Лекция седьмая. Примеры процессов самоорганизации в различных системах

Различают три типа процессов самоорганизации:

1)процессы самозарождения организации, т.е. возникновение из некоторой совокупности целостных объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями (например, генезис многоклеточных организмов из одноклеточных);

2)процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования (здесь исследуются главным образом гомеостатические механизмы, в частности, механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи);

3)процессы, связанные с совершенствованием и саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.

Специальное исследование проблем самоорганизации впервые было начато в кибернетике. Термин «самоорганизующая система» ввел английский кибернетик У.Р. Эшби в 1947 г. Широкое изучение самоорганизации началось в конце 50-х гг. XX в. в целях отыскания новых принципов построения технических устройств, способных моделировать различные стороны интеллектуальной деятельности человека. Исследование проблем самоорганизации стало одним из основных путей проникновения идей и методов кибернетики, теории информации, теории систем, биологического и системного познания.

В 70-е гг. XX в. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области нелинейного (порядка выше второго) математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании – синергетики. Как и кибернетика, синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.

Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем мир закрытых, линейных систем. Вместе с тем «нелинейный мир» сложнее моделировать. Как правило, для приближенного решения большинства возникающих нелинейных уравнений требуется сочетание современных аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.д.

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики – существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Такие закономерности существуют. Это открытость, нелинейность, диссипативность.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Концепции современного естествознания

Государственное образовательное учреждение.. Высшего профессионального образования.. Тольяттинский государственный университет сервиса ТГУС..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Естественно-научная и гуманитарная культура. Научый метод
Под культурой в самом широком смысле принято понимать все то, что создано человечеством в ходе его исторического развития.Иначе говоря, культура – это совокупность созданных

Научный метод
Исследование феномена история науки непременно приводит к конкретным личностям – ученым, сделавшими открытия, изобретения, являющиеся «посредниками» в инновационной среде развития ц

Концепции строения материи и развития материального мира
Как известно, первый период становления естествознания относится к VII–IV вв. до н.э. и связан с греческой натурфилософией. В течение этого периода вырабатываются общие точки зрения

Корпускулярно-волновой дуализм
По-иному шла история развития представлений о природе света и оптических явлениях. Напомним, что Аристотель считал, что свет – это движение волн, распространяющихся в некоторой непр

Порядок и беспорядок в природе, детерминированный хаос
Обращая внимание на существующий порядок в природе, мы часто в качестве примера указываем на кристаллы, в кристаллической решетке которых строго чередуются ионы вещества (например,

Структурные уровни организации материи
В настоящее время принято единую Природу для удобства делить на три структурных уровня – микро-, макро- и мегамир. Естественными, хотя отчасти и субъективными, признаками деления я

Микромир
Атомная физика.Еще древние греки Левкипп и Демокрит выдвинули гениальную догадку, что вещество состоит из мельчайших частиц – атомов. Научные основы атомно-молекулярно

Макромир
От микромира к макромиру.Теория строения атома дала химии ключ к познанию сущности химических реакций и механизма образований химических соединений – более слож

Мегамир
Объектами мегамира являются тела космического масштаба – кометы, метеориты, астероиды (малые планеты), планеты, планетные пстемы, Солнечная система, звезды (нейтронные, белые и желт

Пространство и время
Пространство и время – категории, обозначающие основные фундаментальные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время – порядок см

Единство и многообразие свойств пространства и времени
Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени уче

Принцип причинности
Классическая физика основывается на следующем понимании причинности: состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние

Стрела времени
На существование парадокса времени было обращено внимание почти одновременно с естественнонаучной и философской точек зрения в конце XIX века. В работах философа Анри Бергсона вр

Пространство и время в греческой натурфилософии
Наиболее видные представители античного естествознания – Демокрит и Аристотель – высказали следующие суждения о пространстве и времени. Демокрит считал, что все природное многообразие сост

Пространство и время в специальной теории относительности (СТО)
В специальной теории относительности А. Эйнштейна выявилась взаимозависимость пространственных и временных характеристик объектов, а также их зависимость от скорости движения относительно определен

Пространство и время в общей теории относительности (ОТО)
Еще более сложную связь, по сравнению с СТО, между пространством и временем, с одной стороны, и движением и материей (массой вещества) – с другой, была установлена А. Эйнштейном в рамках созданной

