Синергетику чаще всего рассматривают как науку о самоорганизации. Центральным в теории самоорганизации является термин «структура», или «паттерн». Грею Уолтеру принадлежит такое определение: «Понятие паттерн подразумевает любую последовательность явлений во времени или любое расположение предметов в пространстве, которое можно отличить от другой последовательности или другого расположения или сравнить с ними... Вообще говоря, можно считать, что науки возникают в результате поиска паттернов, а искусства - в результате создания паттерна, хотя между поисками и созданием паттерна существует более тесная связь, чем обычно полагают».
По аналогии с колебаниями паттерны можно разделить на свободные, вынужденные и автопаттерны (рис. 7.1). Под автопатгернами будем понимать локализованные пространственные образования, устойчиво существующие в диссипативных неравновесных средах и не зависящие (в конечных пределах) от граничных и начальных условий. Самое главное в этом определении и раскрывающее смысл добавки «авто» к слову паттерн - независимость от изменения начальных и граничных условий. Также как и в случае автоколебаний, подобная независимость может быть только в средах с диссипацией, которая понимается весьма обще.
Рис. 7.1. Классификация структур (паттернов)
Поскольку образование автопатгернов - результат развития пространственно неоднородных неустойчивостей с их последующей стабилизацией за счет баланса между диссипативными расходами и поступлением энергии от источника неравновесности, то процесс образования автопаттерна похож на установление колебаний в распределенных автоколебательных системах (РАС). Для последних определение звучит так: РАС - неконсервативная система, в которой в результате развития неустойчивости возможно установление волновых или колебательных движений, параметры которых (амплитуда и форма колебаний и волн, частота, а в общем случае спектр колебаний) определяются самой системой и не зависят от изменения начальных условий.
Представим себе стоящие на ребре фишки домино. Такие фишки при малых их отклонениях от такого положения снова возвращаются в него. Другими словами, состояние в виде стоящей на ребре фишки устойчиво относительно малых возмущений. Но мы хорошо знаем, что если достаточно сильно толкнуть крайнюю фишку, то это приведет к самораспространяющейся волне последовательного падения фишек вдоль линии их построения (рис. 7.2). Причина этого явления связана с тем, что в исходном состоянии каждая стоящая фишка (по сравнению с лежащей) обладает потенциальной энергий W = mgh , где m - масса фишки, 2h - ее высота. Кроме того, и это существенно, соседние фишки, т.е. элементы системы, взаимодействуют между собой: каждая падающая фишка толкает соседнюю и роняет ее. В рассматриваемом случае самораспространяющаяся волна падения фишек представляет собой автоволну переключения системы из метастабильного состояния с потенциальной энергией W = mgh в более выгодное состояние с меньшей энергией W = 0 . При таком переключении запасенная в фишках потенциальная энергия необратимо переходит в тепло, выделяющееся при падении фишек. Скорость и профиль такой автоволны переключения постоянны и не зависят от начального толчка первой фишки домино.
Рис. 7.2. Автоволна последовательного падения фишек домино. Внизу: профиль автоволны - положения центра тяжести фишек
Самым широким является определение самоорганизации как установления в диссипативной неравновесной среде пространственных паттернов (вообще говоря, эволюционирующих во времени), параметры которых определяются свойствами самой среды и слабо зависят от пространственной структуры источника неравновесности (энергии, массы и т.д.), начального состояния среды и условий на границах. Примеры самоорганизации, о которых далее пойдет речь, можно сказать, являются классическими - почти в каждой книге по самоорганизации этим примерам уделяется достойное место. Во многом, это объясняется тем, что в достаточно простых системах, которые мы и будем обсуждать, удается без различных ухищрений пронаблюдать образование структур возрастающей сложности.
Структуры Тьюринга. Тьюринг в 1952 г. попытался объяснить, почему некоторые живые организмы имеют близкое к периодическому строение. Сюда же примыкает задача о выяснении механизма возникновения пятен на шкуре животных. Тьюринг показал, что в первоначально однородной среде, в которой протекают химические реакции с диффузией, может установиться периодическое в пространстве и стационарное во времени распределение концентраций. Проблема морфогенеза - одна из центральных в исследовании самоорганизации. Главное в проблеме - ответить на вопрос: «Откуда первоначально недифференцированные клетки знают, где и каким образом дифференцироваться?» В отдельных клетках, как следует из экспериментов, такой информации нет. Находясь в ткани, клетка получает информацию о своем положении от других клеток, после чего идет дифференциация. Известно, что в экспериментах, произведенных на эмбрионах, клетка из центральной части тела после пересадки в головной отдел развивалась в глаз. В этих экспериментах доказано, что клетки не располагают информацией о своем последующем развитии, например, через ДНК, а извлекают ее из своего положения в клеточной ткани. Тьюринг предположил, что носителем такой «позиционной информации» служит химическая структура - «морфоген», возникающая благодаря совместному действию химических реакций и диффузии. Сейчас предполагается, что при достаточно высокой концентрации морфогенов в работу включаются гены, что и приводит к дифференциации клеток. Следует, правда, отметить, что существование морфогенов до настоящего времени окончательно не установлено, за исключением некоторых косвенных подтверждений.
