Синергетический подход в современной физике

© 2003 г. В.И. Исмаилов

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ

Синергетика вошла в современную научную картину мира как теория развития самоорганизующихся, открытых, нелинейных сложных систем. Впрочем, в классическом понимании ее нельзя называть теорией, так как последняя имеет определение как форма познания, создающая полную картину закономерности какой-то определенной области действительности, высокая стадия системной организации знания, развивающаяся динамическая система понятий, идей, принципов, законов, методов. Говоря о теории, мы обычно вспоминаем динамику Ньютона, отличающуюся внутренним совершенством, логической последовательностью, структурной точностью и обеспечивающую гармоническое согласование используемых ею понятий, принципов, законов, математического аппарата. Но в сравнении с классической механикой или же теорией относительности синергетика очень далека от такого внутреннего совершенства, от возможностей удовлетворения серьезным требованиям, предъявляемым теориям. И поэтому предлагаем воспринимать ее на современном уровне развития не как зрелую теорию, а как научное направление, пытающееся дать адекватное изображение самоорганизующихся открытых сложных систем. Один из выдающихся ученых в области синергетики Г.Хакен, известный как автор понятия «синергетика», в одном из своих выступлений, оценивая это понятие как «направление исследования», пишет: «После того, как я дал общее изображение этой области, это направление исследования было предложено в несколько другой форме и под другими названиями. И поэтому у этой области есть другие названия: теория сложности, теория самоорганизации и т.д.» [1, с. 53].

Неоценим вклад в развитие этой науки И.Пригожина, который на основе своих открытий в области неравновесной термодинамики показал, что в неравновесных открытых системах возможны эффекты, приводящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к состоянию равновесного хаоса, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса. Синергетика изучает когерентное, согласованное состояние процессов самоорганизации в сложных системах различной природы. Для того, чтобы было возможно применение синергетики, изучаемая система должна быть открытой и нелинейной, состоять из множества элементов и подсистем (электронов, атомов, молекул, клеток, нейронов, органов, сложных организмов, социальных групп и т.д.), взаимодействие между которыми может быть подвержено лишь малым флуктуациям, незначительным случайным изменениям, и находиться в состоянии нестабильности, т.е. - в неравновесном состоянии.

Синергетика использует математические модели для описания нелинейных процессов, которые могут быть процессами самоорганизации в изучении лазера или самоподдерживающимися и саморазвивающимися структурами в плазме. Синергетика устанавливает, какие процессы самоорганизации происходят в природе и обществе, какого типа нелинейные законы управляют этими процессами и при каких условиях, на каких стадиях эволюции хаос может играть позитивную роль, а когда он нежелателен и деструктивен.

К характеристикам синергетики добавим также и то, что, направленная к поиску общих закономерностей эволюции и самоорганизации естественных, социальных и когнитивных систем, формулируя основы нового представления мира, она выступает как одна из важных парадигм природоведения, в том числе и физики. И поэтому синергетика по оттенкам своего содержания, будучи более близкой к философии, существует как теоретическое и методологическое приближение к изображению самоорганизующихся сложных систем.

Прежде чем выяснить место и роль синергетики в теории естественнонаучного познания обратим внимание на ряд моментов, адекватно отражающих ее сложную и многогранную природу.

Отметим, что в настоящее время в синергетике, также как и в квантовой механике, возникло два направления. И поэтому необходимо различать два вида синергетики: естественно-научная синергетика («синергетика-1») и философская синергетика («синергетика-2»). Философская синергетика обычно изображается как «X наука». Это выражение обозначает еще не полностью определенное название все еще полностью не установившегося научного направления, исследующего в системах, различающихся по своей природе (физических, химических, биологических и т.п.), процессы самоорганизации, развития, хранения и разрушения структур [2]. Основная же цель, преследуемая нами в статье, характеризовать синергетику не как философскую, а как естественную науку.

Появление синергетики, возникшей во второй половине XX в. на стыке нелинейной динамики, нелинейной физики и химии как нового научного направления было обусловлено тремя важными открытиями второй половины XX в. Во-первых - открытием «странных аттракторов», составляющих особый тип фазовой траектории (траектории, имеющей место в математическом слое пространства состояния).

