Синергетика как естественная наука о структурных преобразованиях в открытой диссипативной нелинейной системе

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

"Концепции современного естествознания"

Синергетика как естественная наука о структурных преобразованиях в открытой диссипативной нелинейной системе

Содержание

 

Введение

Глава I. Синергетика в современной науке

1.1 Самоорганизующиеся системы как предмет изучения синергетики

1.2 Подходы к изучению синергетики

1.3 Диалогичность синергетики

Глава II. Закономерности самоорганизации

2.1 Свертывание сложного

2.2 Сверхбыстрое развитие процессов в сложных системах

2.3 Пути развития сложных систем

2.4 Проблемы коэволюции

2.5 Детерминация процессов эволюции из будущего

2.6 Роль хаоса в эволюции

2.8 Законы объединения сложных структур

2.9 Пульсирующий ритм развития сложных систем

2.10 Возможности трансформации путей развития сложных систем

Глава III. Модели самоорганизации в науках о человеке и обществе

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В условиях современного мира, информационной революции и компьютеризации, успехов математического моделирования сложных социоприродных процессов и вычислительного эксперимента неправомерно пользоваться старыми методами и моделями. Старые методы основаны на образцах линейного мышления и линейных приближениях, на экстраполяциях от наличного. Они часто связаны с чрезмерным усложнением модели, стремлением принять во внимание и включить в нее как можно большее число параметров. Прежние методологические подходы к моделированию сложных социальных процессов не учитывают, или по крайней мере, недооценивают, неоднозначность будущего, факторы детерминации эволюционных процессов из будущего, конструктивность хаотического начала в эволюции, роль быстрых процессов в развитии сложного и многое другое. Размываются чёткие границы между практической и познавательной деятельностью. В системе научного знания происходят интенсивные процессы дифференциации и интеграции знания, развиваются комплексные и междисциплинарные исследования, новые способы и методы познания, методологические установки, появляются новые элементы картины мира, выделяются новые, более сложные типы объектов познания, характеризующиеся историзмом, универсальностью, сложностью организации, которые раньше не поддавались теоретическому моделированию. Одно из таких новых направлений в современном естествознании представлено синергетикой, которая является теорией эволюции и самоорганизации сложных систем мира. Синергетика как теория нестационарных, эволюционирующих структур имеет под собой сегодня солидную основу в виде результатов нелинейного анализа, математического моделирования и вычислительного эксперимента. Современное состояние развития синергетического знания позволяет вести обоснованный поиск и находить конструктивные принципы коэволюции сложных систем мира. Синергетика радикально изменяет наше видение мира, разрушает прежние интеллектуальные табу и стереотипы мышления (страх перед сложным, негативное отношение к нестабильности и хаосу, экспоненциальность роста научной информации и народонаселения Земли и т.п.). В данной работе раскрывается понятие синергетики, её предмет, задачи и методология, даётся характеристика сложным самоорганизующимся системам, а также делается попытка показать, как, выступая в качестве современной парадигмы эволюции, синергетика, поможет сказать, что конкретно происходит или будет происходить в мире, какие общие ориентиры синергетика может дать для научного поиска, для прогнозирования и моделирования процессов в сложных социальных и биологических системах.

Глава I. Синергетика в современной науке

В последние годы наблюдается стремительный и бурный рост интереса к междисциплинарному направлению, получившему название "синергетика". Создателем синергетического направления и изобретателем термина "синергетика" является профессор Штутгартского университета и директор Института теоретической физики и синергетики Герман Хакен.

По Хакену, синергетика занимается изучением систем, состоящих из большого (очень большого, "огромного") числа частей, компонент или подсистем, одним словом, деталей, сложным образом взаимодействующих между собой. Слово "синергетика" и означает "совместное действие", подчеркивая согласованность функционирования частей, отражающуюся в поведении системы как целого.

Подобно тому, как предложенный Норбертом Винером термин "кибернетика" имел предшественников в кибернетике Ампера, синергетика Хакена также имела своих "предшественниц" по названию: синергетику Ч. Шеррингтона, синергию С. Улана и синергетический подход И. Забуского.

Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.

