Освоение самоорганизующихся, «синергетических» систем и новые стратегии научного поиска

Для анализа процессов эволюции сложных систем, в том числе исторически развивающихся и глобальных, нам необходимо обратиться к рассмотрению такого нового междисциплинарного направления исследований, которое получило название синергетики.

Автор самого термина «синергетика» (от греч. synergeticos — совместно действующий) немецкий физик Г. Хакен в предисловии к первому изданию своей книги писал: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин»1.

Синергетику теперь стали рассматривать как парадигму исследования сложноорганизованных систем, которая находит широкое применение не только в естественных и технических науках, но все активнее вторгается в социально-экономическое и гуманитарное знание. Прогресс в познании сложных систем способствовал преодолению противопоставления простого и сложного, пониманию их относительности, а самое главное — раскрытию роли сложноорганизованных процессов в ходе эволюции и развития систем неорганического, органического и социального мира.

Формирование парадигмы самоорганизации. Основополагающая идея синергетики под разными названиями и чаще всего под именем самоорганизации уходит своими корнями в глубокую древность. По крайней мере, она осознавалась уже Аристотелем, а еще раньше играла важную роль в космогонических представлениях древних греков, которые рассматривали формирования мира как процесс возникновение космоса, или порядка, из хаоса, или беспорядка. Однако эта общая идея имела скорее характер гениальной догадки, чем научно обоснованной гипотезы по той простой причине, что у античных греков не существовало экспериментального естествознания.

Принципы и методы изучения простейших механических и других систем, которые изучались в классической науке, оказались явно непригодными для исследования таких сложноорганизованных систем, как системы живой природы, социальные и гуманитарные системы. Такие системы отличаются особой динамичностью и перестройкой своих структурных и организационных форм. Неудивительно поэтому, что именно социально-экономические и гуманитарные науки встретились с проблемой самоорганизации уже в самом начале своего возникновения.

Почему, несмотря на разнообразные, а часто прямо противоположные интересы и цели людей, на рынке возникает никем не запланированный, спонтанный порядок? Устанавливаются ли нормы нравственности сверху или же они формируются постепенно в ходе длительного взаимодействия людей в ходе культурно-исторического развития под влиянием изменяющихся условий жизни? Создаются ли культура, право, политика, и остальные институты общества в результате деятельности идеологов, политиков или людей, стоящих у власти?

Ответы на эти вопросы, связанные с интуитивно понимаемой самоорганизацией, впервые попытались дать представители социально-гуманитарных наук, хотя они были сформулированы в недостаточно ясных и точных понятиях. Поэтому они носили скорее интуитивный, чем рационально-аналитический характер, но это отнюдь не снижает их значения для последующего научного познания. Не случайно поэтому некоторые современные ученые называли, например, основоположника классической политической экономии А. Смита предтечей кибернетики на том основании, что у него в неявном виде встречается апелляция к принципу отрицательной обратной связи.

В философско-мировоззренческом плане проблема самоорганизации затрагивалась И. Кантом в «Критике суждения» в связи с внутренней целесообразностью в природе, где он рассматривает отличие искусственных объектов от естественных. По его мнению, в естественном образовании каждая его часть мыслится как обязанная своим существованием действию всех остальных частей и в свою очередь существует ради других и целого. Только при этих условиях они могут стать самоорганизованным бытием, и как таковые, названы целесообразными естественными образованиями.

К сожалению, новые радикальные идеи о характере функционирования и эволюции живых и социальных систем не получили дальнейшего развития в тогдашнем естествознании в силу его механистической ориентации. Осознанию общности значения принципа самоорганизации мешала также разобщенность исследователей, работавших в различных отраслях естественных и общественных наук. Нередко этому способствовало и прямое противопоставление методов естествознания методам общественных наук, а также попытка позитивистов непосредственно перенести естественнонаучные методы познания в социальные и гуманитарные науки. Это наталкивалось на серьезное противодействие со стороны представителей социально-гуманитарных наук и вызывало отчуждение гуманитариев и естествоиспытателей.

Постепенно, однако, принцип самоорганизации в той или иной форме появлялся в разных науках при решении конкретных проблем. Так, например, в физиологии У. Кеннон сформулировал свой знаменитый принцип гомеостаза, суть которого сводится к тому, что в процессе адаптации к изменяющимся условиям существования, живые организмы перестраиваются таким образом, чтобы поддержать устойчивость важнейших параметров своей жизнедеятельности.