Во-вторых - открытием объектов нового типа, именуемых «автоволнами» и активной средой. В отличие от классических волн, характеристики автоволны не меняются со временем, амплитуда и скорость движения ее постоянны, они не диссипируются. Автоволны, не подчиняющиеся ни принципу суперпозиции, ни фазовому закону (принцип интерференции), во время взаимодействия взаимно уничтожают друг друга (аннигилляция).

Причина такого поведения автоволн в отличие от классических волн, связанных с обычной средой, заключается в порождении их энергетически насыщенной активной средой, в которой они приобретают возможность получения любого количества энергии. Естественные модели активной среды чаще всего встречаются в химии [3, с. 24 - 33].

В-третьих - открытием перехода активной среды из бесструктурного состояния в структурное. Эго открытие связано с появлением нового типа систем. Наблюдения показывают, что изменения, произошедшие в параметрах сред, находящихся в изотопном состоянии, могут положить конец устойчивости их состояния равновесия, и в таких случаях концентрация различных пространственных точек также различна. Такая модель впервые была описана в начале прошлого века Тюрингом и была названа моделью Тюринга, или же самоорганизацией.

Таким образом, в 70-х гг. XX столетия появление синергетики, как нового направления науки, связано в первую очередь с раскрытием пространственной самоорганизации хаотических систем, активных сред, автоволн, автоколебаний в химических системах в пределах нелинейной динамики. Эго видно из определения Г.Хакена, одного из основоположников синергетики. Он выдвигает на первый план такой вопрос: какие общие качества имеют место в развитии различных естественных и социальных систем? И сам так отвечает: это общее качество - самопроизвольное возникновение структуры, качественные изменения, происходящие на макроскопическом уровне, возникновение нового качества эмержентным путем - является процессом самоорганизации, характерным для открытых систем [4, с. 152].

По мнению Г. Хагена, отличие синергетического рассмотрения от традиционного заключается в том, что здесь исследование простых систем заменяется исследованием сложных, исследование линейных систем -нелинейных, исследование закрытых систем - открытых, исследование равновесия процессов - их делокализации [5, с. 163], нестабильности.

Синергетика использует ряд новых понятий: бифуркация, диссипативные структуры, флуктуация, хаосомность, странные атракторы, нелинейность, неопределенность, необратимость и т.д. для выражения наблюдаемых закономерностей сложных систем, находящихся на различных уровнях организации и связанных посредством хаоса [1, с. 14 - 15]. Синергетическая парадигма, исследующая иерархию неравновесности в самоорганизующихся сложных системах, раскрывая суперпозицию изучаемых ею систем, выявляет неизвестные до сих пор науке такие закономерности образования сложной системы из более простых. В этом случае механизм объединения простых структур не может быть отнесен ни к принципу суперпозиции, ни к принципу интерференции: здесь целое не равно сумме своих частей, оно не больше и не меньше этой суммы.

Короче говоря, синергетическая система это новое качественное состояние, ранее не изучаемое наукой. Процесс, типичный для синергетической системы, можно изобразить так: существует такое начальное состояние системы, в котором движение и состояние его элементов - подсистем - обладает относительной самостоятельностью. Существует переход из этого состояния системы в состояние динамического микросостояния, в котором взаимоотношения микроэлементов-подсистем усиливается. Качество этого процесса перехода заключается в том, что хотя в этом состоянии исходные факторы - «среда-система», внешнее воздействие - не имеют структуру, однако имеется структура его результата, обусловленная свойствами «среда-система». Г.Хакен, учитывая именно эти качества, назвал данный процесс самоорганизацией, а науку о системах такого рода - синергетикой (греческое слово випа^ейкав - вместе, совместно). В синергетике приобретается возможность изучения и последовательности усложнения динамических структур и хаотического движения простых динамических систем [5, с. 30].

Синергетические идеи постепенно, но уверенно входят в естественнонаучную, в том числе физическую картину мира. Известно, что в XX в. формирование космогонических взглядов на Вселенную носило в большей степени статический и структурно-направляющий характер. И именно в этот период А. Эйнштейн выдвинул стационарные уравнения о развитии Вселенной, и в 1922 - 1924 гг. их правдивость была подтверждена точными расчетами А.А.Фридмана. В 1929 г. американский астроном А.Хаббл выразил в форме закона смещение красной границы света, идущего от далеких Галактик, и установил, что это событие является результатом отдаления от Земли других Г алактик, а скорость их отдаления от Земли прямо пропорциональна расстоянию отдаления.

