Процессы самоорганизации происходят в каких системах. Свойства систем, способных к самоорганизации
Видно, что не только «жизнь создает порядок», законы самоорганизации оказываются общими как для живой, так и для неживой природы. Однако каким же образом из бесструктурной субстанции самообразуются временны́е и пространственные упорядоченные структуры? Чтобы это понять, необходимо выяснить, что общего во всех системах, способных к самоорганизации.
1. Прежде всего следует ответить на вопрос, не противоречит ли возникновение порядка из хаоса закону возрастания энтропии, в соответствии с которым энтропия - мера беспорядка - непрерывно возрастает. Обратите внимание на то, что этот закон сформулирован для замкнутых систем, т. е. для систем, не взаимодействующих каким-либо образом с окружением. Все приведенные ранее примеры относятся к открытым системам , т. е. к системам, обменивающимся с окружением энергией и веществом.
Понятно, что можно выделить замкнутую систему, в которой происходит самоорганизация. Например, представим себе изолированный от излучения звезд космический корабль, в котором произрастают растения. Очевидно, что в любой такой замкнутой системе можно выделить подсистему, в которой именно и происходит самоорганизация и энтропия которой убывает, в то время как энтропия замкнутой системы в целом возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики .
Процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.
2. Второй отличительной особенностью систем, способных к самоорганизации, является неравновесное, неустойчивое состояние, в котором они находятся.
Так, внешнее воздействие - нагревание сосуда приводит к разнице температур в отдельных макроскопических областях жидкости, возникают так называемые ячейки Бенара.
Состояние системы, далекой от равновесия, является неустойчивым в отличие от состояния системы, близкой к равновесию, и именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.
Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отличается от статистического равновесия.
3. Еще одна особенность способных к самоорганизации систем - большое число частиц, составляющих систему. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций - малых случайных возмущений, неоднородностей. Именно флуктуации способствуют переходу системы из неустойчивого состояния в более упорядоченное устойчивое состояние.
Наблюдать флуктуации достаточно сложно; как правило, они не проявляют себя в макроскопическом мире, где работают наши органы чувств.
Можно привести пример возникновения шумов в громкоговорителе при отсутствии передачи. Эти шумы появляются вследствие хаотического движения электронов в элементах радиотехнического устройства. Хаотическое движение электронов приводит к флуктуациям электрического тока, которые после усиления и преобразования в звук мы слышим.
Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему.
4. Процессы самоорганизации описываются достаточно сложными математическими уравнениями. Особенностью таких уравнений и соответственно систем, которые они описывают, является нелинейность . Это свойство, в частности, приводит к тому, что малые изменения в системе в какой-то момент времени могут оказать существенное влияние на дальнейшее развитие системы во времени. Именно в силу этого свойства процессы самоорганизации во многом определяются случайными факторами и не могут быть однозначно предсказаны.
Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями.
Рассмотренные выше организационные процессы, ведут к преобразованию систем, могут осуществляться в двух формах: целенаправленной сознательной деятельности человека (организации) и самоорганизации.
Одной из центральных проблем является проблема описания процесса самоорганизации, познание взаимоотношений между процессами целенаправленной организации и самоорганизации. Подступы к исследованию механизмов самоорганизации связаны с огромным многообразием и разнообразием этих механизмов. Ученые бьются над вопросами: что за механизмы лежат в основе этих процессов; каковы причины, вызывающие процессы самоорганизации систем; существуют ли какие-либо общие принципы; можно ли с помощью современного языка и знаний приблизиться к пониманию этих архисложных процессов?
Значение самоорганизации для природных и общественных процессов было предметом исследования, пусть на абстрактно-философском, даже богословском уровне, еще со времен Аристотеля. Как устроен мир; в чем первопричина целостности и устойчивости Вселенной, которая существует миллиарды лет, -- об этом написаны сотни трудов.
Основные научные предпосылки феномена самоорганизации заложены А.А. Богдановым в «Тектологии»; он исследовал различные структуры и их эволюцию как целого с позиций информационно-управленческих процессов. Один из стержневых тезисов этой работы -- сопряженность целенаправленной организации и некой «активности», которая преодолевает активность внешней среды. С помощью смены организационных форм реализуется тенденция сохранения более устойчивых форм в ущерб менее устойчивым. Вся его работа посвящена проблеме организационной целесообразности систем, неравновесных отношений как между элементами внутри системы, так и неравновесных отношений между системой и внешней средой. Говоря об истории вопроса, следует еще раз подчеркнуть, что исследования Богданова относятся к статусу общенаучных, они явились прологом кибернетики и синергетики.
Концепция самоорганизации -- одно из наиболее ярких и многообещающих направлений в научной жизни последнего десятилетия. В основе исследования процессов самоорганизации лежит ее междисциплинарный характер и системный подход. О самоорганизации пишут физики, философы, экономисты, химики, экологи, социологи и ученые других специальностей. Осознание связи всего со всем порождает потребность в их общем обсуждении. Взаимодействие наук по этой проблеме еще недостаточно интегрировано, однако связь становится более тесной: общий объект исследования, общность задач, обмен научными методами и идеями и т.д.
Недостаточная исследованность проблемы порождает различные толкования в определении понятия самоорганизации. В современных работах можно встретить совсем несхожие между собой определения: в одних явление самоорганизации объясняется внутренними причинами, т.е. доминирующая роль отводится внутренним взаимодействиям элементов системы; в других -- главными причинами самоорганизации систем называются внешние факторы, а стабилизация системы объясняется реакцией системы на воздействия внешней среды. Таким образом, концепция самоорганизации, ее теоретико-познавательный статус находятся в стадии становления.
