Кибернетика

Лекция 2. Кибернетика Кибернетика (наука об управлении) рассматривается, как один из основных идейных источников, заложивших основы современного состояния в области системных исследований. Для нашей профессии детальное понимание основ кибернетики, само по себе, представляет значительный интерес, поскольку, во-первых, «конечной» целью любой обработки данных является принятие управленческих решений (системы информационной поддержки/обеспечение принятия управленческих решений), и, во вторых, одним из основных направлений развития информатики является автоматизация самого процесса принятия управленческих решений. Вышеперечисленное предполагает не только усвоение основных закономерностей управления, нарушение которых приводит к принятию ошибочных решений, но и понимание того простого факта, что выявление их конкретного воплощения в производственных (бизнес) процессах объекта автоматизации должно быть обязательно проведено в процессе постановки задачи на разработку ЛЮБОЙ информационной системы. С профессиональной точки зрения необходимо понимать, что в реальной деятельности фирмы, организации, предприятия и т.д. закономерности могут не выполнятся, и тогда, именно мы должны способствовать правильной организации управленческих процессов. Более того – разрабатываемые информационные системы могут рассматриваться в качестве средства, обеспечивающих «правильное» управление. Забегая вперед (до рассмотрения схемы обратной связи) приведу пример часто встречающейся неправильности. Естественной, а, как, постулирует кибернетика, и необходимой последовательностью действий является следующая. 1. Выдали команду. 2. Посмотрели к чему привело её выполнение 3. И в зависимости от того насколько реальное состояние дел отличается от ожидаемого (запланированного при формировании команды) выработали новую команду. На практике часто встречается ситуация, когда решения вырабатываются чаще, чем получаются данные о реальной ситуации. Помимо вышеприведенных соображений необходимо помнить, что само понятие информации, как Вы знаете из курса «Теории информации», было определено в рамках кибернетики – её «отцами-основателями». После объяснения значимости кибернетики рассмотрим основные особенности её, как самостоятельной науки, историю возникновения и основные закономерности процессов управления. Кибернетика привлекла к себе широкое внимание, прежде всего, своим интересом к процессам управления и феномену информации, что уже определяло ее специфику в сравнении с множеством традиционных дисциплин. Так, имея в виду именно это, Н.Винер отмечал, что “если XVII столетие и начало XVIII столетия - век часов, а конец XVIII и все XIX столетие - век паровых машин, то настоящее время есть век связи и управления. В электротехнике существует разделение на области, называемые в Германии техникой сильных токов и техникой слабых токо в, а в США и Англии - энергетикой и техникой связи. Это и есть та граница, которая отделяет прошедший век от того, в котором мы сейчас живем”. О том же буквально афористично говорили и другие исследователи, утверждая, например, что “непрерывный рост сложности и мощности технических агрегатов выявил с полной очевидностью, что задачи регулирования и управления этими мощностями образуют самостоятельную область изучения, которая не менее сложна, важна и содержательна, чем сама энергетика, подлежащая управлению. Проблема “всадника” стала преобладать над проблемой “коня””. С другой стороны, важной особенностью кибернетики была широкая приложимость кибернетических понятий, моделей и терминологии, которые оказывались работающими в процессе изучения, по крайней мере, технических, биологических и социальных систем. Кибернетика, таким образом, выступила в качестве необычного зодчего, наводящего мосты между островами специального знания. Это было весьма примечательным фактом, в связи с чем специально подчеркивалось, что “кибернетика предлагает единую терминологию и единый комплекс понятий для представления систем самых различных типов. До недавнего времени любая попытка сопоставить, например, многочисленные факты о следящих системах с данными о мозжечке излишне усложнялась тем обстоятельством, что свойства следящих систем описывались в терминах, напоминающих об автопилотах, или радиоприемниках, или гидравлических тормозах, тогда как свойства мозжечка описывались в терминах, напоминающих об анатомическом театре и кровати больного; но эти стороны вещей не имеют никакогоотьношения к аналогиям между следящей системой и мозжечковыми рефлексами. Кибернетика предлагает единый комплекс понятий, который благодаря своему точному соответствию с каждой отраслью науки может привести все отрасли науки в точное соответствие друг с другом”. Официальное рождение столь необычной науки датируется вполне точно 1948 г. и связывается с выходом в свет книги Н.Винера “Кибернетика”. К этом моменту стали очень распространенными комплексные виды деятельности, когда вместе были вынуждены работать специалисты самой разной профессиональной принадлежности. Трудности, которые им пришлось преодолевать, хорошо характеризует следующий комментарий “отца” новой науки: «... в настоящее время лишь немногие ученые могут назвать себя математиками, или физиками, или биологами, не прибавляя к этому дальнейшего ограничения. Ученый становится теперь топологом, или акустиком, или специалистом по жесткокрылым. Он набит жаргоном своей специальной дисциплины и знает всю литературу по ней и все ее подразделы. Но всякий вопрос, сколько-нибудь выходящий за эти узкие пределы, такой ученый чаще всего будет рассматривать как нечто, относящееся к коллеге, который работает через три комнаты дальше по коридору. Более того, всякий интерес со своей стороны к подобному вопросу он будет считать совершенно непозволительным нарушением чужой тайны». Между тем, производство требовало все более интенсивного внедрения уже не отдельных агрегатов и машин, но их сложных системных сочетаний. Активизировалась работа комплексных коллективов. Все это в конце концов и позволило увидеть, что в разных областях знания и деятельности существует много существенно сходного. Раньше всего в поле зрения исследователей оказалось сходство именно в процессах управления, на которые, как было сказано, прежде вообще не обращалось должного внимания. Так, еще в XIX в. на все смотрели сквозь “очки” механики и термодинамики, так что даже человек представлялся просто своеобразной тепловой машиной, сжигающей глюкозу, и это считалось главным для его понимания. В годы второй мировой войны ученым пришлось срочно заниматься проблемой автоматического управления зенитным огнем, созданием для этого специальных технических средств. В результате, образ человека-двигателя был быстро и существенно дополнен управленческим содержанием. Таким образом, кибернетика выросла из сочетания двух весьма разноплановых идей: 1. Идея выделения процессов управления как специфического предмета науки. 