Пространство и время в физике микромира
Еще более углубились представления о пространстве и времени в связи с изучением микромира квантовой механикой и квантовой теорией поля, выявившими тесную связь структуры пространства-времени с мате

Современные взгляды на пространство и время
Ранее мы выяснили, какие из свойств пространства и времени являются универсальными (всеобщими), а какие – специфическими (их всеобщность не доказана). Отнесение к специфическим хара

Специальная теория относительности
После создания электродинамики, доказавшей существование в природе еще одного вида материи – электромагнитного поля, которое математически описывается системой уравнений Максвелла,

Общая теория относительности
В СТО законы формулируются для инерциальных систем, движущихся с постоянной скоростью. В ОТО рассматриваются любые системы отсчета, в том числе и движущиеся с ускорением. Таким обра

2.6.1. Симметрия: понятие, формы и свойства Понятие симметрии. Как известно, в физике имеется целый ряд законов сохранения, например закон сохранения

Принципы симметрии и законы сохранения
Что такое симметрия? Слово это греческое и переводится как «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Часто проводятся параллели: симметрия и уравновеш

Диалектика симметрии и асимметрии
С давних времен симметрия форм, наблюдаемых в природе, производила на человека сильное впечатление. Он видел в симметрии порядок, гармонию, совершенство, вносимые всемогущим творцом

Концепции близкодействия и дальнодействия
Дальнодействие. После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие электрических заряженных тел, возник вопрос, почему

Фундаментальные типы взаимодействий
Согласно концепции близкодействия все взаимодействия между юлами (помимо прямого контакта между ними) осуществляются с помощью тех или иных полей (например, взаимодействие в теории

Дополнительности
Мы часто говорим о том или ином состоянии материи. Например, мы выделяем несколько агрегатных состояний вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазма. Говорим о состояниях электромагнитного поля,

Принцип неопределенности
Используемые в квантовой механике волновые функции для описания микрочастиц дают возможность установить вероятность нахождения микрочастиц в том или ином месте пространства в соотве

Принцип дополнительности
Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал принципиальное положение квантовой механики – принцип дополнительности, который наиболее четко изложил в следующей форме:

Принцип суперпозиции
В физике при изучении линейных систем широко используется принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции: общий результат воздействия на систему многих факторов равен сумме рез

Динамические и статистические закономерности в природе
Рассмотрим два типа физических явлений: механическое движение тел и тепловые процессы. В первом случае движение тел подчиняется законам Ньютона, законам классической механики. Зако

Формы энергии
Энергия (от греч.– действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, Понятие «энергия» связывает воедино все явления природы.

Закон сохранения энергии для механических процессов
Одним из наиболее фундаментальных законов природы является закон сохранения энергии, согласно которому важнейшая физическая величина – энергия – сохраняется в изолированной системе.

Всеобщий закон сохранения и превращения энергии
Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграло основную роль в открытии всеобщего закона сохранения и превращения

Закон сохранения энергии в термодинамике
Закон сохранения энергии сыграл решающую роль в создании новой научной теории – термодинамики. Опираясь на этот закон, был сделан ряд открытий в области электродинамики.

Понятие энтропии
Понятие энтропии исторически возникло при рассмотрении и изучении тепловых процессов и создании термодинамики. К моменту зарождения термодинамики в естествознании господствовала ме

Основные космологические теории эволюции Вселенной
Учение о мегамире как едином целом и всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) называется космологией. Вывод

Химические концепции описания природы
Химия – наука о веществах и процессах их превращения, сопровождающие изменением состава и структуры. Основанием химии выступает проблема получе

Развитие учения о составе вещества
Демокрит иЭпикурсчитали, что все тела состоят из атомов различной величины и формы, чем и объясняли различие тел. Аристотельи Эмпедоклвидимое разнообразие те

Развитие учения о структуре молекул
При взаимодействии атомов между ними может возникнуть химическая связь, приводящая к образованию многоатомной системы – молекулы, молекулярного иона или кристалла. Химическая связь

Энергетика химических процессов и систем
Химические реакции– взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию новых веществ, отличных от исходных по химическому составу или строению. Химическ

