Синергетика как наука о самоорганизации - Студенческий научный форум

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Синергетика как наука о самоорганизации

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Материя располагает дееспособность к самоорганизации - это непредсказуемый переход публичной неравновесной системы от меньшей ступени к более сложной и упорядоченной. Самоорганизация отличается от процесса организации тем, что сущность представленного хода разъясняется природой самой системы. Другими словами, организация, будто система - самоорганизующаяся, ежели она без вспомогательных воздействий находит пространственную или функциональную структуру. Самоорганизацию как явление, свойственное открытым системам, изучает наука-синергетика.

Синергетика - научное направление, которое исследует процессы взаимодействия, коллаборации, эволюции сложных и динамичных систем. Термин был введен Германом Хакеном в начале 1970 года. Конечно, некоторые сообщества упрекали, возражали этому направлению. Критики утверждали, что синергетика - пустое понятие, которое излишне математизировано и представляет собой один из видов физики, развивающейся экстенсивно. Через несколько лет все сомнения развеялись, и синергетика стала общепризнанным направлением.

Наименование теории Г.Хакен объяснял это так, что он искал такое слово, которое бы объединяло совместную деятельность, то есть общую энергию. Заметим, что синергетика-это особый язык, посредством которого можно описать жизнь сложных систем.

Очевидно, что системы, которые существуют в природе, безоговорочно не похожи на те, которые созданы человеком.     

Системы, в естественной среде, характеризуются устойчивостью к внешним воздействиям, способностью развиваться и расти. А системы, которые созданы человеческим трудом, часто имеют свои особенности: резкое ухудшение функционирования и ошибки  в  управлении.

Можно сделать вывод, что необходимо заимствовать опыт построения организации,  накопленный природой и использовать его в своей деятельности.

Задачи синергетики.

Задача первая: выяснение закономерностей построения организации и возникновение порядка. В отличие от кибернетики, большое внимание уделяется принципу построения и развития организации.

Наличие решения вопросов в различных областях от физики и химии до экономики и экологии, создание и поддержание организации, формирование упорядоченности - это либо цель деятельности, либо ее значимый шаг.

Вторая важная задача для синергии - найти ответ. Необходимость решения ряда задач науки и техники, анализа сложных процессов различной природы с использованием новых математических методов.

Дисциплина поиска математических моделей физики связана с линейными уравнениями. По порядку это уравнения, в которых неизвестные включены только в первой степени. Но на самом деле они описывают процессы, протекающие одинаково при различных внешних воздействиях. При увеличении интенсивности воздействия изменения остаются количественными и новые качества не возникают.

           Тем не менее, ученым и по сей день часто приходится иметь дело с явлениями, когда более интенсивные внешние воздействия приводят к качественно новому поведению системы. Здесь нам нужны нелинейные математические модели, а их анализ. Это дело намного сложнее, но оно необходимо, чтобы решить множество проблем.

Это приводит к появлению широкого фронта изучения нелинейных явлений, к попыткам сформировать унифицированные комбинации, которые будут применимы к большинству систем. Именно такие подходы используются в синергетике.

           Ключевые положения синергетики

В отличие от других наук, которые, возникали на основе двух ранее существовавших наук и характеризовались проникновением метода одной науки в другую, синергетика опирается на внутренние точки. Например, физики, микробиологи, химики, математики видят свои собственные задачи, и каждый из них применяет свой собственный метод науки, обогащая общий запас мыслей и методов этой науки.

Эту особенность синергетики подробно описал Хакен, будто данная конференция, как и все предыдущие, показала, что существуют удивительные аналоги между поведением абсолютно разных систем. С этой точки зрения данная конференция служит примером существования новой области науки - синергетики. Конечно, синергетика не существует сама по себе, но она связана с другими науками по крайней мере, двумя путями. Во-первых, изучаемые синергетикой системы относятся к компетенции разных наук. Во-вторых, многие другие науки воплощают свои идеи в синергетику. Можно сделать вывод: синергетика как наука делает первые шаги и существует сразу в нескольких версиях, которые отличаются названиями и степенью общности.

Когда Г. Хакена попросили назвать ключевые положения синергетики, он перечислил их в следующем порядке:

1. Изучаемые системы строятся из нескольких идентичных или неидентичных частей, которые друг с другом взаимодействуют.

