Синергетика и ее значение для современного естествознания.

Введение

Актуальность исследования синергетики как научного подхода к организации и функционированию различных природных систем как живого, так и неживого характера, состоит в том, что синергетика представляет собой новую ступень в развитии естественных наук.
Свойство самоорганизации (самоусложнения) представляет собой свойство открытых нелинейных систем, потому что эти системы значительно более сложные, чем закрытые линейные системы.
С позиций синергетики факторами влияния на эволюцию природных систем являются факторы открытости, нелинейности, неравновесности, неконтролируемости и случайности.
Возникший в последнее время системный подход в науке дал возможность посмотреть на окружающий мир как на единую сложную систему, состоящую из значительного числа подсистем и компонентов, которые находятся в постоянном взаимодействии друг с другом.
Основной заслугой синергетики как науки является тот факт, что она впервые показала, что процессы самоорганизации могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и другие).
Более того, синергетика доказала, что сем сложнее система, тем более высокий уровень имеют в ней процессы самоорганизации.
Синергетика как понятие означает совместное, согласованное, кооперативное действие, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы.
Объект работы – теории самоорганизации и синергетический подход в естествознании.
Предмет работы – синергетика как подход в изучении естественно-научных проблем.
Цель работы – изучить синергетику как теорию самоорганизации живых и неживых систем и роль синергетического подхода в современном естествознании.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить ряд промежуточных задач, таких как:
Рассмотреть значение синергетики как научной дисциплины, изучающей процессы самоорганизации в природе и обществе;
Рассмотреть роль флуктуаций и бифуркаций в процессе самоорганизации;
Рассмотреть условия самоорганизации;

1. Самоорганизация и наука о самоорганизации (синергетика)

Понятие самоорганизации появляется в 70е гг. XX ст. Затем исследователи выдвигают тезис «порядок из хаоса». Общий теоретико-математический базис для объяснения явлений самоорганизации связан со становлением синергетики. Сам термин «синергетика» был предложен Хакеном. Хакен предложил рассматривать синергетику как теорию возникновения новых качеств на макроскопическом уровне. Появление новых качеств в таком контексте можно представить как возникновение смысла или самозарождение смысла.
Синергетика представляет собой теорию сложных самоорганизующихся систем. Это новое междисциплинарное исследование, которое является последним научным достижением в области современного естествознания.
Наука синергетика современном естествознании обосновывает тенденцию глобального эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин, которая наметилась в настоящее время. Однако до недавнего времени развитию этой тенденции синтеза естественнонаучных дисциплин препятствовало значительное различие между процессами деградации и эволюции в неживой и живой природе.
Первоначально синергетика возникла в итоге развития нелинейной неравновесной термодинамики и нелинейного математического моделирования сложных открытых систем.
Впоследствии, теоретические наработки в области самоорганизации и устойчивости сложных неравновесных систем стало возможно применять и к физическим, биологическим, химическим и социальным процессам.
Дадим определение синергетики как научной дисциплины. Итак, синергетика (от греч. συν – «совместно» и греч. εργος – «действующий») представляет собой междисциплинарное направление научных исследований, изучающая природные явления и процессы на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «Синергетика – наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…».
Основным понятием синергетики является определение структуры как состояния, которое возникло в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, не деградирующих к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развивающихся вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния.
Законы синергетики дают возможность определить условия при наличии которых система способна сохранять свое качество (то есть пребывать в состоянии гомеостаза). Иными словами, в саморегулирующейся стабильной системе присутствует обратная связь и при отклонении возникающие флуктуации (отклонения) компенсируются
Таким образом, свойство самоорганизации (самоусложнения) представляет собой свойство открытых нелинейных систем, потому что эти системы значительно более сложные, чем закрытые линейные системы.
С позиций синергетики факторами влияния на эволюцию природных систем являются факторы открытости, нелинейности, неравновесности, неконтролируемости и случайности.

2. Флуктуации и бифуркации как движущие силы в процессе самоорганизации системы

Флуктуации представляют собой случайные возмущения в системе. Они играют важную роль в функционировании системы.
Флуктуации могут быть нейтральным фоном, не вносящим в функционирование системы никаких изменений, поскольку происходит уравновешивание внешних и внутренних помех в системе.
Также флуктуации могут представлять собой начало изменений в системе, своеобразный зародыш, с которого происходит формирование нового состояния системы, поскольку именно с флуктуации может происходить лавинообразное нарастание изменений в системе.
Примером этого может быть возникновение центра кристаллизации в растворе, вследствие чего однородный раствор переходит из жидкого состояния в состояние раствора и монокристалла, то есть разделение твердых и жидких фаз.
Кроме того, флуктуация может быть механизмом «спускового крючка», когда изменения в системе зашли достаточно далеко и именно одна флуктуация приводит к мгновенному переходу состояния системы из одного в другое.
Особое значение в синергетике имеет момент выбора между различными аттракторами, развилка дорог эволюции. Для обозначения этого решающего момента используется термин бифуркация.
В состояниях неустойчивости в функционирование подсистем человеческого организма могут вторгаться и факторы космического уровня

