Открытые системы. «Вот видишь, все куда-то движется и

Открытые системы. «Вот видишь, все куда-то движется и во что-то превращается, чем же ты недовольна? » Л. Кэрролл «Алиса в стране чудес» Понятие об обратной связи. Целесообразность. Неравновесные системы. Синергетика. Закономерности самоорганизации. Хаос как фактор самоорганизации.

В классической науке и недиалектической философии вплоть до середины XX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию. Ну кто же не знает, что вода всегда течет под уклон, а любая предоставленная самой себе материальная вещь неизбежно разрушается? Теоретический базис под эти «здравомыслящие» соображения подвела классическая термодинамика — наука о взаимопревращениях различных видов энергии. Ею было установлено, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. И легче всего различные виды энергии переходят в самую простую ее форму — тепловую. Теплота же, как известно, может «перетекать» только в одну сторону — от горячего тела к холодному, стремясь к состоянию термодинамического равновесия.

Понятие сложной системы

Новая обширная область междисциплинарных исследований, которую принято именовать нелинейной наукой, включает нелинейную термодинамику, теорию катастроф, теорию динамического хаоса и фрактальную математику; появились новые великие имена, грандиозные книги и необозримое множество статей. На рубеже веков возникли новые специализированные журналы (Nonlinear World; Nonlinearity; Journal of Nonlinear Science; Physica D. Nonlinear Phenomena; Chaos, Solitons and Fractals; International Journal of Bifurcation and Chaos и др. ) и множество сайтов в Интернете. Издано немало популярных книг по теории катастроф, о хаосе и фракталах, некоторые из которых переведены на русский язык; эти предметы уже начинают преподавать в школе: книга “Fractals for classroom” (Peitgen et al. , 1992) предназначена для учителей математики. Это междисциплинарное направление исследований нередко именуется синергетикой (от греч. – «согласованное действие» ) – такое краткое и удачное название дано в конце 60 -х годов прошлого века немецким физиком Германом Хакеном; синергетику определяют также как науку о самоорганизации, т. е. самопроизвольном возникновении пространственной и временной упорядоченности в открытых нелинейных системах (открытыми называются системы, обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой, т. е. существующие и развивающиеся в потоке энергии; нелинейное поведение системы определяется нелинейной зависимостью от переменных, математически описываясь нелинейными уравнениями). Одновременно появление упорядоченных в пространстве и времени структур в открытых нелинейных системах – спонтанное возникновение порядка из хаоса – изучалось в Бельгии физиком и философом русского происхождения Ильей Пригожиным (1917 -2003). Его исследования упорядоченных, «диссипативных» структур, возникающих в неравновесных системах в результате нелинейных процессов, были удостоены в 1977 г. Нобелевской премии по физике. Менее известными широкой публике, но не менее важными в формировании нового научного мировоззрения были работы великих математиков XX века: А. Пуанкаре, А. А. Андронова, А. Н. Колмогорова и др. Понятие сложной системы

Вспомним физический смысл энтропии: Все процессы, протекающие в природе необратимы и способствуют переходу системы в равновесное состояние, которое характеризуется 1. Выделением безвозвратно некоторой энергии, которая не способна совершать работу 2. В равновесное состояние элементы системы характеризуются наименьшей упорядоченностью. Энтропия-мера рассеяния энергии и мера упорядоченности системы В результате протекания процессов в изолированных системах сами системы переходят в состояние равновесия, которое соответствует максимальному беспорядку системы – равновесный тепловой хаос. Таким образом, самоорганизация, или эволюция в случае замкнутой системы приводит ее в состояние максимального беспорядка. В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления. Открытые системы

Для существующих в природе систем характерна устойчивость относительно внешних воздействий, самообновляемость, возможность к самоусложнению, росту, развитию, согласованность всех составных частей.

