Реферат: Преджизнь. Открытость. Нелинейность. Аттракторы

КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙСЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТЕСТЕСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РЕФЕРАТ НАТЕМУ:

«Преджизнь. Открытость.

 Нелинейность. Аттракторы.»

ВЫПОЛНИЛ СТУДЕНТ ГР. ИВТ-1-97

ШИЛОВ ПАВЕЛ

БИШКЕК 2000<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;letter-spacing:1.1pt;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">

Немного истории.

“В лазере большое число атомов погружены в активную среду, например, втакой кристалл, как рубин. После накачки извне атомы возбуждаются и могутиспускать отдельные цуги световых волн. Таким образом, каждый атом испускаетсигнал, то есть создает информацию, переносимую световым полем. В полостилазера испущенные цуги волн могут столкнуться с другим возбужденным атомом, чтоприведет к усилению испускаемой им волны… Так как отдельные атомы могутиспускать световые волны независимо друг от друга и так как эти волны могутзатем усиливаться другими возбужденными атомами, возникает суперпозициянекоррелированных, хотя и усиленных цугов волн, и мы наблюдаем совершеннонерегулярную картину.

Нокогда амплитуда сигнала становится достаточно большой, начинается совершенноновый процесс. Атомы начинают когерентно осциллировать, и само поле становитсякогерентным, то есть оно не состоит более из отдельных некоррелированных цуговволн, а превращается в одну практически бесконечно длинную синусоиду.

Переднами типичный пример самоорганизации: временнбая структура когерентной волнывозникает без вмешательства извне. На смену хаосу приходит порядок. Подробнаяматематическая теория показывает, что возникающая когерентная световая волнаслужит своего рода параметром порядка, вынуждающим атомы осциллироватькогерентно, или, иначе говоря, подчиняет себе атомы” 1.

Вприведенном отрывке мы выделим поначалу одно понятие — самоорганизация. Именно оно является ключевым для пониманиясущности синергетики. Синергетику и определяют как науку о самоорганизации или,более развернуто, о самопроизвольном возникновении и самоподдержанииупорядоченных временнбых и пространственных структур в открытых нелинейныхсистемах различной природы.

Вописании процесса образования когерентной световой волны Хакен использует целыйряд других основополагающих понятий синергетики. Накачка энергии означает, чторассматриваемая система является открытой,то есть имеет интенсивный приток энергии извне, а также оттоки энергии.Возникающая временнбая или пространственная структура формируется в активной среде и представляет собойвыявление одного из потенциально присущих ей дискретных состояний. Система реагирует нелинейно, то есть переход от неорганизованного поведения атомов кслиянию их излучения в когерентную световую волну происходит не плавным путем,в линейной пропорции к увеличению энергии, а скачкообразно — в момент, когдаприток энергии превысит определенный барьер. Разрозненное и неупорядоченноеповедение отдельных атомов соответствует хаотическому состоянию системы,макроскопическому хаосу, из которого путем фазовогоперехода рождается порядок. Для всякой системы можно определить параметры порядка, позволяющие описатьее сложное поведение достаточно простым образом, а также выбрать определенные контролирующие параметры, при изменениикоторых существенно меняется макроскопическое поведение системы. Параметрыпорядка подчиняют поведение отдельныхэлементов системы — в чем выражается введенный Хакеном принцип подчинения.

Хакенупринадлежит бесспорный приоритет в создании нового термина — “синергетика” — ив разработке системы понятий и теоретических моделей, описывающих механизмысамоорганизации, но не абсолютное первенство в исследовании самих явленийсамоорганизации.