Под самоорганизацией мы понимаем необратимый процесс, приводящий в результате кооперативного взаимодействия подсистем к образованию более эффективных структур с позиции системы.
Самоорганизация -- это основной процесс эволюции сложных систем состоящий из необратимых последовательных процессов (циклов) самоорганизации. Эволюция самоорганизации систем телеологична в том смысле, что сама по себе ведет ко все более совершенной (эффективной) структуре и динамике вещества, энергии и информации. Для самоорганизации не нужно вне- или надсистемное целеполагание. Условиями любой самоорганизации и эволюции являются:
- а) проток энергии через динамическую систему;
- б) гетерогенность, разнообразие системы;
- в) отбор -- элиминирование или разрушение отбракованных подсистем или элементов.
Выделяются три типа процессов самоорганизации:
процессы, благодаря которым происходит самозарождение организационной формы, т. е. возникновение качественно нового целостного формирования из некоторой совокупности объектов определенного уровня;
процессы, поддерживающие определенный уровень организационной формы при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования;
процессы совершенствования и саморазвития организационной формы, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.
Проблема самоорганизации стала интенсивно разрабатываться в кибернетике, в частности, в работах Н. Винера, Дж. фон Неймана, У. Эшби и др. Эти авторы связывали самоорганизацию со свойством управления и делали акцент на проблеме организации. Нетрудно убедиться, что самоорганизация здесь явно или неявно предполагает наличие либо внешнего агента (человека-организатора), либо цели, которая задается самоорганизующейся системе человеком.
Только в синергетике разработка проблемы самоорганизации вносит новый вклад в развитие теории организации, рассматривая вопрос об организации вне связи с управлением и акцентируя внимание на проблеме связи понятий организации и самоорганизации, порядка и беспорядка, энтропии и информации.
Эта точка зрения более продуктивна, так как, раскрывая содержание понятия «самоорганизация», обогащается понятие «организация». Организацию можно понять и определить через самоорганизацию, но не наоборот. Вполне возможно, что многочисленные попытки построения общей теории организации до сих пор не имеют успеха, в том числе из-за недостаточного внимания к феномену самоорганизации. Синергетика ставит перед собой задачу не только изучения данного феномена и максимизации (минимизации) синергетических эффектов, но и управления процессами самоорганизации. Термин «управляемое развитие» должен быть заменен термином «направляемое развитие».
Существует точка зрения, согласно которой в формировании организационных форм роль внешней среды доминирует, т. е. само возникновение материальных структур почти полностью определяется внешними факторами, поэтому рассматривать самоорганизацию лишь как внутреннее свойство системы в принципе неверно: самоорганизация невозможна без внешней среды.
Самоорганизация не является локальным процессом, протекающим независимо от внешней среды. Но хотя самоорганизация и зависит от типа внешней среды, от истории развития и возможных форм ее реализации, хотя внешние условия играют важную роль в выборе поведения материальных систем, последнее невозможно объяснить, исходя только из внешних факторов как определяющих.
Самоорганизацию целесообразно подразделять на самоорганизацию естественных и самоорганизацию искусственных систем. Очевидно, что до появления человека существовала естественная самоорганизация в «чистом» виде. И сейчас такие процессы самоорганизации происходят в природе естественным путем. К самоорганизации искусственных систем носятся процессы, которые совершаются в самоорганизующихся системах, созданных руками человека. Однако вполне очевидно, что природа процессов самоорганизации не зависит от типа систем, и естественные предпосылки ее возникновения, а также формализованный аппарат описания самого процесса идентичны.
Следует отметить, что не только в искусственных, но и во многих естественных системах человек способен оказывать влияние на управляющие параметры и «стохастические» силы и этим в известной мере предопределять момент изменения состояния системы (точка бифуркации) и соответственно сценарий развития самоорганизующейся системы. В этом случае можно говорить о размывании границы между процессами организации и самоорганизации.
По этой же причине нельзя говорить и о противопоставлении понятий «организация» и «самоорганизация», как нельзя ни сводить соотношение между этими понятиями к формально-логическому пониманию «шире -- уже» (оно носит сложный характер), ни противопоставлять их. Это два взаимодополняющих процесса. Примером тому может служить демографическая система, в которой наиболее ярко проявляется диалектическое единство организации и самоорганизации.
Раскрытие принципов самоорганизации зависит от понимания и адекватного определения понятия самоорганизации. Как следует из литературных источников, самоорганизация - это понятие для обозначения процесса структурообразования в результате действия внутренних детерминантов при специфических внешних условиях. При этом причиной возникновения структур являются внутренние детерминанты, внутренние свойства системы, внешние же условия (факторы) -- всего лишь поводом.
Таким образом, многие авторы при определении понятия самоорганизации совершенно верно указывают в качестве определяющих внутренние причины, однако при этом игнорируют (или опускают как нечто несущественное) факт открытости системы для внешних инициирующих воздействий.
Вместе с тем некоторые философы отдают предпочтение внешним детерминантам, т.е. считают, что роль внешней среды доминирует. В предложенном определении понятия самоорганизации наблюдается сближение двух точек зрения, но именно такой подход к пониманию самоорганизации представляется наиболее перспективным.