2. Идея существования наддисциплинарных закономерностей управления, т.е. убеждение в том, что возможно выделить закономерности управления, которые работают в самых разных объектах вне зависимости от их физической природы, т.е. от того, к какому из природных миров они относятся. Причем, «Винер не просто заметил внешнее сходство между животными и машинами. Если бы это было так, он не сделал бы ничего понастоящему нового, так как линия преемственности такого рода аналогий прослеживается далеко назад через тех, кто уподоблял психику телефонной станции, до Ламетри ... и, конечно, далее до Декарта ... Винер показал, что как животные, так и машины могут быть включены в новый и более обширный класс вещей». Было с удивлением констатировано, что кибернетика «вообще не относится ни к одной из существующих конкретных наук, изучающих строго определенные формы движения материи». Основные предметные устремления кибернетики оказались сконцентрированными вокруг понятия управления. Управление – это ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ воздействие, ОСУЩЕСТВЛЯЕМОЕ ПО СХЕМЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ. Рассмотрим основные компоненты этого определения. Целенаправленность управления означает, что воздействие на управляемый объект должно обеспечить его пребывание в некотором особом («целевом») состоянии. При этом возможны два основных случая: 1. Управление стремится удержать, сохранить имеющееся состояние объекта, несмотря на постоянное возникновение некоторых нарушений, мешающих влияний. Это, как говорят, задача поддержания гомеостаза, т.е. подвижного равновесия. Например, при разнообразных изменениях погоды организм человека в целом обеспечивает поддержание одной и той же температуры тела (хотя она и может как-то колебаться вокруг некоторого среднего, «нормального» значения). 2. Управление обеспечивает перевод объекта в новое конкретное состояние, хотя существуют мешающие влияния и воздействия. Скажем, полет самолета требует постоянных специальных корректирующих воздействий, т.к. иначе он обязательно отклонится от курса (за счет действия ветра, попадания в «воздушные ямы» и т.п.). Только наличие управляющих воздействий делает попадание в пункт назначения совсем не безнадежным делом. Относительно целенаправленности управления можно еще добавить, что подобного рода процессы в конечном счете обычно ориентированы на противодействие энтропийным тенденциям, т.е. стремятся обеспечить сохранение кибернетических систем и их развитие. Иначе говоря, в предельно широком смысле в качестве признака существования в кибернетических системах целеустремленности может выступать то обстоятельство, что все процессы управления «характеризуются точной количественной мерой - уменьшением энтропии». Когда говорят об информационности управляющих подразумевают несколько весьма разных смыслов: воздействий, к сожалению, 1. «Несиловой характер» управляющих воздействий - осуществление управления с помощью слабой энергетики. Идея весьма проста и понятна. Если мы хотим сбить сосульку, то берем палку и осуществляем задуманное, прикладывая заметные усилия. А вот птицу можно отогнать легким взмахом руки, - ей хватает “невесомого” светового сигнала. Развитые процессы управления обычно строятся по такой несиловой схеме, очень экономично и удобно. Стоит иметь в виду, что «несиловым» управление выглядит только в сравнении с более мощной энергетикой управляемого объекта, ведь последний это, например, производственный процесс; двигатель, создающий тягу самолета; мышечная система организма и т.п. 2. Использование в процессах управления «информации», т.е. выработка управляющих воздействий на основе манипулирования не с самими объектами, но с их некоторыми копиями, отображениями, с моделями – «образами» этих объектов. Когда некто мысленно выстраивает план своих будущих действий, сознание этого некто оперирует именно с информацией, которая в социальной жизни функционирует в форме разнообразных фрагментов «знания». В период былых горячих споров о корректности понимания природы информации, изложенную трактовку обычно называли «функциональным» подходом к ее интерпретации (т.е. информация - это отображения, образы, которые «крутятся», работают в управлении). 3. Учет сложности используемой в управлении информации, т.е. оценка того, насколько трудно передать данную информацию по сетям связи. Дело в том, что те же телеграммы могут быть разной длины, так что для каждой требуется вполне определенное время передачи. Хватит ли наших возможностей для передачи всей необходимой управленческой информации в сложных случаях? Эту проблему в целом успешно решил К.Шеннон, который смог найти формулу для оценки сложности посылаемых сообщений. Такую оценку точнее называть «количеством информации», содержащейся в объекте. Однако сложилась неудачная традиция и в данном случае говорить просто об «информации». Таким образом, при анализе и обсуждении проблемы информационности управления исследователи попадают в типичную ситуацию недостаточной уточненности терминов. В последние годы фокус интересов науки в рассматриваемом отношении сместился от занятия общими вопросами к более специальным и прикладным разработкам. Соответственно терминологическая неурегулированность информационных представлений к настоящему времени перестала быть заметной и пока просто транслируется как проблема для будущих поколений теоретиков и практиков. Очень важное значение для управления имеет наличие обратных связей. Чтобы понять их предназначение надо принять во внимание, что процессы управления в классическом случае всегда происходят между двумя объектами, которые обозначают одним из следующих способов: 1. «Объект управления» и «управляющая система». 