Вфизике эффекты образования устойчивых структур в условиях интенсивного внешнегопритока энергии известны весьма давно. Взять классический пример — образованиетак называемых ячеек Бенара, вызванных конвективными течениями в подогреваемойснизу вязкой жидкости. Этот опыт каждый может воспроизвести у себя дома.Достаточно налить в сковороду толстый слой растительного масла и поставить еена сильный огонь. Через некоторое время можно будет наблюдать, как нижний,очень горячий слой масла и верхний, не столь горячий, начинают постоянно сменятьдруг друга в вертикальном течении — но не беспорядочном или распространяющемсясразу на всю емкость, а структурированном в форме правильных шестигранныхячеек, напоминающих пчелиные соты. Пространственные структуры самоорганизациивозникают тогда, когда разница температур нижнего и верхнего слоев жидкостидостигает определенного порогового значения. Потоки жидкости спонтанно, то естьбез всякого организующего воздействия извне, переходят в упорядоченноесостояние, соответствующее относительно устойчивым и геометрически правильнымформам. Стоит убавить огонь под сковородой, и ячейки снова превратятся вбеспорядочные завихрения масла (что не помешает по итогам опыта поджарить в немколбасу). При более интенсивном нагревании жидкости в ней могут возникнутьболее сложные пространственно-временные структуры, например, осцилляции вихрей.

ВРоссии на протяжении нескольких десятилетий продуктивно развиваетсяоригинальное направление синергетики, изучающее локализованные структурыгорения и тепла, возникающие в сверхбыстрых, лавинообразных эволюционныхпроцессах, в так называемых режимах с обострением. Это направление представленонаучной школой академика РАН А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П.Курдюмова. Исследуются механизмы формирования локализованных структур(самоорганизации), их трансформации, синтеза (коэволюции) и распада.

Первоначальноизучение локализованных структур горения и тепла было связано с практическойзадачей удержания клубка плазмы в заданных границах с целью получениятемпературы, необходимой для начала управляемой термоядерной реакции. Кореньтехнической проблемы заключался в том, чтобы уменьшить контакт раскаленнойплазмы со стенками реактора и уменьшить энергетические затраты на удерживающиеее магнитные поля.

Вычислительныеэксперименты, проведенные в 60-х годах, показали неожиданную вещь: существуеттакой режим сверхбыстрого сжатия и разогрева плазмы, при котором показатель еетемпературы на графике взлетает вверх почти вертикально, стремясь кбесконечности, а вот пространственный объем клубка, то есть островка тепла вокружающем холодном мире, не расползается, оставаясь в первоначальных границах.Получается, что плазма создает границы вокруг себя из самой себя. Этотнелинейный эффект позволяет в десятки тысяч раз снизить энергию, котораятребуется для инициирования реакции термоядерного синтеза.

Необычностьтакого состояния плазменной среды заключается в том, что в любых нормальныхусловиях потенциал “тепло — холод” стремится к выравниванию, подобно тому какпорция холодного молока, влитого в горячий кофе, делает его теплым. А вотсинергетика — чем она и привлекательна для пытливых умов, тяготеющих кнеобычному в окружающем нас мире, — доказывает возможность движения впротивоположном направлении: от расползания к локализации тепла, от равновесияк возрастающему неравновесию и созданию структур в состояниях, далеких отравновесия.

Известноенам второе начало термодинамики, говорящее о росте беспорядка (энтропии) взамкнутых системах, теряет свою силу для открытых нелинейных систем, изучаемыхсинергетикой. Локализованные, быстро развивающиеся структуры существуют за счетвозрастающей хаотизации среды, на основе производства в ней энтропии. Структурыгорения как бы интенсивно “выжигают” среду вокруг себя. И организация (порядок),и дезорганизация (энтропия) увеличиваются одновременно. Но на пике обостренияпроцесса разогрева и “подбирания” границ тепла структура становится чрезвычайношаткой, чувствительной к малейшим флуктуациям, случайным изменениям ходапроцесса. Они способны инициировать распад сложной структуры или же вывести наиной, противоположный режим — режим спада температуры и расползания тепла.

Преджизнь.

Важныерезультаты, касающиеся спонтанного возникновения упорядоченных структур, былиполучены к началу 70-х годов и в химии. Они связаны в первую очередь сисследованиями, проводимыми в Свободном университете Брюсселя под руководствомИльи Пригожина — бельгийского ученого русского происхождения (в 1927 году вдесятилетнем возрасте он был увезен родителями из России), получившего в 1977году за свои работы в области неравновесной термодинамики Нобелевскую премию.

