся названием и степенью общности. Область исследований синергетики до сих пор до конца не определена.

Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход:

• Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой разрабатывалась теория диссипативных систем, раскрывались исторические предпосылки и мировоззренческие основания теории самоорганизации.

• Школа Германа Хакена, профессора Института синергетики и теоретической физики в Штутгарте. Он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет более 60 томов. Хакен ввел определение термина «синергетика», в 1977 году в своей книге «Синергетика» (издана на русском языке в 1980 г.)

Синергетика прогрессирует с развитием математического аппарата описания нелинейных и неустойчивых систем и соответствующими вычислительными методами, основанными на компьютерном моделировании.

• Математический аппарат теории катастроф для описания синергетических процессов разработан российским математиком В. И. Арнольдом (теория катастроф) и французским математиком Рене Тома.

• В рамках школы академика А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П. Курдюмова разрабатана теория самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента для нелинейных сред.

Предпринимаются все более активные попытки использования синергетических методов в экологии, социологии, истории, экономике, в области социально-гуманитарного знания:

• В России вклад в развитие синергетики внесли академик Н. Н. Моисеев — идеи универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.

• Синергетический подход в биофизике и информатике развивается в трудах члена-корреспондента РАН М. В. Волькенштейна.

• Синергетический подход в теоретической истории и экономике развивается в работах Д. С. Чернавского, Г.Г.Малинецкого, Л.И.Бородкина, С.П.Капицы, С.Ю.Малкова, А.В.Коротаева, П.В.Турчина, В.Г.Буданова, А.П.Назаретяна и др.

Постепенно предмет синергетики распределился между различными направлениями:

• теория динамического хаоса исследует сверхсложную упорядоченность;

• теория детерминированного хаоса исследует хаотические явления, возникающие в результате детерминированных процессов;

• теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации;

• теория катастроф исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркация, аттрактор, неустойчивость;

Основными понятиями синергетики можно считать

• Открытые системы;

• Нелинейность;

• Самоорганизация.

В открытой неравновесной системе повышается чувствительность к флуктуациям. Флуктуации могут привести к образованию диссипативных структур – самопроизвольному выстраиванию структуры на микроуровне в результате согласованного взаимодействия элементов. Система реагирует на изменение своего состояния с использованием положительной обратной связи. (Пример – лазер).

Разрастание диссипативной структуры связано с понятием фракталов. Главное свойство фракталов состоит в том, что любой их малый фрагмент аналогичен более крупной части и объекту в целом. Фрактал – своего рода «микрозатрака» в начальный момент самоорганизации, из которой новая структура вырастает до макроуровня в том же виде (пример – пламя, нейронная сеть мозга, кристаллическая структура). Фрактальная структура, благодаря избыточности, хорошо противостоит повреждениям.

Нелинейное развитие системы, когда малое воздействие на нее приводит к принципиально новому результату, называется бифуркационным. В точке бифуркации система может начать развитие в новом направлении (пример бифуркаций – выбор учебного заведения, выбор спутника жизни, картина Васнецова «Витязь на распутье»). В соответствии с синергетическими представлениями в нелинейных средах изначально существует спектр возможных структур развития данной системы (например, физический вакуум содержит в себе возможность рождения всех элементарных частиц). Под действием внешних факторов система выбирает дальнейший путь существования и развития. Таким образом, развитие представляет собой инициирование потенциально существующего в системе порядка, а не наведение порядка извне. Новизна синергетического подхода заключается в том, что развитие понимается как внутренний процесс, в котором конструктивным началом выступает «детерминированный» хаос. Случайность и детерминированность на этапе бифуркации состоят в соотношении неопределенности (случайность – «блуждание по полю возможностей»). Процессы самоорганизации носят целенаправленный характер. Цель, направляющая поведение нелинейной системы, называется аттрактором. Иногда аттрактор рассматривается как новообразованная структура, на которую система выходит после точки бифуркации. (Пример – горное озеро, в которое стекаются ручьи с окружающей местности: озеро – аттрактор; рельеф местности, направляющий ручьи – законы эволюции). Наличие флуктуаций и вероятностный характер взаимодействия снова переведут систему в неравновесное состояние – к новой бифуркации, а затем – к выходу на другой аттрактор.

Хаос контролирует и направляет систему в момент входа и выхода из аттрактора. Благодаря конструктивной роли и возможностям самоструктуризации хаос можно рассматривать как сверхсложную структуру. Физический хаос,представляемый как кажущийся беспорядок, может быть строго описан математически, следовательно

физический хаос имеет внутренний порядок, но он очень сложен. Хаос можно представить как «беспорядок множества порядков».