Одна из наиболее известных реакционно-диффузионных моделей морфогенеза принадлежит А. Гиреру и X. Мейнхардту (далее - модель ГМ). Модель ГМ основана на том, что все клетки развивающегося организма могут продуцировать два морфогена: активатор и ингибитор, которые могут диффундировать в другие клетки. Если диффузии нет (например, в случае идеального перемешивания), то в результате взаимодействия морфогенов система достигнет однородного стационарного состояния. Диффузия морфогенов с одинаковыми скоростями приведет к тому же: любое пространственное отклонение от стационарного состояния будет сглаживаться. К чему приведет разная скорость диффузии морфогенов? Малое пространственное возмущение может стать неустойчивым, и начинает расти пространственная структура, поскольку скорости реакции в любой заданной точке могут не успеть «подстроиться» друг к другу достаточно быстро. Такую неустойчивость называют диффузионной, а механизм образования структур - активаторно-ингибиторным.
Красивая аналогия, образно поясняющая активаторно-ингибиторный механизм образования структур в распределении концентрации морфогенов, дана в статье Марри: «Пусть имеется очень сухой лес, иными словами, есть все условия для лесного пожара. Чтобы свести к минимуму возможный урон, по всему лесу рассредоточены пожарные с противопожарным снаряжением и вертолеты. Теперь представим, что вспыхивает пожар (активатор). От мест воспламенения начинает двигаться фронт огня. Первоначально поблизости от места пожара недостаточно пожарных (ингибитора), чтобы погасить огонь. Однако с помощью вертолетов пожарные могут обогнать фронт огня и обработать деревья реактивами, которые не позволяют им загореться. Когда огонь достигнет обработанных деревьев, он погаснет. Фронт остановится. Если пожары спонтанно возникают в разных местах леса, то через какое-то время сформируются несколько распространяющихся фронтов огня (волн активации). В свою очередь, это заставит пожарных на вертолетах (волны ингибирования) обогнать каждый фронт и остановить его на некотором расстоянии от места воспламенения. Конечным результатом такого сценария будет лес с черными пятнами сгоревших деревьев, перемежающимися с пятнами зеленых нетронутых деревьев. В принципе полученная картина имитирует результат, даваемый реакционно-диффузионными механизмами, обусловленными диффузией».
Ячейки Бенара. Другим классическим примером самоорганизации являются ячейки Бенара. Слой жидкости (чаще всего силиконовое масло) находится в сосуде, обычно круглой или прямоугольной формы. На жидкость действует сила тяжести. Нижний слой жидкости подогревают, а верхнюю поверхность поддерживают при постоянной температуре (например, комнатной), которая ниже, чем температура нагревателя. Понятно, что устанавливается разность температур между верхней и нижней поверхностями жидкости (физики часто называют эту разность температур градиентом температуры), в результате чего возникает поток тепла снизу вверх. Так происходит всегда: теплота от более нагретых тел стремится перейти к менее нагретым.
Если градиент температуры мал, то перенос тепла осуществляется на микроскопическом уровне: из школьного курса физики известно, что теплота - это не что иное, как движение молекул жидкости. Чем больше температура, тем интенсивнее это так называемое тепловое движение молекул, тем больше скорость молекул. Молекулы жидкости сталкиваются между собой, и при столкновении «более быстрой» молекулы с «более медленной» первая молекула отдает часть энергии второй. Понятно, что в рассматриваемом слое жидкости в нижних слоях температура больше, соответственно, интенсивнее и тепловое движение молекул в этих слоях. В верхних же слоях меньше температура и менее интенсивное движение молекул. В результате взаимодействия «быстрых молекул» с «медленными молекулами» осуществляется передача тепла от нижних слоев к верхним без макроскопического движения жидкости. Под словами «макроскопическое движение жидкости» имеется в виду следующее: если мысленно выделить в жидкости некоторый малый объем и следить за всеми молекулами, заключенными в нем, то увидим, что все молекулы из этого объема, участвуя в хаотическом движении (т.е. двигаясь беспорядочно), наряду с этим совершают коллективное движение в некотором направлении, причем их перемещения оказываются много больше размеров молекул. И наоборот, когда говорим о «микроскопическом движении», то подразумеваем, что молекулы участвуют только в тепловом движении, и никаких направленных потоков жидкости нет.
Возрастая, градиент температуры достигает критического значения, и тогда внезапно (точнее говоря, лучше сказать «внешне внезапно») устанавливается макроскопическое движение жидкости, образующее четко выраженные структуры: на одних участках нагретая жидкость поднимается и затем охлаждается у верхней поверхности, на других - опускается (см. рис. 7.3). Именно в результате этого и возникает движение в виде цилиндрических или шестигранных ячеек. Эти ячейки, по внешнему виду напоминающие пчелиные соты, получили название ячеек Бенара.