Самоорганизация в синергетическом понимании -- это процесс спонтанного образования высокоупорядоченных по времени и (или) в пространстве устойчивых структур в гетерогенных открытых неравновесных динамических системах любой природы вследствие внутрисистемных закономерностей при индуцировании внешними воздействиями.
Понятие самоорганизации тесно связано с более фундаментальными понятиями порядка и беспорядка. Проблема «порядок - беспорядок» привлекает внимание исследователей различных областей современной науки. Эти понятия, впервые возникшие в физике, используются для изучения широкого круга явлений не только в естественных, технических, но и в общественных науках, что говорит о необходимости последовательно развивать и уточнять представление о порядке и беспорядке в структуре материи.
Понятия «порядок» и «беспорядок» наряду с понятием «самоорганизация» являются ключевыми в синергетике, исследующей не только процессы образования устойчивых макроскопических структур в сложных неравновесных открытых динамических системах любой природы, как во времени, так и в пространстве, но и обратное явление - переход от упорядоченного состояния к хаосу. Самоорганизация и хаос, или, в более общем смысле, порядок и беспорядок, - это основные структурные характеристики материи.
Синергетику чаще всего рассматривают как науку о самоорганизации. Центральным в теории самоорганизации является термин «структура», или «паттерн». Грею Уолтеру принадлежит такое определение: «Понятие паттерн подразумевает любую последовательность явлений во времени или любое расположение предметов в пространстве, которое можно отличить от другой последовательности или другого расположения или сравнить с ними... Вообще говоря, можно считать, что науки возникают в результате поиска паттернов, а искусства - в результате создания паттерна, хотя между поисками и созданием паттерна существует более тесная связь, чем обычно полагают».
По аналогии с колебаниями паттерны можно разделить на свободные, вынужденные и автопаттерны (рис. 7.1). Под автопатгернами будем понимать локализованные пространственные образования, устойчиво существующие в диссипативных неравновесных средах и не зависящие (в конечных пределах) от граничных и начальных условий. Самое главное в этом определении и раскрывающее смысл добавки «авто» к слову паттерн - независимость от изменения начальных и граничных условий. Также как и в случае автоколебаний, подобная независимость может быть только в средах с диссипацией, которая понимается весьма обще.
Рис. 7.1. Классификация структур (паттернов)
Поскольку образование автопатгернов - результат развития пространственно неоднородных неустойчивостей с их последующей стабилизацией за счет баланса между диссипативными расходами и поступлением энергии от источника неравновесности, то процесс образования автопаттерна похож на установление колебаний в распределенных автоколебательных системах (РАС). Для последних определение звучит так: РАС - неконсервативная система, в которой в результате развития неустойчивости возможно установление волновых или колебательных движений, параметры которых (амплитуда и форма колебаний и волн, частота, а в общем случае спектр колебаний) определяются самой системой и не зависят от изменения начальных условий.
Представим себе стоящие на ребре фишки домино. Такие фишки при малых их отклонениях от такого положения снова возвращаются в него. Другими словами, состояние в виде стоящей на ребре фишки устойчиво относительно малых возмущений. Но мы хорошо знаем, что если достаточно сильно толкнуть крайнюю фишку, то это приведет к самораспространяющейся волне последовательного падения фишек вдоль линии их построения (рис. 7.2). Причина этого явления связана с тем, что в исходном состоянии каждая стоящая фишка (по сравнению с лежащей) обладает потенциальной энергий W = mgh , где m - масса фишки, 2h - ее высота. Кроме того, и это существенно, соседние фишки, т.е. элементы системы, взаимодействуют между собой: каждая падающая фишка толкает соседнюю и роняет ее. В рассматриваемом случае самораспространяющаяся волна падения фишек представляет собой автоволну переключения системы из метастабильного состояния с потенциальной энергией W = mgh в более выгодное состояние с меньшей энергией W = 0 . При таком переключении запасенная в фишках потенциальная энергия необратимо переходит в тепло, выделяющееся при падении фишек. Скорость и профиль такой автоволны переключения постоянны и не зависят от начального толчка первой фишки домино.
Рис. 7.2. Автоволна последовательного падения фишек домино. Внизу: профиль автоволны - положения центра тяжести фишек
Самым широким является определение самоорганизации как установления в диссипативной неравновесной среде пространственных паттернов (вообще говоря, эволюционирующих во времени), параметры которых определяются свойствами самой среды и слабо зависят от пространственной структуры источника неравновесности (энергии, массы и т.д.), начального состояния среды и условий на границах. Примеры самоорганизации, о которых далее пойдет речь, можно сказать, являются классическими - почти в каждой книге по самоорганизации этим примерам уделяется достойное место. Во многом, это объясняется тем, что в достаточно простых системах, которые мы и будем обсуждать, удается без различных ухищрений пронаблюдать образование структур возрастающей сложности.
