Концепции самоорганизации и управления синергетика и кибернетика

ü синергетика (Г. Хакен),

ü термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин),

ü концепция эволюции органических молекул (М. Эйген),

ü концепция эволюции открытых каталитических систем (А.П. Руденко)

ü теория катастроф (Р. Том).

Синергетика – по определению ее создателя – немецкого физика Г. Хакена – занимается изучением систем, состоящих

из многих подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди… Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

В синергетике возникновение упорядоченных сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуации, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле, к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир. Самоорганизация, по Г. Хакену, – это «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса». Переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному происходит за счет совместного и синхронного действия многих подсистем (или элементов), образующих систему.

Г. Хакен выделил кооперативные (коллективные) процессы во всех самоорганизующихся системах. Первоначально сферой приложения синергетики Г. Хакена была квантовая электроника и радиофизика. Ярким примером самоорганизации может служить система, изученная им – лазер. Этот прибор создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники света – лампы накаливания, газоразрядные лампы – создают оптические излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Роль рабочего вещества в твердотельном лазере выполняет монокристалл (чаще всего рубин), в котором имеются активные атомы, возбужденные энергией, подведенной извне в процессе так называемой «накачки» энергии. Пока мощность накачанной энергии мала, атомы в кристалле возбуждаются не согласовано и излучают световые микроволны тоже разрозненно по времени и направлению. В этом случае лазер испускает рассеянный свет, как осветительная лампа. Но когда накачка энергией активного вещества лазера достигает порогового значения мощности, то все возбужденные в кристалле атомы – антенны внезапно начинают излучать свет синхронно и однонаправленно, и от сложения множества микроизлучений образуется один мощный поток света, лазерная установка переходит в режим генерации. То есть при генерации лазерного луча в атомной системе кристалла происходит самоорганизация. Это означает также, что лазер является системой, находящейся вдали от равновесия и что такая система может находится в устойчивом состоянии только за счет поступления извне энергии.

Другими примерами кооперативных эффектов могут быть: коллективно выстраивающиеся одинаковые ориентации элементарных магнитных моментов в ферродинамике; коллективно и согласованно самоорганизующиеся вихри внутри жидкости, порождающие видимую на макроскопическом уровне турбулентную структуру.

По Хакену, объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим требованиям:

ü открытость – обязательный обмен энергией и (или) веществом с окружающей средой;

ü существенная неравновесность – достигается при определенных состояниях и при определенных значениях параметров, характеризующих систему, которые переводят ее в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;

ü выход из критического состояния скачком, в процессе типа фазового перехода, в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество.

Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Подобные же процессы есть в химии – смешивание жидкостей разных цветов, когда попеременно получается жидкость то красного, то синего цвета (реакция Белоусова–Жеботинского); в биологии – мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга, явление морфогенеза (отдельные клетки бывают только недифференцированными, специализация развивается в соответствующем окружении других клеток), динамика популяций (временные колебания численности видов) и т.д.

Самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно эти системы состоят из большого числа подсистем. При изменении определенных условий, которые называются управляющими параметрами, в системе образуются качественно новые структуры. Эти системы обладают способностью переходить из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний. Этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии или вещества уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т.д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Таким образом, сама логика научного развития, включая новые экспериментальные данные, потребовала в 50–60-х годах ХХ столетия перейти от рассмотрения слабонеравновесных к изучению сильнонеравновесных систем, от стационарных неравновесных состояний к исследованию неустойчивых неравновесных состояний.

Механизм протекания процессов самоорганизации (по И. Пригожину)

В начале 70-х годов И. Пригожину удалось разработать новую концепцию самоорганизации химических и физических систем. Источником самоорганизации Пригожин считал случайные неоднородности, либо флуктуации (отклонения среды от положения нормали), которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Далее случайные микрофлуктуации перерастают в состояние хаоса. Но когда в систему с хаотическим состоянием поступает из среды достаточно большое количество свежей энергии, то из хаоса рождаются крупномасштабные флуктуации макроскопического уровня. Эти макроскопические флуктуации представляют собой коллективные формы поведения множества микрочастиц, которые назвали модами. Между модами (конфигурациями) возникает конкуренция и происходит отбор наиболее устойчивых из них.

 Скачать реферат