Но если возрастание энтропии — фундаментальный закон природы, и, следовательно, материальный мир может эволюционировать только к хаосу, то как же наша Вселенная смогла возникнуть и сорганизоваться до ее нынешнего упорядоченного состояния? И если этот закон столь фундаментален, почему же ему не подчиняется живая природа, демонстрирующая стремление прочь от термодинамического равновесия и хаоса, т. е. непрерывный рост сложности и организованности своих структур (уменьшение энтропии)? ___ Частично ответ на эти вопросы заключается в том, что второе начало термодинамики действительно только для закрытых систем, которые не обмениваются веществом или энергией с внешней средой. Но живые организмы — системы открытые, существующие за счет обмена веществ. Поэтому уменьшение в них энтропии (при формировании организма, например) компенсируется ее увеличением во внешней среде. Самоорганизация

ППонятия беспорядка и упорядоченности в физике сходно с таковым в обыденном сознании. Под хаосом, беспорядком подразумевается, что каждый из предметов может находиться в различных, непредсказуемых местах, в результате найти что-либо в такой системе и управлять ей становится не просто. Беспорядок связан с множеством возможностей взаиморасположений предметов, если характеризовать систему в целом, можно сказать, что система может находиться во множестве состояний беспорядка. «Порядок» же подразумевает единственное, заданное заранее расположение или поведение предметов, элементов внутри системы; возможно лишь одно состояние порядка. Иначе говоря, система в состоянии хаоса имеет множество степеней свободы, увеличение степеней свободы в системе подразумевает увеличение хаоса в ней. Хотя абсолютный хаос есть абсолютная симметрия, уровень информации в системе - нулевой. Если представить себе наблюдателя, путешествующего через эту систему, то такой наблюдатель не сможет определить, какое расстояние и в каком направлении он прошёл, не сможет вернуться назад и узнать точку, из которой вышел: система полностью симметрична и гомогенна

Равновесие, устойчивость - свойства, которые в классической парадигме мышления, как правило, отождествлялись и характеризовали стационарное состояние системы. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ - состояние термодинамической системы, не изменяющееся во времени и не сопровождающееся переносом через систему вещества или энергии. Изолированная система, не обменивающаяся со средой веществом и энергией, со временем всегда приходит к термодинамическому равновесию и не может самопроизвольно из него выйти Неравновесная система (диссипативная система (или диссипативная структура, от лат. dissipatio — «рассеиваю, разрушаю» )) — это открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия. Неравновесная система

Если состояние системы не изменяется во времени, но есть поток вещества или энергии через систему, состояние системы называется стационарным. Открытые системы, обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой, также могут стремиться к равновесию. Однако граничные условия, наложенные на систему, не позволят ей достичь равновесия. В то же время открытые системы могут эволюционировать к состояниям, не зависящим от времени. Такие состояния называются стационарными Неравновесная система

Открытая система заимствует энергию и вещество из окружающей его среды и одновременно выводит в окружающую среду отработанное вещество и отработанную энергию. Вырабатывая и заимствуя энергию, открытая система производит энтропию, но она не накапливается в ней, а выводится в окружающую среду. С поступлением энергии и вещества в открытую систему ее неравновесность возрастает, разрушаются прежние связи между элементами и возникают новые, которые приводят к новой структуре, кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Открытые системы

За счет прихода энергии извне могут возникать диссипативные структуры с гораздо меньшей энтропией. Иначе говоря, система, самоорганизуясь в новом стационарном состоянии, уменьшает свою энтропию, она как бы «сбрасывает» ее избыток, возрастающий за счет внутренних процессов, в окружающую среду. В живых организмах это происходит за счет дыхания, экскреции. Открытая система как бы «питается» отрицательной энтропией (негэнтропией), выбрасывая наружу положительную. При этом возникают новые устойчивые неравновесные, но близкие к равновесию состояния. При таком неравновесии рассеивание энергии минимально и интенсивность роста энтропии оказывается меньше, чем в других близких состояниях. Здесь имеет место принцип производства минимума энтропии. Открытые системы

