СИНЕРГЕТИКА

СИНЕРГЕТИКА — (греч. sinergeia — совместное действие) — одно из ведущих направлений современной науки, репрезентирующее собой естественно-научный вектор развития теории нелинейных динамик в современной культуре. Представлено такими исследователями, как Г.Хакен, Г.Николис, Пригожин (см. Пригожин), А.Баблоянц, С.Вейнберг, П.Гленсдорф, Р.Грэхем, К.Джордж, Р.Дефэй, Дж.Каглиоти, М.Курбейдж, С.П.Курдюмов, Л.Лугиато, Х.Майнхардт, К.Майнцер, Б.Мизра, Дж.С.Николис, К.Николис, Л.Розенфельд, М.Стадлер, Дж. М.Т.Томпсон, Дж.В.Хант, Ф.Хенин и др. Формирование синергетического мировидения в контексте естествознания рассматривается многими авторами как вызывающее парадигмальные трансформации современной естественно-научной традиции и интерпретируется в качестве новейшей научной революции (В.Крон, Дж.Кюпперс, Н.Н.Моисеев, Х.Новотны и др.; согласно мнению Тоффлера, идеи С. "играют центральную роль в последней по времени научной революции"). Развитие С. реализует себя в нескольких направлениях, в силу чего синергетическая исследовательская традиция представлена в современной культуре в нескольких различных версиях своей интерпретации, в силу чего могут быть зафиксированы и различные модели методологической рефлексии над синергетическои исследовательской стратегией: модель, предложенная школой Г.Хакена, модель, связанная с именем Пригожина (Брюссельский Свободный университет и американская синергетическая школа), модель российской школы синергетиков во главе с С.П.Курдюмовым (НИИ им. М.В.Келдыша и Института математического моделирования РАН, Московский государственный университет и др.). В основе специфики трактовки российскими учеными сущности синергетической парадигмы лежит особое отношение к проблеме детерминизма и акцентирование внимания на процессах, протекающих в режиме "с обострением" (blow up). Вместе с тем, обнаруживая при сравнении достаточно значимые интерпретационные расхождения (вплоть до того, что сам термин "С.", предложенный Г.Хакеном, практически не употребляется в работах авторов, принадлежащих к школе Пригожина, заменяясь понятием "неравновесная термодинамика"), данные модели не являются ни альтернативными, ни, тем более, взаимоисключающими друг по отношению к другу.

Согласно новейшим исследованиям, единство фундаментальных оснований названных научных направлений позволяет говорить о синергетическои парадигме в современном естествознании как о едином явлении. На уровне самоопределения С. конституирует себя как концепция неравновесной динамики или теория самоорганизации нелинейных динамических сред, задающая новую матрицу видения объекта в качестве сложного (Г.Николис, Пригожин). Фундаментальным критерием "сложности" в С. выступает показатель не статического характера (многоуровневость структурной иерархии объекта и т.п.), но показатель сугубо динамический, — а именно: наличие имманентного потенциала самоорганизации.

По оценке Г.Николиса и Пригожина, если центральным предметом анализа С. является "рождение сложного", то критерием сложности для нее выступает то, что в исследуемой системе "при определенных условиях могут возникать макроскопические явления самоорганизации". С. исследует класс систем, находящихся за пределами границ состояния термодинамического равновесия (т.е. сильно неравновесных), — Пригожин и И.Стенгерс конституируют предметный ареал синергетическои парадигмы как локализующейся "вдали от равновесия". Определяя равновесное состояние объекта, А.Баблоянц отмечает, что в том случае, когда "энтропия изолирует часть материи, которая обладает совокупностью свойств и называется системой, увеличивается и достигает конечной максимальной величины", система входит в такой режим функционирования, что "при этом значении энтропии возможность изменений исчезает, и говорят, что система находится в равновесном состоянии". В этой ситуации действующие на систему возмущения (как внешнего, так и внутреннего характера) затухают во времени, т.е., по определению Г.Николиса и Пригожина, "не оставляют следов в системе", состояние которой в этом случае рассматривается как "асимптотически устойчивое". Однако возможны нестационарные состояния системы, т.е. такие, в которых не успевает установиться равновесное состояние, — в этой ситуации система характеризуется неустойчивостью по отношению к собственным начальным параметрам (неустойчивость по Ляпунову) и, как зафиксировано Дж.М.Т.Томпсоном и Дж.В.Хаитом, экспоненциальной тенденцией к дивергенции. Данная тенденция, однако, реализует себя в границах достаточно четко ограниченной сферы возможности, т.е. неустойчивость означает "случайные движения внутри вполне определенной области параметров" (С.П.Курдюмов).

