Синергетика - приклад міждисциплінарності сучасної науки

В наукових дослідженнях термін “синергетика” уперше був використаний у XIX столітті англійським фізіологом Чарльзом Шеррінгтоном (1857 - 1952) при аналізі керування м'язовими системами з боку спинного мозку.

Буквально грецьке слово "синергія" означає "загальну узгоджену дію". Г. Хакен вивчав, як загальна дія елементів нелінійного середовища породжує нові структури, тобто як відбувається самоорганізація. У більш широкому сенсі термін "синергетика" відносять до вивчення всієї предметної області нелінійної науки - не тільки до самоорганізації як до виникнення порядку з хаосу, але і до ситуацій детермінованого хаосу, коли проста система в нестійкому та нерівновагому режимі здатна перейти в хаотичний стан, і до того ж можливе виникнення складних структур у цьому стані.

У деякому розумінні синергетика може вважатися продовженням стратегій кібернетики і теорії систем. Однією з підстав становлення синергетики послужило те, що для великого класу явищ були виявлені деякі подібні риси. Так, було виявлено, що системи, далекі від стану рівноваги (термодинамічні, соціальні, екологічні та ін.), демонструють здатність до самоорганізації. Проходячи через стадії крайньої нестійкості (їх називають точками біфуркації), вони спонтанно утворюють нові впорядковані структури.

Синергетика яскраво акцентує такі властивості надскладних об'єктів, як незворотність, нелінійність, спонтанність. Розглядаючи їхню історію у глобальному аспекті, вона приходить до концепції глобального еволюціонізму.

У синергетичному напрямку знайшли загальний концептуальний ґрунт найрізноманітніші наукові галузі та напрямки. Фахівці з синергетики або теорії хаосу висловлюють надії, що вона підходить на роль нової програми об'єднання наук, може стати тим “ферментом”, що ініціює довгоочікуваний синтез природних і гуманітарних наук.

Багато авторів, на відміну від згаданої вище позиції Г. Хакена, вважають синергетику не стільки особливою, окремою науковою дисципліною, скільки інтегративним науковим напрямком або науково- дослідною програмою, яка поступово набуває досить цілісного вигляду. Формування синергетичного напрямку відбувалося під впливом, насамперед, робіт відомого бельгійського фізика Іллі Пригожина (1917­2003) і його співробітників з нерівновагої термодинаміки та школи Г ермана Хакена з вивчення лазерів, хоча цим результатам передував цілий масив наукових розробок і досягнень в інших галузях.

В міру розширення предметних сфер застосування нелінійних способів опису в новому науковому напрямку і виходячи за звичайні рамки наукових дисциплін, прихильники цього напрямку використовували різні імена та назви для самовизначення:

- синергетика (Г. Хакен);

- нерівновага термодинаміка і теорія дисипативних структур (І. Пригожин);

- теплові структури в плазмі (Б. Б. Кадомцев і С. П. Курдюмов);

- автоколивання в хімічних реакціях (Б. П. Білоусов і А. М. Жаботинський);

- гіперцикли і автокаталітичні реакції в живій матерії (М. Ейген);

- автопоезіс в організмічних структурах (У. Матурана та Ф. Варелла);

- детермінований хаос (Е. Лоренц);

- фрактали (Б. Мандельброт);

- нелінійна динаміка і теорія катастроф (Я.

- соціальна самоорганізація (Н. Луман).

Див. про це докладніше в [6].

Для того, щоб краще зрозуміти наявність відзначеного різноманіття імен самовизначення синергетики, розглянемо трохи докладніше її становлення.

Основна ідея синергетики під різними назвами і найчастіше під ім'ям самоорганізації йде своїми коріннями в глибоку давнину. Принаймні вона усвідомлювалася вже Аристотелем, а ще раніше відігравала важливу роль у космогонічних уявленнях давніх греків, які розглядали формування світу як процес виникнення космосу або порядку, з хаосу або безладу. Однак ця загальна ідея мала, скоріше характер геніального здогаду, ніж науково обґрунтованої гіпотези з тієї причини, що в античних греків не існувало експериментального природознавства.

Принципи і методи вивчення найпростіших механічних та інших систем, які досліджувалися в класичній науці, виявилися явно непридатними для дослідження таких складноорганізованих систем, як системи живої природи, соціальні та гуманітарні системи. Такі системи відрізняються особливою динамічністю і перебудовою своїх структурних і організаційних форм. Не дивно тому, що саме соціально-економічні і гуманітарні науки стикнулись з проблемою самоорганізації вже на початку свого виникнення.