Структуры Тьюринга. Тьюринг в 1952 г. попытался объяснить, почему некоторые живые организмы имеют близкое к периодическому строение. Сюда же примыкает задача о выяснении механизма возникновения пятен на шкуре животных. Тьюринг показал, что в первоначально однородной среде, в которой протекают химические реакции с диффузией, может установиться периодическое в пространстве и стационарное во времени распределение концентраций. Проблема морфогенеза - одна из центральных в исследовании самоорганизации. Главное в проблеме - ответить на вопрос: «Откуда первоначально недифференцированные клетки знают, где и каким образом дифференцироваться?» В отдельных клетках, как следует из экспериментов, такой информации нет. Находясь в ткани, клетка получает информацию о своем положении от других клеток, после чего идет дифференциация. Известно, что в экспериментах, произведенных на эмбрионах, клетка из центральной части тела после пересадки в головной отдел развивалась в глаз. В этих экспериментах доказано, что клетки не располагают информацией о своем последующем развитии, например, через ДНК, а извлекают ее из своего положения в клеточной ткани. Тьюринг предположил, что носителем такой «позиционной информации» служит химическая структура - «морфоген», возникающая благодаря совместному действию химических реакций и диффузии. Сейчас предполагается, что при достаточно высокой концентрации морфогенов в работу включаются гены, что и приводит к дифференциации клеток. Следует, правда, отметить, что существование морфогенов до настоящего времени окончательно не установлено, за исключением некоторых косвенных подтверждений.
Одна из наиболее известных реакционно-диффузионных моделей морфогенеза принадлежит А. Гиреру и X. Мейнхардту (далее - модель ГМ). Модель ГМ основана на том, что все клетки развивающегося организма могут продуцировать два морфогена: активатор и ингибитор, которые могут диффундировать в другие клетки. Если диффузии нет (например, в случае идеального перемешивания), то в результате взаимодействия морфогенов система достигнет однородного стационарного состояния. Диффузия морфогенов с одинаковыми скоростями приведет к тому же: любое пространственное отклонение от стационарного состояния будет сглаживаться. К чему приведет разная скорость диффузии морфогенов? Малое пространственное возмущение может стать неустойчивым, и начинает расти пространственная структура, поскольку скорости реакции в любой заданной точке могут не успеть «подстроиться» друг к другу достаточно быстро. Такую неустойчивость называют диффузионной, а механизм образования структур - активаторно-ингибиторным.
Красивая аналогия, образно поясняющая активаторно-ингибиторный механизм образования структур в распределении концентрации морфогенов, дана в статье Марри: «Пусть имеется очень сухой лес, иными словами, есть все условия для лесного пожара. Чтобы свести к минимуму возможный урон, по всему лесу рассредоточены пожарные с противопожарным снаряжением и вертолеты. Теперь представим, что вспыхивает пожар (активатор). От мест воспламенения начинает двигаться фронт огня. Первоначально поблизости от места пожара недостаточно пожарных (ингибитора), чтобы погасить огонь. Однако с помощью вертолетов пожарные могут обогнать фронт огня и обработать деревья реактивами, которые не позволяют им загореться. Когда огонь достигнет обработанных деревьев, он погаснет. Фронт остановится. Если пожары спонтанно возникают в разных местах леса, то через какое-то время сформируются несколько распространяющихся фронтов огня (волн активации). В свою очередь, это заставит пожарных на вертолетах (волны ингибирования) обогнать каждый фронт и остановить его на некотором расстоянии от места воспламенения. Конечным результатом такого сценария будет лес с черными пятнами сгоревших деревьев, перемежающимися с пятнами зеленых нетронутых деревьев. В принципе полученная картина имитирует результат, даваемый реакционно-диффузионными механизмами, обусловленными диффузией».
Ячейки Бенара. Другим классическим примером самоорганизации являются ячейки Бенара. Слой жидкости (чаще всего силиконовое масло) находится в сосуде, обычно круглой или прямоугольной формы. На жидкость действует сила тяжести. Нижний слой жидкости подогревают, а верхнюю поверхность поддерживают при постоянной температуре (например, комнатной), которая ниже, чем температура нагревателя. Понятно, что устанавливается разность температур между верхней и нижней поверхностями жидкости (физики часто называют эту разность температур градиентом температуры), в результате чего возникает поток тепла снизу вверх. Так происходит всегда: теплота от более нагретых тел стремится перейти к менее нагретым.
Если градиент температуры мал, то перенос тепла осуществляется на микроскопическом уровне: из школьного курса физики известно, что теплота - это не что иное, как движение молекул жидкости. Чем больше температура, тем интенсивнее это так называемое тепловое движение молекул, тем больше скорость молекул. Молекулы жидкости сталкиваются между собой, и при столкновении «более быстрой» молекулы с «более медленной» первая молекула отдает часть энергии второй. Понятно, что в рассматриваемом слое жидкости в нижних слоях температура больше, соответственно, интенсивнее и тепловое движение молекул в этих слоях. В верхних же слоях меньше температура и менее интенсивное движение молекул. В результате взаимодействия «быстрых молекул» с «медленными молекулами» осуществляется передача тепла от нижних слоев к верхним без макроскопического движения жидкости. Под словами «макроскопическое движение жидкости» имеется в виду следующее: если мысленно выделить в жидкости некоторый малый объем и следить за всеми молекулами, заключенными в нем, то увидим, что все молекулы из этого объема, участвуя в хаотическом движении (т.е. двигаясь беспорядочно), наряду с этим совершают коллективное движение в некотором направлении, причем их перемещения оказываются много больше размеров молекул. И наоборот, когда говорим о «микроскопическом движении», то подразумеваем, что молекулы участвуют только в тепловом движении, и никаких направленных потоков жидкости нет.
Возрастая, градиент температуры достигает критического значения, и тогда внезапно (точнее говоря, лучше сказать «внешне внезапно») устанавливается макроскопическое движение жидкости, образующее четко выраженные структуры: на одних участках нагретая жидкость поднимается и затем охлаждается у верхней поверхности, на других - опускается (см. рис. 7.3). Именно в результате этого и возникает движение в виде цилиндрических или шестигранных ячеек. Эти ячейки, по внешнему виду напоминающие пчелиные соты, получили название ячеек Бенара.