Для открытых термодинамических систем изменение энтропии где изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в системе изменеие энтропии в ходе процессов обмена со средой Открытые системы

Условие d. S =0 означает стационарное состояние, а d. S < 0 – усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению d. Sin < d. Sout. Соотношение показывает, что энтропия, обусловливаемая необратимыми процессами внутри системы, выносится в окружающую среду. Свой принцип И. Пригожин и П. Гленсдорф выразили следующим образом: при неравновесных фазовых переходах, что соответствует точкам бифуркации, через которые проходит процесс самоорганизации, система движется по пути, соответствующему меньшему значению производства энтропии. Значит, чем меньше производство энтропии, тем более организованна система. В этом главный смысл процесса самоорганизации, то есть в создании определенных структур из хаоса неупорядоченного состояния. Открытые системы

Следовательно, самоорганизация – это процесс спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка (хаоса) в открытых неравновесных системах. За счет роста флуктуаций при поглощении энергии из окружающей среды система достигает некоторого критического состояния и переходит в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и порядка по сравнению с предыдущим. Таким образом, возникающая из хаоса упорядоченная структура (аттрактор) является результатом конкуренции множества всевозможных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции идет самопроизвольный отбор наиболее адаптивной в сложившихся условиях структуры. На такой концепции построена модель универсального эволюционизма, где дарвинское учение об изменчивости, наследственности и естественном отборе получило фундаментальное методологическое обоснование.

Реализацией абсолютно хаотичного поведения в природе нам представляется броуновское, тепловое движение частицы. Но каков будет общий вектор движения такой частицы через достаточно большой, в идеале бесконечно большой промежуток времени, в каком направлении она сместится относительно своего начального положения, постоянно беспорядочно перепрыгивая то в одну, то в другую сторону, удаляясь, возвращаясь назад? Нетрудно догадаться, что общий вектор смещения бруновски движущейся частицы будет нулевым, она равновероятно будет смещаться во всех направлениях, векторы, направленные в противоположные стороны, складываясь, будут взаимоуничтожать друга, статистически такая частица будет неподвижна. В открытой системе различная плотность частиц внутри системы и вне нее уже является общей асимметрией для системы, граничные частицы находятся в других условиях по сравнению с частицами, располагающимися во внутренних областях системы, различие вероятности соударений с другими частицами направляет вектор движения частиц за пределы системы, в пространство с их меньшей концентрацией. Открытые системы

Мелкая выемка на дне сосуда Фото ячеек Бенара в тонком слое силиконового масла. Вид сверху. В 1900 году – эксперимент Х. Бенара (открытие ряда удивительных свойств открытых систем). Наблюдаемые в различных вариантах этого эксперимента структуры, названы ячейками Бенара. Объект эксперимента - вязкая жидкость налитая тонким слоем в сосуд круглой или прямоугольной формы. Латеральные размеры сосуда много больше толщины слоя жидкости. . Открытые системы

Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности — хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении им некоторого критического значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. Гексагональная укладка шарообразных тел является наиболее плотной, поэтому мы так часто встречаем её в природе: клетки эпителиального пласта, соты, пузырьки пены. Открытые системы

Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики совершенно невероятно. Ведь оно свидетельствует о том, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости как по команде начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в совершенно хаотическом движении. Создается впечатление, что каждая молекула «знает» , что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Само слово «синергетика» , кстати, как раз и означает «совместное действие» . )

Рассматривая систему, в которой возникают конвекционные потоки жидкости, как самоорганизующуюся, мы видим, как устойчивое равновесие в равномерно нагретой жидкости становится неустойчивым при нагревании, так что система вынуждена перейти к состоянию нового устойчивого равновесия с появлением макроскопических конвекционных потоков. Переход жидкости в это новое устойчивое состояние сопровождается критическими флуктуациями в виде отрывов микроскопических кластеров нагретой жидкости, которые во множестве рассеиваются в верхних слоях жидкости, не рождая стабильных макроскопических конвекционных потоков, пока, наконец, один или несколько из них не окажутся настолько велики, что перерастут в самоподдерживающийся процесс макроскопического конвекционного вращения жидкости. Открытые системы