2. Эти системы нелинейные.

3. Увидев физические, химические и биологические системы, мы говорим об публичных системах, которые не близки от теплового равновесия.

4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниями.

5. Системы могут быть нестабильными.

6. Совершаются качественные изменения.

7. В этих системах создаются новые качества.

8. Возникают пространственно-временные структуры.

9. Структуры могут быть либо упорядоченными, либо хаотичными.

10. Во многих случаях возможна математизация.» (Г.Хакен)

В этих десяти позициях Хакену действительно удалось в очень лаконичной форме выразить основное содержание синергетики. Рассмотрим это содержание для полноты картины.

Содержание синергетики

Хакен в первую очередь подчеркивает, что части систем взаимодействуют друг с другом для того, чтобы появились новые системы. Обычно они думают так: сложное возникает из простого, но это так. Логика Хакена идет немного в другую сторону. Фундаментальный системный фактор - это не хаос, а динамика.

Важнейшее понятие синергетики - нелинейность. Синергетика фокусируется на изучении нелинейных математических соотношений, требуемые значения в степенях не равны 1. Линейность делает движение бесспорным и абсолютным. Нелинейность отражает разнообразие и нестабильность, бифуркации.

Точка бифуркации - это состояние максимального хаоса в неравновесном процессе. Из-за хаоса дальнейшее развитие процесса имеет много возможных путей от зоны ветвления. Её можно сравнить с положением шара на выпуклой поверхности, например, сферической, которая достаточно нестабильна.

Любой удар может вывести шарик из неустойчивого состояния, после этого он начнет катиться вниз, но по какой именно траектории он пойдет от точки бифуркации, предположить точно невозможно. Это так называемый случайный процесс.

Имея дело с открытыми нелинейными системами, синергетика утверждает, что мир возникает в результате спонтанных и самоорганизующихся механизмов. В их основе лежит равномерная симметрия форм живой и неживой природы.

Синергетика имеет дело с публичными системами, которые совсем далеки от равновесия. Открытость системы показывает наличие в ней источников и стоков, например, информация.

Чтобы сформировать систему, необходим соответствующий динамический источник. К примеру, без снабжения энергией организмы вымирают; любая социальная система, которая обесточена с точки зрения информации, безжизненна. Когда наступает равновесие, самоорганизация прекращается.

Самостоятельные системы подвержены колебаниям, потому что во время колебаний система движется к стабильной конструкции. Нелинейные уравнения обычно описывают колебательные процессы. Эта теория колебаний важна в радиотехнике и в системных процессах.

Если параметры системы достигают критических значений, то система переходит в состояние нестабильности. Благодаря этим изменениям и возникают новые качества. Новое возникает быстро, однако развитие идет через неустойчивость и часто посредством малых возбуждений.

Одним из больших открытий было открытие Лоренцем сложного поведения по отношению к простой динамической системе. При конкретных значениях параметров траектория системы вела себя настолько сложно, что внешний наблюдатель мог принять ее характеристики как случайные.

Природа Лоренца изучалась совместно с физиками и математиками. Со многими другими моделями синергетики, электрическая система Лоренца описывает разные ситуации - от тепловой конвекции в атмосфере и до взаимодействия электромагнитной волны. Из экзотического объекта аттрактор Лоренца оказался довольно быстро низведен до положения «нестранных» аттракторов, которые притягивают к себе особые точки. Люди стали от него уставать: легко ли находить странные аттракторы буквально на каждом шагу!

Синергетика, как показал И. Пригожин во многих своих работах, позволяет нам понять два самых главных фактора существования нашего окружения. Это время и необратимость. Во-первых, необратимость играет важную роль, а во-вторых, необходимо заново открыть для себя понятие времени. Можно посмотреть на суть проблемы.

В свое время теория Чарльза Дарвина послужила хорошим толчком для раскрытия исследований в области развития природных систем. Эволюционная концепция заставила даже физиков посмотреть на свой предмет с другой стороны, да и в принципе природу в целом. Дело в том, что биологи и физики придерживались совершенно противоположных взглядов на эволюцию природы.

В биологии время необратимо, его стрела идет от рождения человека к его смерти, но нет связи между необратимостью и временем, как в термодинамических системах. Живые существа более упорядочены, чем неживые.