Становление синергетическои парадигмы в естествознании привело к открытию "превалирования неустойчивостей": по формулировке Г.Николиса и Пригожина, в целом, "мы живем в мире неустойчивых процессов". Собственно, именно исследование неравновесных состояний привело теорию динамических систем к "открытию новых фундаментальных свойств вешества в условиях сильного отклонения от равновесия": эти фундаментальные свойства заключаются в том, что при прохождении точек неустойчивости в самых различных по своей природе исследуемых средах обнаруживается свойство перехода к так называемому состоянию сложности, т.е. в этих средах "при определенных условиях могут возникать макроскопические явления самоорганизации в виде ритмически изменяющихся во времени пространственных картин" (Г.Николис, Пригожин). Таким образом, С., по словам Г.Хакена, "исследуются явления, происходящие в точке неустойчивости, и определяется та новая структура, которая возникает за порогом неустойчивости", на основе чего С. удается установить универсальные и "глубокие аналогии", которые "проявляются между совершенно различными системами при прохождении ими точек возникновения неустойчивости". Иными словами, сложность, по оценке Пригожина и И.Стенгерс, отныне рассматривается не как исключение, а как общее правило.

На этой основе С. формулирует свой основополагающий тезис, заключающийся в том, что на всех уровнях структурной организации бытия именно неравновесность выступает условием и источником возникновения "порядка" (по оценке Пригожина и И.Стенгерс, именно "неравновесность есть то, что порождает "порядок из хаоса".) Соответственно, тем аспектом исследуемого объекта, на котором центрировано внимание С., или ее предметом, выступает процесс "зарождения упорядоченности" или "самопроизвольная самоорганизация материи, которая возможна только в неравновесных системах" (А.Баблоянц). Фундаментальным свойством исследуемых С. объектов выступает их сложность. Под сложностью С. понимает способность к самоорганизации, усложнению своей пространственно-временной структуры на макроскопическом уровне в силу происходящих на микроуровне изменений. Так, например, классическим эмпирическим полем синергетических исследований выступает механика жидких сред и, прежде всего, неравновесная гидродинамика. В базовом для С. опыте описано явление конвективной неустойчивости (или неустойчивости Бенара) в горизонтальном слое жидкости с вертикальным градиентом температуры: за критическим значением прилагаемого градиента в данной системе возникает визуально наблюдаемая макроструктура, т.е. решетка конвекционных ячеек (или ячеек Бенара) размером приблизительно 1021 молекулы, — жидкость в горизонтально ориентированных ячейках приходит во вращение (последовательно — то по часовой стрелке, то против нее); в тонком слое раствора возникает так называемый "волновой фронт", внутри которого обнаруживают себя "пейсмейкеры", т.е. беспорядочно разбросанные источники волн, дающих визуально наблюдаемую картину концентрируемых вокруг этих пейсмейкеров колец, спиралей, концентрических окружностей ("мишеней"), многошаговых спиралей и т.п. В русскоязычной литературе данные источники динамики волн получили название "ведущих центров". Таким образом, описываемая термодинамическая система обретает пространственно-структурную и темпоральную определенность: "микроскопическое конвективное течение, которое, если верить принципу порядка Больцмана, обречено на вырождение, ... вопреки ему усиливается и завладевает всей системой..., спонтанно устанавливается новый молекулярный порядок" (Пригожин и И.Стенгерс), — т.е. визуально наблюдаемая макроструктура. Гипнотический "миниатюрный наблюдатель", двигаясь относительно ячеек вектора, уже мог бы зафиксировать различия точек пространства и, соответственно, при смене направления конвекционного движения — и моментов времени (Г.Николис, Пригожин). Аналогичная картина наблюдается при исследовании неустойчивости Тейлора: если определенная жидкость помещена между двумя вращающимися цилиндрами, то после нарушения стационарного состояния (когда скорость вращения цилиндров либо градиент температуры превышают критическую отметку) гидросреда обретает макроскопическую структуру (вихри Тейлора). Значительную роль в формировании основоположений С. сыграло изучение реакции Белоусова-Жаботинского (реакция БЖ), которая состоит в окислении органической (малоновой) кислоты броматом калия в присутствии катализатора (марганца, церия или ферроина). Макроскопическим проявлением этой реакции являются так называемые "химические часы", т.