Жанр: Философия
Системный синтез
...упорство докапываться
до сути на всю жизнь, становятся учёными и творцами, получают, иногда, по милости
Судьбы ответы на жгучие вопросы.
Учёных давно ставят в тупик явления, которых не должно бы быть. К таким
явлениям относятся примеры самоорганизации материи. Без явных внешних причин,
материя начинает образовывать на самых ранних этапах, определённые структуры.
Изучением этих явлений занимается синергетика – синтетическая наука, возникшая на
стыке многих наук.
Синергетика – наука молодая. Ещё сравнительно недавно она не признавалась
серьёзными учёными, но жизнь показала, что эта наука сама достаточно серьёзна и
возникла как настоятельная необходимость.
Я назвал новую дисциплину синергетикой, - писал в предисловии к своей
книге, переведенной на многие языки, профессор Штутгартского университета Герман
Хакен, - не только потому, что в ней исследуются совместные действия многих
элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих
самоорганизацией, необходимо кооперирование различных дисциплин
.
Название науки произведено от греческого слова, означающего
содействие
,
сотрудничество
, в 1975 году. Синергетика изучает, прежде всего, явления
самоорганизации в Природе.
Настоящая же работа затрагивает более широкий круг проблем. В Природе
неуклонно действует принцип
Отрицание отрицания
, или лучшее – враг хорошего.
Вообще, хотелось бы привести слова В. Захарченко, Действительного члена
Академии Космонавтики:
В развитии наук наступает время, когда даже самая прогрессивная теория
начинает мешать… развитию. Утверждение только так и никак иначе
стало
тормозом на пути прогресса.
Поэтому, создавая новую науку, давайте смелее подвергать сомнению, позицию
сложившихся авторитетов. Есть много фактов, противоречащих теории Дарвина об
эволюции. Так ли уж приемлемо везде и всюду положение Альберта Эйнштейна о
взаимоотношении массы и скорости? Теория разлетающейся Вселенной с её
доплеровским красным смещением – всё ли она может объяснить? Наш
глубокоуважаемый Павлов с его физиологическими аксиомами не может ответить на
все вопросы современности
.
Что же такое, самоорганизующаяся система для синергетики? Такая система
должна отвечать нескольким условиям. Во-первых, система не должна быть закрытой
(она может быть полузамкнутой, т.е. находиться в энергоинформационной
эволюционной цепочке). Закрытыми системами будем называть те, которые
полностью изолированы в физическом плане, – внутри таких систем неуклонно
выполняется второе начало термодинамики.
Во-вторых, такая система должна иметь первоначальное отклонение от
равновесия, т.е., быть неравновесной. Неравновесность может возникнуть вследствие
подвода к системе энергии, т.е. направленного воздействия извне. Но она может
возникнуть в системе и стохастически, как нам кажется, случайно.
В третьих, все процессы в системе, поддающиеся статистическому анализу,
происходят кооперативно, самосогласованно.
Самоорганизация может быть двух типов. Первый – в системе не появляется
качественно новых элементов, и весь процесс сводится к перекомбинации элементов,
или к изменению их количества. Примеры: образование галактик, атмосферных
вихрей, химических структур и т.п.
Второй: в системе образуются макромолекулы при химической эволюции,
образуются новые виды в биологической эволюции, возникают клетки живой ткани и
т.п. Второй тип характерен для живых систем.
В синергетике активно используются различные математические методы при
анализе разных сторон самоорганизации. Например, принцип дополнительности –
знаменитая идея Нильса Бора. Суть его в том, что изучение окружающего мира
рождает дополнительные понятия и характеристики. Т.е. такие, каждая из которых
может, лишь с определённой точностью, быть вычислена по отношению к другой.
Так, в квантовой механике дополнительными являются координаты и импульсы
микрочастиц, входящие в соотношение неопределённостей. Бор говорил о
дополнительности биологических законов, по отношению к тем, которым
подчиняются неживые тела. Т.е., великий учёный чувствовал, что для описания
процессов в живых системах, для объяснения феноменов живых процессов,
недостаточно одних лишь физических Законов.
