Самоорганизующиеся системы
Общей чертой, объединяющей классическое и неклассическое естествознание, является их предмет познания, в качестве которого выступают простые системы. Однако, такое понимание предмета познания является абстрагированным. Вселенная – это множество систем. Но лишь небольшая часть таких систем являются замкнутыми, то есть могут рассматриваться в качестве механизмов. Таких простых закрытых систем во Вселенной меньшинство. Большинство реальных систем являются открытыми и сложными. Это означает, что такие системы обмениваются с окружающей средой веществом и энергией.
Среди сложных систем особенно интересны самоорганизующиеся системы. К таким системам относятся наиболее значимые для человека биологические и социальные системы.
Теория сложных самоорганизующихся систем начала активно развиваться в 1970-е годы. В результате таких исследований возникло новое направление современного естествознания – синергетика.
Синергетика, как и кибернетика, является междисциплинарным подходом. В кибернетике основной акцент ставится на процессы управления и обмена информацией, а в синергетике – на исследование принципов построения организации, ее становления, развития, самоусложнения.
Мир самоорганизующихся систем гораздо обширнее мира линейных, закрытых систем. Вместе с этим моделировать его гораздо сложнее. Для решения возникающих в таких системах нелинейных уравнений необходимо использование современных аналитических методов в сочетании с вычислительными экспериментами. Такие стороны мира, как многообразие путей развития, нестабильность благодаря синергетике открываются для точного математического моделирования. Синергетика раскрывает условия устойчивого развития и существования сложных структур, а также обеспечивает возможность моделирования катастрофических ситуаций и т.д.
Моделирование многих сложных самоорганизующихся систем осуществляется методами синергетики: начиная от морфогенеза в биологии до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики до эволюции космических процессов и т.д. Основным вопросом синергетики является существование общих закономерностей, которые управляют формированием самоорганизующихся систем, их функций и структур.
Свойства самоорганизующихся систем
Поведение систем, которые рассматриваются синергетикой, описывается при помощи нелинейных уравнений, так как самоорганизующиеся системы являются нелинейными.
Нелинейные уравнения – это уравнения второго или большего порядка. Соответственно, такие системы характеризуются как неустойчивые и неравновесные. Вследствие неравновесности возникает избирательность системы. Причем, некоторые незначительные внешние воздействия способны оказывать на эволюцию системы большее влияние, чем более сильные, но неадекватные собственным тенденциям системы, воздействия.
Другими словами, в нелинейных системах могут возникать ситуации, когда действия двух причин вызывают эффекты, не имеющие ничего общего с результатами действия этих причин по - отдельности.
Пороговый характер большинства процессов в самоорганизующихся систем является важнейшим следствием нелинейности поведения этих систем. Это означает, что при постепенном изменении внешних условий поведение системы меняется скачкообразно. То сеть в состояниях, когда система далека от равновесия, слабые флуктуации оказывают сильное влияние на систему. Они разрушают уже сложившуюся структуру и способствуют ее существенному изменению в качественном плане. Этим объясняется то, что являясь открытыми и неравновесными, нелинейные системы создают неоднородности в среде и поддерживают их. В этих условиях между средой и системой формируются отношения, имеющие обратную положительную связь. То есть система оказывает влияние на среду так, что в ней образуются определенные условия. Эти условия, в свою очередь, определяют изменения в самой этой системе.
Ярким примером этого является ситуация, в которой в процессе химической реакции либо какого-либо другого процесса образуется фермент, присутствие которого стимулирует производство этого самого фермента.
Диссипация энергии
В процессе взаимодействия открытых систем с внешней средой наблюдается диссипация энергии.
Диссипация энергии – это процесс перехода энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, а в результате – в тепловую энергию.
Диссипативными системами в общем случае называют такие системы, где энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного, а в результате в энергию теплового движения.
В открытых системах с нелинейным течением процессом возможны термодинамически устойчивые неравновесные состояния, которые далеки от состояния термодинамического равновесия и характеризуются определенной временной и пространственной упорядоченностью, которая называется диссипативной ввиду того, что для ее существования требуется непрерывный обмен энергией и веществом с окружающей средой. При этом большое количество микропроцессов получает результирующую на макроуровне, существенно отличающуюся от происходящего с каждым отдельным элементом системы. Благодаря этому возникают новые структуры, которые характеризуются переходом от беспорядка к упорядоченности.
Свойство диссипативности связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы характеризуются большим количеством параметром, которые улавливают воздействие окружающей среды неодинаково. В процессе течения времени в системе появляется несколько ведущих параметром, к которым подстраиваются остальные. Эти параметры системы называются параметрами порядка. Соотношения, которые связывают параметры порядка, являются гораздо проще математических моделей, которые описывают в целом систему детально, так как параметры порядка показывают содержание оснований неравновесной системы. Выявление параметров порядка является одной из главнейших задач, которые решаются в процессе изучения самоорганизующихся систем.