2. Имеется «кибернетическая система», которая включает в себя «управляющую» и «управляемую» подсистемы. Например, правительство - это управляющая подсистема страны; экономика - это управляемая подсистема страны. Воздействия со стороны управляющей подсистемы собственно и являются управлением. Однако важно то, что в полноценной кибернетической системе существует и обратное воздействие управляемого объекта на управляющую систему. Это обратное воздействие управляемого объекта на управляющую систему и называется обратной связью. Ее существование обусловлено тем, что для управления требуется информация о двух состояниях объектов: о целевом (желательном, предпочтительном) состоянии и о «фактическом» состоянии, т.е. том, в котором реально находится объект. Обратные связи и призваны надежно и результативно информировать о фактическом положении дел. В кибернетических системах встречаются два основных типа обратных связей: 1. Отрицательные ОС - это такие обратные связи, которые вызывают управляющие воздействия, подавляющие изменения в управляемом объекте. Так действует, например, автопилот. Если ветер отклонит самолет от полета по заданному курсу, то за счет существования линии обратной связи бортовой компьютер «узнает» о сбое в направлении движения и сможет выработать корректирующие команды для рулей. Самолет восстановит нормальный, целенаправленный полет. То есть, там где требуется стабилизация, сохранение положения вещей, там очень актуален подобный тип связей. Но, увы, они могут порождать и консерватизм системы, тормозящий вызревшие перемены. Кроме того, при сильной отрицательной обратной связи объект, возвращаясь в исходное положение, может проскакивать норму, и тогда в системе начинают возникать нежелательные колебания. 2. Положительные ОС - это такие обратные связи, которые вызывают управляющие воздействия, поддерживающие изменения в управляемом объекте. Подобный эффект характерен, например, для спорщиков. Стоит одному из них чуть повысить голос, как на это нервно отреагирует другой. Первому вновь придется усилить интонации, но на это последует ответный пас ... - ситуация активно движется от состояния нормального диалога. Вообще же подобного рода механизмы являются основной процессов развития и потому при умелом использовании крайне продуктивны: если вы делаете дело, то каждое новое достижение усиливает ваши возможности и создает условия для последовательного расширения и усложнения исходной сферы деятельности. Отмеченные образы и понятия кибернетики и составили ее основное понятийное ядро. Неясности с положением кибернетики в структуре науки и со способом выражения ее статуса несколько смутили исследователей, но первоначально все же не предстали как реальная общезначимая проблема и, в общем, не оформились в предмет специального изучения. Однако, похоже, что рождение кибернетики ознаменовало проявление важной устойчивой новой тенденции, которая продолжает набирать силы и сегодня. Об этом совершенно отчетливо свидетельствует постепенная кристаллизация в массиве научного знания целой совокупности новых дисциплин, отличающихся той же панорамной спецификой, что и кибернетика. Лекция 3. Системные исследования. Общая теория систем. Синергетика. Объединительное движение, начатое кибернетикой, прежде всего было подхвачено энтузиастами системных исследований. XIX в. - это, как уже отмечалось, век механики и термодинамики. Исследователи озабочены выявлением все новых «кирпичиков», из которых слагаются природные объекты, в том числе и живые организмы. И такие кирпичики постоянно открываются: органы, ткани, клетки ... К началу нашего столетия стало понятно, что простое представление природы зачастую не срабатывает. Так, Х. Дришем были проведены опыты с зародышами морских ежей. Эти зародыши можно было раздробить на несколько частей, и из каждой такой части вырастала нормальная взрослая особь. Иначе говоря, срабатывала не вся совокупность кирпичиков организма, но что-то иное, что содержало в себе предпосылки организма в целом. Естественно тут же вспомнились и случаи рекапитуляции (воссоздания) органов, вроде отращивания новой клешни у краба, вместо потерянной. Словом, стало уясняться, что некоторые образования (вроде организмов) отличаются от простых совокупностей исходных объектов и обладают какими-то своими дополнительными свойствами. Все это вызвало рост интереса к проблемам организации живого и к особенностям существования организмов как целостностей. Стало популярным сравнение изучаемых объектов не с механическими конгломератами или термодинамическими системами, но с организмами. Как известно, это новое отношение к изучаемым объектам обрело даже свое специальное название – «органицизм». Появление кибернетики очень способствовало тому, что специалисты из разных областей знания стали все чаще и охотнее обращать внимание на то, что делается коллегами с вроде бы иными профессиональными склонностями и интересами. В результате было замечено, что идея несводимости целого к свойствам частей, появившаяся в биологии, вызрела и в других областях познавательной деятельности, т.е. что имеется основа для разворачивания большой совместной работы разных исследователей. Именно на этой волне в 1954 г. создается Общество общей теории систем. В основу его теоретической деятельности легли установки, выработанные австрийским биологом Л. фон Берталанфи. Как и в случае с кибернетикой, ОТС явилась порождением двух исходных теоретических установок: 1. Идея системности, которая подчеркивает, что совокупность тесно взаимосвязанных объектов обладает дополнительными свойствами, не наблюдаемыми у той же совокупности механически перемешанных объектов. Иначе говоря, такие дополнительные особенности не являются просто суммой свойств отдельных объектов. Как было отмечено в этой связи, “аристотелевское положение «целое - больше суммы его частей» до сих пор остается выражением основной системной проблемы”. 2. Идея широкой распространенности системных закономерностей - фиксация того, что одни и те же системные свойства могут быть присущи объектам самой разной физической природы. То есть, это убеждение, что в неорганических, органических и социальных образованиях вполне допустимо открытие сходных типов взаимосвязей, изменяемости системных свойств и т.