Рис. 7.3. Возникновение шестигранных ячеек при конвекции Бенара в тонком слое жидкости. Сверху показаны линии тока жидкости в режиме Бенаровской конвекции. На нижнем кадре показан экспериментальный снимок конвекции Бенара. Снимок демонстрирует шестигранную конвективную структуру в слое силиконового масла глубиной 1 мм при равномерном нагреве снизу. Если верхняя граница свободна, то течение создается неоднородностями поверхностного натяжения, а не плавучестью. Свет, отраженный от алюминиевых хлопьев, демонстрирует подъем жидкости в центре каждой ячейки и ее опускание на краях
Рябь Фарадея. Если кювету, в которую налит слой жидкости с достаточно большой вязкостью (силиконовое масло) периодически «трясти» в вертикальном направлении, то на поверхности жидкости могут образовываться структуры, напоминающие по форме прямоугольники. Первым, кто наблюдал подобные структуры еще в 1831 году, был Майкл Фарадей.
Вихри за движущимся объектом. Говоря о самоорганизации в гидродинамике, стоит упомянуть еще один класс структур, имеющих важное практическое значение. Речь идет о вихрях, которые образуются при обтекании жидкостью или газом движущихся объектов, таких как самолеты, автомобили, суда. И здесь важное значение для образования структуры вихря имеет скорость движущегося объекта и его геометрия. Наблюдать подобные вихри легко можно в неглубоком слое жидкости: вам необходимо, опустив в воду какой-либо объект (например, кончик карандаша), двигать его в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. При этом, при небольших скоростях будут наблюдаться два «уса» волн, двигающихся за карандашом. Угол между этими «усами» зависит от скорости его движения. С увеличением скорости ситуация изменяется: за движущимся объектом начинают образовываться вихри, которые затем отрываются от него, но еще некоторое время двигаются вслед за объектом по инерции. Оказывается, что критическое значение скорости, при превышении которого начинается процесс образования вихрей, зависит от геометрических размеров движущегося тела: например, чем больше диаметр движущегося объекта (если мы рассматриваем объект цилиндрической формы), тем при меньшем значении скорости движения начинают формироваться вихревые структуры. Это так называемая дорожка Кармана (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Вихревая дорожка Кармана за круговым цилиндром
Процессы самоорганизации в человеческом обществе. Не стоит думать, что поле деятельности синергетики ограничивается только естественно-научным направлением. Процессы самоорганизации имеют место и в экологии, экономике, социологии, демографии и т.д. Например, задумывались ли вы над вопросом, почему на одинаковые товары устанавливается почти одинаковая цена? Вам кажется это само-собой разумеющимся? Но ведь продавцы могут устанавливать на свои товары свои цены, разные, их вроде бы никто не заставляет «держать» одинаковые цены. Тем не менее цена-то одинаковая. Это как раз пример процесса самоорганизации, который представляет интерес для синергетики.
Существует еще масса различных примеров, но мы остановимся лишь на одном. Оказывается, что «формирование общественного мнения» (которое можно, безусловно, определить по-разному) - коллективное явление. Один из его механизмов, имеющий, по-видимому, фундаментальное значение, был обнаружен в результате опытов Соломона Эша. Основная идея этих экспериментов заключалась в следующем: группе, состоявшей примерно из десяти «испытуемых», предлагалось ответить на простой вопрос, например, указать, с какой из трех различных по длине линий совпадает предъявленный отрезок (рис. 7.5). За исключением одного настоящего испытуемого, все остальные члены группы были помощниками экспериментатора, о чем испытуемый, естественно, не подозревал. В первом опыте помощники давали правильный ответ, и испытуемый, естественно, тоже. В последующих опытах помощники давали неверные ответы, и 60% испытуемых также давали неверные ответы. Это свидетельствует о том, что мнение остальных членов группы явно влияет на мнение индивидуумов. Последний эффект известен в психологии как проявление комфортности к мнению незнакомых людей и должен обязательно учитываться, например, при опросе свидетелей при судопроизводстве и т.п. Заметим, что так как в процессе формирования общественного мнения индивидуумы оказывают друг на друга взаимное влияние, то и это явление может быть проанализировано методами синергетики.
Рис. 7.5. Схема опыта С.Эша. Участники эксперимента должны были выбирать на карточке Б линию, которая совпадает по длине с линией на карточке А. Во время исследований испытуемый сталкивался с тем, что все остальные участники единодушно оценивали линию 1 на карточке Б как равную линии-образцу
Интересно то, что формирование структуры в опытах Эша можно сравнительно легко разрушить. Давайте представим себе, что одинокий испытуемый получил бы небольшую поддержку, т.е. еще один человек высказал бы мнение, противоречащее неверной оценке большинства. Что тогда? Эш провел эксперимент, когда один из его помощников отклонился от общей тенденции в ходе одного из исследований и открыто выразил несогласие с большинством. При соблюдении этого условия настоящие испытуемые проявили конформизм только в 6% случаев. Степень комфортности снижалась и в тех случаях, когда испытуемый получал возможность отвечать в частном порядке, т.е. вне пределов слышимости большинства исследуемой малой группы. С другой стороны, комфортность увеличивается, если группа оказывается привлекательной для индивида. Если вам нравятся люди, которые составляют большинство, вы просто обречены на бо льшую комфортность, поскольку вы хотите им понравиться и не оказаться отверженными. Все вышеперечисленное может рассматриваться как некоторые управляющие параметры подобной социальной системы, хотя их формализованная формулировка, а не интуитивное понимание, оказывается достаточно сложным, а может быть и невозможным. Это тот случай, когда гуманитарные науки привносят в синергетику новые примеры и заставляют искать исследователей новые методы описания наблюдаемых «нефизических» явлений. Очевидно, что из анализа таких простых экспериментов становятся более понятными многие мотивы поведения людей, что определяет важность подобных исследований, в том числе и с применением аппарата синергетики.