В термодинамике при выравнивании температур энтропия в замкнутой системе всегда возрастает. По мнению Л. Больцмана, термодинамическое время необратимо и это стрела времени.

Однако в классической механике время считается обратимым. Прямое и обратное течение времени эквивалентны. Всегда считалось, что для описания движения достаточно задать начальные условия. А это, прежде всего координаты и скорость. Тогда по законам механики можно будет определить положение движущегося тела в любой момент будущего и прошедшего времени. Иными словами, фактор времени здесь не сыграл большой роли.

Несмотря на это, возникает непонятная ситуация: в одной физической теории, а именно в механике, время считается обратимым, а в другой, в термодинамике, время, наоборот, признается необратимым. Такая непоследовательность вызывает подозрение у ученых, они стремятся преодолеть эти противоречия.

Пригожин приходит к выводу, что время всегда необратимо, а сама необратимость связана только с самоорганизацией систем и составляет основу эволюции. Открытие времени вынуждает человечество с новым взглядом проанализировать свое будущее.

Аналогично этому, кибернетике Винера предшествовала нейрокибернетика Ампера, которая обладала непрямым подходом  к  "Науке управления в кибернетических системах", синергетика Хакена обладала собственными "предшественниками"  согласно  имени: синергетика Ч. Шеррингтона, Со. Улана и Забуского.

Английский физик Ч.Шеррингтон разработал концепцию нервной системы. Он называл синергетическим согласованное воздействие нервной системы при управлении мышечными движениями.

С. Улам провёл эксперимент над числовым аналогом системы и понял всю важность «синергии». Т.е. постоянного партнерства между машиной и ее оператором», исполняемых в современных машинах из-за результата вывода информации.

Реалистично оценивая узкие возможности аналитического и численного подхода к решению нелинейных задач, И. Забуский решил, что необходим единый синтетический подход. «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» - слова И.Забуйского.

В случае если учесть нелегкость систем, изучаемых синергетикой Хакена, то становится ясно, что синергетический подход И.Забуского займет заслуженное место среди прочих средств и методов.

Синергетические понятия дают возможность оценить характер эволюции и развития человека. Таким образом, мы приходим к большому выводу:

Во-первых, неудивительно, что давно взорвался протовакуум, потому что находился в неравновесном состоянии и скатился в состояние аттрактора, которое сопровождалось расширением и охлаждением Вселенной.

Во-вторых, всем известно, что живые организмы способны сохранять свою устойчивость. Именно этот процесс происходит благодаря обратным отрицательным связям.

В-третьих, «сборка» физико-химических элементов привела к возникновению живого. В рамках трудных концепций возникновение жизни закономерно – в значении синергетической самоорганизации.

В-четвертых, с синергетических позиций эволюция мира привела к становлению человека как биологического вида. Это представляется вполне закономерной характеристикой.

В-пятых, возникновение политических, экономических и религиозных составляющих также укладывается в картину синергетических представлений.

Мировоззренческая сила синергетического подхода такова, что он используется в качестве междисциплинарного средства для описания всех сложных систем.

Синергетика позволяет с новых позиций понять время и необратимость. Стратегия человечества должна предполагать его коэволюцию с природой. Синергетика очерчивает возможности людей согласно по познанию нелинейных открытых систем и выработке новой стратегии поведения.

Синергетика дает представление о возможностях и ограничениях нашего познания. «Мы не должны отступать, ибо пережим, как и отказ от воздействия, могут толкнуть систему из одного хаотического состояния в другое. Мы должны быть смелыми – в соответствии с условиями нелинейности и сложности эволюции.

Список литературы

1. [Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. — 622с]

2. [Карпенко С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Академический проспект; Фонд "Мир"]

3. [Ботаника с основами фитоценологии: Анатомия и морфология растений: Учеб.для вузов/Т.И.Серебряклва,Н.С.Воронин,А.Г.Еленевский и др.-М.:ИКЦ «Академкнига»,2006.-543с]

4. [Северцов А.С. Теория эволюции.(м.:ВЛАДОС,2005)]

5. [Аршинов В.И.. Синергетика как феномен постнеоклассической науки, М. ИФРАН, 1999]

Просмотров работы: 615