Рис. 7.3. Возникновение шестигранных ячеек при конвекции Бенара в тонком слое жидкости. Сверху показаны линии тока жидкости в режиме Бенаровской конвекции. На нижнем кадре показан экспериментальный снимок конвекции Бенара. Снимок демонстрирует шестигранную конвективную структуру в слое силиконового масла глубиной 1 мм при равномерном нагреве снизу. Если верхняя граница свободна, то течение создается неоднородностями поверхностного натяжения, а не плавучестью. Свет, отраженный от алюминиевых хлопьев, демонстрирует подъем жидкости в центре каждой ячейки и ее опускание на краях
Рябь Фарадея. Если кювету, в которую налит слой жидкости с достаточно большой вязкостью (силиконовое масло) периодически «трясти» в вертикальном направлении, то на поверхности жидкости могут образовываться структуры, напоминающие по форме прямоугольники. Первым, кто наблюдал подобные структуры еще в 1831 году, был Майкл Фарадей.
Вихри за движущимся объектом. Говоря о самоорганизации в гидродинамике, стоит упомянуть еще один класс структур, имеющих важное практическое значение. Речь идет о вихрях, которые образуются при обтекании жидкостью или газом движущихся объектов, таких как самолеты, автомобили, суда. И здесь важное значение для образования структуры вихря имеет скорость движущегося объекта и его геометрия. Наблюдать подобные вихри легко можно в неглубоком слое жидкости: вам необходимо, опустив в воду какой-либо объект (например, кончик карандаша), двигать его в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. При этом, при небольших скоростях будут наблюдаться два «уса» волн, двигающихся за карандашом. Угол между этими «усами» зависит от скорости его движения. С увеличением скорости ситуация изменяется: за движущимся объектом начинают образовываться вихри, которые затем отрываются от него, но еще некоторое время двигаются вслед за объектом по инерции. Оказывается, что критическое значение скорости, при превышении которого начинается процесс образования вихрей, зависит от геометрических размеров движущегося тела: например, чем больше диаметр движущегося объекта (если мы рассматриваем объект цилиндрической формы), тем при меньшем значении скорости движения начинают формироваться вихревые структуры. Это так называемая дорожка Кармана (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Вихревая дорожка Кармана за круговым цилиндром
Процессы самоорганизации в человеческом обществе. Не стоит думать, что поле деятельности синергетики ограничивается только естественно-научным направлением. Процессы самоорганизации имеют место и в экологии, экономике, социологии, демографии и т.д. Например, задумывались ли вы над вопросом, почему на одинаковые товары устанавливается почти одинаковая цена? Вам кажется это само-собой разумеющимся? Но ведь продавцы могут устанавливать на свои товары свои цены, разные, их вроде бы никто не заставляет «держать» одинаковые цены. Тем не менее цена-то одинаковая. Это как раз пример процесса самоорганизации, который представляет интерес для синергетики.
Существует еще масса различных примеров, но мы остановимся лишь на одном. Оказывается, что «формирование общественного мнения» (которое можно, безусловно, определить по-разному) - коллективное явление. Один из его механизмов, имеющий, по-видимому, фундаментальное значение, был обнаружен в результате опытов Соломона Эша. Основная идея этих экспериментов заключалась в следующем: группе, состоявшей примерно из десяти «испытуемых», предлагалось ответить на простой вопрос, например, указать, с какой из трех различных по длине линий совпадает предъявленный отрезок (рис. 7.5). За исключением одного настоящего испытуемого, все остальные члены группы были помощниками экспериментатора, о чем испытуемый, естественно, не подозревал. В первом опыте помощники давали правильный ответ, и испытуемый, естественно, тоже. В последующих опытах помощники давали неверные ответы, и 60% испытуемых также давали неверные ответы. Это свидетельствует о том, что мнение остальных членов группы явно влияет на мнение индивидуумов. Последний эффект известен в психологии как проявление комфортности к мнению незнакомых людей и должен обязательно учитываться, например, при опросе свидетелей при судопроизводстве и т.п. Заметим, что так как в процессе формирования общественного мнения индивидуумы оказывают друг на друга взаимное влияние, то и это явление может быть проанализировано методами синергетики.
Рис. 7.5. Схема опыта С.Эша. Участники эксперимента должны были выбирать на карточке Б линию, которая совпадает по длине с линией на карточке А. Во время исследований испытуемый сталкивался с тем, что все остальные участники единодушно оценивали линию 1 на карточке Б как равную линии-образцу
Интересно то, что формирование структуры в опытах Эша можно сравнительно легко разрушить. Давайте представим себе, что одинокий испытуемый получил бы небольшую поддержку, т.е. еще один человек высказал бы мнение, противоречащее неверной оценке большинства. Что тогда? Эш провел эксперимент, когда один из его помощников отклонился от общей тенденции в ходе одного из исследований и открыто выразил несогласие с большинством. При соблюдении этого условия настоящие испытуемые проявили конформизм только в 6% случаев. Степень комфортности снижалась и в тех случаях, когда испытуемый получал возможность отвечать в частном порядке, т.е. вне пределов слышимости большинства исследуемой малой группы. С другой стороны, комфортность увеличивается, если группа оказывается привлекательной для индивида. Если вам нравятся люди, которые составляют большинство, вы просто обречены на бо льшую комфортность, поскольку вы хотите им понравиться и не оказаться отверженными. Все вышеперечисленное может рассматриваться как некоторые управляющие параметры подобной социальной системы, хотя их формализованная формулировка, а не интуитивное понимание, оказывается достаточно сложным, а может быть и невозможным. Это тот случай, когда гуманитарные науки привносят в синергетику новые примеры и заставляют искать исследователей новые методы описания наблюдаемых «нефизических» явлений. Очевидно, что из анализа таких простых экспериментов становятся более понятными многие мотивы поведения людей, что определяет важность подобных исследований, в том числе и с применением аппарата синергетики.