Реакционная способность веществ
Химическая кинетика – раздел химии, изучающий закономерности протекания физико-химических процессов во времени и механизмы взаимодействия на атомно-молекуляр

Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье
Многие химические реакции протекают таким образом, что исходные вещества целиком превращаются в продукты реакции или, как говорят, реакция идет до конца. Так, например, бертолетова соль при нагрева

Развитие представлений об эволюционной химии
Эволюционная химия рассматривает вопросы эволюционного развития и совершенствования химической формы материи, в том числе в процессах ее самоорганизации до перехода в биологическую

Внутреннее строение и история образования Земли
Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существования Земли служат соотношения

Внутреннее строение Земли
Главными методами изучения внутренних частей нашей планеты являются, в первую очередь, геофизические наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся при взрывах или землетря

История геологического строения Земли
Историю геологического строения Земли принято изображать в виде последовательно появляющихся друг за другом стадий или фаз. Отсчет геологического времени ведется от начала процесса

Современные концепции развития геосферных оболочек
4.2.1. Концепция глобальной геологической эволюции Земли Разработка концепции глобальной эволюции Земли позволила представить развитие геосферных об

История формирования геосферных оболочек
Рассмотрим в свете концепции глобальной эволюции Земли историю формирования основных геосферных оболочек. Этапы развития Земли с позиций концепции глобальной геоэво

Понятие литосферы
Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору и часть верхней мантии. Это особый слой толщиной порядка 100 км. Нижняя гр

Экологический функции литосферы
Обычно выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, геофизическую и геохимическую. Ресурсная функция литосферы определя

Литосфера как абиотическая среда
В литосфере происходит множество процессов (сдвиги, сели, обвалы, эрозии и др.), имеющих целый ряд неблагоприятных экологических последствий в определенных регионах планеты, а иногд

Особенности биологического уровня организации материи
Биология (от греч. «биос» – жизнь, «логос» – учение) – наука о живой природе. Биология изучает живые организмы – вирусы, бактерии, грибы, животных и растения. В

Уровни организации живой материи
Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерархии живого. Выделяют следующие уровни органи

Свойства живых систем
М. В. Волькенштейном предложено следующее определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, пос

Химический состав, строение и воспроизведение клеток
Из 112 химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева в состав организмов входит более половины. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов или компонентов молекул неоргани

Биосфера и ее структура
Термин «биосфера» использовал в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс для обозначения оболочки Земли, населяемой живыми организмами. В 20-х гг. прошлого века в трудах В.И. Вер

Функции живого вещества биосферы
Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества: 1.Энергетич

Круговорот веществ в биосфере
Основой самоподдержания жизни на Земле являются биогеохимические круговороты. Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, совершают постоянные перемещения

Основные эволюционные учения
На протяжении многих веков господствовали представления о Божественном происхождении природы, о том, что виды организмов были созданы в их нынешних формах, после чего они же не изме

Микро- и макроэволюция. Факторы эволюции
Эволюционный процесс разделяют на два этапа: - микроэволюцию – возникновение новых видов; - макроэволюцию – эволюци

Направления эволюционного процесса
С момента возникновения жизни развитие живой природы шло от простого к сложному, от низкоорганизованных форм к более высоко организованным и имело прогрессивный характер. А.

Основные правила эволюции
Правило необратимости эволюции (правило Л. Долло): эволюционный процесс необратим, возврат к прежнему эволюционному состоянии, ранее осуществленному в ряду поколений предков, н

Происхождение жизни на Земле
Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле. Креационизм – земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира приде

Механизм возникновения жизни
Возраст Земли составляет около 4,6–4,7 млрд. лет. Жизнь имеет свою историю, начавшуюся, по палеонтологическим данным, 3–3,5 млрд. лет назад. В 1924 г. русский академик А.И. Опарин

Начальные этапы развития жизни на Земле
Как полагают, первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,8 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты, они питались синтезированными абиогенно ор

Основные этапы развития биосферы
Эон Эра Период Возраст (начало), млн. лет Органический мир

Система органического мира Земли
Современное биологическое разнообразие: на Земле от 5 до 30 млн. видов. Биологическое разнообразие – как результат взаимодействия двух процессов – видообразования и вымирания. Биологическое