С. Улам был непосредственным участником одного из первых численных экспериментов на ЭВМ первого поколения - проверке гипотезы равнораспределения энергии по степеням свободы. Эксперимент, проведенный над числовым аналогом системы кубических осцилляторов, привел к неожиданному результату, породив знаменитую проблему Ферми - Пасты - Улама: проследив за эволюцией распределения энергии по степеням свободы на протяжении достаточно большого числа циклов, авторы не обнаружили ни малейшей тенденции к равнораспределению. С. Улам, много работавший с ЭВМ, понял всю важность и пользу "…синергии, т.е. непрерывного сотрудничества между машиной и ее оператором", осуществляемого в современных машинах за счёт вывода информации на дисплей.

Решение проблемы Ферми - Пасты - Улама было получено в начале 60-х годов М. Крускалом и Н. Забуским, доказавшим, что система Ферми - Пасты - Улама представляет собой разностный аналог уравнения Кортевега - де Вриза и что равнораcпределению энергии препятствует солитон (термин, предложенный H. Забуским), переносящий энергию из одной группы мод в другую. Реалистически оценивая ограниченные возможности как аналитического, так и численного подхода к решению нелинейных задач, И. Забуский пришел к выводу о необходимости единого синтетического подхода. По его словам, "синергетический подход к нелинейным математическим и физическим задачам можно определить как совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений".

Появление нового междисциплинарного направления встретило, как принято теперь говорить, неоднозначный прием со стороны научного сообщества. Дебаты между приверженцами синергетики и ее противниками по накалу страстей напоминали печально знаменитую сессию ВАСХНИЛ или собрания, на которых разоблачали и осуждали буржуазную лженауку кибернетику. Хакена обвиняли в честолюбивых замыслах, в умышленном введении легковерных в заблуждение. Утверждалось, будто кроме названия (у которого, как было сказано выше, также имелись предшественники), синергетика напрочь лишена элементов новизны. Предложенном Хакеном название нового междисциплинарного направления, лапидарное и выразительное, привлекало к новому направлению гораздо больше внимания, чем любое "правильное", но "скучное" и понятное лишь узкому кругу специалистов, название.

В чем только ни упрекали новое научное направление его противники и (не всегда добросовестные) критики: они утверждали, будто синергетика - детонат пустого понятия, и синергетика не имеет ни своего предмета, ни присущего только ей метода исследования, что она излишне математизирована и представляет собой одну из разновидностей физикализма, не обладает непременным атрибутом науки - прогностической силой, развивается не интенсивно, а экстенсивно. Но вот минули три десятилетия, заполненные неустанными трудами профессора Хакена, его сотрудников, учеников и единомышленников, и со всей очевидностью выяснилось, что все опасения, сомнения и упреки несостоятельны и развеялись, как утренний туман. Современная синергетика стала признанным междисциплинарным направлением научных исследований, которое занимается изучением сложных систем, состоящих из многих элементов, частей, компонентов, которые взаимодействуют между собой сложным (нелинейным) образом.

 

1.1 Самоорганизующиеся системы как предмет изучения синергетики

Предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Система называется самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую - то пространственную, временную или функциональную структуру. Основными свойствами самоорганизующихся систем являются открытость, нелинейность, диссипативность:

Открытость. Открытые системы - это такие системы, которые поддерживаются в определённом состоянии за счёт непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся к однородному равновесному состоянию. Открытые системы - это 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.

Нелинейность. Так как большинство систем во Вселенной носит открытый характер, то доминирующими оказываются не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, её необычные реакции на внешние воздействия среды. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и "учитывать" их в своём функционировании. На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции: здесь возможны ситуации, когда совместные действия причин А и В вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности. Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер - при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые, в свою очередь, обуславливают изменения в самой этой системе. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и её среды могут быть самыми неожиданными и необычными.

Диссипативность. Открытые неравновесные системы могут приобретать особое динамическое состояние - диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное проявление процессов, протекающих на микроуровне. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи. Диссипативность проявляется в различных формах: в способности "забывать" детали некоторых внешних воздействий, в "естественном отборе" среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов и т.д.