Много интересных примеров образования подобных структур в малых социальных группах описано в книге Роберта Чалдини Психология влияния. В этой же книге подробно обсуждаются механизмы, приводящие к образованию подобных структур в общении людей, например, психологические методики и стратегии, позволяющие влиять на субъектов общения и навязывать то или иное мнение и индивидуальное поведение людям, подобно тому как это имело место в опыте С. Эша. Так Чалдини утверждает, что во многом такое влияние возможно благодаря определенным паттернам поведения и реакции людей. В частности, он пишет следующее: «Этологи, исследователи, которые изучают поведение животных в естественном окружении, обратили внимание на то, что в поведении представителей многих видов животных часто имеют место жесткие автоматические модели. Называемые жестко фиксированными моделями (паттернами) поведения, эти автоматические последовательности действий заслуживают особого внимания, поскольку они имеют сходство с определенным автоматическим... реагированием людей. Как у людей, так и у животных данные модели, как правило, приводятся в действие каким-то одним элементом информации. Это единственная специфическая черта играет роль спускового крючка, она часто оказывается очень ценной, поскольку позволяет индивиду принимать правильное решение без тщательного и полного анализа всех остальных элементов информации в конкретной ситуации. Преимущество такого стереотипного реагирования заключается в его эффективности и „экономичности"; автоматически реагируя на несущую основную информацию черту - „спусковой крючок", индивид сохраняет свое время, энергию и умственный потенциал...»
Все эти механизмы уступчивости или влияния основаны на определенных паттернах (или, как часто говорят психологи, стереотипах, или казуальных схемах) поведения, «зашитых» в психологию человека, который склонен в большинстве случаев автоматически, не раздумывая реагировать на внешнюю информацию в соответствии с заранее усвоенными причинно-следственными связями.
Кроме процесса организации в самых разнообразных науках, изучающих различные явления природы и общества, очень часто приходится встречаться с процессом самоорганизации - появлением и развитием структур в первоначально однородной среде. В этом случае нет необходимости в трех элементах, что характерно для процесса организации. Достаточно и двух, имеющих желание и возможность осуществлять взаимодействие между собой.
Самоорганизация - способность системы самостоятельно, благодаря внутренним факторам, без воздействия извне, повышать свою упорядоченность. Самоорганизуемые - это процессы, совершающиеся «сами по себе» за счет взаимодействия с внешней средой, но относительно независимо от нее. В отличие от них, организационными процессами кто-то осуществляет или направляет. Процессы самоорганизации носят целенаправленный, спонтанный, естественный характер.
А. Пригожин одним из первых установил, что «системы, предоставленные сами себе, могут уменьшать энтропию вопреки всем ранее известным представлениям» . Этот эффект был назван «порядком из хаоса». Наиболее явные проявления такого эффекта, сначала в естественных науках, а затем в экономических и социальных связаны с самоорганизующими тенденциями. Характерным условием самоорганизующего поведения является свойство автономности , означающее, что реакции системы определяются главным образом ее структурой, внутренними связями, а не внешними силами и сигналами.
В отношении самоорганизации Г. Хакен писал: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную функциональную структуру. Под специфическим воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование» .
Механизм действия самоорганизующейся системы в благоприятных условиях как бы замыкает выход с входом, отрезая ее от внешней среды, смешивая причину и следствие. Н. Моисеев предполагает, что в эволюции самоорганизующихся систем отрицательные обратные связи сохраняют гомеостазис (состояние динамического равновесия), а положительные обратные связи способствуют поддержанию нужного уровня изменчивости и потреблению внешней энергии. Он называет эти две противоречивые тенденции важнейшими характеристиками мирового процесса самоорганизации. Постоянный компромисс между ними реализуется структурными изменениями, усилением неравновесия и выходом на новый диапазон гомеостазиса.
По А. Богданов у «самоорганизация человечества есть борьба с его внутренней стихийностью, биологической и социальною; в ней орудия не менее необходимы для него, чем в борьбе со внешней природою - орудия организации» .
Первым орудием является слово . Посредством слова организуется всякое сознательное сотрудничество людей: призыв к работе, в виде просьбы или приказания объединяющий сотрудников; распределение между ними роли в труде; указание последовательности и связи их действий, ободрение к работе, концентрирующее их силы.
Другое орудие, более сложное и тонкое, это - идея . Идея всегда является организационной схемой, выступает ли в виде технического правила, или научного знания, или художественной концепции, выражена ли словами, или иными знаками, или образами искусства. Идея техническая прямо и очевидно координирует трудовые усилия людей; научная - делает то же самое лишь более косвенно и в более широком масштабе, как орудие высшего порядка, чему яркая иллюстрация - научная техника нашей эпохи; идея художественная служит живым средством сплочения коллектива в единстве восприятия, чувства, настроения, - воспитывает единицу для ее жизни в обществе, подготовляя организационные элементы коллектива, вводя их в его внутренний строй.