Значительный импульс исследованию процессов самоорганизации в наше время придало возникновение кибернетики, которая обобщила принцип отрицательной обратной связи. Благодаря этому удалось объяснить существование устойчивых динамических систем, явления гомеостаза, существование на рынке спонтанного порядка, выражающегося в установлении равновесия между спросом и предложением и многие другие процессы, опирающиеся на принцип сохранения динамического равновесия. Однако этот принцип объясняет лишь сохранение и поддержание устойчивости динамических систем, но не раскрывает, каким образом такая устойчивость и порядок возникают.

Между тем подлинная самоорганизация по самому смыслу этого термина означает именно изменение прежней организации, порядка или структуры и появление нового порядка и структуры в результате изменения взаимодействия между элементами системы. Точнее говоря, причины такого изменения поведения элементов системы, их самоорганизации следует искать в процессе взаимодействия элементов системы с внешней средой. Но большинство автоматов и технических устройств, сконструированных в кибернетике, опираются, по сути дела, на внешнюю организацию, то есть «самоорганизация» в них заранее запланирована и организована человеком-конструктором. В отличие от этого самоорганизация и, основанная на ней эволюция в живой природе и обществе, отнюдь не .сводятся к сохранению динамического равновесия. Именно это глубокое различие между неживой и живой природой долгое время оставалось неразрешимым противоречием между классической термодинамикой и эволюционным учением Ч. Дарвина.

Важнейшая заслуга синергетики состоит в том, что она впервые сумела приблизиться к разрешению этого противоречия. Она экспериментально и теоретически доказала, что самоорганизация при наличии вполне определенных условий может происходить уже в простейших физико-химических, и других системах неорганической природы.

К формулировке основной идеи новой парадигмы самоорганизации разные ученые подходили, опираясь на свои конкретные исследования в разных областях науки. Исследования Г. Хакеном механизма работы лазеров, начатые в 1960 г., убедили его в том, что в них процесс самоорганизации начинается с возникновения когерентного, кооперативного движения молекул или атомов, образующих активную среду лазера. Поэтому в своем определении синергетики он подчеркивает именно кооперативный характер процессов самоорганизации. Как признается он сам, в то время он решал частную проблему и не пытался распространить полученные выводы на другие самоорганизующиеся системы.

Другое направление исследований было связано с изучением кинетики химических реакций в рамках теории необратимых процессов неравновесной термодинамики. Как показали эксперименты отечественных ученых Б.П. Белоусова и А.М. Жаботинского, в физико-химических системах в процессе самоорганизации к энергетическому обмену добавляется обмен веществами, участвующими в химической реакции. Кроме того, для поддержания и ускорения процесса самоорганизации здесь применяются различные виды катализа. В математической модели, описывающей эти эксперименты, известный бельгийский ученый И. Пригожин, русский по происхождению, подчеркивает особое значение именно неравновесности и удаленности системы от точки термодинамического равновесия, как исходных условий для начала ее самоорганизации. Системы и структуры такого рода он называет диссипативными именно потому, что они возникают за счет диссипации, или рассеяния, в окружающую среду использованной, деградированной энергии и вещества. Взамен этого система получает из окружающей среды свежее вещество или энергию. Поскольку диссипация энергии ассоциируется с выведением беспорядка в среду, а получение новой энергии — с приобретением порядка, то вслед за Э. Шредингером взаимодействие между системой и ее средой стали рассматривать как обмен беспорядка на порядок. Вместе со своими сотрудниками И. Пригожин значительно продвинул разработку теории самоорганизующихся физико-химических процессов, за что бдо удостоен Нобелевской премии по химии за 1977 г.

В эти же годы Э. Лоренц, разрабатывая глобальную компьютерную модель для предсказания погоды, пришел к удивительному открытию. Используя ту же самую систему уравнений, с почти одинаковыми начальными условиями, он обнаружил, что они приводят к разным результатам. Детерминистическая система уравнений оказывалась «чувствительной» к начальным условиям и ее «поведение» оказывалось хаотическим. Но этот хаос обладал сложным, внутренним порядком или регулярностью, так что понятия порядка и регулярности, с одной стороны, и беспорядка и иррегулярности, с другой, оказывались относительными. Их нельзя было, поэтому противопоставлять друг другу в абсолютном смысле. Хаос оказывался специфической системой, обладающей весьма сложным порядком.

Осознание общности и аналогии этих конкретных процессов, как процессов самоорганизации в сложных системах, появилось во второй половине 70-х годов XX в. Еще раньше было замечено, что вопреки различию отдельных подходов, исследователи пользовались при этом аналогичным математическим аппаратом, сходными, хотя и разными по названию понятиями и принципами. Признание общности и единства, разных по своей природе самоорганизующихся процессов постепенно привело ученых к необходимости создания междисциплинарного направления своих исследований.