Системы, составляющие предмет изучения синергетики, могут быть самой различной природы и содержательно и специально изучаться различными науками, например, физикой, химией, биологией, математикой, нейрофизиологией, экономикой, социологией, лингвистикой и т.д. Каждая из наук изучает "свои" системы своими, только ей присущими, методами и формулирует результаты на "своем" языке. При существующей далеко зашедшей дифференциации науки это приводит к тому, что достижения одной науки зачастую становятся недоступными вниманию и тем более пониманию представителей других наук.

В отличие от традиционных областей науки синергетику интересуют общие закономерности эволюции (развития во времени) систем любой природы. Отрешаясь от специфической природы систем, синергетика обретает способность описывать их эволюцию на интернациональном языке, устанавливая своего рода изоморфизм двух явлений, изучаемых специфическими средствами двух различных наук, но имеющих общую модель, или, точнее, приводимых к общей модели. Обнаружение единства модели позволяет синергетике делать достояние одной области науки доступным пониманию представителей совсем другой, быть может, весьма далекой от нее области науки и переносить результаты одной науки на, казалось бы, чужеродную почву.

Следует особо подчеркнуть, что синергетика отнюдь не является одной из пограничных наук типа физической химии или математической биологии, возникающих на стыке двух наук. По замыслу своего создателя профессора Хакена, синергетика призвана играть роль своего рода метанауки, подмечающей и изучающей общий характер тех закономерностей и зависимостей, которые частные науки считали "своими". Поэтому синергетика возникает не на стыке наук в более или менее широкой или узкой пограничной области, а извлекает представляющие для нее интерес системы из самой сердцевины предметной области частных наук и исследует эти системы, не апеллируя к их природе, своими специфическими средствами, носящими общий ("интернациональный") характер по отношению к частным наукам.

Как и всякое научное направление, родившееся во второй половине ХХ века, синергетика возникла не на пустом месте. Её можно рассматривать как преемницу и продолжательницу многих разделов точного естествознания, в первую очередь (но не только) теории колебаний и качественной теории дифференциальных уравнений. Именно теория колебаний с ее "интернациональным языком", а впоследствии и "нелинейным мышлением" стала для синергетики прототипом науки, занимающейся построением моделей систем различной природы, обслуживающих различные области науки, а качественная теория дифференциальных уравнений, начало которой было положено в трудах Анри Пуанкаре, и выросшая из нее современная общая теория динамических систем вооружила синергетику значительной частью математического аппарата.

 

1.2 Подходы к изучению синергетики

Необходимо отметить, что изучением систем, состоящих из большого числа частей, взаимодействующих между собой тем или иным способом, занимались и продолжают заниматься многие науки. Одни из них предпочитают подразделять систему на части, чтобы затем, изучая разъятые детали, пытаться строить более или менее правдоподобные гипотезы о структуре или функционировании системы как целого. Другие изучают систему как единое целое, предавая забвению тонко настроенное взаимодействие частей. И тот, и другой подходы обладают своими преимуществами и недостатками. Синергетика как бы наводит мост через брешь, разделяющую первый, редукционистский, подход от второго, холистического. К тому же в синергетике, своего рода соединительном звене между этими двумя экстремистскими подходами, рассмотрение происходит на промежуточном, мезоскопическом уровне, и макроскопические проявления процессов, происходящих на микроскопическом уровне, возникают "сами собой", вследствие самоорганизации, без руководящей и направляющей "руки", действующей извне системы. Это обстоятельство имеет настолько существенное значение, что синергетику можно было бы определить как науку о самоорганизации.

Редукционистский подход с его основным акцентом на деталях сопряжен с необходимостью обработки, зачастую непосильным для наблюдателя, даже вооруженного сверхсовременной вычислительной техникой, объема информации о подсистемах, их структуре, функционирования и взаимодействии. Сжатие информации до разумных пределов осуществляется различными способами. Один из них используется в статистической физике и заключается в отказе от излишней детализации описания и в переходе от индивидуальных характеристик отдельных частей к усредненным тем или иным способом характеристикам системы. Импульс, получаемый стенкой сосуда при ударе о нее отдельной частицы газа, заменяется усредненным эффектом от ударов большого числа частиц - давлением. Вместо отдельных составляющих системы статистическая физика рассматривает множества (ансамбли) составляющих, вместо действия, производимого индивидуальной подсистемой, - коллективные эффекты, производимые ансамблем подсистем.