“Вразличных экспериментальных условиях, — пишут Илья Пригожин и его соавторИзабелла Стенгерс, — у одной и той же системы могут наблюдаться различные формысамоорганизации — химические часы, устойчивая пространственная дифференциацияили образование волн химической активности на макроскопических расстояниях” 2.

Химическиечасы — пожалуй, самый яркий феномен самоорганизации химических процессов,открытый в начале 50-х годов российскими учеными Б. П. Белоусовым и А. М.Жаботинским. Структура, которая здесь образуется, представляет собой непространственную, а временнбую структуру — колебание с регулярнойпериодичностью.

Длятеоретического описания реакции Белоусова — Жаботинского Пригожин со своимисотрудниками разработал специальную модель, названную брюсселятором. Онавыглядит так. Имеются вещества, вступающие между собой в химическую реакцию.Концентрацию только одного из них — “управляющего” вещества — плавноувеличивают. Как только концентрация переходит критический порог (при прочихравных параметрах), прежнее стационарное состояние химической системыстановится неустойчивым и концентрации двух других реагирующих веществ начинаютколебаться с отчетливо выраженной периодичностью. Колебания происходят вокругнекоторого нестабильного фокуса и выходят на предельный цикл, то естьустанавливается устойчивое периодическое движение.

Конечнуюобласть неминуемого схождения фазовых траекторий движения сложной системы называютв синергетике аттрактором. В качествеаттрактора может выступать или точка (устойчивый фокус), или иное более сложноеобразование. Существуют странныеаттракторы, когда траектории системы совершают произвольные и неподдающиеся регулярному описанию блуждания внутри определенной области. СледуяПригожину, странный аттрактор можно назвать “привлекающим хаосом”.

Чтобыпредставить себе нагляднее картину химических часов, а ее необычность выразитьболее впечатляющим образом, Пригожин и Стенгерс предлагают условно считать, чтов реакции участвуют молекулы двух сортов — “красные” и “синие”. До переходакритического порога концентрации “управляющего” вещества они находятся вхаотической смеси, и мы имеем в пробирке какую-то фиолетовую жидкость с легкимибеспорядочными отклонениями в один из двух первоначальных цветов. “Иную картинумы увидим, разглядывая химические часы: всяреакционная смесь будет иметь синий цвет, затем ее цвет резко изменится накрасный, потом снова на синий и т. д. Поскольку смена окраски происходит через правильные интервалы времени, мы имеемдело с когерентным процессом. Столь высокая упорядоченность, основанная насогласованном поведении миллиардов молекул, кажется неправдоподобной, и если быхимические часы нельзя было бы наблюдать „во плоти”, вряд ли кто-нибудьповерил, что такой процесс возможен. Для того чтобы одновременно изменить свойцвет, молекулы должны „каким-то образом” поддерживать связь между собой.Система должна вести себя как единое целое” 3. Налицо эффекткогерентного, кооперативного поведения элементов в химических системах.

Втеории самоорганизации проводится четкое различие между стационарными,“застывшими” структурами, такими, как решетки кристаллов, и относительноустойчивыми структурами, вызываемыми к жизни из первоначально хаотическогосостояния путем интенсивного изменения по некоторому ведущему параметру — будьто накачкой энергии в физическом эффекте лазерного излучения, увеличениемконцентрации вещества в описанном выше химическом эффекте или, с самой общей точкизрения, притоком информации в среду, что также охватывается синергетическимимоделями. Первый тип структур — это, можно сказать, тупики эволюции. Дляравновесных стационарных структур малое возмущение “сваливается” на ту же самуюструктуру. Второй тип — это структуры, способные самопроизвольно возникать иразвиваться в активных, рассеивающих (диссипативных) средах в состояниях,далеких от термодинамического равновесия. Для обозначения такого типа структурПригожин предложил использовать понятие диссипативнойструктуры. Именно они в фокусе внимания синергетики.

