Синергетика, самоорганизация в природе и необратимость времени

Логика всего предыдущего изложения вынуждает обращаться к анализу все более сложных систем. Вопрос о возникновении из простого сложного считается в науке одним из самых актуальных. Лишь во второй половине XX в. наука стала осваивать сложные системы с использованием дифференциальных уравнений. В этой связи появилась особая наука, теория самоорганизации сложных систем, которая по предложению немецкого физика и математика Г. Хакена была названа синергетикой (от греч. synergia — сотрудничество, имеется в виду взаимодействие многих факторов). Под самоорганизацией понимается процесс, при котором взаимодействие компонентов системы приводит к образованию нового качества.

Обычно возраст синергетики отсчитывается с конца 1960;х гг. Благодаря стараниям упомянутого выше Г. Хакена и особенно бельгийского ученого И. Пригожина, лауреата Нобелевской премии по химии за 1977 г., к синергетике было привлечено внимание широкой общественности. Выдающийся вклад в развитие синергетики внесли отечественные ученые, особенно А. Н. Колмогоров и один из основателей математической теории катастроф В. И. Арнольд.

Наша ближайшая задача состоит в выделении концептуального содержания синергетики. Когда в связи с тридцатилетием синергетики попросили Г. Хакена назвать ключевые положения синергетики, то он перечислил их в следующем порядке.

«1. Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.

• 2. Эти системы являются нелинейными.
• 3. При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия.
• 4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.
• 5. Системы могут стать нестабильными.
• 6. Происходят качественные изменения.
• 7. В этих системах обнаруживаются эмерджентные (т.е. ранее отсутствовавшие. — В. К.) новые качества.
• 8. Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.
• 9. Структуры могут быть упорядоченными или хаотичными.
• 10. Во многих случаях возможна математизация"^[1].

В приведенных десяти положениях Хакену удалось в весьма лаконичной форме выразить основное содержание синергетики. Он вполне справедливо подчеркивает в первую очередь, что части систем взаимодействуют друг с другом. Хакен тем самым выделяет динамические истоки, которые приводят к преобразованию систем. Основополагающий системный фактор состоит не в хаотичности, как часто полагают, а во взаимодействии, в динамике. Динамика не чужда и хаосу. А раз так, то вполне возможно, что в хаосе формируется порядок, упорядоченность. Это действительно имеет место. В динамическом отношении хаос вопреки широко распространенному мнению не является деструктивным началом.

Наряду с взаимодействием важнейшим концептом синергетики является нелинейность. В синергетике основное внимание уделяется изучению нелинейных математических уравнений, т. е. уравнений, содержащих искомые величины в степенях, не равных 1. Линейность абсолютизирует поступательность, безальтернативность, постоянство; нелинейность фиксирует непостоянство, многообразие, неустойчивость, отход от положений равновесия, случайности, точки ветвления процессов. Для линейных систем характерен принцип суперпозиции, согласно которому при наличии нескольких воздействий они не влияют друг на друга. В таком случае не могут образоваться новые структуры и качества, которые, как правило, являются результатом взаимовлияний, причем часто согласованных по тем или иным параметрам (отсюда название — синергетика), отдельных взаимодействий.

Таким образом, в нелинейных системах один из путей эволюции — это самоорганизация. Такой путь эволюции разительно отличается от эволюции линейных систем, которое заканчивается установлением состояний равновесия с максимально низкой степенью упорядоченности, или, что-то же самое, максимально высокой степенью хаотичности. Наблюдения за линейными системами показывают, что любое состояние равновесия так или иначе трансформируется (тепловая «смерть» Вселенной нам не грозит). Но эти трансформации как раз и отмечены печатью нелинейности.

Синергетика имеет дело с открытыми системами, далекими от равновесия. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, например вещества, энергии, энтропии и информации. Чтобы система образовалась, необходимо соответствующее питание, которое как раз и выступает организующим началом. Без подвода вещества и энергии организмы вымирают, без подвода газа не горит пламя в газовой горелке, безжизненной оказывается любая социальная система, обесточенная в информационном отношении. Как выясняется, не существует абсолютно замкнутых систем. Даже наша Вселенная незамкнута: она взаимодействует с физическим вакуумом.

В динамике открытых нелинейных систем большое значение имеют малые возмущения, флуктуации. При линейном подходе ими обычно просто-напросто пренебрегают. Однако выяснено, что в нелинейных системах малые возмущения часто разрастаются, особенно при явлениях резонанса, и превращаются из локального в системно-глобальный фактор. Еще одна особенность нелинейных систем состоит в том, что в них может происходить известный отбор устойчивых состояний. Такой отбор сопровождается рассеиванием (диссипацией) вещества, энергии, энтропии, информации (знания). Малые возмущения играют также ключевую роль в точках бифуркации (от лат. bifurcus — раздвоенный). Именно они неизбежно выводят систему из состояния равновесия и направляют ее по одному из возможных путей эволюции.