.
Необходимо отметить, что такие свойства системы как ее неравновесность и нестабильность, обусловленные наличием в ней большого количества точек бифуркации не обязательно приводят к разрушению этой системы, поскольку, чем больше в системе степеней свободы, тем больше она способна к самоупорядочиванию.
Среди различных подходов к описанию процессов самоорганизации выделяют:
– Российскую школу нелинейной динамики (С.П.Курдюмов);
– Бельгийскую школу диссипативных процессов (И. Пригожин);
– Немецкую школу лазерной физики (Г. Хакен).
Самоорганизующиеся системы обладают возможностью генерации информации. Связано это с неравновесностью системы и обусловлено свойствами среды, в которой размещены элементы этой системы.
Изучение нелинейных уравнений в контексте синергетики привело к открытию особого класса фазовых траекторий – странных аттракторов. Они по существу являются математическими образами состояний механических систем, которым соответствует сложное химическое движение, названное динамическим хаосом.
После появления синергетики оказалось, что хаотическое движение можно описать. Понятие хаоса может разрешить сразу три парадокса: необратимость времени, коллапс волновой функции и появление порядка из хаоса.
Порядок и хаос в контексте синергетики не носят абсолютного характера. Одно понятие определяется через другое. Хаос в открытой неравновесной системе приводит к самоорганизации.
Создание И. Пригожиным термодинамики открытых неравновесных систем позволило по-новому подойти к целому классу традиционных для физики вопросов, рассмотреть проблемы необратимости, времени, эволюции. Пригожин предпринял попытку внести в физику идеи эволюции. Он предложил понятие «стрелы времени», используя для этого представление о динамическом хаосе.
Исходя из успехов синергетики, ученые объясняют возникновение и развитие упорядоченных систем перестройкой хаоса.
Все возникает из хаоса.
Самоорганизация – процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих.
Таким образом, равновесные фазовые переходы, такие как кристаллизация также оказались самоорганизацией. Для устранения путаницы, феномен упорядочения в равновесных условиях часто определяют как консервативная самоорганизация.

3. Универсальная схема развития открытых систем. Возможные пути ее применения в исследованиях

Синергетика представляет собой науку, которая занимается объяснением процессов самоорганизации в сложных системах, то есть в самом широком понимании, синергетика изучает как из хаоса самопроизвольно формируется некий порядок.
Для того, чтобы в системе проходили процессы самоорганизации, система должна быть открытой, поскольку вследствие законов термодинамики закрытая система приходит в итоге к состоянию. в котором энтропия максимальна, а следовательно, эволюция и любое развитие невозможно.
Фундаментальный принцип самоорганизации состоит в том, что возникновение новой структуры и усложнение системы происходит через флуктуации или случайные отклонения в стабильном до этого состоянии элементов и подструктур.
Подобные флуктуации как правило подавляются во всех динамически стабильных и адаптивных системах за счет отрицательных обратных связей, которые обеспечивают сохранение структуры и близкого к равновесию состояния системы.
Однако в случае более сложных систем благодаря постоянному притоку энергии извне и усиливающейся при этом общей неравновесности системы, происходит возрастание количества отклонений и их накопление, что в конечном итоге вызывает эффект коллективного поведения компонентов подсистемы и своеобразному «расшатыванию» прежнего порядка. Через какое-то время возникает состояние хаоса в системе, а затем прежняя система трансформируется в нечто принципиально новое.
Поскольку флуктуации носят случайный характер, то появление любых новаций в мире (эволюций, революций, катастроф) обусловлено действием суммы случайных факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур (341–270 до н. э.) и Лукреций Кар (99-45 до н. э.)
Самоорганизация, имеющая своим исходом образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может произойти лишь в системах достаточного уровня сложности, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций.
В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации. Недостаточно сложные системы не способны ни к спонтанной адаптации ни, тем более, к развитию и при получении извне чрезмерного количества энергии теряют свою структуру и необратимо разрушаются.
Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями.
Функционирование динамически стабильных, неэволюционирующих, но адаптивных систем – а это и гомеостаз в живых организмах и автоматические устройства – основывается на получении обратных сигналов от рецепторов или датчиков относительно положения системы и последующей корректировки этого положения к исходному состоянию исполнительными механизмами.
В самоорганизующейся, в эволюционирующей системе возникшие изменения не устраняются, а накапливаются и усиливаются вследствие общей положительной реактивности системы, что может привести к возникновению нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы. Таковы, к примеру, механизмы фазовых переходов вещества или образования новых социальных формаций.
Самоорганизация в сложной системе часто сопровождается нарушениями ее структурной и функциональной симметрии, что можно наблюдать воочию при сравнении например искусственно выращенного кристалла и живого растения. И там и там присутствуют элементы симметрии, но степень их выраженности различная.
Самоорганизация в сложных и открытых – диссипативных системах, к которым относится и Жизнь, и Разум, а согласно общей теории относительности и вся Вселенная в целом, приводят к необратимому разрушению старых и к возникновению новых структур и систем, что наряду с явлением неубывания энтропии в закрытых системах обуславливает наличие «стрелы времени» в Природе.

4