Много интересных примеров образования подобных структур в малых социальных группах описано в книге Роберта Чалдини Психология влияния. В этой же книге подробно обсуждаются механизмы, приводящие к образованию подобных структур в общении людей, например, психологические методики и стратегии, позволяющие влиять на субъектов общения и навязывать то или иное мнение и индивидуальное поведение людям, подобно тому как это имело место в опыте С. Эша. Так Чалдини утверждает, что во многом такое влияние возможно благодаря определенным паттернам поведения и реакции людей. В частности, он пишет следующее: «Этологи, исследователи, которые изучают поведение животных в естественном окружении, обратили внимание на то, что в поведении представителей многих видов животных часто имеют место жесткие автоматические модели. Называемые жестко фиксированными моделями (паттернами) поведения, эти автоматические последовательности действий заслуживают особого внимания, поскольку они имеют сходство с определенным автоматическим... реагированием людей. Как у людей, так и у животных данные модели, как правило, приводятся в действие каким-то одним элементом информации. Это единственная специфическая черта играет роль спускового крючка, она часто оказывается очень ценной, поскольку позволяет индивиду принимать правильное решение без тщательного и полного анализа всех остальных элементов информации в конкретной ситуации. Преимущество такого стереотипного реагирования заключается в его эффективности и „экономичности"; автоматически реагируя на несущую основную информацию черту - „спусковой крючок", индивид сохраняет свое время, энергию и умственный потенциал...»
Все эти механизмы уступчивости или влияния основаны на определенных паттернах (или, как часто говорят психологи, стереотипах, или казуальных схемах) поведения, «зашитых» в психологию человека, который склонен в большинстве случаев автоматически, не раздумывая реагировать на внешнюю информацию в соответствии с заранее усвоенными причинно-следственными связями.
Рассмотренные выше организационные процессы, ведущие к преобразованию систем, могут осуществляться в двух формах: 1) целенаправленной сознательной деятельности человека - организации и 2) самоорганизации.
Выделяются три типа процессов самоорганизации:
· процессы, благодаря которым происходит самозарождение организационной формы, т. е. возникновение качественно нового целостного формирования из некоторой совокупности объектов определенного уровня;
· процессы, поддерживающие определенный уровень организационной формы при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования;
· процессы совершенствования и саморазвития организационной формы, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.
Интенсивно проблема самоорганизации стала разрабатываться в кибернетике, в частности, в работах Н. Винера, Дж. фон Неймана, У. Эшби и др., где неразрывно связывалась со свойством управления и акцент делался на проблеме организации. Нетрудно убедиться, что самоорганизация здесь явно или неявно предполагает наличие либо внешнего агента (человека-организатора), либо цели, которая задается самоорганизующейся системе опять-таки человеком.
Однако только в синергетике разработка проблемы самоорганизации вносит новый вклад в развитие теории организации, рассматривая вопрос об организации вне связи с управлением и акцентируя внимание больше на проблеме связи понятий организации и самоорганизации, порядка и беспорядка, энтропии и информации.
Эта точка зрения, на наш взгляд, более продуктивна, так как раскрывая содержание понятия «самоорганизация», мы тем самым автоматически обогащаем понятие «организация». Организацию можно понять и определить через самоорганизацию, но не в коей мере не наоборот. Вполне возможно, что многочисленные попытки построения общей теории организации до сих пор остаются тщетными, в том числе из-за недостаточного внимания, проявляемого к изучению феномена самоорганизации. Синергетика ставит перед собой задачу не только изучения данного феномена и задачу максимизации (минимизации) синергетических эффектов, но и управления процессами самоорганизации. Существующий термин «управляемое развитие» должен быть заменен термином «направляемое развитие».
Существует точка зрения, согласно которой в формировании организационных форм роль внешней среды доминирует, т. е. само возникновение материальных структур почти полностью определяется внешними факторами, поэтому рассматривать самоорганизацию лишь как чисто внутреннее свойство системы было бы в принципе неверно: самоорганизация невозможна без внешней среды.
Самоорганизация не является каким-то локальным процессом, протекающим независимо от внешней среды. Наряду с фактом очевидной связи со всей внешней пространственно-временной средой самоорганизация материальных систем зависит от предыдущей истории. Но хотя самоорганизация и зависит от типа внешней среды, от истории развития и возможных форм ее реализации, хотя внешние условия играют важную роль в выборе поведения материальных систем, невозможно объяснить последнее исходя только из внешних факторов как определяющих детерминантов.
Раскрытие принципов самоорганизации существенно зависит от понимания и адекватного определения понятия самоорганизации. Как следует из литературных источников, самоорганизация - это понятие для обозначения процесса структурообразования в результате действия внутренних детерминантов при специфических внешних условиях. Причем причиной возникновения структур являются внутренние детерминанты, внутренние свойства системы, внешние же условия (факторы) - всего лишь повод.