Сегодня, при моделировании сложных, больших систем, без дополнительных
моделей не обойтись. Невозможно с помощью одной модели описать реальную
систему. Для этого необходимо несколько моделей, каждая из которых отвечает на
определённое множество вопросов о системе и её функционировании.
Две великие эволюционные теории, созданные в 19 веке, могут показаться
взаимоисключающими. Теория эволюции Дарвина утверждает, что в мире происходит
непрерывное рождение всё более сложно организованных систем. Второе начало
термодинамики – теория эволюции физических систем – утверждает прямо
противоположное. Т. е., изолированная физическая система целеустремлённо и
необратимо стремится к равновесию.
Биологическая теория говорит о непрерывном структурировании, созидании,
упорядочении, а физическая – о нарушении порядка, выравнивании различий,
упрощении, росте энтропии. Но, противоречие разрешается. Эти теории не
противоречат друг другу. Дело в том, что сформулированы они для разных, в
принципе, систем: биологическая – для открытых систем, а физическая - для
закрытых. Их эволюции подчиняются разным законам. И, оказалось, что физической
теории эволюции открытых систем не существует! Она не создана. Создать такую
теорию, значит определить принципы, предопределяющие изменения в системе, их
суть и неизбежность.
Настоящая работа – это синтетическая теория полузамкнутых эволюционных
систем, сочетающая и увязывающая достижения и открытия двух теорий эволюции
систем – физической и биологической.
Бор и Шредингер считали, что законы физики и биологии нельзя смешивать
чисто механически. Они несовместимы, хотя и непротиворечивы. Они дополняют
друг друга. Шредингер, вообще считал, что можно ожидать, что в живой системе
царит новый тип физических законов. Т. е., действует другая физика. Позже была
сформулирована
синтетическая теория
в биологии – современная биологическая
концепция эволюции. Она вобрала в себя достижения генетики, биогеографии,
концепции видов, данные палеонтологии и согласовывала это с теорией Дарвина. С
другой стороны, появились очертания новой физики – попытка создать
неклассическую термодинамику открытых систем. Но, порознь, эти теории не дают
ответов на многие острые вопросы.
Первым серьёзным вкладом в создание синергетики было открытие, сделанное
при изучении диссипативных (летучих) структур. Учёный Белоусов В.П. получил
обратимую химическую реакцию. В обычной колбе, некий бесцветный раствор, после
добавления щепотки некоего вещества, начинал периодически менять цвет, – красный
менялся на синий и наоборот, сколько угодно долго.
За это открытие, в 1980 г. была присуждена Ленинская премия. Большой вклад в
экспериментальные исследования этого процесса внёс А.М.Жаботинский. Поэтому,
эти реакции называют реакциями Белоусова-Жаботинского. На Западе, первым, по
достоинству оценил это открытие физико-химик русского происхождения Илья
Пригожин – лауреат Нобелевской премии. Группа Пригожина связала реакции
Белоусова-Жаботинского с таким явлением, как конвекционная неустойчивость
Бенара, или ячейки Бенара (на языке физиков – просто
бенар
). Суть его в
следующем: если налить на сковородку растительного масла, то, после подогрева,
через какое-то время, жидкость структурируется в правильные ячейки, похожие на
пчелиные соты. Т. е., после подвода энергии в виде тепла, в открытой системе
образуется некая структура. В этом – ключ к термодинамическому анализу
самоорганизации в неравновесных системах. И, что ещё более важно, к физическому
описанию эволюции открытых систем. Общий вывод можно сформулировать так:
Неравновесность состояния системы может стать причиной возникновения в ней
порядка.
Этот вывод очень важен. До сих пор классическая термодинамика имела дело
только с одним процессом: ростом энтропии, возникновением беспорядка из
первоначальной упорядоченности. Но, оказалось, что в открытых системах этот
процесс может идти вспять: из беспорядка рождается порядок, как это следует из
биологической теории эволюции.
Пригожин назвал такие структуры диссипативными, т. е. Летучими. Оказалось,
что такие структуры, при определённых условиях, возникают и при реакциях
Белоусова-Жаботинского. Именно Жаботинскому удалось остановить реакцию и
получить промежуточные продукты в виде упорядоченных картин.