е. временные последовательные осцилляции исходно бесцветной жидкости с красного цвета на голубой, каждый раз предъявляющие (после соответствующего периода стабилизации) четко фиксированную пространственную макроструктуру, причем при использовании различных катализаторов реакция БЖ демонстрирует различные типы пространственных структур: спирали, многоходовые спирали, "мишени" и т.п. Иными словами, данная химическая реакция дает возможность "для измерения времени с помощью внутренней динамики системы" (Пригожин и И.Стенгерс). Аналогичные явления были исследованы Р.Грэхемом и Г.Хакеном при изучении феномена фазовых переходов в лазерах, рассматриваемых в качестве систем, функционирующих в состоянии, далеком от состояния равновесия. Изоморфная ситуация была зафиксирована при исследовании биологических явлений, — например, жизненного цикла амебы, включающего в себя такую стадию, как агрегация слизевиков (Dictyostellium disciodium). Если ресурс трофики истощается, одноклеточные организмы кооперируются, причем некоторые клетки выполняют функции своего рода пейсмейкеров ("центров агрегации"), периодически выделяя в среду специальное вещество ("сигнал для сообщества"), другие же клетки словно "чувствуют" направление градиента и мигрируют к центру. При этом пространственная картина процесса агрегации (спиральные волны или концентрические окружности) фактически изоморфна картине, образованной ячейками Бенара. На основе этого хемотаксиса возникает многоклеточная колония, демонстрирующая, подобно организму, клеточную дифференцировку как аналог морфогенеза. Необходимым условием реализации самоорганизационных процессов упорядочения неравновесной системы является ее незамкнутость, что выступает как одна из важнейших характеристик исследуемых С. объектов, а именно: открытость по отношению к окружающей среде. Применительно к неравновесным средам справедливо утверждение, что каждая точка такой среды является источником и стоком энергии, т.е. система осуществляет постоянный и взаимный энергообмен с внешней по отношению к ней средой (при этом следует отметить, что реально все наличные системы являются открытыми). Как отмечено Г.Николисом и Пригожиным, неравновесные состояния "связаны с неисчезающими потоками между системой и внешней средой". Поскольку явления самоорганизации, исследуемые С., связаны с падениями уровня энтропии в тех или иных фрагментах среды, постольку очевидно, что процессы подобной локальной упорядоченности осуществляются за счет притока энергии извне, т.е. "за счет близлежащих областей": "система должна быть открытой и постоянно обмениваться веществом и энергией с окружающей средой" (А.Баблоянц). Однако это общее положение существенно дополняется в С. идеей зависимости специфики возникающих структур от особенностей параметров среды: в неравновесных условиях система начинает реагировать на факторы, которые в равновесном ее состоянии выступают по отношению к ней как индифферентные. Например, в сильно неравновесных условиях химические реакции оказываются восприимчивыми к фактору гравитации: "в сильно неравновесных условиях... системы начинают "воспринимать" внешние поля, например, гравитационное поле, в результате чего появляется возможность отбора конфигураций" (Пригожин и И.Стенгерс). Более того, изменение параметров может в корне изменить пути и механизмы самоорганизационных процессов в неравновесных средах. Так, при экспериментально варьируемых условиях одна и та же исследуемая система может демонстрировать вообще различные формы самоорганизации: химические часы, устойчивую пространственную дифференциацию, образование волн химической активности на макроскопических расстояниях и т.п. На основании этого С. делает фундаментальное обобщение, заключающееся в том, что "в сильно неравновесных условиях достоверно установлено весьма важное и неожиданное свойство материи: впредь физика с полным основанием может описывать структуры как формы адаптации системы к внешним условиям" (Пригожин и И.Стенгерс). В основе исследуемых С. явлений самоорганизации лежит феномен так называемой "кооперации" молекул: "в равновесном состоянии молекулы ведут себя независимо: каждая из них игнорирует остальные.