Третье орудие - социальные нормы . Все они - обычай, право, мораль, приличия - устанавливают и оформляют отношения людей в коллективе, закрепляют их связи.
Самоорганизация может рассматриваться как процесс и как явление. Как процесс самоорганизация заключается в формировании, поддержании или ликвидации совокупности действий, ведущих к созданию устойчивых связей и отношений в системе на основе свободного выбора правил и процедур. Как явление самоорганизация представляет собой набор элементов, служащих для реализации программы или цели. В зависимости от объекта выделяют техническую, биологическую и социальную самоорганизацию (рис. 2.3).
Техническая самоорганизация как процесс представляет собой автоматическую смену программы действия при изменении свойств управляемого объекта, цели управления или параметров окружающей среды (например, система самонаведения ракет, самонастройка программных ресурсов современных вычислительных систем). Техническая самоорганизация как явление - это набор альтернативных интеллектуальных адаптивных систем, обеспечивающих заданную работоспособность вне зависимости о условий функционирования (например, набор дублирующих устройств средств связи, пожаротушения и др.) Такая самоорганизация происходит в случае выхода из строя какого-лидо устройства. Тогда на смену ему подключается другое дублирующее устройство или новая схема взаимодействия элементов.
Биологическая самоорганизация как процесс представляет собой действия, основанные на генетической программе сохранения вида, и призвана обеспечить соматическое (телесное) построение объекта. Как явление биологическая самоорганизация - это конкретные изменения в живой природе (мутации) для приспособления к конкретным условиям существования.
Социальная самоорганизация как процесс основана на деятельности по гармонизации общественных отношений, включающей действия по изменению приоритетов потребностей и интересов, ценностных установок, мотивов и целей человека и коллектива. Носителями социальной самоорганизации являются люди с повышенной социальной ответственностью. Социальная самоорганизация является чертой характера человека, наряду с отзывчивостью, чуткостью, скромностью, смелостью и др. Она может быть врожденной или приобретаемой за счет воспитания и учета моральных норм общества. Социальная самоорганизация реализуется через: самовоспитание, самообучение и самоконтроль (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Виды социальной самоорганизации
Примерами процессов самоорганизации в природе являются: самоопыление растений, рост кристаллов, автоколебательные процессы, турбулентное течение жидкости. В обществе примерами самоорганизации являются переход от одного классового строя к другому посредством революций, конфликтов между классами. Самоорганизующейся можно назвать и частную коммерческую фирму, которая в отличие от государственной, сама выбирает вид деятельности, цели, задачи, свою структуру.
На развитие процессов самоорганизации существенное влияние оказывают эволюционные преобразования, происходящие не только в живой и неживой природе, но и в обществе. Если в ходе биологической эволюции происходит наследование и передача чисто генетических свойств и факторов, то в процессе социальной эволюции передаются навыки, знания, правила поведения и другой социальный опыт, т.е. социально-культурные традиции. Вместе с тем и биологические, и социальные изменения обусловлены со стоянием окружающей среды и являются результатом приспособления к ней как живых организмов, так и социальных форм их существования.
Выделяют три типа процессов самоорганизации:
■процессы самозарождения системы (напр., развитие многоклеточных организмов из одноклеточных);
■процессы поддержания определенного уровня организации (напр., механизм гомеостаза (поддержание внутренней среды живого организма на постоянном уровне);
■процессы совершенствования и саморазвития системы (развитие человека, социальных организаций) .
Если самоорганизация в природе исключает в принципе организацию и в этом смысле совпадает с организацией, то в обществе, где действуют люди, обладающие сознанием, самоорганизация дополняется внешней организацией, которая направляется сознанием и волей людей.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ
1. Охарактеризуйте сущность процессного подхода как одного из общенаучных.
2. Приведите примеры организационных процессов в природе и обществе.
3. Дайте определение понятиям самоорганизуемые, организуемые и смешанные процессы.
4. Всегда ли деятельность людей носит организационный характер, а природы - дезорганизационный?
5. Сформулируйте понятие «самоорганизация».
6. Охарактеризуйте типы процессов самоорганизации.
7. Что является механизмом самоорганизации?
8. Что означает самоорганизация в обществе? Чем она отличается от организации?
9. Охарактеризуйте взаимосвязь и взаимодействие между рынком природы и рынком в экономике.
10. Приведите примеры организации производства, организации труда и организации управления.
11. Рассмотрите классификацию процессов по фазам жизненного цикла самостоятельно выбранной конкретной системы (технической, биологической или социальной). Охарактеризуйте их с точки зрения происходящих в системе изменений. Заполните таблицу.
Система: (например человек)
|
Тип процессов |
Характеристика процессов |
|
Процессы образования системы | |
|
Процессы роста системы | |
|
Процессы развития системы | |
|
Процессы функционирования | |
|
Процессы спада | |
|
Процессы регрессирования | |
|
Процессы разрушения системы |
Различают три типа процессов самоорганизации:
1)процессы самозарождения организации, т.е. возникновение из некоторой совокупности целостных объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями (например, генезис многоклеточных организмов из одноклеточных);
2)процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования (здесь исследуются главным образом гомеостатические механизмы, в частности, механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи);
3)процессы, связанные с совершенствованием и саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.