Таким образом, многие авторы при определении понятия самоорганизации совершенно верно указывают в качестве определяющих внутренние причины, однако при этом игнорируют (или опускают как нечто несущественное) факт открытости системы для внешних инициирующих воздействий. Вместе с тем некоторые философы отдают предпочтение внешним детерминантам, т. е. считают, что роль внешней среды доминирует. В предложенном определении понятия самоорганизации, как нетрудно увидеть, наблюдается сближение двух точек зрения, но именно такой подход к пониманию самоорганизации является наиболее перспективным.
Самоорганизация в синергетическом понимании - это процесс спонтанного образования высокоупорядоченных по времени и (или) в пространстве устойчивых структур в гетерогенных открытых неравновесных динамических системах любой природы вследствие внутрисистемных закономерностей при индуцировании внешними воздействиями.
Понятие самоорганизации тесно связано с более фундаментальными понятиями порядка и беспорядка.
Проблема порядок-беспорядок привлекает внимание исследователей самых различных областей современной науки. Эти понятия впервые возникшие в физике, используются для изучения широкого круга явлений не только в естественных, технических, но и в общественных науках, что говорит о необходимости последовательно развивать и уточнять представление о порядке и беспорядке в структуре материи.
Понятия «порядок» и «беспорядок» наряду с понятием самоорганизации являются ключевыми в синергетике, исследующей не только процессы образования устойчивых макроскопических структур в сложных неравновесных открытых динамических системах любой природы как во времени, так и в пространстве, но и обратное явление - переход от упорядоченного состояния к хаосу. Самоорганизация и хаос или, в более общем смысле, порядок и беспорядок - это основные структурные характеристики материи .
1. Теория самоорганизации
Заключение
Список литературы
Введение
Самоорганизация - целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Свойства самоорганизации обнаруживают объекты различной природы: клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив .
Основной критерий рaзвития сaмооргaнизующихся систем - увеличение зaпaсa свободной энергии, которaя может быть высвобожденa для совершения полезной рaботы. При этом aбсолютно не вaжнa природa сaмой системы - будь то примитивнaя тепловaя мaшинa или экономикa огромной стрaны - если системa нерaвновеснa и обменивaется веществом и энергией с окружaющей средой, для нее спрaведливы все нaиболее общие зaкономерности рaзвития. К примеру в привычных терминaх мaрксистской политэкономии укaзaнный критерий рaзвития формулируется кaк зaкон прибaвочной стоимости или добaвочного продуктa - дело лишь в обознaчениях, a по смыслу эти понятия изоморфны. И если в дaльнейшем кaкие-либо сугубо экономические кaтегории, трaктуемые с энерговещественной точки зрения, покaжутся неоднознaчными или дaже спорными, стоит зaдумaться - a столь ли всеобщей является нaукa экономикa, может в ней покудa не открыты ряд фундaментaльных зaконов?
Цель работы – рассмотреть процессы самоорганизации.
Задачи работы – определить теорию самоорганизации; охарактеризовать неравновесные процессы и открытые системы; изучить самоорганизацию диссипативных структур.
Небезызвестный Г.Беккер недaвно получил Нобелевскую премию зa теорию экономической мотивaции социaльных явлений, однaко те же сaмые мотивaции элементaрно следуют из принципa нaименьшего действия, известного в физике кaк минимум сотню лет.
Возврaщaясь ко всеобщим энерговещественным зaкономерностям прогрессирующего рaзвития, отметим, что в сопряженной системе рост свободной энергии возможен кaк зa счет внешних фaкторов - экстенсивный путь рaзвития, тaк и зa счет внутренних - интенсивный. В реaльных условиях, когдa мощность сопрягaющего потокa конечнa, экстенсивное рaзвитие всегдa имеет предел, после которого для продолжения рaзвития системе необходимо переходить нa интенсивный путь, связaнный с ростом эффективности использовaния получaемой энергии, увеличением собственого к.п.д., что будет ознaчaть концентрировaние энергии в единице объемa. Если для экстенсивного пути рaзвития хорошим aнтропогенным aнaлогом является нaрaщивaние мощности мускулaтуры, то для интенсивного весьмa покaзaтельным будет следующий бытовой пример. Мы приклaдывaем примерно рaвные мышечные усилия при рaсчесывaнии волос и при бритье, однaко в последнем случaе тa же энергия концентрируется нa микронной поверхности и создaет дaвление порядкa сотен aтмосфер, что сопостaвимо с лучшими промышленными прессaми и во много крaт превышaет физические возможности человекa. Концентрировaннaя энергия выполняет большую рaботу, нежели неконцентрировaннaя - в этом суть интенсивного этaпa рaзвития, нa котором сегодня нaходится человечество.
Однaко, и интенсивный путь рaзвития не может быть бесконечным - при к.п.д., близком к единице, он зaвершaется - системе рaзвивaться дaльше просто некудa. В этом состоянии выбор невелик - либо дегрaдировaть, исчерпaв весь зaпaс ресурсa , либо зaмкнуть энерговещественные циклы и функционировaть рaвновесно. В результaте подобного естественного отборa сохрaняются лишь те системы, которые функционируют нa принципaх зaмкнутых циклов - этот тип рaзвития получил нaзвaние экологического. Следует отметить, что исследовaние всех в принципе возможных способов обменa веществом и энергией в aбстрaктной сaмооргaнизующейся системе привело к структуре, с точностью до мелких детaлей совпaдaющей со структурой экосистем, определенной в экологии эмпирически. Это является дополнительным подтверждением необходимости переориентaции техносферы нa биологические принципы функционировaния, свойственные именно экологическому типу рaзвития.