Надцарство Эукариоты
Эукариоты– одноклеточные или многоклеточные организмы, имеющие оформленное ядро и различные органоиды. ЦАРСТВО ГРИБЫ – подцарство Слизевики

Структура и функционирование экологических систем
Экологические факторы – это отдельные элементы среды обитания, которые воздействуют на организмы. Каждая из сред обитания отличается особенностями воздей

Концепции устойчивого развития
Появление на Земле около 40 тыс. лет назад человека разумного Вернадский рассматривал как естественную часть биосферы, а деятельность его – как важнейший геологический фактор. С поя

Наследственной информации
Генетика – наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов. Наследственность заключается в способности организмов передавать осо

Основные генетические процессы. Биосинтез белка
Функциональные возможности генетического материала (способность сохраняться и воспроизводиться при смене клеточных поколений, реализовываться в онтогенезе и в ряде случаев изменятьс

Основные законы генетики
Первый закон Менделя (закон единообразия): при скрещивании гомозиготных особей, все гибриды первого поколения единообразны. Например, при скрещивании ра

Наследственная и ненаследственная изменчивость
Различия между видами и различия между особями внутри вида наблюдаются благодаря всеобщему свойству живого – изменчивости. Выделяют ненаследственную и

Как факторы дальнейшей эволюции
Генетическая (генная)инженерия – совокупность методов конструирования лабораторным путем (in vitro) генетических структур и насле

Антропогенез
Человек – это целостное единство биологического (организменого), психического и социального уровней, которые формируются из природного и социального, наследственного и прижизненно п

Физиологические особенности человека
Физиология изучает функции живого организма, отдельных органов, систем органов, а также механизм регуляции этих функций. Человек представляет собой сложную саморегулирующую

Основные закономерности роста человека
Кривая роста человека, рост в пренатальном и постнатальном периодах, абсолютный рост, скорость роста. Пренатальный рост, общая характеристика пренатального роста, изменение скорости роста от оплод

Здоровье человека
По определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), здоровье человека –это состояние полного физического, душевного и социального благополучия. Здоро

Группировка факторов риска и их значение для здоровья
Группы факторов риска Факторы риска Значение для здоровья, % (для России) Биологические факторы

Эмоции. Творчество
Эмоции представляют собой реакции животных и человека на воздействие внешних и внутренних раздражителей, имеющие ярко выраженную субъективную окраску и охватывающие все виды чу

Работоспособность
Работоспособность – это способность к выполнению работы. С физиологической точки зрения работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы, к поддержанию структуры и энергозап

Принципы мудрого отношения к жизни
Физические нагрузки успокаивают и помогают переносить душевные травмы. Умственное перенапряжение, неудачи, неуверенности, бесцельное существование – самые вредоносные стрессоры. Среди всех работ, с

Противоречия современной цивилизации
Сто пятьдесят лет тому назад в биосфере сложилось определенное равновесие. Человек использовал относительно небольшую часть ресурсов природы, перерабатывал ее для обеспечения своих

Понятие биоэтики и ее принципы
Для того чтобы предупредить развитие такого пессимистического сценария эволюции биосферы, в последние годы набирает силу новая наука –биоэтика, находящаяся на стыке биологии

Медицинская биоэтика
Одной из очень важных проблем биоэтики является также проблема «человек–медицина». Она включает, например, такие вопросы, как целесообразность поддержания жизни смертельно больного

Принципы поведения животных
Биоэтику следует рассматривать как естественное обоснование человеческой морали. Когда мы, люди, говорим «мы все люди и ничего человеческое нам не чуждо» на самом деле наше поведение похоже

Биосфера и космические циклы
Биосфера – живая открытая система. Она обменивается энергией и веществом с внешним миром. В данном случае внешний мир – это безбрежное космическое пространство. Извне на Зе

Биосфера и ноосфера
Факторы эволюции и этапы развития биосферы.Эволюция биосферы на протяжении большей части ее истории осуществлялась под влиянием двух главных факторов: 1) естественных

Современное естествознание и экология
Экология вызывает в настоящее время особый интерес как в различных естественно-научных дисциплинах, так и в гуманитарном знании. Интегрирующее направление в этой науке связано с исс