п.: “... выявляется, что имеются общие для «систем» аспекты, соответствия и изоморфизмы. Последнее - сфера общей теории систем. На практике подобные параллелизмы и изоморфизмы обнаруживаются - иногда совершенно неожиданно - в системах, абсолютно различных во многих других отношениях. Итак, общая теория систем (ОТС) - это область науки, изучающая системные свойства, встречаемые у объектов различной физической природы. Эту сферу познания часто называют также системными исследованиями или системологией. Понятийные ориентиры общей теории систем задаются следующими исходными понятиями: 1. Система - это объект, между частями которого существуют тесные взаимосвязи, придающие ей свойство целостности. Понятие целостности призвано подчеркнуть, что подобный объект обладает дополнительными свойствами, которые не присущи его частям или даже их простой, несвязной совокупности. Важный и хорошо знакомый пример системы - общество в целом. 2. Подсистема - часть системы, обладающая определенной целостностью. Целостность означает, что подсистему можно представить как совокупность еще более мелких частей, и что эта совокупность в свою очередь обладает своими системными свойствами. Так, общество можно представить как множество различных объединений людей - деловых, производственных, политических, учебных и т.п. Все это подсистемы общества. 3. Элемент системы - наименьшая часть системы, еще сохраняющая в себе свойства системы именно данного конкретного типа. Например, обсуждая проблемы государственной жизни, мы рассматриваем государство в целом, отдельные государственные институты и т.п., доводя анализ до уровня отдельных граждан. Но вот проблема клеточного или атомного строения объектов (при всей возможной важности) государствоведами непосредственно не затрагивается, т.к. это уже реалии не собственно общественной жизни, а того, что ее обеспечивает. 4. Структура системы - совокупность устойчивых взаимосвязей внутри системы. Фактически, это тоже, что и ее сущностное содержание, т.к. свойства системы зависят именно от числа и типа скрепляющих взаимосвязей. В качестве характерного примера можно привести различия в соединении атомов углерода, вызывающие появление таких крайне несхожих объектов, как алмаз и графит. 5. Иерархия в системе (иерархическое строение систем) - наличие соподчиненности между частями системы, т.е. такого отношения, когда одни части системы являются определяющими для поведения ее других частей. Иерархическое упорядочение частей системы и ведет к тому, что формируется набор подсистем (частей «одного ранга», причем “высокого”) и набор входящих в них элементов (части «наиболее низкого ранга»). Эта особенность чрезвычайно важна для организации процессов управления в сложных случаях: одному человеку невозможно управлять огромным коллективом людей напрямую, но это вполне решаемо с помощью создания иерархии лиц, принимающих решения. 6. Функция подсистемы или элемента - это такое соотношение между частью системы и системой в целом, при котором активность, изменения части подчинены сохранению и развитию целого. Здесь речь идет о таком интересном свойстве систем, как разделение труда между ее элементами, их специализация, что делает существование и развитие системы чрезвычайно эффективным. 7. Среда системы - объекты, не входящие в систему, но оказывающие на нее влияние или меняющиеся под ее воздействием сами. Это понятие приобретает все большую популярность в последние годы, когда мы регулярно сталкиваемся с тем, что цвет Вселенной - человек не может не считаться со всем, что его окружает. 8. Открытая система - это система, в которую из внешней среды поступает свободная энергия. Важность понятия определяется тем, что такие значимые для нас объекты, как организмы или социальные образования, существуют явно только как открытые системы. Все перечисленные понятия вошли в ядро основных конструктов современной познавательной деятельности и стали совершенно естественными, т.е. не замечаемыми. То же произошло и с системными исследованиями в целом. В свое время они вызвали необыкновенный ажиотаж и обрели огромную популярность. К настоящему времени, сделав много полезного и подрастратив исходный эвристический заряд, они уже отошли “в тень”, уступив место очередному масштабному фавориту - синергетике. Синергетика Спрос на лучшее понимание процессов самоорганизации (а именно этим интересна синергетика) отчетливо проявился в 70-е годы XX в., и продолжает усиливаться в настоящее время, так что карьерный успех синергетики нельзя считать случайным. Симптоматично, что сразу у нескольких исследователей-естественников практически независимо появились важные работы, в которых рассматривался по сути дела один и тот же вопрос: как в однородной по составу массе вдруг появляются четкие структуры: 1. На примере химических реакций этот процесс был исследован И.Пригожиным, разработавшим в связи с этим специальную «неравновесную термодинамику» и получившим за это Нобелевскую премию. 2. Подобного рода превращения при формировании высокоупорядоченного луча лазера исследовал Г.Хакен (который собственно и ввел удачный термин «синергетика»). 3. Процесс порождения сложных молекул в однородной первичной смеси реконструировал М.Эйген, разработавший модель того, как могла бы проходить эволюция молекулярных структур, обеспечившая в свое время появление жизни на Земле. Новые представления наложились на очень удачный (для них, но не для общества) социальный фон. В это время в мире отмечается усиление нестабильности, хаотизация жизни и деятельности, что обострило массовый интерес ко всему, что могло бы объяснить суть подобных ситуаций и указать пути к их преодолению. На этой волне интереса и получилось так, что все вдруг стали «синергетиками». Классическим примером, иллюстрирующим суть процессов самоорганизации, является процесс возникновения так называемых «ячеек Бенара». Опыт очень прост. В чашку с широким дном наливается тонкий слой масла. Под чашкой устанавливается нагреватель. Если после этого начать постепенное повышение его температуры, то вдруг обнаружится, что в некоторый момент в масле появятся бурлящие шестигранные ячейки, напоминающие пчелиные соты. Удивляет следующее. Воздействие на масло было однородным, неспецифическим. То есть мы просто постепенно повышали температуру нагревателя. Масло - тоже однородно, т.к. все его молекулы довольно свободно передвигаются и, таким образом, стирают всякие возможные контрасты. Каким же чудом такое однородное воздействие, приложенное к однородной среде, порождает что-то упорядоченное, рельефное, явно нарушающее прежнюю монотонность?! Явления, вроде описанного, и получили название процессов самоорганизации. То есть, самоорганизация - это процесс, в результате которого неспецифическое воздействие порождает специфическое следствие, т.