В этой концепции развитие Вселенной, вопрос ее эволюции, начиная от «Большого взрыва», выдвинутого в космогонических идеях того времени, оцениваются как совместная эволюция явлений микро- и макромира, существование дифференциальных и сложных явлений связывается с эволюцией микро- и макромира, произошедшей в различных временных сечениях. В связи с идеей развития и эволюции неживого мира в физической картине мира элементарные частицы стали изображаться более ярко.

Для выражения идеи развития в теоретическом познании были созданы новые понятия. Одним из этих понятий стало понятие «открытая система». Это понятие впервые в 1929 г. предложил представитель брюссельской школы, физик по профессии Р.Дефаем. В 1932 г. Л.фон Берталанфи, применив это понятие для биологических систем, несколько расширил его объем. На основе физической химии, генетики и термодинамики он создал новую концепцию - теорию «биологического организма». Эта теория, существенно изменив математический аппарат дифферециального равенст-

ва, привлекла в научное исследование основополагающие качества открытых систем: целостность, конечность, самоорганизованность и т.д. Таким образом, обсуждения, проводимые в рамках научной картины мира, привели к синергетическому приближению действительности.

Согласно идее самоорганизации, составляющей основу синергетического приближения, не существует резкой границы между живыми и неживыми системами по их саморегулированию [6, с. 58]. Принцип самоорганизации, сформировавшийся как основополагающее положение теории эволюции Дарвина, впоследствии, перейдя границы этой теории, вошел и в естественно-научную картину мира.

В современной науке синергетическое приближение есть образцовое проявление интегративной мысли. Появление синергетики на арене современного естествознания связано с эволюционным синтезом всех видов естественно-научных знаний. В XIX в. в классической физике существовало понятие о том, что материи с самого начала присуще нарушение порядка, склонность к начальному состоянию равновесия. На языке синергетики это называется хаосом, беспорядком. Такой взгляд на явления был сформирован под влиянием термодинамики равновесия, изучающей процессы взаимопревращения различных видов энергии. Эта наука выявила, что в природе процессы превращения тепла и работы друг в друга не равноправны. В то время как работу возможно полностью превратить в тепло посредством трения и других средств, тепло никаким путем невозможно полностью превратить в работу. Эго явление показывает, что в превращении энергии из одного вида в другой есть неизменяемое направление, избранное самой природой.

Второй принцип термодинамики - закон, выражающий сохранение тепловой энергии в природе и его равномерное распределение между телами, в толковании немецкого физика Р.Клаузиса звучит так: «Тепло не может самопроизвольно переходить от холодного тела к более теплому». Хотя закон сохранения и превращения энергии (II принцип термодинамики) не запрещает такие переходы при условии количественного сохранения энергии. Второй закон термодинамики отражает именно односторонность, однонаправленность в распределении энергии для замкнутых систем. Для отражения этого процесса в термодинамике используется физическая величина, называемая «энтропией». Понятие энтропии понимается как беспорядок, разобщенность в системе. После введения этого понятия в физику более точное выражение второго принципа термодинамики звучало так: в процессах, происходящих в системах, обладающих постоянной энергией, энтропия всегда растет [7, с. 113 - 114].

Физический смысл возрастания энтропии означает, что замкнутая система, состоящая из большого количества частиц, всегда стремится перейти к такому состоянию, в котором закономерность и порядок в движении

частиц минимальны. Эго состояние, в котором частицы движутся хаотично, называется самым простым состоянием, или состоянием термодинамического равновесия системы. Максимум энтропии эквивалентен состоянию термодинамического равновесия, полному хаосу в движении его частиц. Однако общий результат, вытекающий отсюда, весьма печален: необратимость процессов превращения энергии в замкнутых системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую энергию, и последняя, равномерно распределяясь между телами, в конечном итоге будет причиной термодинамического равновесия Вселенной или же появления хаоса. Если Вселенная конечна и замкнута, то ее вовсе не радостная судьба будет именно такой. Древнегреческие мыслители подтверждают, что Вселенная возникла из хаоса, а классическая термодинамика доказывает, что она снова превратится в хаос.