Где в равномерно нагреваемой жидкости возникнет первая конвекционная ячейка, в каком направлении она будет направлена предсказать невозможно. Это может зависеть от бесконечно малых различий в размере критических флуктуаций, беспрерывно возникающих на всём пространстве нагреваемой жидкости. Фазовый переход, приводящий к появлению конвекционных ячеек, сопровождается потерей симметрии в жидкости. Если до него гипотетический микроскопический наблюдатель, двигающийся внутри слоя жидкости, не был в состоянии сказать, какой путь, и в каком направлении он прошёл, то после фазового перехода в жидкости появились макроскопические ориентиры: упорядоченные направленные конвекционные потоки, то есть пространство перестало быть симметричным, объём информации, содержащийся в нём, возрос, система самоструктурировалась, её энтропия уменьшилась. Итак, общие закономерности процессов самоорганизации, наблюдаемые в примере с возникновением конвекционных ячеек: переход из одного устойчивого состояния в другое, потеря симметрии, критические флуктуации в момент перехода, невозможность точного предсказания состояния системы после фазового перехода.

Следующий пример самоорганизации в динамической системе - лазер. Для синергетики это практически незаменимый, образцовопоказательный пример самоорганизации, который можно использовать в качестве аллегории для очень многих процессов, вплоть до социальных. Переход электротока в световую энергию в обычном источнике света происходит следующим образом: электрический ток, как известно, передаётся множеством свободно движущихся электронов, которые сталкиваются с отдельными атомами светоизлучающей субстанции, при столкновении свободно движущийся электрон передаёт часть собственной энергии атому, один из электронов атома переходит со своей орбиты на орбиту с более высоким энергетическим уровнем (более высокую), а затем спонтанно (то есть совершенно самопроизвольно, в непредсказуемый момент времени) возвращается на прежнюю орбиту. Освобождённую при его возврате энергию он отдаёт в виде кванта электромагнитного (светового) излучения - световой волны. В обычном источнике света множество отдельных электронов возбуждаются и испускают световые волны хаотично, не синхронизировано.

В лазере происходит нечто совершенно иное, возникает абсолютно упорядоченный, практически бесконечный волновой цуг. Лазер отличается от обычного источника света наличием зеркал. Световые волны, возникающие в лазере, способны сами возбуждать электроны светоизлучающей субстанции, что приводит к испусканию дополнительных световых волн. Зеркала нужны, чтоб задержать большинство образующихся световых волн внутри лазера. Чем больше волн будут взаимодействовать со светоизлучающей субстанцией продолжительное время, тем больше вероятность того, что они, взаимодействуя с атомами субстанции, произведут вторичные световые волны. От зеркал могут многократно отражаться лишь волны, имеющие длину, кратную расстоянию между зеркалами, то есть отражаются от зеркал и остаются между зеркалами только волны, которые укладываются между ними целиком один или несколько раз. Соответственно, волны именно этих длин начинают доминировать. Длина световой волны, как и частота её колебаний, зависит от её энергии. Электроны также по-разному взаимодействуют с различными волнами, при передаче энергии «отдавая предпочтение» волнам, частота которых, то есть несомая ими энергия, соответствует энергетическому уровню электрона. Именно эти волны, среди набора волн разной длины оказываются воспроизводимы возбуждёнными электронами снова. Возникает автокаталитический процесс: волна определённой частоты эффективней других возбуждает электроны, что приводит к испусканию электронами дополнительного количества подобных волн, возвращающихся после, чтоб снова возбудить электроны, которыми они произведены. Волны доминирующей частоты вытесняют волны других частот. В результате вся энергия световых электронов оказывается собранна в единую равномерно колеблющуюся волну. Волна, распространившая своё влияние и определившая своим поведением порядок в лазере, играет роль параметра порядка.