Синергетический анализ сложноорганизованных систем. Важнейшим условием возникновения самоорганизации является наличие открытой системы, которое противоположено понятию закрытой системы классической термодинамики. Одно из первых определений этого понятия принадлежит выдающемуся австрийскому физику Э. Шредингеру, который сформулировал его в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?». В ней он подчеркнул, что характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), указывал он, в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может быть равновесной. С поступлением новой энергии или вещества неравновесность, в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Со временем между элементами системы возникают новые взаимосвязи и появляются кооперативные процессы, которые приводят к коллективному поведению элементов системы. Именно кооперативные процессы приводят к образованию новых динамических структур. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощные потоки излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения, например, молекул газа, составляющего активную среду лазера, приводятся в согласованное, коллективное движение благодаря поступлению энергии извне, в данном случае электрического разряда. Вследствие этого молекулы газа начинают колебаться в одинаковой фазе и, благодаря интерференции, мощность лазерного излучения многократно увеличивается. Этот пример показывает, как флуктуации, или случайные колебания элементов системы при поступлении энергии извне, приходят в когерентное, согласованное движение.

Другим примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых химических реагентов, то есть веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и удаление в окружающую среду продуктов реакции, с другой. Самоорганизация обнаруживается здесь в появлении на поверхности раствора различных пространственных образований, концентрических волн, или периодическом изменении цвета раствора. Например, раствор может периодически менять свою окраску с синего цвета на красный цвет, и обратно, явление, которое впоследствии было названо «химическими часами».

Как же объясняет синергетика процесс самоорганизации систем?

1. Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система 6 соответствии со вторым законом термодинамики, в конечном итоге должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком, или дезорганизацией.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и поэтому неспособна к какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум ее дезорганизации.

3. Если упорядочивающим принципом для закрытых, изолированных систем является эволюция в сторону увеличения энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего положения в самом начале подавляются системой. Однако в открытых системах, благодаря усилению их неравновесности, эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот процесс Пригожий характеризует посредством принципа образования порядка через флуктуации. Так как флуктуации имеют случайный характер, то можно допустить, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. Здесь можно усмотреть связь с гениальной догадкой античных философов Эпикура и Лукреция Кара, допускавших случайность для объяснения возникновения нового в развитии мира.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип — положительной обратной связи. Согласно этому принципу, изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит, в конце концов, к возникновению нового порядка и структуры.

Мы перечислили лишь самые необходимые, но далеко недостаточные условия для возникновения самоорганизации в физических системах. Уже в химических самоорганизующихся системах в «игру» вступают такие новые факторы, как процессы катализа, которые ускоряют химические реакции. Отсюда можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Самоорганизация и новые стратегии научного поиска. Широкое использование парадигмы самоорганизации в естественных науках и технике, а также постепенное проникновение ее принципов в экономические и социально-гуманитарные науки выдвигают проблему поиска новых стратегий научного поиска. Такая стратегия необходима для поиска решений ряда не только конкретных, но и глобальных общенаучных и мировоззренческих проблем.

Состоит ли окружающий нас мир из разнообразных по содержанию и форме самоорганизующихся систем? Возникла ли живая природа в результате случайного стечения чрезвычайно невероятных обстоятельств, условий и факторов, как на этом настаивали некоторые известные биологи, или же она является результатом процесса самоорганизации, начавшегося в неорганической природе? Как самоорганизация и организация взаимодействуют в обществе?

На все эти вопросы синергетика помогает найти правильный ответ, или, по крайней мере, наметить верную стратегию поиска, хотя это требует, конечно, основательных дальнейших исследований. Мы ограничимся выяснением преимуществ синергетической стратегии научного поиска перед широко распространенной традиционной стратегией изучения сложных систем.

Традиционный подход к изучению поведения сложных систем состоит в редукции, или сведении их к поведению простых элементов. Например, чтобы объяснить поведение сложных систем на макроуровне, исследователь стремится свести их к процессам на микроуровне, наделяя микрообъекты (например, атомы или другие ненаблюдаемые объекты) простыми свойствами. Синергетика же стремится понять связь и взаимодействие между микро- и макропроцессами как таковыми и поэтому не рассматривает свойства ненаблюдаемых объектов. Она тщательно изучает изменения, которые происходят на наблюдаемом, макроскопическом уровне как результат взаимодействия огромного числа элементов или частиц системы на ненаблюдаемом микроуровне.

