Россия – великая страна, это не подлежит сомнению! Ее достижения известны всему миру. Даже если иностранцы считают, что радио изобрел Маркони, мы-то точно уверены, что первым был наш Попов! Мы были первыми в космосе, фотографии обратной стороны Луны были сделаны с наших космических аппаратов. ( Кстати, я думаю, именно по этой причине на карте обратной стороны Луны много наших, российских названий ). Наш автомат Калашникова – лучший в мире, наши ракеты – самые точные. Мы – самая читающая страна. Наша наука – самая фундаментальная! И так далее…Но, на мой взгляд, имеется серьезное упущение в информированности россиян о том, где мы точно «впереди планеты всей». Я говорю не о балете, а о синергетике.
Появившись в 70-х годах ХХ века, синергетика стала очень популярной именно в российской научной среде. Хотя термин придумал немецкий ученый Герман Хакен, за рубежом такого взрыва интереса к синергетике не наблюдалось. Поэтому в настоящее время синергетику можно считать истинно российским «продуктом». У нас проводятся конференции, симпозиумы, «круглые столы» по проблемам синергетики. Но кто о них знает, кроме самих участников? Мне очень хочется, чтобы не только «люди науки», но и все остальные россияне имели представление о синергетике и гордились нашими достижениями в этой области! В данной статье я попытаюсь рассказать немного о синергетике. И сразу возникает трудность определения: что это такое? Наука? Теория? Парадигма? Новая философия? Ученые до сих пор не определились со статусом синергетики, однако большинство соглашается с тем, что это перспективное междисциплинарное научное направление. Термин "синергетика" составлен из двух частей греческого происхождения. Приставка "си-", означающая совместное действие, встречается в таких словах, как "симбиоз", "симпатия", "симфония", "синтез ". Вторая часть " энергизм" означает активность. В целом, «синергеа» означает «содействие». В настоящее время под синергетикой понимается теория самоорганизации в сложных (состоящих из многих элементов), открытых (обменивающихся с окружающей средой веществом, энергией и информацией), неравновесных ( находящихся вдали от состояния равновесия) и нелинейных (описываемых нелинейными уравнениями) системах любой природы. Для чего же нужна синергетика? В чем же смысл обращения к ней? Турбулентные ( вихревые) потоки изучают гидро- и газодинамика, проблемы народонаселения - демография. Термодинамика рассматривает различные тепловые процессы, астрофизика - звезды и галактики, а биология – живые организмы. И так далее. Сколько объектов изучается разными науками! У представителей каждой науки сложился свой специфический взгляд, появилась особая терминология. И часто биолог не знает, как происходит излучение лазера, а физик не помнит, чем различаются способы деления клеток: мейоз и митоз. Дело в том, что синергетический подход позволяет объединять явления самоорганизации любых систем, независимо от их природы.
Для начала давайте разберемся, что такое «система». ( Переводится как «целое, состоящее из частей», опять же с приставкой «си»!). Это комплекс, состоящий из взаимодействующих элементов. Фактически любой объект в природе представляет собой систему (разве что, кроме отдельных элементарных частиц, так как две частицы – уже система). Системы бывают целостные и суммативные. Например, груда камней - это суммативная система, она состоит из независимых элементов и не изменяет своих свойств, если один камешек убрать или добавить ( до какого-то предела, ведь это может оказаться последним камнем, который вызовет разрушение груды). Любое живое существо – целостная система, которая состоит из многих взаимосвязанных элементов, удалив или добавив которые мы изменим состояние всей системы ( она может даже прекратить свое существование).
Есть одно интересное системное свойство – эмерджентность. Оно состоит в том, что свойства целостной системы не сводятся к сумме свойств ее отдельных элементов. Но нас интересуют не любые системы, а только самоорганизующиеся. Например, достаточно многочисленная группа людей решила организовать партию. Их никто не заставлял, они сами дошли до этого. Это пример самоорганизующейся системы. Причем, чем больше препятствий будет на их пути, тем сплоченнее будет коллектив. Это- пример обратной связи. Но об этом поговорим ниже. Очень много примеров самоорганизации в физике. Возьмем элементарный пример: сила трения покоя. Попробуйте подвинуть тяжелый стол. Он будет сопротивляться. Вы увеличите усилия, сопротивление тоже увеличится. То есть сила трения покоя будет «подстраиваться» к вашим усилиям. Но не беспредельно. Начиная с какого-то определенного значения, зависящего от веса стола и коэффициента трения, сила трения покоя превратится в силу трения скольжения, и вы победите! Еще из элементарных примеров: сила реакции шарнира. Эта сила будет иметь именно такую величину и направление, которые позволят уравновесить другие действующие силы. То есть и она самоорганизуется. Наглядный пример самоорганизующейся системы – это индуцированное излучение атомов, которое реализуется в лазерах. При этом множество атомов рабочего вещества лазера излучают одновременно, тогда как обычно возбужденные атомы вещества излучают стохастически ( случайным образом ). Сама материя организовалась в виде вещества не сразу после Большого взрыва. Прошло какое-то время, прежде чем элементарные частицы образовали атомы и молекулы. Это тоже пример самоорганизации. Любая живая клетка является самоорганизующейся системой, а тем более - многоклеточный организм. Самые свежие открытия в биологии доказывают, что не только отдельные простейшие микроорганизмы, но и целые их сообщества представляют собой самоорганизующиеся системы. Оказалось, например, что некоторые бактерии в условиях недостатка питания объединяются с помощью вырастающих нанонитей в длинные цепи. То есть происходит объединение отдельных элементов в систему. Это - явная самоорганизация!
