Основные понятия синергетики

УДК 536.7
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИНЕРГЕТИКИ
Ошаева Е.А., Забурская А.В,
научный руководитель канд. техн. наук Дубич В.В.
Сибирский федеральный университет
Синергетика - это наука о самоорганизации сложных открытых систем.
Самоорганизация - процесс формирования в системе все более сложных и сложных
подсистем. Другими словами, самоорганизация в общем понимании - это присущая
материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных
структур в ходе своего развития; в узком понимании - это скачок, фазовый переход
системы из менее в более упорядоченное состояние. В самоорганизации всегда
возникает нечто новое, чего раньше не было. Самоорганизация - это
междисциплинарная область знания, ведущий принцип всего современного
естествознания, применение ко многим предметам, наукам.
Объединяющим началом в синергетике являются объекты исследований —
открытые сложные нелинейные системы с обратными связями. Разумеется, такие
системы изучались и ранее без использования термина «синергетика». Общая
трудность подобных исследований — исключительная трудность точного
математического описания, особенно если в системе работает множество обратных
связей.
Также существуют три основные идеи синергетики: неравновесность,
открытость и нелинейность.
Длительное время в состоянии равновесия могут находиться лишь закрытые
системы, не имеющие связей с внешней средой, тогда как для открытых систем
равновесие может быть только мигом в процессе непрерывных изменений.
Равновесные системы не способны к развитию и самоорганизации, поскольку
подавляют отклонения от своего стационарного состояния, тогда как развитие и
самоорганизация
предполагают
качественное
его
изменение.
Неравновесность, наоборот, можно определить как состояние открытой
системы, при котором происходит изменение ее макроскопических параметров, то есть
ее состава, структуры и поведения.
Открытость – способность системы постоянно обмениваться веществом
(энергией, информацией) с окружающей средой и обладать как «источниками» - зонами
подпитки ее энергией окружающей среды, действие которых способствует
наращиванию структурной неоднородности данной системы, так и «стоками» – зонами
рассеяния, «сброса» энергии, в результате действия которых происходит сглаживание
структурных неоднородностей в системе.
Нелинейностью называется свойство системы иметь в своей структуре
различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам
поведения этой системы. Всякий раз, когда поведение таких объектов удается выразить
системой уравнений, эти уравнения оказываются нелинейными в математическом
смысле. Математическим объектам с таким свойством соответствует возникновение
спектра решений вместо одного единственного решения системы уравнений,
описывающих поведение системы. Каждое решение из этого спектра характеризует
возможный способ поведения системы. В отличие от линейных систем, подсистемы
которых слабо взаимодействуют между собой и практически независимо входят в
систему, то есть обладают свойством аддитивности (целая система сводима к сумме ее
составляющих), поведение каждой подсистемы в нелинейной системе определяется в
зависимости от координации с другими. Система нелинейна, если в разное время, при
разных внешних воздействиях ее поведение определяется различными законами. Это
создает феномен сложного и разнообразного поведения, не укладывающегося в
единственную теоретическую схему. Из этой поведенческой особенности нелинейных
систем следует важнейший вывод по поводу возможности из прогнозирования и
управления ими.
Понятие нелинейность начинает использоваться все шире, приобретая
мировоззренческий смысл. Идея нелинейности включает в себя многовариантность,
альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы
испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью.
Рассмотрим два типа структур, которые изучает синергетика.
Диссипативные структуры – структуры, возникающие в процессе
самоорганизации,
для
осуществления
которых
необходим
рассеивающий
(диссипативный) фактор. Возникновение диссипативных структур носит пороговый
характер. Новая структура всегда является результатом раскрытия неустойчивости в
результате флуктуаций. Флуктуации – движения элементов микроуровня, обычно
расцениваемые как случайные и не составляющие интереса для исследователя. В
зависимости от своей силы флуктуации, воздействующие на систему, могут привести
ее к различным вариантам дальнейшего существования.
Выбор вариантов происходит в точке бифуркации. Точка бифуркации
представляет собой переломный, критический момент в развитии системы, в котором
она осуществляет выбор пути; иначе говоря, это точка ветвления вариантов развития,
точка, в которой происходит катастрофа.
Нестационарные (эволюционирующие) структуры возникают за счет активности
нелинейных источников энергии. Здесь структура – это локализованный в
определенных участках среды процесс, имеющий определенную геометрическую
форму и способный развиваться, трансформироваться или же переноситься в среде с
сохранением формы.
Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе,
создание более сложных систем из более простых. С этой парадигмой в физику проник
эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового.
Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым
выводы механики для микроскопического уровня.
В синергетике в противоположность кибернетике исследуются механизмы
возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не
сохранения и поддержания старых форм. Поэтому она опирается на принцип
положительной обратной связи, когда изменения, возникающие в системе, не
подавляются и корректируются, а, наоборот, постепенно накапливаются и в конце
концов приводят к разрушению старой и возникновению новой системы.
Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе.
Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой.
Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике
изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории
относительности: энергия творит более высокие уровни организации.
Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового,
того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно. Механизм,
который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации,
экспоненциальный процесс до определенного момента. Основным понятием предстает
понятие неустойчивости.
Таким образом, мы попытались раскрыть сущность и основные аспекты
синергетики как перспективного направления современной научной мысли.