И. Пригожин и П. Гленсдорф выдвинули новую теорию, определяющую, как
они говорят
критерий эволюции
. Исходя из концепции образования устойчивых
диссипативных структур в системах, вдали от равновесия, они попытались
математически сформулировать правила, которые бы предсказывали создание новых
форм. Они писали:
Существует только один тип физических законов, но различны
термодинамические ситуации: вблизи и вдали от равновесия. Разрушение структур,
вообще говоря, наблюдается в непосредственной близости к термодинамическому
равновесию. Напротив, рождение структур может наблюдаться за пределами
устойчивости
.
Но, эксперименты показали, что не все реакции и процессы удовлетворяют
критерию Пригожина. Поиски в этом направлении продолжаются.
Серьёзным вкладом в синергетику можно считать физико-математическую
модель эволюции на пред биологической её стадии. Она удачно сочетает допущения
из физики, химии, классической биологии. Предложил её немецкий химик, лауреат
Нобелевской премии, Манфред Эйген. Он распространил принцип естественного
дарвиновского отбора на процессы, которые должны были происходить при
эволюционном скачке. Он ввёл понятие
конкуренция гиперциклов
, подразумевая
под ними циклы химических реакций, приводящих к образованию первых белков.
Такая модель считается, пока, довольно удовлетворительной.
Синергетика имеет дело, преимущественно, со структурами, которые не терпят
энергетического
голода
. Если масло не подогревать, ячейки быстро исчезнут.
Биологические же структуры обладают свойством запасать энергию и могут, на какоето
время, обойтись без источников питания. Они ведут себя и как диссипативные, и
как равновесные. Никаких аналогий им ни в физике, ни в химии нет.
Другая особенность: ячейки Бенара возникают случайно, без какой-либо
программы. Живые структуры – функциональны. Они никогда не бывают
случайными. Процессы, происходящие в них, подчинены общей программе,
закодированной эволюцией и телеологичны. В любой системе, будь то клетка или
туча саранчи, никогда не бывает случайности и бессмысленности.
У живой Природы – строгий режим экономии, тогда как неживая чрезвычайно
расточительна. Живые системы – это качественно новые системы. Это можно сказать
и на языке теории информации, и на языке термодинамики. Суть та же: живые и
неживые системы разделяет пропасть. Так же, как живые и живые разумные.
Все системы, включённые в эволюционную цепочку, подчинены единой цели, имеют
много общего, руководствуются одними принципами построения и функционирования, у
них сходны реакции и свойства, они управляются из одного Центра.
Эволюционирующие системы гармонично взаимосвязаны, подчиняются общим
законам Природы, имеют сходные алгоритмы поведения в сходных условиях.
Остановимся на этом подробнее.
Г л а в а 1
Наш мир - не завершенье –
Там – дальше – новый Круг –
Невиданный – как Музыка –
Вещественный – как Звук.
Он манит и морочит –
И должен – под конец –
Сквозь кольцо Загадки
Пройти любой мудрец
.
(Эмили Диксон)
1.1. Окружающий мир – системная конструкция Природы
Слушайте в своей собственной глубине и смотрите в
бесконечность Пространства и Времени. Там звучит пение
небесных Светил, голос Чисел, гармония Сфер
.
(Гермес)
О
кружающий нас мир, попробуем представить как стройную систему, состоящую из
более элементарных систем, и находящуюся на определённом этапе эволюции, и
возникшую в момент Большого Взрыва, из точки сингулярности. Для системного
анализа, последовательного и всестороннего изучения этой вселенской Системы,
удобно разбить её на ряд замкнутых, а вернее полузамкнутых систем (об этом ниже).
Например, системами будем считать клетку, орган тела, человеческий организм,
коллектив людей, государство, человечество, Солнечную систему и т.д. Условно, все
системы подчинены одним Законам мироздания, определённым закономерностям
Эволюции, одним принципам.
СИСТЕМОЙ будем называть устойчивое образование, упорядоченное
счётное множество элементов массово–волновой природы, участвующих в
программных эволюционных процессах информационно-энергетического
характера.
