Синергетика

Большинство реальных процессов в природе носит необратимый характер, и фактор времени играет существенную роль для их описания. Однако долгое время физика изучала только обратимые процессы. В классической механике достаточно было задать систему координат и скорость движущегося тела, для того чтобы определить характер его движения. С помощью математических вычислений, зная начальные условия, можно было определить положение тела в любой момент как в прошлом, так и в настоящем или будущем. Впервые фактор времени был учтен при описании тепловых процессов в термодинамике.

Окончательно противоречие физических и биологических представлений было осознано в конце XIX в. после создания эволюционной теории Ч. Дарвина.

Конфликт физических и биологических представлений удалось разрешить после того, как наука обратилась к понятию открытой системы. В закрытых системах,  которые рассматривались классической физикой в качестве естественных, не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. В замкнутых системах вектор протекания процессов направлен от упорядоченности через равновесие к хаосу. Такие системы стремятся к состоянию максимальной неупорядоченности.

Открытые системы,  напротив, обмениваются энергией, веществом и информацией с внешним миром. В таких системах при определенных условиях могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, повышающие степень самоорганизации системы. Ключ к пониманию процессов самоорганизации был найден в представлении о взаимодействии системы с окружающей средой. Основными характеристиками процессов в открытых системах являются неравновесность и нелинейность.

Изучением открытых неравновесных систем занимается синергетика. Синергетика  возникла на стыке физики и химии в 70-е гг. XX в., а затем приобрела статус междисциплинарного подхода. Основоположниками синергетики являются И. Пригожин и Г. Хакен.

Синергетика является наиболее общей на данный момент теорией самоорганизации и изучает закономерности этих явлений во всех типах материальных систем. Как пишет Г. Хакен, принципы самоорганизации распространяются «от морфогенеза в биологии, некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики до космических масштабов эволюции звезд, от мышечного сокращения до вспучивания конструкций». Синергетика претендует на открытие универсальных механизмов самоорганизации как в живой, так и в неживой природе. Теоретической основой синергетики выступает термодинамика нелинейных систем, или неравновесная термодинамика.

Исходным принципом синергетической концепции является различие процессов в открытых и закрытых системах. В отличие от классической науки, рассматривавшей закрытые системы как абсолютный тип упорядоченности мира, синергетика в качестве предмета изучения выбирает открытые системы. По мнению ее создателей, именно открытые системы являются универсальными, а протекающие в них процессы способствуют самоорганизации мира.

Система называется самоорганизующейся, если она без специального воздействия извне обретает новую пространственную, временную или иную структуру. Главные свойства открытых самоорганизующихся систем – неустойчивость и нелинейность.

Опираясь на это знание, синергетика предлагает следующее объяснение механизма возникновения порядка из хаоса. Пока система находится в состоянии термодинамического равновесия, все ее элементы ведут себя независимо друг от друга и на создание упорядоченных структур неспособны. В какой-то момент поведение открытой системы становится неоднозначным. Та точка, в которой проявляется неоднозначность процессов, называется точкой бифуркации (разветвления). В точке бифуркации изменяется роль внешних для системы влияний: ничтожно малое воздействие приводит к значительным и даже непредсказуемым последствиям.

Между системой и средой устанавливается отношение положительной обратной связи, т. е. система начинает влиять на окружающую среду таким образом, что формирует условия, способствующие изменениям в ней самой. Т. е. система противостоит разрушительным влияниям среды, меняя условия своего существования.

Под влиянием энергетических взаимодействий с окружающей средой в открытых системах возникают так называемые эффекты согласования и кооперации, когда различные элементы начинают действовать в унисон. Такое согласованное поведение синергетика называет когерентным. Как следствие происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса новых структур. После возникновения новая структура, называемая диссипативной, включается в дальнейший процесс самоорганизации материи. Диссипативные структуры возникают за счет рассеяния (диссипации) энергии, использованной системой, и получения новой энергии из окружающей среды. Диссипатив-ная структура как бы извлекает порядок из окружающей среды, повышая собственную внутреннюю упорядоченность и увеличивая хаос и беспорядок во внешнем мире.

Направление развития системы после прохождения точки бифуркации оказывается непредсказуемым. Однозначно спрогнозировать будущее открытой неравновесной системы оказывается невозможным. Таким образом, ключевую роль в процессах самоорганизации играют случайные факторы.

Представление об объективности случайных факторов становится фундаментальным принципом современной науки.

Синергетический подход позволяет ответить на вопрос: почему вопреки действию закона энтропии мир демонстрирует высокую степень организованности и порядка?

Хаос созидателен, поскольку развитие и самоорганизация систем осуществляются через хаотичность и неустойчивость. Синергетика утверждает, что законы самоорганизации действуют на всех уровнях материи, поэтому синергетический подход позволяет преодолеть разрыв между живой и неживой природой и объяснить происхождение жизни через самоорганизацию неорганических систем.

В настоящее время синергетический подход получил признание не только в естествознании, но и в гуманитарных и социальных науках. Более того, синергетика постепенно преодолевает границы междисциплинарных научных исследований, превращаясь в новую мировоззренческую парадигму.