е. в однородной среде возникает неоднородность, упорядоченность. Подобно кибернетике и общей теории систем, в фундамент синергетики легли две основные идеи: 1. Идея самоорганизации как самостоятельного феномена, заслуживающего специального научного изучения: мир синергетики - это «процессы становления, возникновения порядка из хаоса, их взаимопереходов, образующих в причудливом сочетании регулярности и иррегулярности, предсказуемости и непредсказуемости тот неповторимый узор событий, который нас окружает и частью которого мы сами являемся». 2. Идея универсальности закономерностей самоорганизации, т.е. признание существенного сходства в их проявлении в разноприродных объектах. В этом смысле, по словам Ю.Климонтовича, «синергетика подобна лозунгу “Пролетарии всех стран соединяйтесь!»”. Сложившуюся базовую модель синергетики можно контурно очертить следующим образом. В центре внимания данных исследований находятся так называемые «неравновесные системы». Это такие объекты, которые характеризуются двумя важными признаками: 1. Они состоят из множества элементов, между которыми в ходе самоорганизации и складываются локальные взаимосвязи, упорядоченность (что можно наблюдать, как рождение, например, ячеек Бенара). Именно поэтому процессы самоорганизации считаются «кооперативными» явлениями (т.е. коллективными, массовыми). Кстати сказать, слово «синергетика» и означает - совместное действие. 2. В них активно поступает свободная энергия, превышающая естественные энтропийные потери, так что в системе образуется избыток негэнтропийности. К неравновесным системам относятся самые разнообразные объекты, в том числе живые организмы, массовые зрительские аудитории, физическая плазма, химические растворы ... Основные свойства активных сред можно представить следующим образом. Под влиянием накапливающейся свободной энергии (или при ее потере) в неравновесной системе происходят перемены. Первоначально может отмечаться постепенное изменение ее состояния, которое легко прогнозируемо и привычно для традиционной классической механики и термодинамики. Затем достигается очень специфическое состояние, в котором система внезапно теряет прежние свойства и начинает как бы «клубиться», т.е. приобретает непредсказуемый, «хаотический», характер. Наконец, дальнейшее изменение запаса свободной энергии ведет к тому, что система вновь относительно «успокаивается», и в ней возникают некоторые вполне отчетливые структуры. Цикл самоорганизации завершен. Процесс изменения запаса свободной энергии может быть продолжен вновь. Тогда, как выясняется, опять происходит переход в ситуацию неопределенности, непредсказуемости, т.е. «хаоса», а далее в очередной раз порождаются некоторые новые структуры, отличные от прежних. Синергетическая модель самоорганизации стимулирует размышление над следующими важными и интересными вопросами: 1. Каждой активной среде присущи свои вполне определенные структуры, которые она может реализовывать в ходе процессов самоорганизации. Это означает, что, скажем, из избирателей, подчиненного коллектива или из физической плазмы нельзя «выжать» то, что не совпадает с заложенными в них предпочтениями. Иначе говоря, управление такими объектами должно изучать и учитывать скрытые возможности и ограничения подобного рода (если, конечно, оно пытается быть действенным). 2. В ходе постепенного изменения ситуации мы можем попасть в хаотическое, неуправляемое, непредсказуемое состояние. В сложных системах дальнейшее движение из хаоса возможно по самым разным направлениям. К сожалению, на выбор движения в таких критических ситуациях слишком активно влияют случайные факторы. Если учесть, что в это время в систему вовсю нагнетается свободная энергия, то понятно, что становясь неконтролируемой, она может нести большую угрозу. Кстати сказать, в 1977 г. нечто подобное произошло в энергосистеме Нью-Йорка, когда внезапно отключился крупный потребитель энергии. Система «захлебнулась» и отказала. В результате в течение 25 часов город был вообще без электроэнергии. 3. Для такого рода процессов характерны так называемые «режимы с обострением». Это такие переходы в качественно новое состояние, которые начинаются очень медленно, незаметно и не беспокоя, но потом принимают буквально взрывной характер. Если не изучать такие возможности заблаговременно, то можно вполне угодить в режим с обострением и попасть в ситуацию, когда размышлять будет уже просто поздно, - процесс пойдет самопроизвольно и очень быстро, к непредсказуемым последствиям. Сегодня особую озабоченность вызывают проблемы экологии, - мы все сильнее давим на среду, и она все сильнее «прогибается». Синергетика привлекает внимание к тому, что последствия возможного выхода на взрывной участок могут быть самыми катастрофическими. Для описания динамики процессов самоорганизации выработан набор специальных понятий. Важнейшими из них считаются: 1. Диссипативная структура - это структура, возникающая в результате процесса самоорганизации. Слово «диссипативная» означает «рассеивающая», что подчеркивает: такие структуры возникают и могут существовать только за счет того, что тратят для своего поддержания поступающую в систему свободную энергию. Уберите тепло, и пропадут ячейки Бенара. Лишите организм питания, и он начнет чахнуть. 2. Аттрактор - это состояние системы, которое может быть устойчиво реализовано в данной активной среде. Фактически, это тоже, что и диссипативная структура. Синергетики пользуются термином аттрактор (который можно перевести как «притягиватель») тогда, когда хотят подчеркнуть одно важное свойство процессов самоорганизации. После выхода системы из хаотической фазы, она обязательно стремится попасть в некоторое присущее неравновесной системе устойчивое состояние. Сам выход их хаоса означает, что влияние одного из этих состояний как бы «перетянуло», так что далее система будет меняться именно в этом направлении. Словом, аттрактор выступает своеобразным центром притяжения, замыкающим на себя возможные пути изменения системы. Именно из-за существования аттракторов в неравновесной среде нормально осуществимы отнюдь не все состояния, структуры и движения. 