Нелинейные системы подвержены колебаниям. Часто они как раз и представляют собой относительно устойчивые структуры. Переходные процессы ведут к образованию структур, их часто называют аттракторами (от лат. attrahere — притягивать). Если система попадает в окрестность определенного аттрактора, то она эволюционирует именно к нему. Разными путями система, независимо от начальных условий и, следовательно, «забывая» их, смещается к аттракторным состояниям. В результате в системе возникают определенные параметры порядка, к которым подстраиваются все остальные. Чем меньшим числом параметров порядка обладает система, тем легче управлять ею. Отсюда, однако, не следует вывод, что открывается путь к однозначному предсказанию будущего.

Странные аттракторы и фракталы

Даже в системе со всего лишь тремя степенями свободы могут наблюдаться очень сложные, не лишенные хаотичности, предельные циклы, гак называемые странные аттракторы. В теории странных аттракторов выясняется весьма нетривиальная связь, существующая между порядком и хаосом. Феномен странных аттракторов определяет границы возможностей точных предсказаний будущего, метеорологического, экономического или какого-либо другого. При больших длительностях даже траектории космических кораблей и планет становятся непредсказуемыми.

Необычные аттракторные особенности характерны также, например, для множеств Б. Мандельброта. Как известно, он назвал множества, в которых фрагмент множества повторяет структуру всего множества, фракталами^[2]. В 1980;х гг. было выяснено, что некоторые фрактальные множества неустойчивы, они могут «сжиматься» в точку или же, наоборот, неограниченно разрастаться. В первом случае аттрактором является нуль, а во втором бесконечность. Эту ситуацию можно прокомментировать следующим образом. Наличие аттракторов не избавляет систему ни от исчезновения, ни от хаоса. Но и хаосу всегда присуща некоторая относительная степень упорядоченности.

Из восьми положений Хакена не прокомментировано нами, пожалуй, только восьмое, где речь идет, среди прочего, о пространственных и временных структурах. В этой связи заслуживает особого внимания претензия И. Пригожина на философскую новацию. Он энергично настаивал на том, что главная тема синергетики — это переоткрытие времени^[3]. Верно, что синергетика привнесла в проблему времени много нового. Было выяснено, что именно представляет собой время в нелинейных динамических открытых системах. Суть ситуации состоит в том, что метаморфозы нелинейных систем включают стадии и непрерывной эволюции, и катастроф, и выхода на аттракторные состояния, и ветвления в точках бифуркации, и изменения степеней упорядоченности. И всякий раз время выступает интегральной количественной характеристикой происходящих в нелинейных системах процессов.

Вплоть до последней трети XX в. физика знала только обратимое время. Считалось, что физические и химические системы могут, достигнув некоторого состояния, опять возвращаться к предыдущему. В биологии же время было необратимым: взрослому организму не суждено превратиться в зиготу. В математическом отношении физика считалась образцовой наукой, но она не была в состоянии выразить необратимость времени. Биология ее выражала, но не в математической форме, которая, как правило, считается желательной для рафинированной науки. Синергетика привнесла в эту ситуацию существенную новацию. Теперь удавалось на физическом языке понять некоторые явления самоорганизации, например, характерные для лазеров. С другой стороны, в математической форме удавалось также объяснить некоторые биологические явления, например ветвление при росте растений. Наметился решающий прорыв в понимании единства природы. Этот прорыв действительно состоялся. Но не следует переоценивать его.

Если представлять лишь лингвистический портрет синергетики, то создается впечатление, что все метаморфозы, встречающиеся па пути от элементарных частиц до человека, успешно объяснены. Но это всего лишь поверхностное представление. Синергетика успешно используется в различных отраслях наук, например в физике и химии. Но она не способна объяснить переход от неживой природы к живой. Синергетику как науку о самоорганизации следует понимать в качестве научно-исследовательской программы, которая уже привела к значительным успехам. Тем не менее пока она находится лишь в начале своего возможного триумфального пути.

Выводы

• • В последней трети XX столетия была создагia наука о самоорганизации систем, названная синергетикой.
• • Самоорганизация — это возникновение новых интегративных свойств в результате взаимодействия компонентов системы.
• • В синергетике используются такие нелинейные уравнения, которые позволяют математически строго вывести образование новых системных качеств.
• • Важнейшими понятиями синергетики являются концепты открытой системы, неравновесного состояния, бифуркации, аттракторов.
• • Благодаря синергетике впервые многие процессы самоорганизации были представлены в математически строгой форме.
• • В рамках синергетического подхода выяснилось, что время необратимо не только в биологии и геологии, но и в физике и химии.

• [1] Хакен Г. Интервью. Вопросы философии. 2000. № 3. С. 55.
• [2] Mandelbrot В. В. Fractals: Form, Change, and Dimension. San Francisko: W. II. Freemanand Company, 1977.
• [3] Пригожий И. Переоткрытие времени // Вопросы философии. 1989. № 8. С. 3—19.