Чому, незважаючи на різноманітні, а часто прямо протилежні інтереси і цілі людей, на ринку виникає ніким не запланований, спонтанний порядок? Чи встановлюються норми моральності зверху або ж вони формуються поступово в ході тривалої взаємодії людей в ході культурно-історичного розвитку під впливом змінних умов життя? Чи створюються культура, право, політика та інші інститути суспільства в результаті діяльності ідеологів, політиків або людей, яким належить влада?

Відповіді на ці запитання, пов'язані з самоорганізацією, яка розуміється інтуїтивно, вперше спробували дати представники соціально- гуманітарних наук, хоча вони були сформульовані в недостатньо зрозумілих і точних поняттях. Тому вони носили скоріше інтуїтивний, ніж раціонально-аналітичний характер, але це аж ніяк не знижує їхнього значення для наступного наукового пізнання.

Проте нові радикальні ідеї про характер функціонування та еволюції живих і соціальних систем не одержали подальшого розвитку в тодішньому природознавстві в силу його механістичної орієнтації. Усвідомленню загальності значення принципу самоорганізації заважала також роз'єднаність дослідників, що працювали в різних галузях природничих і суспільних наук. Нерідко цьому сприяло і пряме протиставлення методів природознавства методам суспільних наук, а також спроба позитивістів безпосередньо перенести природничо-наукові методи пізнання в соціальні та гуманітарні науки. Це наштовхувалось на серйозну протидію з боку представників соціально-гуманітарних наук і викликало відчуження гуманітаріїв і натуралістів.

Поступово, однак, принцип самоорганізації в тій або іншій формі з'являвся в різних науках при розв’язанні конкретних проблем. Так, наприклад, у фізіології американський вчений Уолтер Кеннон (1871­1945) сформулював свій знаменитий принцип гомеостазу, суть якого зводиться до того, що в процесі адаптації до змінних умов існування живі організми перебудовуються таким чином, щоб підтримати стійкість найважливіших параметрів своєї життєдіяльності.

Значного імпульсу дослідженню процесів самоорганізації в наш час додало виникнення кібернетики, яка узагальнила принцип негативного зворотного зв'язку. Завдяки цьому вдалося пояснити існування стійких динамічних систем, явища гомеостазу, існування на ринку спонтанного порядку, що виражається у встановленні рівноваги між попитом та пропозицією і багато інших процесів, які опираються на принцип збереження динамічної рівноваги. Однак цей принцип пояснює лише збереження і підтримку стійкості динамічних систем, але не розкриває, яким чином така стійкість і порядок виникають.

Тим часом справжня самоорганізація за самим сенсом цього терміну означає саме зміну колишньої організації, порядку або структури і появу нового порядку і структури в результаті зміни взаємодії між елементами системи. Точніше кажучи, причини такої зміни поведінки елементів системи, їхньої самоорганізації варто шукати в процесі взаємодії елементів системи із зовнішнім середовищем. Але більшість автоматів і технічних пристроїв, сконструйованих у кібернетиці, опираються, по суті справи, на зовнішню організацію, тобто “самоорганізація” у них заздалегідь запланована і організована людиною-конструктором. На відміну від цього, самоорганізація і заснована на ній еволюція в живій природі та суспільстві, аж ніяк не зводяться до збереження динамічної рівноваги. Саме це глибока відмінність між неживою і живою природою довгий час залишалась нерозв'язним протиріччям між класичною термодинамікою і еволюційним вченням Ч. Дарвіна.

Найважливіша заслуга синергетики полягає в тому, що вона вперше зуміла наблизитися до розв’язання цього протиріччя. Вона експериментально і теоретично довела, що самоорганізація при наявності цілком певних умов може відбуватися вже в найпростіших фізико- хімічних та інших системах неорганічної природи.

До формулювання основної ідеї нової парадигми самоорганізації різні вчені підходили, опираючись на свої конкретні дослідження в різних галузях науки. Дослідження Г. Хакеном механізму роботи лазерів, розпочаті у 1960 р., переконали його в тому, що в них процес самоорганізації починається з виникнення когерентного, кооперативного руху молекул або атомів, які утворюють активне середовище лазера. Тому у своєму визначенні синергетики він підкреслює саме кооперативний характер процесів самоорганізації. У той час він вирішував часткову проблему і не намагався поширити отримані висновки на інші системи, що самоорганізуються.

