Введение
синергетика естествознание наука
Синергетика в современной научной картине мира рассматривается как теория самоорганизующихся систем, хотя в классическом смысле ее нельзя считать теорией.
В классическом смысле теория - высшая, самая развитая форма организации научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях определенной области действительности - объекте данной теории.
Теория в естественных науках представляет внутренне дифференцированную, но целостную систему знания, которую характеризует логическая зависимость одних элементов от других, выводимость содержания теории из некоторой совокупности утверждений и понятий исходного базиса теории по определенным логико-методологическим принципам и правилам.
Когда мы говорим о теории, то естественно представляем в качестве образца ньютонианскую механику, которая имеет четкую структуру, понятия, принципы, законы и математический аппарат, следствия, вытекающие из логически непротиворечивого применения принципов и законов. В таком виде синергетики как теоретического построения не существует. Однако синергетика существует как теоретический, методологический подход в описании самоорганизующихся систем.
В современном естествознании синергетика - одна из важнейших парадигм. Она формулирует основы нового миропонимания, ориентируя на поиск общих закономерностей эволюции и самоорганизации природных, социальных и когнитивных систем.
1.История и логика возникновения синергетического подхода в естествознании
В XX веке формирование взглядов на Вселенную все больше переходит от статистического и структурно-ориентированного описания к описанию динамическому, ориентированному на процесс. Так, открытие нестационарных решений уравнений Эйнштейна, полученных А.А. Фридманом в 1922 - 1924 гг. и подтвержденных в 1929 г., когда Э. Хабл открыл красное смещение в спектре галактик, исследования Г. Гамова, современное бурное развитие астрофизики выдвигают на первый план мировоззренческий вопрос о применимости диалектической концепции развития в глобальном масштабе.
Согласно этой точке зрения эволюция Вселенной, начиная с Больььшого взрыва, рассматривается как совместная эволюция микро- и макроявлений, включающая процессы дифференциации и усложнения в микро- и макро- ветвях эволюции.
В процессе развития теоретических концепций физики элементарных частиц в физическую картину мира все более явно входит представление о всеобщей связи и взаимообусловленности. Элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, макротела, планеты и т.д. становятся звеньями «глобальной эволюции». Время перестает рассматриваться как просто геометрический параметр. Чрезвычайно важно подчеркнуть, что корни такого понимания тесно связаны с новыми концептуальными подходами в методах исследования физико-химических структур, разрабатываемых в эволюционистском направлении.
Важным моментом на этом пути следует считать введение понятия «открытая система», предложенного представителем брюссельской школы физиков Р. Дефаем в 1929 г. и развитого Л. фон Берталанфи в 1932 г. для биологических систем. Л. фон Берталанфи построил теорию биологических организмов на базе обобщения положений физической химии, кинетики и термодинамики, которая и вошла в научный оборот под названием «теории открытых систем». Подход Берталанфи привлек всеобщее внимание научной общественности, очевидно, потому, что он широко применял математический аппарат дифференциальных уравнений. С их помощью Берталанфи удалось дать формальное выражение таких важных свойств систем (системных параметров), как целостность, сумма, организация, рост, конкуренция, финальность, эквивалентность в поведении и т.д. Особенно это импонировало последователям физикализации биологии, так как дифференциальные уравнения давали возможность описать поведение системы как бы «изнутри». Извне систему можно рассматривать как «черный ящик» и ее отношения со средой изображать, используя лишь понятия входа и выхода. Позднее Берталанфи перешел к рассмотрению живого организма как неравновесной открытой системы, называя стационарное состояние такой системы «проточным равновесием».
Однако в рамках классической термодинамики все же не удавалось объяснить центральную проблему биологии - проблему развития.
В связи с этим рассмотрим идейные побуждения, приведшие к формированию синергетического подхода в современной научной картине мира, поскольку единых принципов самоорганизации для неживой и живой материи не было. Естественно, что философское знание развивало идею саморазвития своими средствами. Идея саморазвития и самоорганизации через эволюционную теорию Дарвина постепенно проникала в естественнонаучную картину мира. Поскольку эволюционная концепция Дарвина утверждает, что в мире происходит непрерывное рождение все более сложно организованных живых форм, структур и систем, то умозрительно был решен вопрос о магистральной линии развития с выходом на биосоциальный этап эволюции.