Диссипативныеструктуры проявляют характерное свойство: в состояниях неустойчивости они могутоказаться чувствительными к малейшим случайным отклонениям в среде. Краткиймомент неустойчивости, балансирования системы на острие выбора между будущимисостояниями, когда судьба всей системы может зависеть от вторжения однойслучайной флуктуации, называется в синергетике бифуркацией .

Исследованияявлений самоорганизации в химических процессах привели Пригожина к созданиюсобственной обобщенной теории самоорганизации, далеко выходящей за пределыхимии. Он называет ее по-разному: нелинейной неравновесной термодинамикой,наукой о сложном, теорией перехода от хаоса к порядку, но чаще всего теориейдиссипативных структур. Пригожин предпочитает не пользоваться термином“синергетика”, хотя по своему внутреннему содержанию его исследования,бесспорно, относятся к синергетической теории эволюции и самоорганизациисложных систем.

Носоздание теории самоорганизации для Пригожина — еще не самоцель. Егосверхзадача — использовать данную теорию для раскрытия глубинных механизмовпроисхождения живого. Он стремится преодолеть качественный разрыв междуописанием живой и неживой природы или по меньшей мере — что лежит в пределахвозможностей современной науки — добавить еще несколько пролетов к тому мосту,который ученые издавна пытаются навести над пропастью, лежащей между ними.

“Жизнь,заведомо укладывающаяся в рамки естественного порядка, предстает перед нами каквысшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации. Мы…утверждаем, что, коль скоро условия для самоорганизации выполнены, жизньстановится столь же предсказуемой, как неустойчивость Бенара или падениесвободно брошенного камня” 4, — пишут Пригожин и Стенгерс.

Впоисках связующих звеньев между живым и неживым Пригожин опирается на данныемолекулярной биологии, находящейся как бы посередине реки, разделяющей дваберега. Он высоко оценивает модель предбиологической эволюции, разработаннуюнемецким ученым Манфредом Эйгеном. Согласно исследованиям Эйгена, системыполимерных молекул — молекул, которые, взятые сами по себе, лишены втрадиционном представлении и “капли” жизни, — способны поддерживать собственноесуществование через цикл самовоспроизводства и противодействия возмущающимвлияниям извне. Механизм их самосохранения и адаптации к окружающей средеявляется прообразом механизма воспроизводства живых организмов через цепи ДНК.

Пригожинговорит о спонтанных островках самоорганизации при переходе к живому:“По-видимому, разумно предположить, что некоторые из первых стадий эволюции кжизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать итрансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильнонеравновесные условия. На этой стадии жизнь, или „преджизнь”, была редкимсобытием и дарвиновский отбор не играл такой существенной роли, как на болеепоздних стадиях” 5.

Взглядна природу как на единое целое, где деление на живое и неживое не являетсяабсолютным, но связано с ограниченностью нашего понимания вещей, можнопроследить далеко вглубь истории человеческой мысли. Более характерен он длявосточной философии, но имел влияние и на Западе. В числе приверженцев такоговзгляда и, в сущности, отдаленных предшественников синергетическогомировоззрения стоит упомянуть Шеллинга, который строил свою философию исходя изпредставления о природе как о едином живом организме. “Неорганическая иорганическая природа связаны одним и тем же началом” 6, — писал он,усматривая такое начало в феноменах “организации” и спонтанного творческогоакта.

Что женового вносит тогда синергетика? Ее новшество и ее шаг вперед по отношению кпредшествующим представлениям о единых началах живого и неживого заключаются вмеждисциплинарном научном и обобщенно-теоретическом изучении техзакономерностей, которые составляют универсальную основу процессовсамоорганизации и эволюции сложного, и в постоянном подкреплении своихтеоретических представлений многочисленными опытными данными базовых научныхдисциплин.

Вантичные времена наука, искусство и философия находились в неразрывном единствеи гармонии, а в самой науке дисциплинарные деления были едва намечены. Но вНовое время наука распалась на автаркические владения, каждое из которыхвырезало из тела природы собственный фрагмент, скрупулезно разбирало его поклеточкам и пыталось понять принцип его деятельности исходя только из негосамого.