Системный подход ( направление методологии науки, которое рассматривает объекты как системы, изучает динамическую устойчивость, самоорганизацию и организацию систем, возникновение новых систем ) разделяет системы по типу обратных связей. Системы с положительными обратными связями обычно относят к области синергетики ( теории самоорганизации), с отрицательными – к области кибернетики ( теории управления). Обратная связь – это явление, при котором управляемый процесс ( или орган) воздействует на орган управления. Положительная обратная связь ( усиливающая) осуществляет такой тип регулирования, при котором состояние системы изменяется по сравнению с первоначальным, эти изменения накапливаются. Отрицательная обратная связь ( успокаивающая), наоборот, служит для поддержания стабильного состояния системы при любых воздействиях. В любом организме имеют место множество систем обратной связи: биохимических, нервных, гормональных. Например, хотя мозг является управляющим органом, на его работу влияет любой периферийный орган. Здесь тоже пример отрицательной обратной связи, когда влияние изменения каких-то параметров гасится организмом. Это система гомеостаза - поддержания постоянства параметров ( например, на улице может быть +30 оС или – 30 оС, организм будет стараться поддерживать нормальную температуру; аналогично - с кровяным давлением). Регулирование мозжечком непроизвольных мышечных движений также происходит по принципу обратной связи. Примеры отрицательной обратной связи есть и в физике ( например, правило Ленца для электромагнитной индукции), и в химии ( принцип Ле-Шателье), и в неравновесной термодинамике (теорема И.Пригожина). Во всех этих случаях система препятствует причине, вызывающей в ней изменения. Создание современных сложных систем автоматического регулирования (автопилоты самолетов, локационные устройства сопровождения цели и т.д. ) базируется на стабилизирующих свойствах отрицательной обратной связи. Положительная обратная связь имеет место во всех автоколебательных системах, например, в маятниковых часах, генераторе автоколебаний. Качаясь на качелях, человек реализует положительную обратную связь: качели сами «устанавливают» моменты, когда он подталкивает колебания всем своим телом. С разницей между положительной и отрицательной обратной связью очень хорошо знакомы преподаватели. Есть студенты, которые активно воспринимают обучение, становятся со временем умнее, заставляя тем самым и наставника заниматься самообразованием – это положительная обратная связь. Но встречаются и такие студенты, которые ничего не желают воспринимать, упорно сохраняя свой интеллектуальный уровень – это отрицательная обратная связь. Хорошо, что таких гораздо меньше!
Синергетику можно назвать и теорией эволюции. Как же с точки зрения синергетики происходит эволюция любой системы? Сначала постепенно накапливаются изменения, обусловленные положительными обратными связями, наступает состояние, которое называется бифуркацией. Это состояние неустойчивости ( в истории это – революционная ситуация), за которой следует скачок – переход в новое, качественно новое состояние. Простейшая бифуркационная диаграмма выглядит как вилка с двумя зубьями. Из точки бифуркации скачок может произойти на один из «зубьев». На самом деле, хотя «би» – означает «два», возможных сценариев событий может быть не два, а гораздо больше. Такой скачкообразный характер развития системы приводит к тому, что ее эволюция оказывается необратимой. ( Порадуемся - человек никогда не превратится обратно в обезьяну!)
Следует отметить, что синергетика не появилась на пустом месте, к ней привело развитие ряда областей науки: теория динамического хаоса, теория бифуркаций, теория нелинейных колебаний, нелинейная динамика, теория фазовых переходов, неравновесная термодинамика и другие. Синергетика образовалась как совокупность идей о принципах самоорганизации и общих математических методов ее описания. На мой взгляд, самая большая ценность синергетики состоит в том, что в ее рамках можно описать разнообразные явления, происходящие как в природе, так и в обществе. Социальная эволюция, как и эволюция Природы, проходит через точки бифуркации с дальнейшими скачкообразными переходами в качественно новые состояния. Синергетический подход основан на представлении об универсальности эволюции как проявления самоорганизации в природных и социальных системах. Развитие синергетики способствует дальнейшей конвергенции ( взаимному проникновению) двух культур: естественнонаучной и гуманитарной, что является актуальным на современном этапе развития общества. Синергетика оказывается связующим звеном в «диалоге двух культур», как бы «переводчиком» с одного языка на другой.
Я надеюсь, что мой скромный труд подвигнет тех, кто еще не был знаком с синергетикой, захотеть узнать о ней больше. Уверяю: дальше еще интереснее! И давайте будет вместе гордиться успехами России, ведь в области синергетики мы впереди планеты всей!