3. Точка бифуркации - состояние системы, дальнейшее движение из которого может происходить не единственным образом, но в сторону одного из целого набора аттракторов. Слово «бифуркация» означает «раздвоение», т.е. попадание на развилку. В общем случае продолжений пути может быть не одно, и не два, а множество. Деликатный момент заключается в том, что в процессе самоорганизации точки бифуркации совпадают с хаотическими фазами в изменении системы, в которых очень сильно влияние небольших естественных случайных отклонений («флуктуаций»). Из-за этого, выходя из хаоса, система может непредсказуемо двинуться в очень разных направлениях. 4. Нелинейность - характерное свойство неравновесных систем, заключающееся в том, что в них нарушается действие принципа суперпозиции. Как известно, в механике считалось, что действие нескольких малых сил можно заменить действием одной суммарной. В синергетике специальный интерес привлечен к ситуациям, когда это правило не работает. Природа очень богата именно подобными сюрпризами, так что теперь на нее смотрят как на очень нелинейное образование. В настоящее время синергетика - это динамично развивающаяся область науки, с которой связываются большие ожидания. Однако, похоже, что вскоре может наступить мода на другие исследования столь же масштабного характера. Лекция 4. И «дальше». Очень любопытно, что тенденция к выработке общезначимых систем знания, проявившаяся в середине XX в. не исчезает, но постоянно инициирует все новые интересные варианты исследовательской работы. Кто знает, возможно, таким образом, мы вновь столкнемся с уже отчетливо проявившейся особенностью общего движения науки: - «открыли» кибернетику, пошумели, забыли о ней; - «открыли» общую теорию систем, пошумели, забыли; - «открыли» синергетику, шумим ... И все время пытаемся создать так называемый «искусственный интеллект», не понимая, что такое – естественный. В параллель к синергетике вызревают очередные претенденты на то, чтобы стать законодателями научной моды. Причем для них характерно то, что они также обладают очень широкой потенциальной приложимостью формируемых понятийных схем. Пока такого рода перспективные разработки чаще рассматриваются не в общем виде, но в рамках отдельных областей науки. Однако постепенно растет понимание, что разные исследователи занимаются вполне родственным делом, и следовательно, рано или поздно возникнет потребность в интеграции усилий. Охарактеризую некоторые ориентиры подобного рода. Похоже, что прежде всего может кристаллизоваться обобщенная наука о закономерностях периодических движений. Для удобства рождающуюся науку можно было бы обозначить как ритмологию (с учетом того, что уже существует, скажем, «биоритмология»). К периодическим движениям, сходство проявления которых в разноприрородных объектах могло бы составить предмет ритмологии, принято относить колебания, волны и циклы: 1. Колебания (ритмы) - это повторения одного и того же состояния (или события) через равные промежутки времени. 2. Волна - это распространение колебаний в пространстве. 3. Цикл - это колебательный процесс, в котором начало очередного колебания всякий раз несколько сдвигается относительно прежнего исходного состояния. Начальные научные сведения о периодических движениях активно накапливались в ходе изучения колебаний маятника, а также световых и акустических явлений (звука). Позже добавились данные об электрических колебаниях и колебаниях в жидкостях. Первые обобщающие труды были посвящены именно таким колебательным процессам и появились в конце XIX в. Соответственно до середины нашего столетия всякий труд с названием «Теория колебаний» содержал сведения лишь о периодических движениях в чисто физических и технических системах. Между тем, уже в первой трети XX в. появляются специальные работы о колебательных процессах в объектах нефизической природы. Так, большой интерес вызывают труды А.Л.Чижевского, показавшего, что деятельность человека и общества подвержена циклическим изменениям, причем эти перемены, вполне отчетливо коррелируют с изменениями в активности солнца. Активизация нашего светила ведет к выплескам социальной энергии, к инициированию войн, выступлений, творческих порывов и прорывов, мощных политических сдвигов и т.п. Второе интересное направление в развитии нефизических представлений о ритмических процессах связано с именем Н.Д.Кондратьева. Он показал, что в развитии экономики существуют отчетливые циклические явления. Они обусловлены тем, что технические и технологические новации, толкающие производство вперед, внедряются не немедленно по мере появления, а лишь по мере созревания подходящих условий. Если резервы прежнего производства исчерпаны, и его эффективность и прибыль падают, то включается инновационный механизм. Вслед за этим начинается рост производства, оживление экономической деятельности и падение интереса к новым инвестициям. Система начинает двигаться по инерции, расходуя заложенный импульс и постепенно теряя динамизм. Все опять приходит к осознанию важности нововведений, но уже на новом уровне экономического и технологического развития. Цикл готов к повторению. В колебательных явлениях особенно интересен феномен резонанса. Резонанс - это резкое возрастание энергии колебаний при совпадении частоты воздействия на колебательную систему с ее собственной частотой. Как сказал бы синергетик, каждая система имеет специфический аттрактор - частоту собственных, наиболее естественных для нее колебаний. Так вот, если воздействовать на объект с такой частотой, то он начнет очень сильно колебаться даже при малых внешних усилиях. А вот даже большие, но неестественные по частоте воздействия могут оставить объект вполне равнодушным. Замените рок-группу на симфонический оркестр, и вы увидите, что слушатели, болеющие энергичной музыкой, потускнеют. Разрешите роте солдат четко маршировать на мосту, и он может так раскачаться, что обрушится. Все это явления резонансной природы. К настоящему времени изучение периодических процессов в объектах той или иной физической природы приобрело весьма интенсивный и результативный характер. Все это создает основу, на которой начинает замечаться, что вся жизнь Вселенной пронизана ритмами. Таким образом, пока еще разрозненные исследования отдельных периодических процессов постепенно набирают все более мощный объединительный потенциал. Следующий кандидат на признание в качестве универсальной подсистемы