Інший напрямок досліджень був пов'язаний з вивченням кінетики хімічних реакцій у рамках нерівновагої термодинаміки незворотних процесів.

І. Пригожин підкреслює особливе значення саме нерівноважності і далекості системи від точки термодинамічної рівноваги як вихідних умов для початку її самоорганізації. Системи і структури такого роду він називає дисипативними саме тому, що вони виникають за рахунок дисипації або розсіювання у навколишнє середовище використаної, деградованої енергії та речовини. Замість цього система одержує з навколишнього середовища свіжу речовину або енергію. Оскільки дисипація енергії асоціюється з виведенням безладу в середовище, а одержання нової енергії - з набуттям порядку, то слідом за Е. Шредінгером взаємодію між системою та її середовищем стали розглядати як заміну безладу на порядок. Разом зі своїми співробітниками І. Пригожин значно просунув розробку теорії фізико-хімічних процесів, що самоорганізуються, за що був визнаний гідним Нобелівської премії з хімії у 1977 р.

У ці ж роки американський математик Едвард Лоренц (1917 - 2008), розробляючи глобальну комп'ютерну модель для передбачення погоди, зробив дивовижне відкриття. Використовуючи ту ж саму систему рівнянь, з майже однаковими початковими умовами, він виявив, що вони приводять до різних результатів. Детерміністична система рівнянь виявлялась “чутливою” до початкових умов та її “поведінка” виявлялась хаотичною. Але цей хаос мав складний, внутрішній порядок або регулярність, так що поняття порядку і регулярності, з одного боку, та безладу і іррегулярності з іншого, виявлялися відносними. Тому їх не можна було протиставляти один одному в абсолютному розумінні. Хаос виявлявся специфічною системою, яка має досить складний порядок.

Усвідомлення спільності та аналогії цих конкретних процесів як процесів самоорганізації в складних системах з'явилося в другій половині 70-х років XX ст. Ще раніше було відмічено, що всупереч відмінності окремих підходів, дослідники користувалися при цьому аналогічним математичним апаратом, подібними хоча і різними за назвою поняттями і принципами. Визнання спільності та єдності різних за своєю природою процесів, що самоорганізуються, поступово привело вчених до необхідності створення міждисциплінарного напрямку своїх досліджень.

Найважливішою умовою виникнення самоорганізації є наявність відкритої системи, що протилежно поняттю закритої системи класичної термодинаміки. Одне з перших означень цього поняття належить видатному австрійському фізику Ервіну Шредінгеру (1887 - 1961), який сформулював його у своїй книзі “Що таке життя з погляду фізики?”. У ній він підкреслив, що характерна риса біологічних систем полягає в обміні енергією і речовиною з навколишнім середовищем.

Засіб, за допомогою якого організм підтримує себе постійно на досить високому рівні впорядкованості (або, інакше, на досить низькому рівні ентропії), вказував він, у дійсності полягає в безперервному витягуванні впорядкованості з оточуючого його середовища.

Взаємодіючи із середовищем, відкрита система не може бути рівноважною. З надходженням нової енергії або речовини нерівноважність у системі зростає. В кінцевому підсумку, колишній взаємозв'язок між елементами системи, який визначає її структуру, руйнується. Згодом між елементами системи виникають нові взаємозв'язки і з'являються кооперативні процеси, які приводять до колективної поведінки елементів системи. Саме кооперативні процеси приводять до утворення нових динамічних структур. Так схематично можуть бути описані процеси самоорганізації у відкритих системах.

Наочною ілюстрацією процесів самоорганізації може служити робота лазера, за допомогою якого можна одержувати потужні потоки випромінювання. Не вдаючись у деталі його функціонування, відзначимо, що хаотичні коливальні рухи, наприклад, молекул газу, який становить активне середовище лазера, приводяться в узгоджений, колективний рух завдяки надходженню енергії ззовні, у цьому випадку - електричного розряду. Внаслідок цього молекули газу починають коливатися в однаковій фазі й, завдяки інтерференції, потужність лазерного випромінювання багаторазово збільшується. Цей приклад показує, як флуктуації або випадкові коливання елементів системи при надходженні енергії ззовні, приходять у когерентний, погоджений рух.