Экологическая философия
Задача современной экологической науки – искать такие способы воздействия на окружающую среду, которые помогли бы предотвратить катастрофические последствия и практическое использов

Планетарное мышление
Когда наступает время для определенной идеи, системы взглядов, то они начинают проявляться самыми различными способами, в широком многообразии форм и видов. Об этом явлении часто го

Ноосфера
Под ноосферой понимается сфера разума, но разработано это понятие еще совершенно недостаточно. Однако точка зрения, согласно которой ноосфера представляет собой одно из природных ра

В последние годы работами ряда авторов, и, прежде всего, И. Пригожина и П. Гленсдорфа, была развита термодинамика сильно неравновесных систем, в которых связь между термодинамически

Пространственные диссипативные структуры
Простейшим примером пространственныx структур являются ячейки Бенара, обнаруженные им в 1900 г. Если горизонтальный слой жидкости сильно подогреть снизу, то между нижней и верхней п

Временные диссипативные структуры
Примером временной диссипативной структуры является химическая система, в которой протекает так называемая реакция Белоусова–Жаботинского. Если система отклонилась от

Химическая основа морфогенеза
В 1952 г. вышла работа А. Тьюринга «О химической основе морфогенеза». Морфогенезом называется возникновение и развитие сложной структуры живого

Самоорганизация в живой природе
Рассмотрим процесс саморегуляции в живых сообществах на достаточно простом примере. Предположим, что в некой экологической нише совместно обитают кролики и лисы. Если в нек

Самоорганизация в неравновесных системах
Рассмотрим простую симметричную бифуркацию, приведенную на рис. 5. Выясним, как возникает самоорганизация и какие процессы происходят, когда ее порог оказывается превзойденным.

Принципы универсального эволюционизма
Принцип универсального эволюционизма одна из доминирующих современных концепций в науке. Сформировавшийся вначале как результат обобщения естественно-научных знаний, он стал постепе

Самоорганизация в микромире. Формирование элементного состава вещества материи
На основе достижений ядерной физики в первой половине прошлого века удалось понять механизм образования химических элементов в природе. В 1946–1948 гг. американский физик Д. Гамов р

Химическая эволюция на молекулярном уровне
До возникновения жизни на Земле в течение длительного времени, продолжавшегося около двух миллиардов лет, происходил химическая эволюция неживой (косной материи). В связи с существованием

Самоорганизация в живой и неживой природе
На основе данных археологии, палеонтологии и антропологии Ч. Дарвин, как известно, доказал, что все многообразие живых организмов сформировалось в процессе длительной эволюции из бо

Самоорганизация Вселенной
Еще менее ста лет назад в науке господствовала точка зрения об однородной, стационарной, бесконечной во времени и в пространстве Вселенной. Однако после создания А. Эйнштейном общей теории относите

Концепции эволюционного естествознания
Краткий анализ процессов, протекающих в микро-, макро- и мегамире, позволяет говорить о том, что на всех уровнях организации материи доминирующими являются эволюционные процессы. Эт

Структурность и целостность в природе. Фундаментальность понятия целостности
Важнейшим атрибутами природы является структурность и целостность. Они выражают упорядоченность ее существования и те конкретные формы, в которых она проявляется. Структура п

Принципы целостности современного естествознания
Следует отметить, что в настоящее время бурно развивается философия науки, которая существенно отличается от естествознания и по своим целям, и по методам исследования. Философия на

Самоорганизация в природе в терминах параметров порядка
Система может быть определена как комплекс взаимодействующих элементов (определение Берталанфи). Систему можно определить как любую совокупность переменных, которую

Методология постижения открытого нелинейного мира
XXIвек характеризуется бурным экспоненциальным ростом научных знаний. Человечество знает и умеет значительно больше, чем может осмысленно использовать. Это породило серьезную пробл

Основные черты современного естествознания
Выделим несколько характерных черт современного естествознания. 1. Развитие естествознания в XVII-XVIII вв. и вплоть до конца XIX в. происходило под подавляющим превосходст

И синергетическая среда в постижении природы
Синергетический подход к познанию, точнее к постижению Природы, расставляет точки над и в том смысле, что становится более понятным, что знания не приобретают как вещь, ими овладева