Такие независимые частицы можно было бы назвать гипнонами ("сомнамбулами"). Каждая из них может быть сколь угодно сложной, но при этом "не замечать" присутствия остальных молекул. Переход в неравновесное состояние пробуждает гипноны и устанавливает когерентность, совершенно чуждую их поведению в равновесных условиях" (Пригожин и И.Стенгерс). Т.е. если в равновесном состоянии системы "сложность" ее частиц имплицитна (по выражению Пригожина, "обращена внутрь"), то вдали от равновесия она "проявляется снаружи", — конституируется, согласно С., "один из простейших механизмов связи (communication)" (Пригожин и И.Стенгерс). В "Философии нестабильности" Пригожин отмечает, что "кажется, будто молекулы, находящиеся в разных областях раствора, могут каким-то образом общаться друг с другом. Во всяком случае, очевидно, что вдали от равновесия когерентность поведения молекул в огромной степени возрастает. В равновесии молекула "видит" только своих соседей и "общается" только с ними. Вдали же от равновесия каждая часть системы "видит" всю систему целиком. Можно сказать, что в равновесии материя слепа, а вне равновесия прозревает". Например, применительно к химическим реакциям это проявляется в том, что, по описанию А.Баблоянц, "при удалении от состояний химического равновесия ... химические реакции "оживают". Они чувствуют время, распознают информацию, различают прошлое и будущее, правую и левую стороны. Реакции могут проявлять различные формы самоорганизации, например, образовывать мозаичные структуры". С точки зрения гипотетического "миниатюрного наблюдателя", якобы помещенного в такую среду, это означает, что при равновесном состоянии последней "ему безразлично занимаемое им положение.

Или по-другому — нет внутренних возможностей, которые позволили бы ему воспринять понятие пространства", что, по оценке Г.Николиса и Пригожина, "делает в конечном счете тождественными и все моменты времени". Что же касается неравновесного состояния среды, то "когерентное поведение молекул", организующихся в макроструктуру, позволяет гипотетическому внутреннему наблюдателю зафиксировать при движении от молекулы к молекуле (сквозь ячейки Бенара, например) дифференциацию пространства и, соответственно, течение времени. Именно в данном случае система может быть оценена как сложная. Исходя из этого, "тот факт, что ограниченное число частиц может демонстрировать когерентное поведение, несмотря на... случайное движение каждой из частиц", оценивается Г.Николисом и Пригожиным в качестве одного из основных свойств, характеризующих возникновение сложного поведения. Таким образом, внутри системы, находящейся в неравновесном состоянии, проявляются дальнодействующие корреляции, и система начинает вести себя как целое: "частицы, находящиеся на макроскопических расстояниях друг от друга, перестают быть независимыми", — собственно, ячейки Бенара, например, и есть "конвекция, соответствующая когерентному, т.е. согласованному движению ансамблей молекул" (Пригожин и И.Стенгерс). По оценке А.Баблоянц, "кооперация на молекулярном уровне лежит в основе нескольких типов надмолекулярной организации материи, которая в противном случае проявляла бы признаки полнейшего хаоса". Аналогично, при исследовании лазерных систем, Г.Хакеном было отмечено, что вблизи точки возникновения неустойчивости можно обнаружить существенное различие между устойчивыми и неустойчивыми коллективными движениями (модами): "устойчивые моды подстраиваются под неустойчивые и могут быть исключены.

В общем случае это приводит к колоссальному уменьшению числа степеней свободы /т.е. упорядочиванию — М.М./. Остающиеся неустойчивые моды служат в качестве параметров порядка, определяющих макроскопическое поведение системы". Возможность демонстрации когерентного поведения огромным числом частиц выступает для С. фундаментальным критерием сложности как таковой. Представленное Г.Хакеном название новой дисциплины — "С." — инспирировано именно тем обстоятельством,что в основе исследуемых этой дисциплиной феноменов самоорганизации лежит, по определению Г.Хакена, "совместное действие многих подсистем... в результате которого на макроскопическом уровне возникает структура и соответствующее функционирование". Важно, что кооперация подсистем какой-либо системы проявляет себя как подчиненная выявленным С. универсальным принципам независимо от природы этих подсистем: элементы абиотических сред образуют упорядоченные макроструктуры; одноклеточные организмы могут коммуницировать в пределах обширных территорий посредством специфических сигналов; кооперативные связи лежат в основе функционирования многоклеточного организма, причем каждый орган демонстрирует их в той же мере, что и организм в целом (например, работа головного мозга оценивается С. как "шедевр кооперирования" клеток), и, собственно, наличие кооперативных зависимостей трактуется С. как необходимое основание для идентификации системы в качестве биологической. Исходя из этого, С. моделируется новая версия космогенеза, в частности, полагается, что "в момент образования материи Вселенная должна была находиться в неравновесных условиях, поскольку в состоянии равновесия из закона действия масс... следовало бы количественное равенство материи и антиматерии" (Пригожин, И.