Неудивительно,что в последующую эпоху, особенно со второй половины ХХ века, усилилосьвстречное стремление: понять мир в его целостности, усмотреть в искусственнорассеченных сферах нечто существенно общее и как к естественному итогу прийти кобъединению наук, созданию единой науки о единой природе. Объединение наук приэтом, конечно, понималось не как непродуктивное механическое слияние, а каквычленение в них некоторого общего содержательного ядра и стыковка наук вкачестве лишь условно поделенных участков единого исследовательского поля.

Синергетикав наиболее последовательной форме отвечает на этот вызов времени. Она говорит овозможных способах объединения естественных и ряда гуманитарных наук — ссохранением, разумеется, их собственной идентичности и предметной специфики, атакже о перспективах кросс-дисциплинарной коммуникации, творческого диалогаспециалистов в различных областях. Объединение возможно вокруг изученияосновополагающего феномена — феномена самоорганизации. Вероятно, объединениенаук осуществимо не во всей их целостности, а лишь в определенном аспекте —изучении сложных образований (систем) на различных уровнях реальности,механизмов их эволюции и самоорганизации.

Оппозиция“живое — неживое” мыслится при этом как главный, но не единственный каменьпреткновения из числа тех, что лежит на пути объединения. Столь же важнойпредставляется задача объединить в едином исследовательском фокусе микро- имакромиры, мир индивидуальной психологии и поведения и мир массовыхобщественных процессов, наконец, мир науки с тем, что можно назвать жизненныммиром человека, миром человеческой экзистенции. Синергетика призвана не тольковернуть науке целостного человека, но и науку вернуть человеку, поставить еелицом к его реальным проблемам и заботам.

Ксущности синергетики относится универсальный характер раскрываемых еюзакономерностей, а значит, по необходимости междисциплинарный характерпроводимых в ее рамках исследований. На первое место она ставит общностьпроцессов эволюции и самоорганизации, имеющих место в физических, химических,биологических, социальных и иных системах. Указание же на специфику, несхожестьэтих систем рассматривается скорее в качестве уточняющей, корректирующейпоправки, выносится за скобки. При этом задача синергетики — не просто уловитьвнешние аналогии, а установить внутренние изоморфизмыповедения таких систем.

Синергетикаравным образом предполагает как восхождение от конкретных экспериментальныхданных к теоретическим и междисциплинарным обобщениям, так и обратный процесс —прикладное использование теоретических представлений и разработанных моделей вразличных дисциплинах и сферах практической деятельности.

Соответственнов синергетике можно выделить два направления — синергетику теоретическую иприкладную, хотя такое членение весьма условно. Ученые, работающие надкакими-либо конкретными задачами в своей области, часто предлагаютсинергетическому сообществу свежие идеи и гипотезы общего порядка, родившиеся входе решения таких задач. А предложенные идеи и гипотезы часто дают неожиданныйимпульс для исследований в совершенно иной дисциплинарной области, врезультате чего в научном сообществе происходит постоянный конструктивный обменидеями.

Сила иэффективность синергетики — в постоянной взаимной подпитке дисциплин, в том,что, выражаясь компьютерным языком, специалист в одной области знаний имеетвозможность находиться в режиме прямой связи с базами данных других специальныхнаук.

В этомзаключается существенное преимущество синергетики перед двумя еепредшественниками, с которыми ее часто сравнивают, — кибернетикой, детищем 50-хгодов, и так называемым системным подходом (созданием общей теории систем),получившим развитие в 60-х годах.

Икибернетика, и системный подход функционировали следующим образом: онивытягивали, абстрагировали нечто общее из различных конкретных дисциплин изатем работали преимущественно с этой абстрагированной эссенцией. Задающимикатегориальными схемами были в кибернетике “вход — выход” и “сигнал — отклик”,а в системном подходе “элемент — система”, “обратная связь — гомеостазис”.Ученые получали тюбик такой эссенции и добавляли ее в котел своей дисциплины,считая, что тем самым применяют кибернетические идеи или реализуют системныйподход. Не было прямой стыковки, непосредственного взаимодействия дисциплин,давших материал для получения абстрагированной вытяжки — того, что как разявляется животворным для синергетического сообщества.

