Понятие синергетики, её предмет и методы

Термин «Синергетика» придумал и ввел в обиход Ричард Бакминстер Фуллер. Так же он является в США интересным дизайнером, архитектор и немного изобретателем. Но над этим понятием он работал не один. После Ричарда немецкий физик Герман Хакен выдвинул предположение о «синергетике». Он предложил, что синергетика - это совокупный, коллективный эффект взаимодействия множественного числа подсистем, которые образуют устойчивые структуры, а также самоорганизацию в сложных системах[6, с.89].

Это определение перетерпело еще несколько изменений и в наше время СИНЕРГЕТИКА имеет несколько частей в определении. Итак: слово произошло от греч. synergetikos — совместный, согласованно действующий.

Определение. Во-первых, синергетика – это научное направление(отрасль науки), которая изучает процессы образования, а также коллективных взаимодействий элементов системы и ее подсистем. Синергетика:

(1) происходит в открытых системах в неравновесных условиях;

(2) сопровождается интенсивным обменом вещества и энергии подсистем с системой и системы с окружающей средой;

(3) характеризуется самопроизвольной поведением объектов, сочетающейся с их взаимосодействием и

(4) имеет результатом упорядочение, затем наступает момент самоорганизации и уменьшение энтропии, а также система эволюционирует.

Синергетика сначала позиционировалась как межнаучный подход. Для описания принципов, выполняющие процессы самоорганизации, одни и те же (безотносительно природы систем), и поэтому им необходим для описания общий математический аппарат.

С точки мировоззрения синергетику иногда называют как дающую единую основу для описания появления механизмов любых, каких-либо нововведений. Толкование применимости методов синергетики также, как и многих других методов, подвергается критике.

Первое понятие синергетики – это структурное определение. Оно говорит о том, что это состояние системы, которое получилось в результате неопределенного, неоднозначного и многовариантного поведения таких структур или сред (содержащие много элементов и факторов), в которых не существует деградации к стандартному типа термодинамического усреднения для замкнутых систем. Системы развиваются в результате открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, обнаружение особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. Причем в этой система возникают и появляются новые структуры, образующие новые системы, которые оказываются сложнее, чем первоначальные. Все из-за того, что в данных системах не возможно из-за условий существования применить второе начало термодинамики и теорему Пригожина о минимуме скорости производства энтропии.

Этот феномен объясняется синергетикой как всеобщий механизм обще рассматриваемого направления эволюции в природе: от примитивного и элементарного – к более высокому, сложносоставному уровню организации.

В некоторых случаях присутствует регулярный процесс образования новых структур и имеет волновой характер. В таком случае они называются автоволновыми процессами.

Область исследований синергетики не может быть определена чёткими границами и имеет возможность быть ограниченой, так как её интересы затрагивают все отрасли естествознания. Общий признак - есть наблюдение динамики всех необратимых процессов и выработка в корне новых новаций. Математический аппарат синергетики сконструирован из разных областей теоретической физики: нелинейной неравновесной термодинамики, тензорного анализа, теории групп, теории катастроф, дифференциальной топологии, неравновесной статистической физики. Несколько школ существует, и в их рамках развивается синергетический подход:

1. Первая школа – школа нелинейной оптики, квантовой механики и статистической физики Германа Хакена. Герман Хакен является профессором Института теоретической физики в Штутгарте с 1960 года. В 1973 году он огромную группу учёных собрал вокруг серии книг шпрингера по синергетике. Эта серия включает в себя на данный момент 69 изданных томов с огромным набором теоретических, прикладных и научно-популярных работ, имеющих синергетики основание методов: от лазерной техники и физики твёрдого тела и до биофизики а так же проблем искусственного интеллекта.

2. Еще одна школа – физико-математическая и физико-химическая Брюссельская школа имени Ильина Пригожина, в которой были сформулированны первые теоремы (1947 г). В этой школе изучали математическую теорию существования структур диссипатии, что означает состояние устойчивости, которое при условии диссипации энергии в неравновесной среде возникает и приходит из внешнего мира, вне систсемы. Диссипативная система иногда называется ещё стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой. В истории ее рассматривали и публиковали мировоззренческие основания теории самоорганизации, как парадигмы эволюционизма, являющимся универсальным. Теперь в США работают основные представители этой школы, и они не используют термин «синергетика», а разработанную ими методологию называют «теорией диссипативных структур» или просто «неравновесной термодинамикой», показывая продолжение работ своей школы пионерским работам Ларса Онзагера в области необратимых химических реакций (1931 г)[10, с.208].