Характерной особенностью систем является их замкнутость. Т.е., на Систему
Природа накладывает ряд ограничений или Запретов. Прежде всего, это
ограничение
на ресурсы
. Ресурсы - энергия, вещество, время, пространство, количество операций
и т.д. Любая замкнутая система не в состоянии, без вмешательства извне, преодолеть
Запрет или внести изменения в заданную Программу. Запреты определяют уровень
замкнутости.
Но, замкнутая система отличается от закрытой тем, что будучи изолированной в
физическом плане, она открыта для вмешательства извне, через посредство
информации и
тонких энергий
(Запреты, наложенные Природой на них, не
относятся к конкретной замкнутой системе).
Например, системы
Человек
,
Земля
,
Солнечная система
ограничены в
пространстве, времени, физическими константами. Они существуют и
эволюционируют при определённых условиях, имеют ограниченный запас энергии и
других ресурсов. Самостоятельно преодолеть эти Запреты система не в состоянии.
Из физики (термодинамики) известно, что неравновесные процессы в
изолированной системе, сопровождаются ростом энтропии. Неравновесные процессы
- это, например, естественные процессы передачи тепла от более тёплого тела к менее
тёплому, растворение капли чернил в объёме воды, химические реакции и т.д. Все эти
процессы, необратимы, без вмешательства извне. Это суть второго начала
термодинамики. Эти процессы вводят систему в состояние равновесия.
Воспрепятствовать этому, или вывести систему из состояния равновесия, могут лишь
внешние силы.
Рассмотрим пример. Будем засыпать в ящик чёрные и белые зёрна. Если их
перемешать лопаткой, то они равномерно распределятся по всему ящику. И процесс
этот имеет одностороннюю направленность. Сколько бы мы ни перемешивали зёрна,
они не разделятся на чёрное и белое скопление. Так же, как не соберётся в воде капля
чернил и не нагреется самопроизвольно одна часть тела за счёт других. Почему? Да
потому, что состояние, при котором, например, зёрна распределяются беспорядочно,
достигается огромным количеством способов. А вероятность их разделения на белые и
чёрные ничтожно мала.
Часто, в физике и математике, величины, которые меняются в больших
пределах, заменяют их логарифмами. Для удобства оперирования. Логарифмы удобно
применять и
для подсчёта
вероятности состояния
. Введём логарифм вероятности
состояния.Этот логарифм и называется ЭНТРОПИЕЙ.
Закон Природы, согласно которому тепло не переходит от холодного к
горячему, маховик не раскручивается за счёт охлаждения оси и прилегающего к нему
воздуха, раствор чернил не делится на воду и чернила, а сладкий чай – на чай и на
сахар, кратко формулируется так: энтропия в естественных процессах всегда растёт.
Таким образом, важнейший Закон Природы подчинён вероятностной
доминанте. Она определяет направление вектора Времени и вектора Эволюции.
По большому счёту, все процессы в окружающем нас мире естественны.
Следовательно, энтропия постоянно растёт, мир движется к равновесию и к хаосу. Так
и было бы, оставайся наша конкретная закрытая (полузамкнутая) система
изолированной, закрытой от внешнего мира. Но, она тесно связана с системами
высшего порядка, программирующими её, контролирующими и воздействующими на
все процессы внутри системы.
Замкнутость систем определяет дискретность, холизм окружающего мира, а
иерархия и бесконечность их – его непрерывность и единство. Единство и борьба
противоположностей – один из глобальных законов диалектики.
Итак, каждая система, выполняя заложенную программу, противостоит
естественному процессу роста энтропии, уменьшает её. Уменьшение энтропии – это
увеличение порядка, усложнение и совершенствование структурных конструкций и
структурной организации. Какими же средствами достигается эта задача?
Направленными и контролируемыми энергоинформационными процессами внутри
системы, накоплением, трансформацией и переработкой энергии и информации.
Что же следует, когда программа, заложенная в систему, выполнена? Перед
системой ставится новая задача, она переходит в новое качественное состояние и
выполняет более сложное задание. Несовершенные системы, дающие частые сбои в
программе совершенствуются или уничтожаются. Уничтожаются или само
ликвидируются системы трудно управляемые, с нарушенной обратной связью.
Для определенности, примем несколько аксиом.
Аксиома 1. Все динамические, информационно-энергетические процессы,
происходящие в окружающем нас мире, управляемы и управляются
программируемыми системами, созданными Эволюцией.