Здесьфизик охотно читает книгу нейрофизиолога о странных аттракторах в деятельностимозга, метеоролог находит много интересного в работах по гидродинамике и дажегалактической астрономии (что неудивительно, поскольку и тут и там речь идет овихревых формообразованиях и тонкой структуре хаоса в турбулентных течениях),психиатр черпает ценные подсказки по лечению своих пациентов, изучая сценарииэволюции детерминированного хаоса, и все они прекрасно общаются науниверсальном языке “аттракторов”, “флуктуаций” и “бифуркаций”.

Однойиз связующих точек в создании международного синергетического сообщества сталИнститут теоретической физики и синергетики при Университете Штутгарта,основанный и долгие годы бессменно возглавлявшийся Германом Хакеном. В 1997году Хакен отметил свой семидесятилетний юбилей и ушел с должности директора,возглавив Центр синергетики в этом институте. Объединение ученых вокругинститута способствовало налаживанию регулярных личных контактов и широкомураспространению идей синергетики в научном мире.

Нагляднымвоплощением авторитета и высокой продуктивности синергетики стала серияиндивидуальных и коллективных монографий под общим названием “Синергетика”,выпускаемая ведущим немецким научным издательством “Springer” в тесномсотрудничестве с Институтом Хакена. С середины 70-х годов вышло уже более 70томов. Перечисление специальных научных областей, представители которыхпечатались в серии, вышло бы, наверное, за пределы двух десятков.

Вместес тем и тридцать лет спустя “синергетики” так и не стали называть себя“синергетиками”. Физик скромно скажет: “Я использую синергетические модели”,как скажет и увлеченный синергетикой химик, биолог или географ-урбанист. Труднонайти подходящее место для синергетики в научной табели о рангах. Что это:теория? парадигма? дисциплина? наука? Все эти слова кажутся не оченьподходящими. Правильно было бы назвать синергетику научным направлением, а ещеточнее — научным движением, поаналогии с движением политическим. Здесь нет ни строгого членства, ни четкойорганизационной иерархии, ни институционального отнесения к одной из научныхрубрик, созданных для удобства университетского преподавания и продвижения подиссертационным ступеням. Есть деятельное устремление ученых-единомышленников,состоящее в том, чтобы познать — каждому с данного ему в силу его научнойспециализации угла зрения — один из удивительных феноменов бытия: феноменсамоорганизации.

Открытость. Нелинейность. Аттракторы

Итак,мы имеем систему, открытую дляпротока энергии или иного достаточно интенсивного воздействия извне. Системапонимается как сложная, то есть содержащая очень большое, иногда с трудомисчислимое множество элементов — атомов в кристалле лазера, молекул вхимическом растворе, людей в обществе, нейронов в мозге, находящихся в сложномвзаимодействии друг с другом, — и поэтому процессы в системе строятся какмассовые кооперативные процессы.

Вместес тем сложность или простота системы — понятия относительные. Прибегать к нимкак к определяющим показателям кажется нам не очень продуктивным. Синергетикаспособна рассматривать всякую систему одновременно и на макроуровне — какцелостность, описываемую достаточно просто немногими параметрами порядка, и намикроуровне — как сложное взаимодействие множества элементов.

Например,пламя, будучи видимым выражением структуры горения, может изображаться и каксамостоятельное образование, как собственно пламя, с его формой, цветом,температурой, иными объективными показателями, и как сочетание, взаимодействиемножества не до конца сгоревших частиц, которые и образуют видимый язычок.Наконец, пламя может быть разобрано и на более мелкие составляющие ипредставлено в виде турбулентного потока разогретых, быстродвижущихся молекул.