науки симметрийные исследования. Симметрия это сохраняемость каких-либо особенностей, структур изучаемого объекта при проведении с ним определенных преобразований, трансформаций (если говорить более академично, то это структурная инвариантность относительно заданных трансформаций объекта). Набор элементарных типовых трансформаций весьма невелик. К ним относят прежде всего повороты, переносы и отражения. Когда мы смотримся в зеркало, мы получаем симметричное отображение. По принципам симметрии построены многочисленные орнаменты и узоры. В искусстве случаи симметрии традиционно изучаются с помощью такого термина, как “гармония”. Очень важно, что симметрийные особенности объектов напрямую связаны с их самыми разными важными свойствами. Это очень хорошо выявлено у кристаллов. В последние десятилетия на этой же основе достигнут успех в систематизации элементарных частиц. Словом, симметрия стоит того, чтобы ей заниматься всерьез и масштабно. Причем крайне любопытны и случаи нарушения симметрии. В самом деле, почему в нашей Вселенной существуют атомы только с положительно заряженным ядром и отрицательной оболочкой? Почему в состав живых организмов входят аминокислоты с так называемой левой закруткой, хотя в неорганическом мире присутствуют и их антиподы? Почему мы не любим жесткую, очень правильную симметрию и считаем ее не очень естественной? Мы, как и природа в целом, стремимся к симметрии и в то же время избегаем ее лобовых проявлений. Почему? К настоящему времени появилось довольно много симметрийных наработок подобного рода. Сложилось даже своеобразное разделение труда: часть исследователей интересуется главным образом симметрией неживой и живой природы; часть – «гармоничными» аспектами жизни и деятельности человека; наконец, есть исследования, ориентированные на построение общезначимых представлений о симметрии. Последнюю разновидность познавательной деятельности в силу ее необычно панорамного статуса прежде относили к области общей теории систем. Теперь это, видимо, может быть подхвачено синергетикой. Но мо жет быть впо лне р еализо ван и ино й вариант, когда симметрийные исследования самоопределятся в автономную область научного познания. В обсуждаемой связи нельзя не упомянуть и о возможности появления универсального учения об экстремумах, которому только предстоит сформироваться. Понятие экстремума призвано зафиксировать то вполне известное обстоятельство, что в природе всякое изменение имеет тенденцию происходить таким образом, что при этом обеспечивается минимальное или максимальное значение некоторой величины. Экстремальность издавна волнует философов и естествоиспытателей, подобно Эйлеру отмечавших, что повсюду природа действует согласно принципу максимума или минимума. Свойство экстремальности обычно относят к системам, в которых вызываемое движение канализируется и происходит не по любой из возможных траекторий, но по той, которая характеризуется именно экстремальным значением некоторого параметра. Экстремальным при этом может быть или максимальное, или минимальное значение параметра в зависимости от специфики системы. Скажем, если ставится задача экономии ресурсов, то это процесс с минимизацией, при стремлении же к быстрейшему передвижению проблема состоит в максимизации скорости перемещения системы. Интерес вызывает то обстоятельство, что описание движений в ходе изучения их экстремальных свойств, предполагает добавление в обычные модели движущихся объектов еще одного, «ценностного» параметра (критерия оптимальности). Последний призван обеспечивать отбор из всех траекторий движения той из них, которая с точки зрения данного критерия выглядит более предпочтительной, экстремальной. То есть такого рода модели являются некоторым более общим, чем обычные, типом моделей движения, полнее учитывающим существенные черты нашего мира. Сегодня уже вполне понятно, что экстремальность присуща объектам самой различной природы. Так, неорганические системы, вся неживая природа, с точки зрения современной науки характеризуется принципом наименьшего действия, провозглашающим, что любое движение осуществляется под влиянием минимально необходимой для этого энергетики. То есть, когда Природа занимается своим обустройством, она отнюдь не расточительна. Хорошо известна разборчивость при выборе траекторий движения светом и электрическим током, что зафиксировано даже в виде шутливого замечания, что «ток не дурак, и идет по пути наименьшего сопротивления». Во всех подобного рода случаях наукой признается, что другие варианты движения теоретически возможны, но практически не реализуемы. Живая природа - это иной класс систем и движений, но анализ показывает, что изменения на этом уровне также канализированы на основе экстремальных принципов, обеспечивающих организму максимум шансов на выживаемость. Высокая эффективность биологических систем хорошо известна, что даже послужило толчком к формированию специальной области знания и деятельности – «бионики», призванной на основе анализа структур организмов создавать аналогичные совершенные технические конструкции. Реально наблюдаемое отмеченное качество живых организмов привело к выдвижению Н.Рашевским принципа оптимальной конструкции биосистем, означающего, что такие системы прспособлены к обеспечению своих основных функций некоторым наилучшим образом, позволяющим расходовать доступные ресурсы очень экономично. Не остался в стороне от постановки теоретических вопросов подобного рода и практический аспект познания. Более того, выработан целый ряд специальных дисциплин («теория принятия решений», «исследование операций», «системный анализ»), позволяющих находить наилучшие в некотором смысле управленческие решения в сложных ситуациях. Приоритетность решений как раз и связывают с поиском максимума или минимума некоторой важной величины, характеризующей качество того или иного действия. Если речь идет о прибыли, ее, как правило, стараются максимизировать. Если о потерях времени, то размышляют об их минимизации. И тому подобное. Обратите внимание, что все знание всех вышеперечисленных дисциплинх, входит в профессиональный багаж прикладного информатика. Системный анализ и системный поход будут рассматриваться в текущем курсе. Остальные – в отдельных, специальных курсах. К настоящему времени исследования экстремумов и особенностей их проявления в различных процессах не стали чем-то единым целым и