Отсюда возникает парадоксальный вопрос: если Вселенная эволюционирует только в направлении к хаосу, то как она появилась, как возникли сложные структуры в ее составе, как образовалось его нынешнее упорядоченное, закономерное состояние? Конечно, с помощью случайных «возбуждений» Вселенной, в целом находящейся в равновесии, это явление объяснить невозможно: для описания существующей общей картины мира, материи необходимо приписать не только разрушите льнодеструктивную, но и созидательно-конструктивную склонность. Необходимо принять во внимание, что материя способна совершить работу против термодинамического равновесия, т.е. самоорганизоваться, самоуслож-ниться. Возникновение синергетики как теории самоорганизации было связано исключительно с осознанием этой истины в естественно-научной мысли в 70-х гг. XX в. В настоящее время основной смысл комплекса синергетических идей, развиваемых в различных направлениях, состоит из двух основных тезисов [5; 11]:

1) процессы зарождения и разрушения, эволюции и деградации, происходящие во Вселенной, - равноправны;

2) независимо от природы системы, процессы зарождения, протекающие в ней ( возрастание степени сложности и порядка), имеют единый алгоритм.

Как видно из тезисов, синергетика есть стремление создать такой универсальный механизм, с помощью которого было бы возможно изобразить самоорганизацию живой и неживой природы. В таком случае, под самоорганизацией понимается процесс спонтанного перехода открытой, неравновесной системы из относительно простой и малоупорядоченой формы самоорганизации в более сложную и более упорядоченную форму. Отсюда становится ясно, что не любые, а лишь удовлетворяющие нижеследующим требованиям системы, могут быть самоорганизующимися синергетическими системами:

а) синергетическая система должна быть открытой, т.е. должна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией;

б) синергетическая система должна быть неуравновешенной (неустойчивой), оставаться отдаленной от состояния термодинамического равновесия.

Большинство известных нам систем удовлетворяет этим требованиям. В развитии таких систем наблюдаются две фазы:

а) ровный эволюционный период, позволяющий предсказать линейные изменения, приводящие систему, в конечном счете, в неустойчивое (состояние неравновесия) критическое состояние;

б) период мгновенного скачкообразного перехода системы из критического состояния в сложное, упорядоченное и равновесное. Качество, характеризующее эту фазу, заключается в том, что переход системы в новое устойчивое состояние вовсе неоднозначно. Системы, параметры которых достигли критического состояния («точка бифуркации»), переходят в одно из возможных устойчивых состояний. В точке бифуркации эволюционный путь системы разветвляется и выбор траектории, по которой проходит продолжение его развития, носит совершенно случайный характер. А после выбора системой ориентации развития у нее не остается обратного пути и процесс проходит необратимо [8, с. 37]. Хотя расчет возможных вариантов эволюции таких систем практически возможен, все же невозможно заранее предсказать однозначно, какому из этих путей будет дано предпочтение.

Таким образом, синергетическая интерпретация явлений создает новые возможности для их адекватного изучения. Новизну синергетического подхода к исследованию явлений вкратце можно охарактеризовать следующим образом [6, с. 140; 2, с. 7]:

1) одну из важных характеристик современного мира составляет его постоянное усовершенствование, необратимость процессов развития, способность оказать серьезное влияние на общее протекание явлений, даже самых незначительных событий и воздействий;

2) хаос носит не только разрушительный, но и созидательный, конструктивный характер: развитие претворяется в жизнь именно посредством неустойчивых (хаотических) состояний;

3) привычный в классической науке линейный характер эволюции сложных систем, не являясь ненарушаемым правилом, составляет исключение. Нелинейный характер развития большинства таких систем означает, что для сложных систем всегда имеется несколько путей развития. Однако, это не исключает вероятности серьезного количественного определения сложных систем и самых оптимальных вариантов их развития;

4) невозможно установить направление развития сложных систем со стороны. И поэтому необходимо не грубое вмешательство в их развитие, а