Наразных уровнях можно описать и какое-либо психологическое явление, скажем,пережитое человеком глубокое потрясение. На одном уровне, описываемомсобственно психологической наукой, оно будет выглядеть как перегруппировка,переконстелляция элементов духовного мира человека — небольшого множестваописываемых в психологических и моральных терминах показателей (“У меня зановооткрылись глаза”, “Я стал другим человеком”). Но тот же личностный сдвиг можетбыть представлен на уровне перестройки нейронных сетей, обеспечивающих течениепсихологических процессов. А тут мы снова, как и в случае с пламенем, имеемдело уже с практически необозримым множеством.

То жесамое может быть сказано и о соотношении понятий “хаос” и “порядок”, которым всинергетике иногда неправомерно придается сущностный, самодостаточный смысл. Нетабсолютного хаоса и абсолютного порядка. Корректнее было бы говорить, чтовозрастает мера упорядоченности (или хаотичности) по какому-либо показателю засчет или в противоположность снижению меры упорядоченности (или хаотичности) поиному показателю. Сам хаос имеет тонкую, иногда невидимую для внешнегонаблюдателя структуру, например, в турбулентном течении. А порядок — этоорганизованный хаос.

Открытость— необходимое, но не достаточное условие для самоорганизации системы. Системадолжна быть еще и нелинейной.

Сматематической точки зрения нелинейность означает особый тип математическихуравнений, описывающих не плавный, а существенно неравномерный рост функции иимеющих несколько качественно различных решений. Отсюда ясен и физический смыслнелинейности: определенному набору решений нелинейного уравнения соответствуетмножество путей эволюции системы, описываемой этим уравнением, а переход в тоили иное относительно устойчивое состояние системы или русло эволюциипроисходит скачкообразно, соответственно особым точкам графической кривой.

Длятех, кто любит образные разъяснения, можно предложить такое: вы берете свистокили дудку и начинаете туда дуть, сначала слабо, потом все сильнее и сильнее(открытость системы и проток энергии). В какой-то момент при усилении потокавоздуха неясное шипение вдруг скачком (нелинейность) переходит в свист —который, в сущности, представляет собой резонансную звуковую волну единоготона, то есть упорядоченную волновую структуру. Но если вы переусердствуете истанете дуть изо всей имеющейся у вас мочи, то радующий душу чистый звукперейдет в прерывистый хрип со слюнями на выходе (незнание синергетики).

Вернемсяк сравнению синергетики с кибернетикой. Кибернетика и различные варианты теориисистем исследовали главным образом процессы гомеостаза, поддержания равновесияв технических, биологических и социальных системах. Кибернетика пыталась свестисложные нелинейные эволюционные процессы к линейным, по крайней мере наопределенных стадиях, где это возможно. Она рассматривала только те случаи,когда нелинейная система могла исследоваться, как если бы это была линейнаясистема с медленно изменяющимися параметрами. Кибернетика разрабатывалаалгоритмы и методы внешнего контроля над системами. Синергетика же изучаетпроцессы самоорганизации систем, их своего рода самоконтролирование, основу длячего создают нелинейные свойства систем.

Итак,если нелинейная система открыта и ее внутренние флуктуации или внешниевоздействия превысят некое пороговое значение, то она может скачком перейти вновое макроскопическое состояние. Но что это за состояние? И какие состояниявообще возможны?

Мыподходим здесь к одному из центральных тезисов синергетики. Это — дискретностьвозможных состояний, в которые может переходить система в процессе эволюции, атакже заданность, ограниченность их числа. Иначе говоря, спектр возможныхструктур-аттракторов эволюции, то есть структур, на которые выходятэволюционные процессы в этой системе, не является сплошным. В процессеэволюции система может перейти или в то, или в это состояние, но не во что-тосреднее между ними.

Толькоопределенный набор эволюционных путей разрешен, ибо только этот наборсоответствует внутренним свойствам рассматриваемой системы. В принципе, покрайней мере в задачах математической физики, которые связаны, например, свыявлением относительно устойчивых структур самоорганизации плазмы, этот наборматематически вычисляем.