Поскольку параметр порядка вынуждает отдельные электроны двигаться совершенно синхронно, мы можем сказать, что параметр порядка подчиняет себе отдельные элементы системы. Верно и обратное: параметр порядка (то есть доминирование световой волны определённой длинны) есть результат синхронных колебаний отдельных электронов. Возникновение параметра порядка, с одной стороны, и когерентного поведения электронов, с другой, взаимно обуславливают друга; в таких случаях принято говорить о циклической причинности. Перед нами ещё один типичный пример синергетического поведения. Для обеспечения синхронности колебаний электронов должен существовать параметр порядка (в данном случае эту роль выполняет световая волна определённой частоты), однако доминирование самой световой волны определённой частоты возможно только благодаря синхронным колебаниям электронов. В самом начале процесса синхронизации световых волн имеет место конкурентная борьба и процесс отбора между волнами разной длины. Конкурентная борьба и процесс отбора происходят и между нарождающимися конвекционными потоками в нагреваемой жидкости, очевидно, эти феномены можно добавить к списку эффектов, характеризующих любой процесс самоорганизации.

Задача генерации есть задача чисто количественная. Необходимо возбуждать световые электроны атомов светоизлучающей субстанции с такой скоростью, чтоб они оказались в состоянии испускать световые волны достаточно быстро и эффективно для компенсации фотонов уходящих за пределы лазера. Другими словами, потери энергии волн должны перекрываться энергией, получаемой в результате вынужденного излучения. Итак, переход от света обычной лампы к лазерному свету происходит скачкообразно при повышении силы электрического тока, пропускаемого нами через газоразрядную трубку. Существует некое критическое значение силы тока, при котором происходит фазовый переход, самоорганизация светового потока в единую когерентную волну. Минимум производства энтрпии

Открытые системы будто бы структурируют энергию окружающей их среды, причем упорядоченная часть энергии остается внутри системы, а неупорядоченная энергия сбрасывается системой обратно в окружающую среду. А как же второй закон термодинамики?

Американский физик С. Хоукинг проделал любопытный подсчет. Если мы запомнили каждое слово в книге из двухсот страниц, то наша память записала около двух миллионов единиц информации. Именно на столько единиц увеличился порядок в нашем мозгу (уменьшилась энтропия). Но за время чтения книги мы переработали не менее 1000 ккал упорядоченной энергии в виде пищи в неупорядоченную в виде рассеянного в атмосфере тепла. Эта распыленная тепловая энергия увеличила беспорядок во Вселенной в 1020 раз больше, чем увеличился порядок в нашем мозгу. Таким образом, уменьшение энтропии в маленьком фрагменте материального мира дает существенный ее рост для более широкой системы, и второе начало термодинамики в целом не страдает.

Самоорганизации – это процесс в течении которого создается, поддерживается и совершенствуется организация сложной системы. Система — это определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или условиям. В понятие системы входит совокупность элементов и связей между ними. Под элементом системы понимается компонент системы, который далее, внутри данной системы, рассматривается как неделимый

Системы, исследуемые нелинейной наукой, обычно называют сложными; их свойства не сводимы к свойствам компонентов и проявляют вновь возникающие, или «эмерджентные» (от англ. emerge - возникать) черты Сложные системы

Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая механика, изучающая законы микромира, нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания числятся простыми. Простыми в том смысле, что в них входит маленькое число переменных, и поэтому взаимоотношение меж ними поддается математической обработке и выведению универсальных законов. Но, кроме обычных, есть сложные системы, которые состоят из огромного числа переменных и стало быть огромного количества связей меж ними. Чем оно больше, тем труднее поддается предмет исследования достижению конечного результата — выведению закономерностей функционирования данного объекта. Трудности исследования данных систем соединены и с тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных параметров, т. е. параметров, которых нет у её частей и которые являются следствием эффекта целостности системы. Понятие сложной системы