просто приспособление к склонности их частного развития. Однако, не следует забывать, что человеческое мышление пока не способно воздействовать на естественные и социальные процессы в самой оптимальной форме с целью обеспечения желаемого уклона развития;

5) взаимодействие самоорганизующейся системы с внешним миром и его вхождение в условие неравновесности является причиной образования новых динамических состояний - диссипативных структур [9, с. 3 -19];

6) вблизи точки «Бифуркации» в системе наблюдаются значительные флуктуации. Такие системы как бы «колеблются» в выборе одного из путей эволюции. В это время малая флуктуация может стать причиной возникновения какого-то нового направления эволюции системы;

7) на всех уровнях самоорганизации первоисточником порядка является необратимость, «создающая порядок из хаоса», обусловливающая появление нового единства;

8) хаос может превратиться в конструктивный механизм созидающего начала эволюции;

9) если квантовая механика определила дуализм корпускулярноволновых свойств микрообъектов, то нелинейная динамика выявила детерминированный и стохастический (случайный, вероятностный) дуализм;

10) усложнение организации системы становится причиной для ускорения процессов, протекающих в них, и понижения степени стабильности;

11) зная склонности самоорганизации системы можно ускорить эволюцию, обойдя ряд ее лабиринтов [10, с. 42].

Хотя возникновение синергетики связано с именами Г.Хакена, И.Пригожина и других, во имя объективности и справедливости мы должны отметить, что в формулировании ее вышеуказанных и других идей было большое влияние диалектики Шеллинга, Гегеля и Маркса. Хотя многие об этом молчат, И.Пригожин, один из основоположников синергетики, сам признаваясь пишет, что «каждый уровень философии природы Г егеля подтверждает существование иерархии, требующей предшествующей» [6, с. 140]. Вместе с тем И.Пригожин точно и однозначно отмечает, что «идея истории природы, как составляющей части материализма, принадлежит К.Марксу и была последовательно развита Ф. Энгельсом» [6, с. 320].

Несмотря на признание И.Пригожина, некоторые из современных ученых, не видя связи между диалектикой и синергетикой, предполагают, что поскольку диалектика уже завершила свой жизненный путь, ее необходимо заменить синергетикой. По-видимому, с такой претензией невозможно согласиться, так как диалектика, являясь общей теорией развития и универсальным методом познания, была и есть одним из самых больших достижений мировой философской мысли.

Что касается замены диалектики синергетикой или же присоединения первой ко второй в качестве частного случая, то хотелось бы, не вдаваясь в тонкости и подробности, подчеркнуть следующее.

Во-первых, было бы полнейшим абсурдом (если не макробесием) что-либо говорить против синергетики, которая бурно развивается в последнее время, и идеи и методы которой широко вторгаются в естественные и со-циально-гуманитарные науки, все зримее определяя лицо науки конца XX в.

Во-вторых, синергетика, как считают ее отцы-основатели, - общенаучная, а не философская дисциплина, а тем более - не философия как таковая. Это разные (хотя и связанные) методологические уровни: философия (и диалектика как один из ее методов) находится на самом верхнем этаже, синергетика - на этаже более низком (общенаучном). И хотя, конечно, синергетика уже изначально философична - как впрочем и любая наука - но объявлять ее «философией современной культуры» [11, с. 60] было бы, на наш взгляд, явным преувеличением.

Мы полагаем, что не следует превращать синергетику в очередную «методологическую кукурузу», как это уже было, например, с системным подходом, когда некоторые, по выражению H.A. Бердяева, «паразиты-гносеологи» (а не специалисты по этой проблеме) стремились заменить этим подходом диалектический метод в целом, со всеми его принципами.

В-третьих, может быть, когда-нибудь (дай Бог!) синергетика станет-таки «философией современной культуры», но пока ситуация иная. Как было отмечено на XI Международной конференции по логике, методологии и философии науки (в апреле 1995 г. в Обнинске), «синергетика как постнеклассическое междисциплинарное (курсив наш. - В.И.) направление исследований находится пока в процессе отработки определений ее исходных понятий» [12, с. 138]. Имея в виду это нынешнее состояние синергетики, находящейся фактически в начале пути - длительного, сложного, противоречивого и т.п. - трудно представить, как она может уже сегодня заменить многовековую, имеющую разные формы диалектику.