Синергетика подходит к решению проблемы сжатия информации с другой стороны. Вместо большого числа факторов, от которых зависит состояние системы (так называемых компонент вектора состояния) синергетика рассматривает немногочисленные параметры порядка, от которых зависят компоненты вектора состояния системы и которые, в свою очередь, влияют на параметры порядка. В переходе от компонент вектора состояния к немногочисленным параметрам порядка заключен смысл одного из основополагающих принципов синергетики - так называемого принципа подчинения (компонент вектора состояния параметрам порядка). Обратная зависимость параметров порядка от компонент вектора состояния приводит к возникновению того, что принято называть круговой причинностью.

 

1.3 Диалогичность синергетики

Разумеется, синергетика - далеко не единственное научное направление, которое занимается изучением сложных систем. Вместе с тем, используемые в синергетике понятия делают синергетический подход уникальным, причем не только в концептуальном, но и в операциональном плане.

Синергетика с её статусом метанауки изначально была призвана сыграть роль коммуникатора, позволяющего оценить степень общности результатов, моделей и методов отдельных наук, их полезность для других наук и перевести диалект конкретной науки на высокую латынь междисциплинарного общения. Положение междисциплинарного направления обусловило ещё одну важную особенность синергетики - ее открытость, готовность к диалогу на правах непосредственного участника или непритязательного посредника, видящего свою задачу во всемирном обеспечении взаимопонимания между участниками диалога. Диалогичность синергетики находит свое отражение и в характере вопрошания природы: процесс исследования закономерностей окружающего мира в синергетике превратился (или находится в стадии превращения) из добывания безликой объективной информации в живой диалог исследователя с природой, при котором роль наблюдателя становится ощутимой, осязаемой и зримой.

Общие закономерности поведения систем, порождающих сложные режимы, позволяют рассматривать на содержательном, а иногда и на количественном уровне, такие вопросы, как уровень сложности восприятия окружающего мира, как функция словарного запаса воспринимающего субъекта, роль хаотических режимов, их иерархий и особенностей в формировании смысла, грамматические категории как носители семантического содержания, проблемы ностратического языкознания (реконструкция праязыка) как восстановление "фазового портрета" семейства языков и выделения аттракторов, и многое другое.

Глава II. Закономерности самоорганизации

Как молодая, развивающаяся наука синергетика предложила новые методологические подходы к моделированию развития сложных систем.

 

2.1 Свертывание сложного

Синергетика предлагает отказаться от неправомерно чрезмерного усложнения модели системы, введения большого числа параметров развития. Синергетика позволяет снять некие психологические барьеры, страх перед сложными системами. Сверхсложная, бесконечномерная, хаотизированная на уровне элементов среда может описываться, как и всякая открытая нелинейная среда, небольшим числом фундаментальных идей и образов, а затем, возможно, и математических уравнений, определяющих общие тенденции развертывания процессов в ней. Кроме того, структуры, которые возникают в процессах эволюции, так называемые структуры - аттракторы, описываются достаточно просто. Структуры - аттракторы эволюции, её направленности или цели относительно просты по сравнению со сложными (запутанным, хаотическим, неустоявшимся) ходом промежуточных процессов в среде. Асимптотика колоссально упрощается. На основании этого появляется возможность прогнозирования исходя:

"из целей" процессов (структур-аттракторов);

"от целого", исходя из общих тенденций развертывания процессов в целостных системах (средах);

из идеала, желаемого человеком и согласованного с собственными тенденциями развития процессов в средах.