Но если допустима идея обращения эволюционных методов «вверх» к наукам об обществе (В.И. Вернадский о «планетарном мышлении», ноосфере; С.С. Шварц - «урбанизированные» биогеоценозы), то вполне закономерно встает проблема исследования линии «вниз» к химии и физике. Научным сообществом формулируется задача выявления эволюционных закономерностей физико-химических форм материи и их связи с общей магистральной линией развития. Однако при построении естественнонаучной картины мира, последовательно проводящей идею самоорганизации и саморазвития, возникла известная асимметрия в понимании законов развития живого и неживого. В неживой природе замкнутые системы переходят согласно второму началу термодинамики от более упорядоченных состояний - к менее упорядоченным, а в живой природе эволюция идет в сторону повышения организации.
Сосуществование в картине мира этих двух взаимоисключающих подходов происходило на фоне формирования стохастического детерминизма, когда процесс изменения во времени состояния какой-либо системы находился в соответствии с вероятностными закономерностями.
Но только эволюционный подход концептуально опирался на стохастический детерминизм. В самом деле, множество случайных событий - взаимодействий живых существ друг с другом и со средой обитания приводит к естественному отбору, результаты которого тем определеннее, чем большее число элементарных событий произошло в эволюционирующей системе. В то же время к моменту появления «Происхождения видов» научное сообщество еще не было достаточно проникнуто идеями стохастического детерминизма, что и приводит к противоречивости целостной картины мира. Однако изменение общенаучных подходов в сторону поисков механизмов эволюции коснулось и физики. Происходит рождение новой неклассической термодинамики, переход к концепции развития и в физической картине мира. Правда, до первой половины нынешнего столетия эти изменения носили «неосознанный характер. Лишь в 40-х годах, когда И. Пригожин сформулировал постулат, согласно которому классическая термодинамика - лишь часть будущей обобщенной термодинамики, охватывающей как обратимые (равновесные) процессы, так и неравновесные состояния и необратимые процессы, концепция развития входит и в физическую каротину мира. В гносеологическом плане это связано с осмыслением того, что классическая термодинамика - в сущности, теория деградации, разрушения структур, где производство энтропии выступает мерой скорости этого разрушения, то есть Пригожин использует «принцип дополнительности» в термодинамике, дополняя классическую термодинамику теорией «создания структуры». Попытки создания неклассической термодинамики с идеями необратимости имели место и раньше.
Одним их первых это попытался сделать Больцман, который утверждал, что состояния, связанные с большой разницей температур или с малым перемещением, теоретически не являются абсолютно невозможными, они только маловероятны. Больцман подчеркивал, что если мы предположим мир достаточно великим, то в нем согласно законам теории вероятности могут появляться места размерами с наш звездный мир, с маловероятным распределением состояний.
В самом общем виде этот вывод основан на том, что законы классической механики инвариантны относительно перемены направления знака времени или обратимы во времени, в то время как вывод второго начала термодинамики о возрастании энтропии во времени обладает временной асимметрией. В наиболее отчетливой форме это противоречие было сформулировано в виде парадоксов Лошмидта и Цермело. Лошмидт в 1876 г. показал, что если в некоторый момент времени скорости всех молекул изменить на противоположные, то эволюция газовой системы пойдет в противоположном направлении. Отсюда Лошмидт сделал вывод, что энтропия имеет столько же шансов возрастать, сколько убывать. Следовательно, эволюция системы необязательно происходит в одном направлении.
Парадокс обратимости Цермело (1896 г.) основан на возвратной теореме Пуанкаре, которая утверждает, что изолированная динамическая система с ограниченной энергией и конечными размерами за достаточно большой промежуток времени (период цикла Пуанкаре) вернется в состояние, сколь угодно близкое к первоначальному. Однако этот промежуток времени неестественно велик. Для газа, заключенного в объем умеренных размеров, время возврата намного превышает оцениваемый возраст Вселенной, составляющий 10 в 10 степени лет.
Обсуждение указанных выше проблем имело важное значение для понимания природы необратимых процессов, так как понятие необратимости стали связывать с масштабом времени. Можно сделать заключение: во-первых, процесс является необратимым или обратимым в зависимости от того, характеризуется ли начальное состояние большим (или малым) средним временем повторяемости по сравнению с интервалом времени, в течение которых система находится под наблюдением; во-вторых, в картине мира, несмотря на «господство» принципа повышения энтропии, начал формироваться подход к пониманию эволюции системы на основе признания объективной случайности, выделения круговорота энергии и признания существования флуктуаций, ведущих к крайне маловероятным состояниям.
С методологической точки зрения важно отметить, что реально противоречие между картиной мира, построенной в соответствии со вторым началом термодинамики и картиной мира, где высокая степень упорядоченности окружающих нас систем затушевывается в сознании ученого просто констатацией разграничения закономерностей живой и неживой природы.