Іншим прикладом може служити самоорганізація, що виникає в хімічних реакціях. У них вона пов'язана з надходженням ззовні нових хімічних реагентів, тобто речовин, що забезпечують продовження реакції, з одного боку, і видалення в навколишнє середовище продуктів реакції, - з іншого. Самоорганізація виявляється тут у появі на поверхні розчину різних просторових утворень, концентричних хвиль або періодичній зміні кольору розчину. Наприклад, розчин може періодично змінювати своє зафарбування з синіх кольорів на червоні кольори, і навпаки. Це явище згодом було названо “хімічним годинником”.

Як же пояснює синергетика процес самоорганізації систем?

1. Для цього система повинна бути відкритою, тому що закрита, ізольована система відповідно до другого закону термодинаміки, в кінцевому підсумку повинна прийти у стан, який характеризується максимальним безладом або дезорганізацією.

2. Відкрита система повинна перебувати досить далеко від точки термодинамічної рівноваги. Якщо система перебуває в точці рівноваги, то вона має максимальну ентропію і тому нездатна до якої-небудь організації: у цьому стані досягається максимум її дезорганізації.

3. Якщо впорядковувальним принципом для закритих, ізольованих систем є еволюція в бік збільшення ентропії або посилення їхнього безладу (принцип Больцмана), то фундаментальним принципом самоорганізації служить, напроти, виникнення і посилення порядку через флуктуації. Такі флуктуації або випадкові відхилення системи від деякого середнього положення на самому початку пригнічуються системою. Однак у відкритих системах, завдяки посиленню їхньої нерівноважності, ці відхилення згодом зростають і, зрештою, призводять до “розхитування” колишнього порядку і виникнення нового порядку. Цей процес Пригожин характеризує за допомогою принципу утворення порядку через флуктуації. Оскільки флуктуації мають випадковий характер, то можна припустити, що поява нового у світі завжди пов'язана з дією випадкових факторів. Тут можна угледіти зв'язок з геніальним здогадом античних філософів Епікура і Лукреція Кара, які припускали випадковість для пояснення виникнення нового в розвитку світу.

4. На відміну від принципу негативного зворотного зв'язку, на якому ґрунтується керування і збереження динамічної рівноваги систем, виникнення самоорганізації опирається на діаметрально протилежний принцип - принцип позитивного зворотного зв'язку. Відповідно до цього принципу, зміни, що з'являються в системі, не усуваються, а навпаки, накопичуються і підсилюються, що і приводить, зрештою, до виникнення нового порядку і структури.

Ми перелічили лише найнеобхідніші, але далеко недостатні умови для виникнення самоорганізації у фізичних системах. Вже в хімічних системах, що самоорганізуються, в “гру” вступають такі нові фактори, як процеси каталізу, які прискорюють хімічні реакції. Звідси можна зробити висновок, що чим вище ми піднімаємося “еволюційними сходами” систем, тим більш складними і численними виявляються фактори, які відіграють роль у самоорганізації.

Широке використання парадигми самоорганізації в природничих науках і техніці, а також поступове проникнення її принципів в економічні та соціально-гуманітарні науки, висувають проблему пошуку нових стратегій наукового пошуку. Така стратегія необхідна для пошуку рішень ряду не тільки конкретних, але і глобальних загальнонаукових і світоглядних проблем.

Чи складається навколишній світ з різноманітних за змістом і формою систем, що самоорганізуються? Чи виникла жива природа в результаті випадкового збігу надзвичайно неймовірних обставин, умов і факторів, як на цьому наполягали деякі відомі біологи, або ж вона є результатом процесу самоорганізації, який почався у неорганічній природі? Як самоорганізація і організація взаємодіють у суспільстві?

На всі ці запитання синергетика допомагає знайти правильну відповідь або принаймні намітити вірну стратегію пошуку, хоча це вимагає ґрунтовних подальших досліджень. Ми обмежимося з'ясуванням переваг синергетичної стратегії наукового пошуку перед широко- розповсюдженою традиційною стратегією вивчення складних систем.

Традиційний підхід до вивчення поведінки складних систем полягає у редукції або зведенні їх до поведінки простих елементів. Наприклад, щоб пояснити поведінку складних систем на макрорівні, дослідник намагається звести їх до процесів на мікрорівні, наділяючи мікрооб'єкти (наприклад, атоми або інші неспостережувані об'єкти) простими властивостями. Синергетика ж не орієнтується на редукціонізм; вона намагається зрозуміти зв'язок і взаємодію між мікро- і макропроцесами як такими і тому не розглядає властивості неспостережуваних об'єктів. Вона ретельно вивчає зміни, які відбуваються на спостережуваному, макроскопічному рівні як результат взаємодії величезного числа елементів або частинок системи на неспостережуваному мікрорівні.

