Читаем Синергетика. Основы методологии онлайн бесплатно

Интенсивное развитие нелинейных методов исследования сложных систем и сделанные в процессе этого развития открытия привели к тому, что учёные различных специальностей почувствовали необходимость в обобщении и синтезе потока новых знаний. Возникшую при этом междисциплинарную науку Г. Хакен назвал красивым именем «Синергетика».

Термин Синергетика происходит от греческого synergeia «синергеиа» — содействие, сотрудничество. Более часто встречавшимся до появления синергетики было слово «синергизм»:

1) координированное функционирование органов и систем;

2) комбинированное действие лекарственных веществ на организм, при котором суммарный эффект превышает сумму воздействий, оказываемых каждым компонентом в отдельности.

Слово Синергетика также употреблялось еще до Г. Хакена. Ч. Шеррингтон называл синергетическим согласованное воздействие спинного мозга в процессе управлении мышечными движениями. С. Улам, один из учёных, вновь открывших солитон, понял всю важность и пользу «синергии, т. е. непрерывного сотрудничества между машиной и её оператором».

Другой учёный, имевший прямое отношение к вторичному открытию солитона, Н. Забусский предложил единый синергетический подход к нелинейным математическим и физическим задачам как совместное использование обычного анализа и численной машинной математики.

Сжато и четко сформулировал триаду элементов, формирующих синергетику, Р. Г. Баранцев нелинейность-когерентность-открытость.

Эти три элемента присутствуют в многочисленных определениях синергетики, данных различными авторами.

По мнению Ю. А. Данилова и Б. Б. Кадомцева [2], «в отличие от большинства новых наук, возникавших, как правило, на стыке двух ранее существовавших и характеризуемых проникновением метода одной науки в предмет другой, она (Синергетика) возникает, опираясь не на граничные, а на внутренние точки различных наук, с которыми она имеет ненулевые пересечения: в изучаемых (ею) системах, режимах и состояниях физик, биолог, химик и математик видят свой материал, и каждый из них, применяя методы своей науки, обогащает общий запас (её) идей и методов».

Среди предшественников Синергетики Р. Г. Баранцев называет тектологию и близкую к ней общую теорию систем, кибернетику и семиодинамику.

Вобрав в себя последние достижения математики, нелинейной физики, химии, биологии, наук о Земле, Синергетика позволила обнаружить существование в сложных системах различной природы универсальных качественных закономерностей возникновения, развития и разрушения различных структур.

Основными предшественниками синергетики, по мнению Р. Г. Баранцева, являются Российская школа нелинейной динамики (Л. И. Мандельштам, А. А. Андронов, С. П. Курдюмов, Г. Г. Малинецкий), бельгийская школа диссипативных процессов (И. Р. Пригожий), германская школа лазерной физики (Г. Хакен). Сюда же можно отнести создателей теории динамического хаоса и фрактальной геометрии (Е. Н. Лоренц, Б. Мандельброт, М. Фейгенбаум).

Перечислим основные результаты, которые в последние годы были получены в математике и естественных науках, и в настоящее время вошли в арсенал синергетики.

1. Создание математической теории катастроф.

2. Качественная теория динамических систем.

3. Изучение закономерностей перехода от регулярных процессов к хаотическим. Открытие новых фундаментальных чисел — чисел Фейгенбаум а.

4. Открытие «странных аттракторов», перевернувшее представление учёных о соотношении хаоса и порядка в природе.

5. Создание фрактальной геометрии.

6. Обнаруженное Г. Хакеном явление, связанное с тем, что самоорганизация сложных структур определяется, в основном, поведением очень небольшого количества параметров, названных им ведущими модами или параметрами порядка.

7. Последние достижения в теории динамических систем, в том числе создание эргодической теории.

8. Введение представлений о руслах и джокерах.

9. Создание неравновесной термодинамики.

10. Разработка принципиально новых подходов к энтропии и информации.

11. Внедрение в исследование самоорганизующихся структур методов асимптотической математики.

12. Разработка новой классификации волн, вихрей, дипольных структур и транспортно-информационных систем.

13. Новый мощный всплеск в теоретическом и экспериментальном исследовании солитонов. Перевязка теории солитонов с теорией бесконечномерных групп Каца-Муди.

14. Разработка качественной теории нелинейных волновых процессов, авто-волн и авто-структур. Исследование диссипативных структур. Открытие и подробное исследование режимов с обострением.