Специальное исследование проблем самоорганизации впервые было начато в кибернетике. Термин «самоорганизующая система» ввел английский кибернетик У.Р. Эшби в 1947 г. Широкое изучение самоорганизации началось в конце 50-х гг. XX в. в целях отыскания новых принципов построения технических устройств, способных моделировать различные стороны интеллектуальной деятельности человека. Исследование проблем самоорганизации стало одним из основных путей проникновения идей и методов кибернетики, теории информации, теории систем, биологического и системного познания.
В 70-е гг. XX в. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области нелинейного (порядка выше второго) математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании – синергетики. Как и кибернетика, синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.
Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем мир закрытых, линейных систем. Вместе с тем «нелинейный мир» сложнее моделировать. Как правило, для приближенного решения большинства возникающих нелинейных уравнений требуется сочетание современных аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.д.
Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики – существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Такие закономерности существуют. Это открытость, нелинейность, диссипативность.
Рассмотренные выше организационные процессы, ведут к преобразованию систем, могут осуществляться в двух формах: целенаправленной сознательной деятельности человека (организации) и самоорганизации.
Одной из центральных проблем является проблема описания процесса самоорганизации, познание взаимоотношений между процессами целенаправленной организации и самоорганизации. Подступы к исследованию механизмов самоорганизации связаны с огромным многообразием и разнообразием этих механизмов. Ученые бьются над вопросами: что за механизмы лежат в основе этих процессов; каковы причины, вызывающие процессы самоорганизации систем; существуют ли какие-либо общие принципы; можно ли с помощью современного языка и знаний приблизиться к пониманию этих архисложных процессов?
Значение самоорганизации для природных и общественных процессов было предметом исследования, пусть на абстрактно-философском, даже богословском уровне, еще со времен Аристотеля. Как устроен мир; в чем первопричина целостности и устойчивости Вселенной, которая существует миллиарды лет, -- об этом написаны сотни трудов.
Основные научные предпосылки феномена самоорганизации заложены А.А. Богдановым в «Тектологии»; он исследовал различные структуры и их эволюцию как целого с позиций информационно-управленческих процессов. Один из стержневых тезисов этой работы -- сопряженность целенаправленной организации и некой «активности», которая преодолевает активность внешней среды. С помощью смены организационных форм реализуется тенденция сохранения более устойчивых форм в ущерб менее устойчивым. Вся его работа посвящена проблеме организационной целесообразности систем, неравновесных отношений как между элементами внутри системы, так и неравновесных отношений между системой и внешней средой. Говоря об истории вопроса, следует еще раз подчеркнуть, что исследования Богданова относятся к статусу общенаучных, они явились прологом кибернетики и синергетики.
Концепция самоорганизации -- одно из наиболее ярких и многообещающих направлений в научной жизни последнего десятилетия. В основе исследования процессов самоорганизации лежит ее междисциплинарный характер и системный подход. О самоорганизации пишут физики, философы, экономисты, химики, экологи, социологи и ученые других специальностей. Осознание связи всего со всем порождает потребность в их общем обсуждении. Взаимодействие наук по этой проблеме еще недостаточно интегрировано, однако связь становится более тесной: общий объект исследования, общность задач, обмен научными методами и идеями и т.д.
Недостаточная исследованность проблемы порождает различные толкования в определении понятия самоорганизации. В современных работах можно встретить совсем несхожие между собой определения: в одних явление самоорганизации объясняется внутренними причинами, т.е. доминирующая роль отводится внутренним взаимодействиям элементов системы; в других -- главными причинами самоорганизации систем называются внешние факторы, а стабилизация системы объясняется реакцией системы на воздействия внешней среды. Таким образом, концепция самоорганизации, ее теоретико-познавательный статус находятся в стадии становления.
Под самоорганизацией мы понимаем необратимый процесс, приводящий в результате кооперативного взаимодействия подсистем к образованию более эффективных структур с позиции системы.
Самоорганизация -- это основной процесс эволюции сложных систем состоящий из необратимых последовательных процессов (циклов) самоорганизации. Эволюция самоорганизации систем телеологична в том смысле, что сама по себе ведет ко все более совершенной (эффективной) структуре и динамике вещества, энергии и информации. Для самоорганизации не нужно вне- или надсистемное целеполагание. Условиями любой самоорганизации и эволюции являются:
Выделяются три типа процессов самоорганизации:
процессы, благодаря которым происходит самозарождение организационной формы, т. е. возникновение качественно нового целостного формирования из некоторой совокупности объектов определенного уровня;
процессы, поддерживающие определенный уровень организационной формы при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования;
процессы совершенствования и саморазвития организационной формы, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.
Проблема самоорганизации стала интенсивно разрабатываться в кибернетике, в частности, в работах Н. Винера, Дж. фон Неймана, У. Эшби и др. Эти авторы связывали самоорганизацию со свойством управления и делали акцент на проблеме организации. Нетрудно убедиться, что самоорганизация здесь явно или неявно предполагает наличие либо внешнего агента (человека-организатора), либо цели, которая задается самоорганизующейся системе человеком.