Такие сложные системы изучает, к примеру, метеорология — наука о погодных действиях. Конкретно потому, что метеорология изучает сложные системы, процессы образования погоды еще менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взор, кажется феном. Вправду, почему мы точно можем найти, в какой точке будет находиться Земля либо какое другое небесное тело через миллионы лет, но не можем точно предсказать погоду на завтра? Потому, что климатические процессы представляют еще более сложные системы, состоящие из большого количества переменных и взаимодействий меж ними. Сложные системы

В определенных условиях ничтожно малое воздействие на открытую систему может привести к значительным непредсказуемым последствиям (раскрытие неустойчивости). В открытых системах, далеких от равновесия, возникают эффекты согласования, когда элементы системы коррелируют свое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопические интервалы времени. Такое кооперативное, согласованное поведение характерно для систем различных типов: молекул, клеток, нейронов, отдельных особей и т. д. В результате согласованного взаимодействия происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса определенных структур, их преобразования и усложнения. Чем больше отклонение от равновесия, тем больший охват корреляциями и взаимосвязями, тем выше согласованность процессов, даже протекающих в отдаленных областях и, казалось бы, не связанных друг с другом. Сами процессы характеризует нелинейность, наличие обратных связей и связанные с этим возможности управляющего воздействия на систему.

На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции, то есть когда действие двух факторов на ситуацию вызывает эффект, который не имеет ничего общего с результатами отдельного действия каждого фактора. В нелинейных системах развитие идет по нелинейным законам, приводящим к многовариантности путей выбора и альтернатив выхода из состояния неустойчивости. Нелинейные системы

Классическая математическая физика (т. е. наука об исследовании математических моделей физики) имела с линейными уравнениями. Формально это уравнения, в которые неизвестные входят только в первой степени. Реально они описывают процессы, идущие одинаково при разных внешних воздействиях. С увеличением интенсивности воздействий изменения остаются количественными, новых качеств не возникает. Область применения линейных уравнений необычайно широка. Она охватывает классическую и квантовую механику, электродинамику и теорию волн. Методы их решения, разрабатывавшиеся в течение столетий, обладают большой общностью и эффективностью. Однако ученым все чаще приходится иметь дело явлениями, где более интенсивные внешние воздействия приводят к качественно новому поведению системы. Здесь нужны нелинейные математические модели. Их анализ — дело гораздо более сложное, но при решении многих задач он необходим. Это приводит к формированию широкого фронта исследований нелинейных явлений, к попыткам создать общие подходы, применимые ко многим системам (к таким подходам относится и синергетика). Современная наука все чаще формулирует свои закономерности, обращаясь к более богатому и сложному миру нелинейных математических моделей.

Сама неравновесность открытой системы порождает избирательность системы, ее специфические реакции на воздействия внешней среды. Тесная связь со средой отражается на функционировании систем; они как бы приспосабливаются к внешним условиям. Например, слабые воздействия среды могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем более сильные, но не гармонирующие с тенденцией развития системы.

Поведение системы может изменять внешнее действие: Обратная связь (англ. feedback — «фидбэк» — «обратное питание» ) — в широком смысле означает отзыв, отклик, ответную реакцию на какое-либо действие или событие. Если же оно уменьшает внешнее действие, то это отрицательная обратная связь. Особенный вариант — гомеостатические обратные связи, которые действуют, чтоб свести внешнее действие к нулю. Отрицательная обратная связь широко используется живыми системами разных уровней организации — от клетки до экосистем — для поддержания гомеостаза. Например, в клетках на принципе отрицательной обратной связи основаны многие механизмы регуляции работы генов, а также регуляция работы ферментов. В организме на этом же принципе основана система гипоталамо-гипофизарной регуляции функций, а также многие механизмы нервной регуляции, поддерживающие отдельные параметры гомеостаза (терморегуляция, поддержание постоянной концентрации диоксида углерода и глюкозы в крови и др. ). В популяциях отрицательные обратные связи (например, обратная зависимость между плотностью популяции и плодовитостью особей) обеспечивают гомеостаз численности. Гомеостаз - механизм, посредством которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на таком постоянном уровне, который обеспечивает его нормальную жизнедеятельность