ведутся довольно автономно в самых разных отдельных областях науки. Однако, с учетом того, что уже выделился целый набор дисциплин широкой значимости, можно предположить, что и учение об экстремумах со временем будет интегрировано в этот же массив знания. Во всяком случае, уже имеются работы, в которых изучение экстремальности рассматривается именно как задача, затрагивающая интересы одновременно самых разных специальных областей науки. Наконец, нельзя не упомянуть и еще одного направления исследований, которое также как и уже перечисленные поисковые разработки характеризуется обращением к поиску закономерностей, проявляющихся равным образом и в неживой природе, и в органическом мире, и в социальных системах. Такими ориентирами руководствуется работа в области глобального эволюционизма. Глобальный эволюционизм - это направление теоретических исследований, ориентированное на выявление единых сквозных закономерностей, которым подчиняется становление и эволюционное развитие объектов всех известных ныне структурных уровней бытия. В данном случае исследователи решают задачу, которую можно охарактеризовать следующим образом: «... различия между науками преувеличены до такой степени, что они способны ввести в заблуждение широкую публику. В результате мы имеем сегодня многочисленные высокоспециализированные и проводимые независимо исследования эволюции конкретных сущностей - таких, как звезды, бабочки, культуры или личности, но располагаем весьма немногими (если располагаем вообще) истинно универсальными представлениями об эволюции как о фундаментальном процессе». Разумеется, изучение общего в процессах развития отнюдь не является совсем уж новым делом. Однако формирование термина «глобальный эволюционизм» выразило открытие некоторых реалий, которые не были известны прежней науке и прежним эволюционным исследованиям. Потребность в конституировании глобально-эволюционных разработок стала осознаваться к 80-м годам XX в. Об этом свидетельствовала целая совокупность накопленных фактов широкой значимости. Формирование синтетической теории эволюции, существенный рост знания о закономерностях социального развития высветили со временем явный дисбаланс этих достижений с общеэволюционным содержанием науки. Между тем, появление кибернетики, разворачивание системных и других наддисциплинарных исследований отчетливо указало, что однородность и сходство разноприродных сфер бытия значительно выше, чем это виделось прежде. В свою очередь, развитие неравновесной термодинамики позволило снять барьер между прежними эволюционными антиподами - живой и неживой природой и включить их в единые концептуальные рамки, успешно задаваемые сегодня синергетикой. Обострение экологической ситуации в последние десятилетия напомнило истину, что человек и общество не могут рассматриваться совершенно автономно от Природы, и поэтому адекватен лишь подход, органично вписывающий человека в фундаментальные структуры и процессы Вселенной, т.е. изначально предполагающий их совместное рассмотрение. Так постепенно в науке вызрело стремление к совершенствованию, существенному расширению общеэволюционных представлений, к их развитию на основе активного учета многочисленных современных сопутствующих наработок. Стало понятно, что в нстоящее время лишь чисто философского эволюционизма недостаточно, так что требуется специфичекая панорамная теоретическая деятельность, которая и может быть обозначена как работа в области глобального эволюционизма. Новое исследовательское направление находится в стадии формирования, поэтому относящиеся к нему работы пока встречаются в разном терминологическом оформлении. Развитие новой эволюционной парадигмы осуществляется в рамках двух основных постепенно сближающихся подходов. Один из них, синергетический, опирается на признанные модели самоорганизации, разработанные, прежде всего в науках о неживой природе, и экстраполирует их на другие области научного познания. Второй подход, собственно эволюционный, берет за основу систему биологических представлений, учитывая высокий уровень их проработанности и тот факт, что биология, с одной стороны, естественно близка к социальному знанию, а, с другой стороны, к знанию о неживой природе, что облегчает трансляцию именно общебиологических идей. Перспективы развития исследований в области глобального эволюционизма можно видеть в последовательной конкретизации ряда следующих идей: 1. Историческое существование Вселенной - это не однонаправленное движение в сторону усложнения или к «тепловой смерти», а вазимопереплетение эволюций двух противоположных типов. Интегральную историческую изменяемость Вселенной точнее выделять как «космогенез». Глобальный эволюционизм ориентирован на теоретическое воспроизведение прежде всего той составляющей космогенеза, которая выступает как процесс устойчивого и последовательного порождения все большего разнообразия Природы. Последняя характеризует «историческую эволюционную ветвь» космогенеза (в отличие от дополняющей ее «термодинамической ветви»). 2. Исходными объектами глобально-эволюционного анализа являются специфические природные системы с эволюционной самодетерминацией - суверенные «эволюционы». К примерам систем такого типа следует отнести ноосферу, биосферу, гидролитоатмосферу и тому подобные ... Именно подобного рода объекты, похоже, являются основными природными образованиями, реализующими импульсы к прогрессу. Глобальная эволюция в таком случае выступает в виде последовательного порождения все новых эволюционов, единство структуры и динамики которых еще надлежит изучить. 3. Историческое движение эволюционов сегодня предстает как процесс «коэволюции», происходящий в пределах более масштабных систем, и существенно предопределенный ограничениями и особенностями этой среды. Как об этом сегодня в полной мере свидетельствуют экологические проблемы планетарного масштаба, прогрессивная эволюция не может быть «эгоистичной», она обязана согласовывать свой ход с другими природными образованиями. 4. Материальные объекты обладают набором внутренне предпочтительных состояний, что в определенной мере «канализирует» возможные эволюционные процессы. Однако смена состояний вовлеченных в эволюцию систем может происходить скачкообразным образом, причем очень непредсказуемо, что требует осознания серьезности фактора случайности в реальном осуществлении процесса глобальной эволюции.