Основная идея, выдвигаемая синергетикой, заключается в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне. Эти изменения недоступны для непосредственного наблюдения, но их совокупный результат доступен для наблюдения и описывается управляющими параметрами системы. При критическом значении этих параметров система переходит в новое макроскопическое состояние. Установить связь между невидимыми изменениями на микроуровне и видимыми изменениями на макроуровне, так же как и определить критические значения управляющих параметров из чисто абстрактных, теоретических соображений не представляется возможным. Поэтому здесь прибегают к конкретному исследованию сложноорганизованных систем с помощью наблюдений или экспериментов. Например, в реакции Белоусова — Жаботинского — управляющим параметром служит концентрация химических веществ, в лазере — напряженность электромагнитного поля внутри него. Изменяя управляющие параметры, можно достичь критического значения, когда система резко и спонтанно переходит в качественно новое состояние.

Анализ поведения системы при переходе от прежнего состояния к новому состоянию в критической точке имеет решающее значение для понимания процесса самоорганизации. Именно здесь ясно прослеживается взаимосвязь между случайностью и необходимостью в процессе самоорганизации системы. Флуктуации, представляющие собой случайные отклонения системы от равновесия в ходе взаимодействия со средой и возрастания неравновесности системы, постепенно усиливаются, пока не достигнут определенной критической точки, в которой и происходит превращение случайных изменений в детерминированное, необходимое движение системы. Однако какое направление дальнейшего движения или траекторию после критической точки «выберет» при этом система, зависит в свою очередь от ряда случайных обстоятельств. Используя знакомый нам термин бифуркации, можно сказать, что в зависимости от сложившихся случайных обстоятельств, система может «выбрать», по меньшей мере, две возможные траектории будущего движения. Предсказать, какой конкретно путь «выберет» система, невозможно.

Возвращаясь к вопросу о взаимосвязи между микро- и макроуровнем в процессе самоорганизации, следует подчеркнуть, что при постепенном изменении системы на микро уровне обычно возникает множество различных конфигураций состояний и их будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются параметрами порядка. Этот принцип управления параметрами порядка впервые четко сформулировал Хакен, который сравнивает его с действиями кукловода.

«В определенном смысле, — пишет он, — параметры порядка действуют как кукловоды, заставляющие марионеток двигаться. Однако между наивным представлением о параметрах порядка как о кукловодах и тем, что происходит в действительности, имеется одно важное различие. Оказывается, что, совершая коллективное действие, индивидуальные части системы, или «куклы», сами воздействуют на параметры порядка, т.е. на «кукловодов».1

Принцип подчинения параметрам порядка играет важнейшую роль в понимании процессов самоорганизации. В каждом таком процессе параметров порядка существует сравнительно немного, в то время как система может состоять из большого числа компонентов, которые могут создавать огромное количество состояний. Введение параметров порядка значительно облегчает анализ самоорганизующихся процессов и проливает дополнительный свет на понимание категории причинности в современном научном познании.

Если традиционное понимание линейной причинности предполагает, что только причина вызывает или порождает действие, то процессы самоорганизации ясно показывают, что действия также могут оказывать влияние на породившую их причину или причины. Действительно, поведение компонентов системы подчиняется и управляется параметрами порядка, но в то же время сами параметры порядка возникают в результате взаимодействия компонентов системы. Так возникает представление о циклической причинности, включающее признание обратного влияния действия на породившую его причину.

Роль нелинейной динамики и синергетики в развитии современных представлений о развивающихся системах. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что для их описания используются нелинейные математические уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). Классическая термодинамика изучала равновесные системы, для описания которых применялись линейные дифференциальные уравнения. Но такие системы не могли описывать развитие сложноорганизованных биологических и социальных систем. По этой причине возник конфликт между классической термодинамикой и эволюционной теорией Ч. Дарвина. Он был разрешен переходом термодинамики к изучению открытых нелинейных систем и появлением синергетики.

Появление нелинейной термодинамики и синергетики способствовало переходу от линейного мышления, которое утвердилось в рамках механистической картины мира к нелинейному мышлению современной науки. В отличие от классической линейной термодинамики, предметом изучения которой являются равновесные и слабо неравновесные системы, нелинейная термодинамика исследует сильно неравновесные системы, поведение которых является нестабильным и точно непредсказуемым. Но именно такие системы больше всего встречаются в живой природе и обществе и поэтому они представляют наибольший интерес для науки.

Среди этих систем особого внимания заслуживают самоорганизующиеся и исторически развивающиеся системы, к которым относятся геологические, астрономические, биологические, социально-экономические и другие системы. Трудность их исследования заключается в том, что процессы самоорганизации и перехода к новым качественным состояниям в них требуют не только прогнозирования периодов неустойчивости и появления возможных точек бифуркации, но и конкретного анализа эволюции систем на всем протяжении исторического процесса развития. Поэтому анализ таких систем осуществляется как с помощью стандартных методов нелинейной термодинамики и синергетики, так и построения сценариев будущего их развития.