15. Открытие резонансных вихре-волновых структур. Разработка концепции вихре-волнового и структурно-волнового резонанса как одного из важнейших механизмов самоорганизации.

16. Открытие и исследование реакций Белоусова-Жаботинского и биологических автоволн.

17. Экспериментальное открытие и теоретическое обоснование степенных и логарифмических статистических закономерностей при изучении распределения элементов и структур в сложных самоорганизующихся системах и разработка новых методов качественного и количественного анализа динамики сложных информационно-транспортных систем.

18. Обнаружение и анализ режимов самоорганизованной критичности.

19. Разработка математических моделей исследования нейросистем.

20. Принципиально новые результаты, связанные с применением синергетических методов в таких «гуманитарных» науках, как биология, медицина, психология, история, социология, экономика, теория права, искусствоведение и языкознание.

21. Философские обобщения, базирующиеся на синергетических принципах.

22. Разработка и внедрение в синергетическую методологию триадного принципа изучения целостных транспортно-информационных систем.

Значительный вклад в развитие синергетических исследований внесли Санкт-Петербургские ученые. С мая 1993 г. по инициативе выдающегося ученого и общественного деятеля В.Д. Поремского в Санкт-Петербурге работает семинар «Синергетика и методы науки», возглавляемый профессором М.А. Васиным, а с октября 1995 г. — научно-исследовательский центр «Синергетика». В организации Семинара и центра активную роль сыграли Санкт-Петербургский Научный Центр РАН, Санкт-Петербургский союз ученых и Санкт-Петербургский гуманитарно-политологический центр «Стратегия». 10 марта 1997 г. в Малом Конференц зале Санкт-Петербургского научного центра РАН состоялось заседание Круглого стола на тему: «Синергетика и психология», организованного научно-исследовательским центром «Синергетика» Санкт-Петербургского союза учёных — (СПбСУ). Спонсорами круглого стола выступили Балтийский институт экологии, политики и права и Фонд интеллектуального сотрудничества. Издан сборник докладов Круглого стола. В 1998 г. вышел из печати сборник трудов семинара: «Синергетика и методы науки» (издание поддержано грантом РФФИ № 97–06-87108). В 1999 г. в издательстве «Наука» вышла из печати монография М.А. Басина и И.И. Шиловича «Синергетика и Internet». 21 ноября 2000 г. состоялось юбилейное заседание Семинара «Синергетика и методы науки», посвященное пятилетию работы Научно-исследовательского центра «Синергетика» и представлению последних работ центра «Синергетика».

С 2000 по 2006 годы вышли в свет монографии М.А. Басина «Волны. Кванты. События». СПб.: Норма, 2000, 168 с.; «Компьютеры. Вихри. Резонансы» СПб.: Норма, 2002, 144 с.; С.В.Харитонова «Проявление космического закона в психике человека». СПб.: Петербург-XXI век, 2000, 80 с.; Р.Г. Баранцева «Синергетика в современном естествознании». М.: УРСС, 2003,144 с.; Г.И. Басиной, М.А. Басина «Синергетика: Эволюция и Ритмы Человечества». СПб: Норма, 2003, 260 с.; И.В. Андрианова, Р.Г. Баранцева, Л.И. Маневича «Асимптотическая математика и синергетика». М.: УРСС, 2004, 302 с.; М.А. Басина, И.И. Шиловича «Путь в Synergonet». СПб.: Норма, 2004.128 с.; Р.Г. Баранцева «Становление тринитарного мышления» М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая механика», 2005, 124 с.; «История семиодинамики: документы, беседы, комментарии». М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая механика», 2006, 376 с.

Работы Центра были поддержаны грантами РФФИ №№ 95-01-1582а, 96-06-80418а, 00-06-80077а (руководитель М.А.Басин) и РГНФ по совместным с белорусской стороной грантам №№ 00-03-36003а/Б, 03-03-00247а/Б (Руководитель с Российской стороны Р. Г. Баранцев)

В монографиях «Синергетика и Internet», «Синергетика. Эволюция и ритмы человечества», «Путь в Synergonet» были кратко изложены и апробированы основы методологии исследования сложных самоорганизующихся систем.

В настоящей монографии читателю предлагается более полное и подробное её изложение.