Для рассмотрения систем, которые состоят из большого числа частей и взаимодействуют между собой каким либо способом, изучали и продолжают изучать многие науки. Существует несколько подходов. Одни из них делят систему на части, чтобы потом при изучении различных деталей, пытаться строить какие то правдоподобные гипотезы о функционировании или структуре системы как целого. Другие изучают систему как одно целое, без учёта тонко настроенных взаимодействий частей. Как и любой подход, и тот, и другой подходы имеют свои несомненные плюсы и также недостатки. Синергетика как бы соединяет мостом разлом, разделяющий первый, редукционистский, подход от второго, холистического. Соединяя таких различных два экстремистских подхода, синергетика выступает как звено, тогда ее можно рассматривать на промежуточном, мезоскопическом уровне, а также рассматривать макроскопические процессы и их проявления, происходящие на микроскопическом уровне. Которые возникают сами собой без особого руководства, как свойство самоорганизации, и направления системы, действующей извне. Это обстоятельство значительно, что синергетику можно было бы определить как науку о самоорганизации.

Редукционистский подход с его основным акцентом на деталях совместен с необходимостью обработки, что не совсем возможно для наблюдателя, даже имеющего сверхсовременную вычислительную технику, объемом информации о подсистемах, их структуре, функционирования и взаимодействии. Различными способами происходит сжатие информации до некоторых пределов. Один из них применяется в статистической физике и оказывается в отказе от лишней многоинформационности описания и в переходе от конкретных характеристик отдельных частей к усредненным каким либо способом характеристикам системы. Импульс, полученный стенкой сосуда во время удара о нее одной частицы газа, видим мы как усреднение эффекта от ударов большого числа частиц - давлением. Вместо раздельных составляющих системы статистическая физика видит множества составляющих, взамен действия, которое производит индивидуальная подсистема, - совместные эффекты, получаемые ансамблем подсистем.

Синергетика решает такие проблемы, когда сжимается информация с помощью другого подхода. Вместо огромного числа ньюансов, которые влияют на состояние компонент вектора состояния системы. Синергетика взымает вполне ограниченное число параметров порядка, от которых имеется зависимость вектора с компонентами состояния системы и они же оказывают воздействие на параметры порядка. Переход от векторных компонент состояния к малым по количеству параметрам порядка выделяет смысл одного из принципов синергетики, который является основным – принципа подчинения. Зависимость параметров порядка от компонент вектора состояния обратная и образует то, что обычно называются круговой причинностью.

Основные принципы синергетического подхода:

· Иерархическая структуризация природы. Бывает три вида открытых систем, нелинейных разного организационного уровня: динамически стабильные, адаптивные, эволюционирующие, пожалуй, самые сложные системы.

· Образование связи между структурами происходит через хаотическое, или по другому неравновесное состояние систем соседствующих различных уровней.

· Неравновесность. Важный принцип, способствующий появлению новых организаций, нового порядка, новых систем, другими словами происходит развитие.

· Когда происходит нелинейное объединение динамической системы, новообразование не равно сумме частей, но показывает, являет систему другой организации или другого уровня систему.

· Так же существует общие свойства для всех систем, которые эволюционируют, в порядке хронологии: неравновесность, спонтанное образование новых локальных образований, изменения на макроскопическом уровне, появление новых свойств системы, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы.

· Одинаково происходит переход от состояния неупорядоченного к состоянию порядка все развивающиеся системы (для описания всего многообразия их эволюций подходит обобщённый математический аппарат синергетики)

· Развивающиеся системы всегда открыты, в них происходит обмен энергией и веществом с внешней средой, за счёт этого и происходят процессы локальной упорядоченности и самоорганизации.

· Когда система сильно неравновесная, то факторы воздействия из внешней части фиксируются те, которые в более равновесном состоянии не воспринимались.

· Независимость элементов относительная в условиях неравновесия в системе уступает место совместному поведению элементов: если равновесие близко, то элемент работает только с соседними элементами, вдалеке от равновесия - он фиксирует всю систему целиком, поэтому согласованность поведения элементов увеличивается в разы.

· Возможно действие бифуркационных механизмов в неравновесных состояниях. В системе существуют аттракторы – кратковременные точки раздвоения перехода к тому или иному относительно долговременному режиму системы. Предсказать заранее невозможно, какой аттракторов займёт система.