Принципы нелинейного образа мира
Первая научная картина мира была построена И. Ньютоном, несмотря на внутреннюю парадоксальность, она оказалась удивительно плодотворной, на долгие годы, предопределив самодвижение

От автоколебаний к самоорганизации
Для пояснения поведения открытых систем и их постижения удобным является использование аппарата нелинейных колебательных систем, разработанного в радиоэлектронике и связи, на фазовы

Формирование инновационной культуры
Инновационная культура – это знания, умения и опыт целенаправленной подготовки, комплексного внедрения и всестороннего освоения новшеств в различных областях человеческой жиз

Глоссарий
Абиогенный – абиогенная эволюция, абиогенное вещество – неживого, небиологического происхождения. Абиогенез – самопроизвольное зарождение жизни, в

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.

Процессы самоорганизации рассматриваются в синенергетике как ключевые в жизни сложных систем. Сами системы при этом должны удовлетворять следующим положениям.

1) Самоорганизация – процесс эволюции системы от беспорядка к порядку . Естественно энтропия системы , в которой происходит самоорганизация, должна убывать . Процессы самоорганизации происходят в открытых системах . Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой протекает самоорганизация; в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

2) Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отлично от состояния равновесия. Нарушение равновесия вызывается внешним воздействием. Состояние системы вдали от равновесия является неустойчивым относительно состояния вблизи равновесия, и именно вследствие этой неустойчивости возникают процессы, приводящие к образованию структур.

3) Самоорганизация возможна лишь в системах , состоящих из большого числа частиц. Только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций – макроскопических неоднородностей .

4) Самоорганизация всегда связана с самопроизвольным уменьшением симметрии.

Диссипативные труктуры.

Диссипативная структура – одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом несколько упорядоченной, организованной. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами (от лат dissipation – разгонять, рассеивать свободную энергию), в которых при значительных отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния. В процессе образования этих структур энтропия возрастает, изменяются и другие термодинамические функции системы. Диссипация как процесс рассеяния энергии играет важную роль в образовании структур в открытых системах. В большинстве случаев диссипация реализуется в виде перехода избыточной энергии в тепло . Образование новых типов структур указывает на переход от хаоса и беспорядка к организации и порядку. Эти диссипативные динамические микроструктуры являются прообразами будущих состояний системы , так называемых фракталов. Большинство фракталов либо разрушается, полностью так и не сформировавшись, либо иногда остаются как отдельные архаичные остатки прошлого. В точке бифуркации идет своеобразный естественный отбор фрактальных образований. «Выживает» образование, оказавшееся наиболее приспособленным к условиям окружающей среды.

При благоприятных условиях новая структура (фрактал) «разрастается» и преобразуется постепенно в новую макроструктуру – аттрактор. При этом система переходит в новое качественное состояние. В этом новом состоянии система продолжает свое наступательное движение до следующей точки бифуркации, то есть до следующего неравновесного фазового перехода.

В целом диссипация как процесс рассеивания энергии, затухания движения и информации играет весьма консервативную роль в образовании новых структур в открытых системах. Для диссипативной системы невозможно предсказать конкретный путь развития, поскольку трудно предугадать начальные реальные условия ее состояния.

Теория бифуркаций.

Открытая нелинейная самоорганизующаяся система всегда подвержена колебаниям. Именно в колебаниях система развивается и движется к относительно устойчивым структурам . Этому способствует постоянный обмен системы энергией и веществом с окружающей средой. Аномальные изменения в среде могут вывести систему из состояния динамического равновесия, и она станет неравновесной. Например, усиливающийся приток энергии в систему вызывает флуктуации и делает ее неравновесной и нерегулируемой. Организация системы все более расшатывается, изменяются свойства системы.

Синергетика:

Область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизаций.

Является теорией самоорганизации в природных и социальных системах.

Междисциплинарная универсальная теория самоорганизации процессов самой разной природы. Возникла на стыке физики, биологии и других наук.

Самоорганизация:

Спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного действия многих подсистем.

Необратимый процесс спонтанного возникновения порядка и организации из хаоса и беспорядка в открытых неравновесных системах.

При самоорганизации энтропия системы уменьшается за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой.