С другой стороны, идея самоорганизации, не ограниченная какой-то особой, выделенной формой движения материи, но проявляющаяся во всех случаях, когда для этого создаются необходимые условия, формируется и упрочивается в кибернетике, теории систем, машинном моделировании и других концептуальных подходах теоретического освоения мира.
Но не только указанные направления надо рассматривать в качестве идейных предпосылок самоорганизации, но также и теорию открытых биологических систем, обладающих свойством эквивалентности, сформулированную Л. фон Берталанфи, которая инициировала понимание принципа системности как конкретно историческую форму научного мышления. В рамках такого представления сложились следующие рабочие идеи: системное видение объекта в противовес механическому, организм стал рассматриваться как открытая система, способная достигнуть конечного состояния независимо от нарушений начальных условий системы. В системном подходе сформировалась идея перспективизма взамен редукционизма. Все эти моменты, как оказалось позднее, были созвучны направлению, посвященному кооперативным эффектам в процессах самоорганизации, получившие после Сольвеевского конгресса наименование синергетики.
В рамках естественнонаучной картины мира указанный подход стимулирует появление такого механизма самоорганизации, который не связан с какой-то особой самодеяенной формой движения материи, но проявляется во всех случаях, когда для этого создается необходимое сочетание внутренних и внешних условий. При этом снимается противоположность понимания эволюции в биологии и науках о неживой природе. Синергетический подход - это пример проявления интегративных тенденций в современной науке, который инициирует идеи и методы концептуального осмысления понятий саморазвития и самоорганизации в неживой, живой и социальной формах движения материи на фоне эволюционных механизмов в биологии и социальных науках.
В целом синергетический подход можно связать со становлением общей теории развития, но в постановке проблемы самоорганизации, самоуправления принято признавать приоритет кибернетики. Общеизвестно, что еще Норберт Винер определил кибернетику как науку об управлении и связи в животном и машине. Но кибернетика рассматривала, в основном, искусственные системы и трудность в понимании развития была связана с противоречием между вторым началом термодинамики и концепцией эволюции Дарвина. Кроме того, при определенной близости к кибернетике, теории систем и т.д. синергетический подход акцентирует внимание на кооперативном, когерентном характере процессов самоорганизации в сложных системах, что до синергетики не делалось.
Узлом противоречий естественнонаучной картины мира, включающей эволюционный механизм развития, было основное отличие живых структур от неживых, заключающееся в том, что живое имеет вполне определенную способность «выжить». Это качество во всех живых системах объясняется дарвиновским механизмом естественного отбора, который реализуется посредством одного и того же генетического механизма. Очевидным было и то, что движущая сила процесса самоорганизации материи, в самом широком смысле, заключается в специфических свойствах среды.
Для современной картины мира, пронизанной идеями развития, синергетический подход может показаться достаточно тривиальным. Однако в познании неживой природы проследить генетическую цепочку становления, возникновения, функционирования и гибели отдельных форм и образований на фоне «глобального эволюционизма» - задача не из простых. Например, для химиков химическая эволюция не исчерпывается возникновением и распадом межатомных, молекулярных структур. По своей сущности она является определенным этапом развития материи в целом. Это развитие охватывает и вещество, и энергию в их неразрывном взаимодействии, оно протекает как эволюция систем. охватывающих гигантские объекты: звезды, туманности планеты. Отдельные молекулярные образования являются лишь моментами этого процесса, который может быть полностью понят лишь в своей целостности.
Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он отягощен разрывами, подчас длительными, «на миллион лет», остановками развития. Лишь формирование и становление жизни придает ему непрерывность и подчиняет более высокой форме движения материи, сперва биологической, а затем - социальной.
Картина мира опирается на множество теоретических описаний, не сводимых друг к другу. Динамическое описание отражает развитие структур, систем в форме движений, траекторий, уровней энергии и т.п. А описание в терминах необратимости акцентирует внимание на конечных результатах процессов, на диссипативных структурах, что в методологическом плане соответствует становлению.
Целостная картина мира должна давать описание объективной реальности в единстве бытия и становления. Такое единство в естественнонаучном аспекте обеспечивается тем, что неравновесие может создавать порядок. Однако этот порядок принципиально отличен от порядка, возникающего в равновесных системах. Например, находящаяся в равновесии структура (скажем, кристалл) сохраняется независимо от обмена энергией с внешним миром. Напротив, неравновесные структуры могут существовать лишь в условиях постоянного обмена энергией и веществом с внешней средой.