Только в синергетике разработка проблемы самоорганизации вносит новый вклад в развитие теории организации, рассматривая вопрос об организации вне связи с управлением и акцентируя внимание на проблеме связи понятий организации и самоорганизации, порядка и беспорядка, энтропии и информации.
Эта точка зрения более продуктивна, так как, раскрывая содержание понятия «самоорганизация», обогащается понятие «организация». Организацию можно понять и определить через самоорганизацию, но не наоборот. Вполне возможно, что многочисленные попытки построения общей теории организации до сих пор не имеют успеха, в том числе из-за недостаточного внимания к феномену самоорганизации. Синергетика ставит перед собой задачу не только изучения данного феномена и максимизации (минимизации) синергетических эффектов, но и управления процессами самоорганизации. Термин «управляемое развитие» должен быть заменен термином «направляемое развитие».
Существует точка зрения, согласно которой в формировании организационных форм роль внешней среды доминирует, т. е. само возникновение материальных структур почти полностью определяется внешними факторами, поэтому рассматривать самоорганизацию лишь как внутреннее свойство системы в принципе неверно: самоорганизация невозможна без внешней среды.
Самоорганизация не является локальным процессом, протекающим независимо от внешней среды. Но хотя самоорганизация и зависит от типа внешней среды, от истории развития и возможных форм ее реализации, хотя внешние условия играют важную роль в выборе поведения материальных систем, последнее невозможно объяснить, исходя только из внешних факторов как определяющих.
Самоорганизацию целесообразно подразделять на самоорганизацию естественных и самоорганизацию искусственных систем. Очевидно, что до появления человека существовала естественная самоорганизация в «чистом» виде. И сейчас такие процессы самоорганизации происходят в природе естественным путем. К самоорганизации искусственных систем носятся процессы, которые совершаются в самоорганизующихся системах, созданных руками человека. Однако вполне очевидно, что природа процессов самоорганизации не зависит от типа систем, и естественные предпосылки ее возникновения, а также формализованный аппарат описания самого процесса идентичны.
Следует отметить, что не только в искусственных, но и во многих естественных системах человек способен оказывать влияние на управляющие параметры и «стохастические» силы и этим в известной мере предопределять момент изменения состояния системы (точка бифуркации) и соответственно сценарий развития самоорганизующейся системы. В этом случае можно говорить о размывании границы между процессами организации и самоорганизации.
По этой же причине нельзя говорить и о противопоставлении понятий «организация» и «самоорганизация», как нельзя ни сводить соотношение между этими понятиями к формально-логическому пониманию «шире -- уже» (оно носит сложный характер), ни противопоставлять их. Это два взаимодополняющих процесса. Примером тому может служить демографическая система, в которой наиболее ярко проявляется диалектическое единство организации и самоорганизации.
Раскрытие принципов самоорганизации зависит от понимания и адекватного определения понятия самоорганизации. Как следует из литературных источников, самоорганизация - это понятие для обозначения процесса структурообразования в результате действия внутренних детерминантов при специфических внешних условиях. При этом причиной возникновения структур являются внутренние детерминанты, внутренние свойства системы, внешние же условия (факторы) -- всего лишь поводом.
Таким образом, многие авторы при определении понятия самоорганизации совершенно верно указывают в качестве определяющих внутренние причины, однако при этом игнорируют (или опускают как нечто несущественное) факт открытости системы для внешних инициирующих воздействий.
Вместе с тем некоторые философы отдают предпочтение внешним детерминантам, т.е. считают, что роль внешней среды доминирует. В предложенном определении понятия самоорганизации наблюдается сближение двух точек зрения, но именно такой подход к пониманию самоорганизации представляется наиболее перспективным.
Самоорганизация в синергетическом понимании -- это процесс спонтанного образования высокоупорядоченных по времени и (или) в пространстве устойчивых структур в гетерогенных открытых неравновесных динамических системах любой природы вследствие внутрисистемных закономерностей при индуцировании внешними воздействиями.
Понятие самоорганизации тесно связано с более фундаментальными понятиями порядка и беспорядка. Проблема «порядок - беспорядок» привлекает внимание исследователей различных областей современной науки. Эти понятия, впервые возникшие в физике, используются для изучения широкого круга явлений не только в естественных, технических, но и в общественных науках, что говорит о необходимости последовательно развивать и уточнять представление о порядке и беспорядке в структуре материи.
Понятия «порядок» и «беспорядок» наряду с понятием «самоорганизация» являются ключевыми в синергетике, исследующей не только процессы образования устойчивых макроскопических структур в сложных неравновесных открытых динамических системах любой природы, как во времени, так и в пространстве, но и обратное явление - переход от упорядоченного состояния к хаосу. Самоорганизация и хаос, или, в более общем смысле, порядок и беспорядок, - это основные структурные характеристики материи.
Синергетика:
Область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизаций.
Является теорией самоорганизации в природных и социальных системах.
Междисциплинарная универсальная теория самоорганизации процессов самой разной природы. Возникла на стыке физики, биологии и других наук.