Проиллюстрироватьпредставление о дискретности и ограниченности набора потенциальных состоянийможно многими примерами. В физической и химической областях мы сталкиваемся сосновополагающими феноменами — дискретностью энергетических уровней в атоме,соответствующих заданным орбитам электронов, и качественной определенностьюхимических элементов, представляющих собой набор возможных в природе типоватомов.

Дискретностьпроявляется и в движениях живых существ. Давным-давно человек заметил, чтолошадям свойственны определенные аллюры: шаг, рысь, иноходь, галоп. В каждомаллюре движение членов лошади согласовано строго определенным образом, причемпереход от одного типа движения к другому совершается скачком. Бесчисленныелошадиные поколения на Земле воспроизводят один и тот же набор аллюров.

Можнонаблюдать характерные положения хобота слона, хвоста кошки и собаки, соответствующиевполне определенным эмоциональным состояниям или реакциям животных. Они неменяются от особи к особи и не имеют промежуточных, полувыраженных ступеней.

Обратимсятеперь к понятию аттрактора. Податтрактором понимается состояние системы, к которому она эволюционирует.Наличие спектра потенциально возможных устойчивых структур-аттракторов системыесть просто иное, переформулированное отображение идеи дискретности. Набораттракторов можно образно представить как набор лунок на поле настольной игры,в одну из которых обязательно скатится пущенный пружиной металлический шарик.

Награфике аттрактор выглядит как схождение траекторий к одной точке или замкнутойпетле, в пределах которой регулярно колеблется состояние системы. Точкасхождения не зависит от того, из какого места графика тянется траектория, тоесть от начальных условий движения. В синергетике говорят о конусе притяженияаттрактора, который как бы затягивает в себя множество возможных траекторийсистемы, определяемых разными начальными условиями. Воронка притяжениястягивает разрозненные исходные линии траекторий в общий, все более узкийпучок.

Парадоксальностьдействия аттрактора заключается в том, что он осуществляет как бы детерминациюбудущим, точнее, предстоящим состоянием системы. Состояние еще не достигнуто,его не существует, но оно каким-то загадочным образом протягивает щупальца избудущего в настоящее. Здесь и встает философская проблема возможностицелеполагания в неорганической природе. Можно ли аттрактор рассматривать каксвоего рода цель движения системы? В синергетике отвечают: в онтологическомсмысле — вряд ли. Но в методологическом смысле взгляд на аттрактор по аналогиис целью, как если бы это была избранная системой цель, часто оказываетсядейственным.

Не надодумать, что “траектории”, “воронки притяжения”, “аттракторы” — это что-то оченьдалекое от обычной жизни. “Коготок увяз — всей птичке пропасть”, — народдавным-давно сформулировал идею, которую синергетика облекает в строгиематематизированные одежды.

А воткак осмысливал события своей жизни А. И. Герцен. “Всякий человек, многоиспытавший, — писал он, — припомнит себе дни, часы, ряд едва заметных точек, скоторых начинается перелом, с которых тянет ветер с другой стороны; этизнамения или предостережения вовсе не случайны, они — последствия, начальныевоплощения готового вступить в жизнь обличения, тайно бродящего и ужесуществующего” 7.

Читателя,впервые знакомящегося с мировоззренческим и методологическим содержаниемсинергетики, может преследовать смутное чувство, что он где-то об этом ужеслышал. И потом до него доходит: да ведь это же диалектический материализм!Взять хотя бы одну из ключевых синергетических идей — плавное количественноенарастание по какому-либо ведущему параметру и внезапный (хотя и, в принципе,математически описываемый) переход системы в качественно новое состояние.Возможно, для западного ученого, чье мировоззрение формировалось, скажем, вдухе кантианства, логического позитивизма или критического рационализма К.Поппера, здесь содержатся элементы откровения, что отчасти объясняет репутациюсинергетики как пионерской дисциплины. Но советскому читателю, которого сошколы воспитывали в духе марксизма-ленинизма, памятен закон переходаколичественных изменений в качественные: им в марксизме объясняется и возникновениежизни на определенной стадии развития материи, и возникновение сознания, ивозникновение человеческ

еще рефераты
Еще работы по физике