Аксиома 2. Эволюционная замкнутая система является иерархически
открытой для надсистем и подсистем и находится в гармонической взаимосвязи
с ними.
Аксиома 3. Все процессы, происходящие внутри систем и между
системами, носят дуальный, двойственный характер: они стохастичны и
предопределены, дискретны и непрерывны, выполняют общую Программу и
соперничают.
Аксиома 4. На начальной стадии эволюционных процессов системы
возникают в результате самоорганизации материи и энергии, благодаря
наличию определённых свойств энергии и материи, заданных Природой.
Аксиома 5. Неживые эволюционные системы, на определенном этапе
самоорганизации, переходят в новое качественное состояние – живые системы,
способные потреблять, использовать и запасать энергию.
Аксиома 6. В процессе эволюции самоорганизующиеся живые системы, на
определённом этапе, переходят в новое качественное состояние – разумные
(мыслящие) живые системы. Переход на новый энергетический и
организационный уровень позволяет потреблять, использовать и запасать
информацию.
Природа показывает, что она одинаково богата, одинаково неисчерпаема в
произведении как самых выдающихся, так и самых ничтожных творений
(И. Кант)
1.2. Основные законы, общие принципы, свойства и
особенности систем
Однако, не существует логического пути
открытия этих элементарных законов. Единственным
способ их постижения является интуиция, которая
помогает увидеть порядок, кроющийся за внешними
проявлениями различных процессов
.
(А. Эйнштейн)
1.2.1. Экстремальный принцип
(Принцип оптимальности и обобщения)
Природа работает небольшим числом общих
принципов
.
(Альберт Сент-Дьёрдьи)
1.2.1.1. ИСТОРИЯ.
Простота, простота и ещё раз простота! Пусть все дела ваши будут
как два или три, а не как сотня или тысяча; вместо миллиона считайте до
полдюжины и все свои расчёты ведите на ногте большого пальца
.
(Генри Дэвид Торо)
И
стория науки говорит, что структура научной теории не остаётся постоянной, она
эволюционирует, развивается. Общее направление этого развития определяется
целью, сформулированной Ньютоном:
… объяснить как можно большее количество
фактов, как можно меньшим числом исходных положений
.
Яркий пример реализации этого принципа – геометрия Евклида. Ему удалось, из
немногих постулатов, вывести многообразие фактов геометрии. Структура
евклидовой геометрии не менялась почти 2 тысячи лет. Аналогичный пример –
Этика
Б. Спинозы.
В механике три закона Ньютона, из которых выводились все факты
классической механики, были, позднее, сведены к одному – принципу наименьшего
действия.
В геометрической оптике законы распространения, отражения и преломления
света были сведены к принципу скорейшего пути Ферма.
Число уравнений Максвелла, охвативших все факты электродинамики, вначале
равнялись 24. Герц и Хевисайд свели их к 4, а теория относительности к одному.
Такое направление развития в сторону централизации не случайно. Оно
характерно не только для научных теорий, но, надо думать, и для эволюционных
процессов. Оно справедливо для трансформации систем самой различной природы:
технических, биологических, социальных и т. п.
Первые телефонные сети связывали абонентов напрямую друг с другом. Но, с
ростом числа абонентов n, росло число связей N, пропорционально n2:
N = n(n-1)/2
И система быстро усложнялась. Проблема была решена введением центральных
телефонных станций. Каждый абонент теперь был связан только со станцией. Число
связей резко сократилось:
N = n
Система товарного обмена, тоже, как известно, развивалась в сторону
централизации. Если первоначально товары обменивались на товары (бартер), то
позднее, появились эквиваленты товаров (вначале, драгметаллы, позже - деньги).
Благодаря этому, сложная система меновых отношений, резко упростилась.
Аналогично, и в других областях: эволюция нервной системы (от диффузной к
центральной), эволюция политических отношений (от феодальной раздробленности к
централизованным государствам) и т.д.
Отношение наиболее удачных факторов приводит к нахождению оптимального
варианта в структуризации. Обращаясь, опять, к истории науки, мы видим, что
принцип оптимальности – это нахождение минимума и максимума какой-то функции,
т.е. её экстремума. В оптике, это принцип скорейшего пути Ферма, в механике –
принцип наименьшего действия, в термодинамике – принцип максимума энтропии.