2.2 Сверхбыстрое развитие процессов в сложных системах

Синергетика предполагает, что не следует ожидать плавного и устойчивого пути развития системы. Эволюционные кризисы развития неизбежны. Режимы с обострением (режимы сверхбыстрого развития, когда определенные характерные величины возрастают неограниченно за конечное время) ведут к нестабильности, к неустойчивости и угрозе вероятностного распада сложной структуры вблизи момента обострения. Так, например, в социальной системе фундаментальный факт роста народонаселения мира с обострением во многом определяет характер современной стадии цивилизационного развития: ускорение мировых процессов, возрастающую нестабильность, множество возможных, угрожающих миру катастрофических ситуаций. Темпы роста народонаселения на Западе и на Востоке, в экономически развитых странах и странах развивающихся существенно различны. Чудовищный темп роста населения на Востоке, в азиатском и африканском мире - это сама по себе важнейшая проблема человечества, которая может менять геополитические оценки. В соответствии с моделью формирования структур в результате конкуренции двух факторов (наращивания неоднородностей в сплошной среде и их рассеивания), можно предположить, что рост экономического и культурного уровня, увеличение связей, контактов, обменов между людьми как аналог диссипативного фактора на социальной среде в некотором смысле приводит к торможению демографических процессов, подавляет рост народонаселения.

 

2.3 Пути развития сложных систем

В основе синергетической методологии лежит представление о спектре путей эволюции сложных систем, поле путей развития. Это означает неоднозначность будущего, существование моментов неустойчивости, связанных с выбором путей дальнейшего развития, а особую роль человека в нелинейных ситуациях разветвления путей и выбора желаемого, благоприятного пути развития. Любые сложные системы, имеют не один, единственный, а несколько альтернативных путей эволюции. Необходимо ясно осознавать наличие различных тенденций эволюции, неоднозначность прохода в будущее. Будущие формы организации систем открыты в виде веера предопределенных возможностей. Существуют определенные "коридоры" эволюции. Отсюда встает задача управляемой открытости развития, оберегаемого и самоподдерживающегося развития. Встает задача выбора гармоничного пути в будущее.

 

2.4 Проблемы коэволюции

Поскольку природа и человечество развиваются разными путями, встаёт проблема совместного развития, проблема коэволюции. При этом неправомерно навязывать свое видение мира и путей его эволюции носителям других мировоззрений и цивилизационных ценностей. Путь "спасения мира" не может состоять в подавлении иных мировоззрений и образов жизни. В соответствии с общими закономерностями самоорганизации сложноорганизованным социоприродным системам нельзя навязывать пути их развития. Скорее, необходимо понять, как способствовать их собственным тенденциям, как выводить системы на эти пути, т.е. необходимо ориентироваться на собственные, естественные тенденции развития природы и научиться попадать в резонанс с ними, а не насиловать природу, продолжая огульное и бездумное внешнее вмешательство в неё. В общем-то эта установка совпадает с тем, что подразумевается под восточным образом жизни, мышления и деятельности человека. Для Востока всегда были характерны "следование естественности", "ненасилие над природой вещей".

2.5 Детерминация процессов эволюции из будущего

Развитие определяется не столько прошлым, историей, традициями системы, сколько будущим, структурами-аттракторами эволюции. Можно смоделировать спектры структур-аттракторов, спектры "целей" саморазвития социальных систем. Задача аккуратного получения спектров структур открытых нелинейных сред решена пока только в частных случаях. Поэтому здесь открывается огромное поле поиска. Синергетикой может быть инициирована постановка перед соответствующими учеными-специалистами сложных исследовательских задач, таких, например, как определение спектров экономических и геополитических структур.

 

2.6 Роль хаоса в эволюции

Путь хаоса, термодинамическая ветвь остается как один из возможных путей эволюции в открытых нелинейных средах. Необходимо осознавать конструктивную роль хаоса в эволюции. Например, аналогом хаоса в социальной области является рынок, рынок в обобщенном смысле, не только рынок продуктов материального труда, но и рынок услуг, рынок идей, обмены научной информацией. Такой обобщенный рынок является саморегулятором социальных процессов. Он является генератором новой информации, социальных и культурных инноваций. Хаотическая, рассеивающая, диссипативная основа является показателем связи элементов структуры. Диссипативные, диффузионные, рассеивающие факторы являются средством связи, установления когерентности поведения элементов или подсистем мира. Слишком слабая связь элементов внутри структуры может привести к распаду её распаду.