При создании методологии авторами использованы работы учёных, исследующих в рамках синергетической парадигмы основные свойства сложных природных и технических систем, в частности, учёных, принадлежащих к Санкт-Петербургской синергетической школе: Р.Г. Баранцева, И.И. Шиловича, Ю.К. Крылова, С.В. Харитонова и других участников семинара «Синергетика и методы науки» и сотрудников Научно-исследовательского центра «Синергетика».

Объектом исследования обычно является некоторая структура или система (совокупность связанных структур), которая может быть выделена из окружающей природы и в течение некоторого времени сохраняет собственную индивидуальность, то есть частичную или полную независимость от окружающей среды (поля).

Целостная структура может быть охарактеризована одним словом, названием объекта. Название объекта ассоциируется в человеческом мозгу с первоначальным образом объекта, сложившимся на основе визуальных, звуковых и других типов ощущений, связываемых в единое целое. При дальнейшем изложении до введения классификации волн, структур и систем мы будем рассматривать термины объект, структура, система как синонимы. При выделении объекта из природы мы составляем в мозгу его образ, даем ему имя и вводим два числа: единица и нуль, характеризующие соответственно существование и отсутствие объекта.

Тем самым, мы вводим в рассмотрение три языка синергетики и науки вообще:

а) язык образов,

б) язык слов,

в) язык математики.

Язык образов позволяет получить общее представление о красоте и разнообразии окружающего мира и о взаимодействии объектов между собой.

Язык слов помогает отметить очень важную особенность окружающей природы, позволяющую строить её научную картину, — существование объектов, во многих отношениях идентичных друг другу, которые могут быть названы одним словом.

Язык математики позволяет уже на первой стадии рассмотрения ввести логистическую математическую группу, описывающую отсутствие, рождение, существование и гибель исследуемого объекта.

Название и, если это возможно, словесное определение объекта, позволяют включить в процесс исследования язык слов и тем самым подключить к анализу все те возможности изучения глубинных связей структуры или системы, которые существуют в человеческом языке, несущем в себе в символьном виде всю историю человечества. Переводы названия объекта на другие языки, отыскание близких по смыслу слов, позволяет построить поле слов и соответствующих им объектов, так или иначе связанных с изучаемой нами системой или структурой. При этом выявляются скрытые первоначально связи объектов и явлений.

Этот пункт исследования является наиболее важным на первом этапе изучения объекта, так как позволяет ввести масштабную (в обобщенном, не только геометрическом, смысле) иерархию, включающую в себя объект исследования. В основу этой классификации положен тот не до конца объясненный экспериментальный факт, который, по-видимому, является проявлением фундаментального закона существования волновых систем: большинство объектов или процессов не существуют в единственном числе, а образуют группы или классы идентичных или почти идентичных объектов или процессов.

Именно это свойство является, по нашему мнению, основанием, позволяющим человеку познавать окружающую природу, предсказывать будущее, в некоторой мере управлять будущими событиями и выживать в бурно меняющемся мире.

Структуры или процессы, входящие в совокупности идентичных или почти идентичных объектов, названы нами «квантами» (по аналогии с квантовой механикой), а совокупности идентичных или почти идентичных объектов — обобщенными волнами.

Любая сложная транспортно-информационная система, состоящая из большого количества элементов и имеющая в природе некоторое количество аналогов, может одновременно рассматриваться и как квант, и как обобщённая волна. По отношению к своим элементам — квантам, — она является обобщенной волной, а по отношению к совокупности систем, аналогичных данной, — квантом. Иерархия обобщённых волн-квантов может быть продолжена как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения масштабов. При этом каждый уровень иерархии может быть рассмотрен как волна и как квант, в зависимости от масштаба рассмотрения.

Всякая сложная структура или система взаимодействует с окружающей средой (полем) и, трансформируясь в процессе этого взаимодействия, сохраняет те некоторые основные параметры (инварианты), которые позволяют считать её (и ей осознавать себя — в случае наличия у неё сознания) именно данной системой. Это свойство системы обычно называют целостностью.

Исследование сложных систем должно выполняться как историческое исследование, должна быть определена последовательность событий, в которых участвует данная система.

Первым этапом динамического исследования должна быть словесная история объекта, включающая в себя описание в хронологическом порядке наиболее существенных для данной системы событий. Такое описание может выполняться параллельно с другими методами исследования и развиваться по мере поступления новой информации.