В-четвертых, кстати, о некоторых фундаментальных понятиях синергетики. Непонятно, почему ее творцы и примкнувшие к ним стыдятся и стесняются указывать на их происхождение, называть имена тех, кто их впервые сформулировал - нередко сотни лет назад. Эго особенно относится к таким понятиям (категориям), как «эволюция» («развитие»), «целое» («целостность») и «часть», «становление», «время», «порядок» и «хаос» и др.

Поэтому, когда, например, читаешь, что, с точки зрения синергетики, каждая сложная система предстает как «эволюционное целое», что «синергетика провоцирует новое - эволюционное и холистическое видение мира», или что «ориентация на синергетическое движение - это ориента-

ция на диалог, историческое время и становление как онтологические характеристики», то возникает вопрос.

Разве не разрабатывались эти категории в древнегреческой, немецкой, классической и материалистической диалектике? Конечно, разрабатывались, но многие этого почему-то не желают (или не хотят) замечать. Хотя, разумеется, содержание названных (да и всех других) категорий следует углублять и обновлять, но сами по себе они новыми не являются, как и, например, положение синергетики о том, что следует смотреть на мир как на развивающуюся целостность. Поэтому надо не заменять диалектику синергетикой - пусть каждая из них делает свое дело - а укреплять их связь, взаимодействие между ними на пользу обеим этим сторонам и их единству в целом.

Какие основные выводы можно сделать из всего сказанного в данной статье?

Диалектика - великое завоевание и достояние мировой многовековой мысли, а диалектический метод при его верном применении может быть эффективным и продуктивным орудием познания. Эго, как нам представляется, очевидный факт. Однако не менее очевидно и то, что значение диалектики не следует ни чрезмерно преувеличивать, ни чрезмерно преуменьшать. Она не может претендовать ни на роль универсальной концепции работы сознания, ни тем более на роль универсальной онтологической доктрины.

Так, применение синергетики в исследовании социальных процессов ограничено в некоторых отношениях:

1. Удовлетворительно поняты, с точки зрения синергетики, могут быть только массовые процессы. Поведение личности, мотивы ее деятельности, предпочтение едва ли могут быть объяснены с ее помощью, так как она имеет дело с макросоциальными процессами и общими тенденциями развития общества. Она дает картину макроскопических, социоэкономи-ческих событий, где суммированы личностные решения и акты выбора индивидов. Индивид же, как таковой, синергетикой не изучается.

2. Синергетика не учитывает роль сознательного фактора духовной сферы, так как не рассматривает возможность человека прямо и сознательно противодействовать макротенденциям самоорганизации, которые присущи социальным сообществам.

3. При переходе на более высокие уровни организации возрастает количество факторов, которые участвуют в детерминации изучаемого социального события, в то время как синергетика применима к исследованию таких процессов, которые детерминированы небольшим количеством фактов [13, с. 106- 107].

Литература

1. Синергетическая парадигма. М., 2000. С. 14 - 15, 53.

2. Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. М., 1999.

3. Хан-Мара Лен. Супермолекулярная Химия. Концепции и перспективы. Новосибирск, 1998.

4. Хакен Г. Синергетика. Иерархии и устойчивости в самоорганизующихся системах. М., 1985. С. 152.

5. Хакен Г. Синергетика. М., 1980. С. 163, 30.

6. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. М., 1986. С. 58, 140, 320.

7. Эберлинг В. Образование структур при необратимых процессах. М., 1979.

8. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М., 1997. С. 37.

9. Пригожин И. Первооткрытие времени // Вопросы философии. 1989. № 8. С. 3-19.

10. Пригожин И. От существующего к возникающему. М., 1985.

11. Аршинов В., Свирский Я. Философия самоорганизации. Новые горизонты // Общественные науки и современность. 1993. № 3.

12. Киященко Л.П. Работа продолжается (К итогам XI Международной конференции по логике, методологии и философии науки) // Вопросы философии. 1995. № 12.

13. Князева Е.Н. Саморефлексивная синергетика // Вопросы философии. 2001. № 10.

Бакинский государственный университет 30 июня 2003 г.