Основна ідея, висунута синергетикою, полягає в тому, що складні системи якісно змінюють свій макроскопічний стан у результаті змін, що відбуваються на мікрорівні. Однак між наївним уявленням про параметри порядку як про лялькарів і тим, що відбувається в дійсності, є одне важлива відмінність. Виявляється, що, здійснюючи колективну дію, індивідуальні частини системи або “ляльки”, самі впливають на параметри порядку, тобто на “лялькарів”.

Принцип підпорядкування параметрам порядку відіграє найважливішу роль у розумінні процесів самоорганізації. У кожному такому процесі параметрів порядку існує порівняно небагато, у той час як система може складатися з великої кількості компонентів, які можуть створювати величезну кількість станів. Введення параметрів порядку значно полегшує аналіз процесів, що самоорганізуються, і проливає додаткове світло на розуміння категорії причинності в сучасному науковому пізнанні.

Якщо традиційне розуміння лінійної причинності припускає, що тільки причина викликає або породжує дію, то процеси самоорганізації ясно показують, що дії також можуть впливати на причину або причини, що їх породили. Дійсно, поведінка компонентів системи підкоряється і керується параметрами порядку, але у той же час самі параметри порядку виникають у результаті взаємодії компонентів системи. Так виникає уявлення про циклічну причинність, що включає визнання зворотного впливу дії на причину, що її породила.

Зв'язок з феноменом нелінійності. Помітна риса моделей, що описують відкриті системи і процеси самоорганізації, полягає в тому, що для їхнього опису використовуються нелінійні математичні рівняння, у які входять змінні на ступінь вище першого (лінійного). Класична термодинаміка вивчала рівноважні системи, для опису яких застосовувалися лінійні диференціальні рівняння. Але такі системи не могли описувати розвиток складноорганізованих біологічних і соціальних систем. З цієї причини виник конфлікт між класичною термодинамікою і еволюційною теорією Ч. Дарвіна. Він був розв’язаний переходом термодинаміки до вивчення відкритих нелінійних систем і появою синергетики.

Поява нелінійної термодинаміки і синергетики сприяла переходу від лінійного мислення, що затвердилося в рамках механістичної картини світу, до нелінійного мислення сучасної науки. На відміну від класичної лінійної термодинаміки, предметом вивчення якої є рівноважні та слабко нерівноважні системи, нелінійна термодинаміка досліджує сильно нерівноважні системи, поведінка яких є нестабільно і точно непередбачуваною. Але саме такі системи найбільше зустрічаються в живій природі та суспільстві і тому вони становлять найбільший інтерес для науки.

Серед цих систем на особливу увагу заслуговують такі, що самоорганізуються та історично розвиваються, до яких належать геологічні, астрономічні, біологічні, соціально-економічні та інші системи. Труднощі їхнього дослідження полягають в тому, що процеси самоорганізації та переходу до нових якісних станів у них потребують не тільки прогнозування періодів нестійкості та появи можливих точок біфуркації, але і конкретного аналізу еволюції систем протягом всього історичного процесу розвитку. Тому аналіз таких систем здійснюється як за допомогою стандартних методів нелінійної термодинаміки і синергетики, так і побудови сценаріїв майбутнього їхнього розвитку.

Після закінчення зробимо ще одне зауваження філософського характеру. Розглядаючи синергетику з гносеологічної і методологічної точки зору, доречно згадати становлення новітньої галузі - синергетичної епістемології [7], що націлена на застосування ідей синергетики до формулювання і розв’язання епістемологічних проблем, поставлених сучасною (постнекласичною) наукою - наприклад, такими новітніми галузями, як біоінженерія, кібернетика, комп'ютерні науки, екологія та ін. Для таких галузей характерне, зокрема, зростання ролі і питомої ваги суб'єктивного фактора в науково-пізнавальних процесах. При цьому не тільки розширюється об'єктне поле науки включенням у нього складних систем, що історично розвиваються і самоорганізуються, серед яких особливо виділяються ті, в яких принципову роль відіграє діяльність людини. Змінюється характер самого наукового знання, системоутворюючим початком якого стає людина.