Положительная обратная связь — это тип обратной связи, при которой выходной сигнал усиливает действие входного сигнала. Положительная обратная связь рассогласует систему, и, в конечном счёте, существующая система трансформируется в другую систему, которая оказывается более устойчивой (то есть в ней начинают действовать отрицательные обратные связи) Понятие обратной связи

Все системы можно поделить на системы с обратной связью и без такой. Наличие механизма обратной связи говорит о том, что система преследует какие-то цели, т. е. что её поведение целесообразно. Целесообразность

Простые стемы, без обратной связи, не имеющие цели и внешнего действия (атом, молекула, кристалл, механически соединенные тела, часовой механизм, термостат и т. п. ) — это неживые системы. Сложные системы с обратной связью, имеющие цель и «выполняющие заданную функцию» — это живые системы, или системы, созданные живым: вирус, бактерия, нервная система, многоклеточный организм, сообщество организмов, экологическая система, биосфера, человек и материальные системы, созданные человеком, — механизмы, машины, компьютеры, Интернет, производственные комплексы, хозяйственные системы, глобальная техносфера и, конечно, различные организации. В отличие от простых систем сложные системы способны к актам поиска, выбора и активного решения. Кроме того, они обязательно обладают памятью. Они выполняют функции, относимые ко внешней среде, — функции защиты от среды или работы по оптимизации среды, по меньшей мере, одну внешнюю функцию — функцию самосохранения. Целесообразность

Природная экосистема (биогеоценоз) устойчиво функционирует при постоянном взаимодействии ее элементов, круговороте веществ, передаче химической, энергетической, генетической и другой энергии и информации по цепям-каналам. Согласно принципу равновесия любая естественная система с проходящим через нее потоком энергии и информации имеет тенденцию к развитию устойчивого состояния. При этом устойчивость экосистем обеспечивается автоматически за счет механизма обратной связи. Обратная связь заключается в использовании получаемых данных от управляемых компонентов экосистем для внесения корректив управляющими компонентами в процесс. В водной экосистеме хищные рыбы (щука в пруду) поедают другие виды рыб-жертвы (карась); если численность карася будет увеличиваться - это пример положительной обратной связи; щука, питаясь карасем, снижает его численность-это пример отрицательной обратной связи; при росте числа хищников снижается число жертв, и хищник, испытывая недостаток пищи, также снижает рост своей популяции; в конце концов в рассматриваемом пруду устанавливается динамическое равновесие в численности и щуки, и карася. Постоянно поддерживается равновесие, которое исключало бы исчезновение любого звена трофической цепи. Понятие обратной связи

Синергетика (от др. -греч. συν- — приставка со значением совместности и ἔργον — «деятельность» ) — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «…Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…» Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем), и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат. С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда позиционируют как «глобальный эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции» , дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций подобно тому, как некогда кибернетика определялась, как «универсальная теория управления» , одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т. п. и т. д. Синергетика

Один из ее основателей, немецкий исследователь Герман Хакен (р. 1927), пытаясь объяснить широкой публике суть синергетических построений, изложил их так: Я бы выбрал следующие ключевые положения, раскрывающие сущность синергетики. 1. Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом. 2. Эти системы являются нелинейными. 3. При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия. 4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям. 5. Системы могут стать нестабильными. 6. Происходят качественные изменения. 7. В этих системах обнаруживаются эмерджентные новые качества. 8. Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры. 9. Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими. 10. Во многих случаях возможна математизация. Синергетика Хакен Герман (Hermann Haken, род. 12 июля 1927 г. ) — немецкий физиктеоретик, основатель синергетики. Изучал физику и математику в университетах Галле (1946— 1948) и Эрлангена (1948— 1950), получив степени доктора философии и доктора естественных наук. С 1960 г. по 1995 г. являлся профессором теоретической физики университета Штутгарта. До ноября 1997 г. был директором Института теоретической физики и синергетики университета Штутгарта. С 1995 г. является почетным профессором и возглавляет Центр синергетики в этом институте, а также ведет исследования в Центре по изучению сложных систем в университе Флориды (Бока Рэтон, США).

Синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы: 1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию, 2) выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности. Синергетика

Описанный процесс сильно напоминает механизм действия диалектического закона перехода количественных изменений в качественные. Однако в синергетических представлениях об этом механизме есть важная отличительная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана, решает случай! Но после того, как «выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда, между прочим, следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем — однозначно спрогнозировать нельзя. Синергетика

В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями: 1) хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность). Порядок и хаос не исключают, а дополняют друга: порядок возникает из хаоса; 2) линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а скорее исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции; 3) развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Значит, случайность — не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. А еще это значит, что нынешний путь эволюции системы может быть и. не лучше отвергнутых случайным выбором. Синергетика

Классические теории самозарождения сложных систем, особенно если это касается таких сверхсложных систем, как живые системы, плохо объясняют реальный процесс возникновения системы, теоретически описывая некоторые гипотетические аспекты этого процесса. Пользуясь этими теориями, нельзя реально запустить процесс зарождения, скажем, живой клетки, или точно смоделировать его на компьютере. Действительно работающая теория процессов самозарождения, самоорганизации, и методология, пытающаяся управлять этими процессами, появились лишь в синергетике. Сегодня вопросы самозарождения, самоорганизации, поддержания структурной сложности интересуют не только биологов. Новые вещества, обладающие невиданными ранее физическими и химическими свойствами, состоящие из сложнейших молекулярных структур будет выгодно синтезировать, только если найти методы их самосборки. Самосборка революционно упростит и удешевит процесс создания большого количества технических устройств, состоящих из однотипных деталей молекулярных размеров: микропроцессоры, нанороботы. Вопросы воспроизводства машинами самих себя, самообучения, самоорганизации нейронных сетей - всё это требует также синергетического подхода.

В политике государственным устройством, отражающим старое научное мировоззрение, могла бы быть, пожалуй, диктатура, с её попыткой максимального контроля над каждым элементом системы, управление такой системой должно отбирать львиную долю её ресурсов, кроме того, такая система всегда будет искусственной. Демократическое устройство общества гораздо более органично с точки зрения синергетики, поскольку опирается на естественную самоорганизацию социума с учётом природы, потребностей и стереотипов поведения большинства. Синергетический подход предполагает умение находить критические точки в организации социума, приложение к которым небольшого по энергозатратам направленного воздействия будет поддерживать или перестраивать всю организацию социума в целом. К диссидентам, личностям, отрицающим существующую организацию общества или исповедующим взгляды и принципы, отличные от взглядов и принципов большинства, в развитых демократических странах подход чисто статистический. Небольшой процент альтернативной информации или взглядов не в состоянии изменить систему в целом, поэтому на противодействие бывает не целесообразно тратить ресурсы. Кроме того, статистический разброс мнений и моделей поведения, как и разнообразие признаков в популяции, делает систему более устойчивой к внешним и внутренним потрясениям, более лабильной в плане эволюционных изменений. Диктатуры стремятся к тотальному искоренению инакомыслия, что приводит к неоправданным энергозатратам. При приближении к 100% результату затраты усилий на его достижение увеличиваются в логарифмической прогрессии до бесконечности. Чем бы мы не занимались, изучали иностранный язык или истребляли инакомыслящих, на достижение 80% результата у нас уйдёт, допустим, 2 года. Далее, на достижения 90% результата (т. е. чтоб продвинуться вперёд всего на 10%) будет необходимо ещё 2 года, затем у нас уйдёт ещё 2 года, чтоб продвинуться вперёд на следующие 5% и т. д. 100% результат же недостижим никогда, поэтому всегда приходится искать компромисс между качеством и энергозатратами .