Выводы очевидны. Первый зaключaется в неизбежности переходa любой рaзвивaющейся мaтериaльной системы от экстенсивного пути рaзвития к интенсивному, a зaтем и экологическому. Сегодня по всем признaкaм мы нaходимся нa этaпе переходa к интенсивной модели, и несмотря нa все рaзговоры о постиндустриaльной эпохе, пройдет еще немaло времени до того моментa, когдa человечество зaмкнет циклы. Второй вывод отдaет нaлетом фaтaльности - с энерговещественной точки зрения любое рaзвитие огрaничено. Дaже если удaстся решить проблему термоядерного синтезa, то aссимиляционнaя способность среды все-рaвно не позволит человечеству рaзвивaться беспредельно и венцом его рaзвития по-прежнему будут зaмкнутые энерговещественные циклы.
Ознaчaет ли это конец истории? Безусловно нет, и здесь будет уместнa следующaя эволюционнaя aнaлогия. При формировaнии биосферы вся солнечнaя энергия внaчaле шлa нa увеличение биомaссы. Когдa же циклы зaмкнулись и биомaссa плaнеты стaбилизировaлaсь, стaло можно вести речь о том, что вся поступaющaя энергия прaктически целиком преврaщaлaсь в информaцию - рaзнообрaзие биоты, способов ее существовaния, первичных нaвыков, позже - непосредственно в человеческие знaния. То есть суть экологического пути рaзвития - опосредовaнaя трaнсформaция энергии в информaцию, знaния. Прогресс и дaльнейшее рaзвитие безусловно будут, но в принципиaльно иной – интеллектуальной сфере. Переход к этому этaпу рaзвития ознaменуется мaсштaбным мировым кризисом, ниспровергaющим сложившуюся систему мaтериaльных ценностей и утверждaющим в кaчестве основной ценности внутренний мир человекa, его индивидуaльный и коллективный рaзум. Все мaтериaльное, о чем тaк печется современный человек, будет игрaть вспомогaтельную роль, кaкую выполняет, нaпример, электричество для компьютерa, нa первый плaн выйдет информaция, знaния, смысл .
2. Неравновесные процессы и открытые системы
Кристаллы - упорядоченные равновесные структуры. В природе существуют и иные упорядоченные структуры, которые возникают в диссипативных системах. Диссипативная система является подсистемой больших неравновесных термодинамических систем.
Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли - под действием солнечного излучения - самоорганизация на Земле.
2. Ячейки Бенара - самоорганизация в физических явлениях
3. Химическая реакция Белоусова-Жаботинского - самоорганизация в химии
Под воздействием BrO3-, H+ в растворе происходят реакции:
Ce3+-> Сe4+ - окисление, цвет раствора голубой.
Сe4+ -> Сe3+ - восстановление, цвет раствора красный. Таким образом, имеется автоколебательный процесс изменения концентрации четырехвалентного церия с одновременным варьированием цвета
На поверхности раствора появляются поверхностные волны (химические спиральные волны)
4. Динамика популяций хищников и их жертв - самоорганизация в биологии.
Неравновесные процессы с возникновением в системах упорядоченных структур - диссипативных структур. Самоорганизация не связана с особым классом веществ, но она существует лишь в специальных системах, удовлетворяющих условиям:
а) открытые системы, т.е. открытые для притока энергии (вещества) извне;
б) макроскопические системы, т.е. системы описываются нелинейными уравнениями.
Следует также отметить, что диссипативные структуры являются устойчивыми образованиями, и их устойчивость определяется устойчивостью внешнего источника энергии .
3. Самоорганизация диссипативных структур
Самоорганизующимися процессами называют процессы, при которых возникают более сложные и более совершенные структуры. Это определение позволяет выделить самоорганизацию как один из возможных путей эволюции и отнести этот процесс к условиям, далеким от термодинамического равновесия. Эволюция может приводить и к деградации. Так, в закрытых системах, когда движущая сила процесса - стремление системы к минимуму свободной энергии, достигаемое равновесное состояние является наиболее хаотическим состоянием среды. Если же эволюция системы контролируется минимумом производства энтропии (неравновесные условия), происходит самоорганизация динамических структур, названных диссипативными. К диссипативным структурам относятся пространственные, временные или пространственно-временные структуры, которые могут возникать вдали от равновесия в нелинейной области, если параметры системы превышают критические значения. Диссипативные структуры могут перейти в состояние термодинамического равновесия только путем скачка (в результате неравновесного фазового перехода). Основные их свойства следующие:
они образуются в открытых системах, далеких от термодинамического равновесия, в результате флуктуации до макроскопического уровня;
их самоорганизация происходит в результате экспорта энтропии;
возникновение пространственного или временного порядка аналогично фазовому переходу;
переход в упорядоченное состояние диссипативной системы происходит в результате неустойчивости предыдущего неупорядоченного состояния при критическом значении некоторого параметра, отвечающем точке бифуркации;
в точке бифуркации невозможно предсказать, в каком направлении будет развиваться система, станет ли состояние хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности.