История показала, что экстремальный принцип, имеет столько достоинств, что
серьёзной альтернативы, ему, просто нет!
Рассмотрим экстремальный принцип подробнее. И. Бернулли считал, что
природа всегда действует простейшим образом
. Его поддержал И. Ньютон, который
в своих Началах написал:
Природа ничего не делает напрасно, и было бы напрасным
совершать многим то, что может быть сделано меньшим. Природа проста и не
роскошествует излишними причинами вещей
.
В соответствии с этим, Ферма сформулировал свой первый экстремальный
принцип, незыблемый и теперь:
Истинный путь светового луча отличается от всех возможных (мыслимых)
путей тем, что время движения вдоль него минимально: t = min”.
В этом принципе заключена вся геометрическая оптика.
Всем экстремальным принципам присущи 2 характерные черты: лаконизм и
универсальность.
В 1744 г. П. Мопертюи представил Парижской Академии трактат (мемуар), в
котором предложил новый универсальный принцип механики – принцип наименьшего
действия:
“Истинное движение отличается от всех возможных тем, что для него величина
действия минимальна: mvs = min”.
Мопертюи пишет:
Законы движения и покоя, выведенные из этого принципа, являются точно
теми, которые наблюдаются в природе, и мы можем восхищаться результатами его
применения ко всем явлениям. Движение животных, произрастание растений,
вращение светил являются только его следствиями
.
Трактат вызвал среди учёных бурную и ожесточённую полемику, далеко
выходящую за рамки механики. Главным предметом спора было: являются ли
события, происходящие в мире, причинно обусловленными или они телеологически
направляются неким высшим разумом посредством конечных причин, т.е. целей.
Сам Мопертюи отстаивал на телеологическом характере своего принципа и
прямо утверждал, что
экономия действия
в природе, доказывает существование
Бога.
За прошедшие два с половиной столетия, наука открыла для человечества много
фактов как за, так и против теории креационизма.
Гениальный Леонард Эйлер был первым, кто понял, что причинный и
телеологический (заранее предопределённый) путь объяснения - эквивалентны.
Взгляды его на значение и смысл вариационных принципов ясны со слов:
“Так как здание всего мира совершенно и возведено премудрым творцом, то в
мире не происходит ничего, в чём бы не был виден смысл какого-нибудь максимума
или минимума; поэтому нет никакого сомнения, что все явления мира, с таким же
успехом, можно определить из причин конечных, как и из самих причин
производящих. Повсюду существуют столь яркие оказания этой истины, что для её
подтверждения, нам нет нужды в многочисленных примерах: скорее надо будет
направить усилия на то, чтобы в каждой области физических вопросов отыскать ту
величину, которая принимает наибольшее или наименьшее значение: исследование
принадлежащее, по-видимому, скорее, к философии, чем к математике.
Итак, открыты два пути для познания явлений природы – один через
производящие причины, и математик с равным успехом пользуется обоими. А
именно, когда приводящие причины слишком грубо скрыты, а конечные более
доступны для нашего познания, то вопрос обычно решается не прямым методом.…
Но, прежде всего, надо прилагать усилия, чтобы открыть доступ к решению
обоими путями, ибо тогда, не только одно решение наилучшим образом
подтверждается другим, но от согласия обоих, мы получаем высшее наслаждение.
К сожалению, позже, под влиянием Лагранжа, экстремальные принципы не
получили должной оценки. Всякая попытка их использовать клеймилась как
телеологическая. И только в ХХ веке, революция, вызванная в физике теорией
относительности и квантовой механикой, привела к пересмотру места и значения
экстремальных принципов.
Выяснилось, что понятия и законы, на которых базировалась ньютоновская
физика, не являются абсолютными: они изменяются при переходе от одной системы
отсчёта к другой. Основными же законами Природы, могут считаться лишь те,
которые остаются неизменными, в любой системе отсчёта.
Оказалось, что этому требованию отвечают лишь экстремальные принципы.
Сейчас уже можно с у
...Закладка в соц.сетях