Стенгерс). Как отмечено П.М.Алленом, Дж.Энгеленом, М.Санглиером и др., подобный подход радикально меняет традиционные представления о соотношении микро- и макроуровней организации материи и, соответственно, между микроскопическим и макроскопическим уровнями описания, ориентированными на различные понятийные системы и принципы. (В целом идея фундаментального единства микро- и макроуровней описания системы становится аксиологически акцентированной в современном естествознании: в 1965 Нобелевская премия была присуждена Л.Онзагеру за установление взаимосвязи между микро- и макроскопическим подходами к исследованию обратимых процессов, в 1977 — Пригожину за исследования в области самоорганизации необратимых процессов.) Как отмечает Г.Хакен, "переработка энергии, подводимой к системе.., на микроскопическом уровне проходит много этапов, что в конце концов приводит к упорядоченности на макроскопическом уровне: образованию макроскопических структур (морфогенез), движению с небольшим числом степеней свободы и т.д.". Так, на материале анализа ферромагнетиков показано, что когда на микро-(атомном) уровне магнитные силы неупорядочены, магнитные моменты взаимно уничтожаются. Однако при достижении порогово низкой температуры "упорядочение на микроскопическом уровне является причиной появления на макроскопическом уровне нового свойства материала". С другой стороны, Пригожин и И.Стенгерс формулируют идею обратной связи между возникающими в результате трансформаций на микроуровне макроструктурами и процессами микроскопического порядка: "одной из наиболее важных проблем является возникающая в итоге обратная связь между макроскопическими и микроскопическими событиями: макроскопические структуры, возникающие из микроскопических событий, должны были бы, в свою очередь, приводить к изменениям в микроскопических механизмах". В этом контексте одним из важнейших мировоззренческих выводов из синергетической концепции является вывод о фундаментальном единстве микро- и макромира: по формулировке Н.Н.Моисеева, моделирующего на основе синергетических принципов концептуальную схему эволюции универсума, "Вселенная представляет собой единую целостную систему". Однако при всем фундаментальном онтологическом единстве и взаимной детерминированности микроскопических и макроскопических процессов в самоорганизующихся системах макроописание последних ни в коем случае не сводимо к их микроописанию: так, в частности, электрохимические процессы головного мозга, с одной стороны, и "ансамбли мыслей" — с другой, являют собой две системы, сколь тесно взаимосвязанных друг с другом, столь же и принципиально друг к другу не сводимых (Г.Хакен). Столь же значимым мировоззренческим выводом синергетической исследовательской традиции выступает идея самодостаточности креативного потенциала неравновесных систем для эволюционных трансформаций и морфогенеза. На I Международной конференции Немецкого Общества Сложных Систем (октябрь 1997) отмечалось, что применительно к самоорганизующейся системе "мы можем наблюдать феномен циклической причинности: с одной стороны, элементы "порабощены" параметрами порядка, а с другой — элементы определяют поведение параметров порядка". Это фактически означает, что, по формулировке Н.Н.Моисеева, "саморазвитие, самоорганизация этой системы происходят, во всяком случае, до поры до времени, при отсутствии направляющего начала" (таким образом, синергетическое видение мира фактически закладывает основы новой концепции детерминизма — см.Детерминизм, Неодетерминизм). Метафорически обозначая процессуальность исследуемой предметности как "порядок из хаоса", С. вводит понятие хаоса в число фундаментальных для своего категориального аппарата (см. Хаос). Исходная неупорядоченность анализируемых сред определяется Г.Николисом и Пригожиным как "хаотическая динамика", причем в данном случае речь идет не о хаотическом поведении элементов, но всей системы, понятой в качестве целого. По оценке А.Баблоянц, "говоря о хаотическом или турбулентном поведении, мы имеем в виду не движение отдельных молекул, а хаотическое (неустойчивое, рассеянное и т.п.) поведение всей массы". Если, согласно второму началу термодинамики, увеличение энтропии ассоциируется с увеличением неупорядоченности, а энтропия является своего рода "мерой степени беспорядка", то понятия "энтропии" и "хаоса" сопрягаются между собой: поскольку (как было показано в свое время Больцманом) "абстрактное макроскопическое понятие "энтропии", может являться мерой молекулярной упорядоченности", постольку "слово "энтропия" сегодня употребляется... как синоним "хаоса" (А.Баблоянц). Далее...