Самоорганизация:
Спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного действия многих подсистем.
Необратимый процесс спонтанного возникновения порядка и организации из хаоса и беспорядка в открытых неравновесных системах.
При самоорганизации энтропия системы уменьшается за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой.
Объектами исследования синергетики могут быть системы, которые удовлетворяют следующим необходимым условиям, т.е. системы должны быть:
Открытыми
Нелинейными
Диссипативными
Неравновесными
Нелинейные системы – это системы, для которых даже малые изменения в исходном состоянии приводят к быстронарастающему отклонению ее от исходного состояния. В этом проявляется неустойчивость системы.
Диссипативные систем ы – способные рассеивать (перераспределять) энергию. К диссипативным системам относится любой живой организм.
Неравновесные системы – системы в которых присутствуют неоднородность в пространстве того или иного макропараметра (например, наличие в системе перепадов температур, давления, концентрации химических веществ и др.) Признаками неравновесности системы является перетекание в ней потоков веществ, энергии и др.
Большинство реально существующих систем – это открытые неравновесные системы.
Процесс самоорганизации характеризуется переходом системы из одного состояния в принципиально новые более упорядоченные состояния. Для возникновения упорядочения в системах необходим приток энергии и ее диссипация в системе. За счет энергии поступившей извне возникает некая обобщенная движущая сила (например, перепад давления, перепад концентраций вещества и т.п.) Под действием этой силы система из равновесного или слаборавновесного состояния постепенно переходит к неравновесному состоянию, система становится нелинейной и возникшие флуктуации начинают играть все более заметную роль. В конце концов, наступает момент времени – точка бифуркации, когда система становится перед выбором одного из нескольких принципиально возможных состояний. Этот выбор возможных состояний носит непрогнозированный вероятностный характер.
После осуществления выбора, система становится более упорядоченной, по сравнению с исходной, а ее поведение прогнозируемой. Если движущая сила будет увеличиваться, то система может придти к новой точке бифуркации и т.д.
Точка бифуркации (точка ветвления ) – критическое состояние системы, при котором она становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности.
В масштабе Вселенной самоорганизация проявляется в эволюции космологических сильно неравновесных систем. Процессы самоорганизации имеют место и при формировании геологического облика Земли (геологическая эволюция).
Живой организм, биологический вид, популяция, экосистема и био сфера представляют собой открытые системы, далекие от равновесия, которые характеризуются определенной упорядоченностью.
К процессам самоорганизации относятся:
Кооперативное поведение насекомых
Эффекты самодостраивания (регенерация живых тканей)
Интуиция в процессе мышления
Вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.
Примерами самоорганизации могут служить:
- ячейки Бенара : возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемых снизу.
- реакция Белоусова-Жаботинского – класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.
- лазер (переход лазера в режим генерации) : при накачке энергии лазер работает как обычная лампа, причем микроскопические ячейки, подобно антеннам, излучают свет независимо друг от друга. При определенном значении энергии антенны начинают работать самостоятельно в одной фазе, что приводит к мощному излучению. Таким образом, происходит скачкообразный переход к новому качественному состоянию.
- возникновение кристаллов в достаточно концентрированном растворе
Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации :
К закономерностям самоорганизации в любой системе относится внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры,т.к.развитие кризисной ситуации достигается быстрым переходом диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности.
При самоорганизации происходит ;
Синхронизация частей системы
Понижение энтропии системы
Повышение энтропии окружающей систему среды
Универсальный эволюционизм , его причины (положения):
Все существует в развитии
Развитие есть чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций)
Законы природы как принцип отбора допустимых состояний из всех мыслимых
Фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности
Непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации: прошлое влияет на настоящее и будущее, но не предопределяет его
Устойчивость и надежность природных систем, как результат их постоянного обновления
Эволюция Вселенной и ее структур обусловлены ее собственными законами, действующими объективно и познаваемыми рационально
Вселенная существует и может существовать лишь в развитии
Приведем несколько положений , следующих из вышеизложенного :
Общие закономерности самоорганизации изучают синергетика, неравновесная термодинамика
Примерами самоорганизации систем могут служить:
а) возникновение кристаллов
б) генерация лазерного излучения
в) возникновение ячеек Бенара
г) колебательные реакции Белоусова-Жаботинского
д) популяции
е) планета Земля (геологическая эволюция)
В точке бифуркации:
а) система пребывает в критическом состоянии, переход из которого осуществляется скачком
б) неоднозначен выбор пути дальнейшего развития
Поведение системы вблизи точки бифуркации:
а) по мере приближения к точке бифуркации флуктуации в системе нарастают
б) элементы возникающие в точке бифуркации упорядоченной структуры формируются из флуктуаций, случайно возникших до точки бифуркации
Состояние, когда человек тяжело болен и имеются варианты развития: либо выздороветь либо умереть, либо болезнь примет хроническую форму – и есть точка бифуркации
В ходе самоорганизации системы:
а) в системе происходит превращения хаоса в порядок и энтропия системы уменьшается
б) в окружающей среде системы увеличивается беспорядок и ее энтропия возрастает