Объектами исследования синергетики могут быть системы, которые удовлетворяют следующим необходимым условиям, т.е. системы должны быть:

Открытыми

Нелинейными

Диссипативными

Неравновесными

Нелинейные системы – это системы, для которых даже малые изменения в исходном состоянии приводят к быстронарастающему отклонению ее от исходного состояния. В этом проявляется неустойчивость системы.

Диссипативные систем ы – способные рассеивать (перераспределять) энергию. К диссипативным системам относится любой живой организм.

Неравновесные системы – системы в которых присутствуют неоднородность в пространстве того или иного макропараметра (например, наличие в системе перепадов температур, давления, концентрации химических веществ и др.) Признаками неравновесности системы является перетекание в ней потоков веществ, энергии и др.

Большинство реально существующих систем – это открытые неравновесные системы.

Процесс самоорганизации характеризуется переходом системы из одного состояния в принципиально новые более упорядоченные состояния. Для возникновения упорядочения в системах необходим приток энергии и ее диссипация в системе. За счет энергии поступившей извне возникает некая обобщенная движущая сила (например, перепад давления, перепад концентраций вещества и т.п.) Под действием этой силы система из равновесного или слаборавновесного состояния постепенно переходит к неравновесному состоянию, система становится нелинейной и возникшие флуктуации начинают играть все более заметную роль. В конце концов, наступает момент времени – точка бифуркации, когда система становится перед выбором одного из нескольких принципиально возможных состояний. Этот выбор возможных состояний носит непрогнозированный вероятностный характер.

После осуществления выбора, система становится более упорядоченной, по сравнению с исходной, а ее поведение прогнозируемой. Если движущая сила будет увеличиваться, то система может придти к новой точке бифуркации и т.д.

Точка бифуркации (точка ветвления ) – критическое состояние системы, при котором она становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности.

В масштабе Вселенной самоорганизация проявляется в эволюции космологических сильно неравновесных систем. Процессы самоорганизации имеют место и при формировании геологического облика Земли (геологическая эволюция).

Живой организм, биологический вид, популяция, экосистема и био сфера представляют собой открытые системы, далекие от равновесия, которые характеризуются определенной упорядоченностью.

К процессам самоорганизации относятся:

Кооперативное поведение насекомых

Эффекты самодостраивания (регенерация живых тканей)

Интуиция в процессе мышления

Вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.

Примерами самоорганизации могут служить:

- ячейки Бенара : возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемых снизу.

- реакция Белоусова-Жаботинского – класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

- лазер (переход лазера в режим генерации) : при накачке энергии лазер работает как обычная лампа, причем микроскопические ячейки, подобно антеннам, излучают свет независимо друг от друга. При определенном значении энергии антенны начинают работать самостоятельно в одной фазе, что приводит к мощному излучению. Таким образом, происходит скачкообразный переход к новому качественному состоянию.

- возникновение кристаллов в достаточно концентрированном растворе

Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации :

К закономерностям самоорганизации в любой системе относится внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры,т.к.развитие кризисной ситуации достигается быстрым переходом диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности.

При самоорганизации происходит ;

Синхронизация частей системы

Понижение энтропии системы

Повышение энтропии окружающей систему среды

Универсальный эволюционизм , его причины (положения):

Все существует в развитии

Развитие есть чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций)

Законы природы как принцип отбора допустимых состояний из всех мыслимых

Фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности

Непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации: прошлое влияет на настоящее и будущее, но не предопределяет его

Устойчивость и надежность природных систем, как результат их постоянного обновления

Эволюция Вселенной и ее структур обусловлены ее собственными законами, действующими объективно и познаваемыми рационально

Вселенная существует и может существовать лишь в развитии

Приведем несколько положений , следующих из вышеизложенного :

Общие закономерности самоорганизации изучают синергетика, неравновесная термодинамика

Примерами самоорганизации систем могут служить:

а) возникновение кристаллов

б) генерация лазерного излучения

в) возникновение ячеек Бенара

г) колебательные реакции Белоусова-Жаботинского

д) популяции

е) планета Земля (геологическая эволюция)

В точке бифуркации:

а) система пребывает в критическом состоянии, переход из которого осуществляется скачком

б) неоднозначен выбор пути дальнейшего развития

Поведение системы вблизи точки бифуркации:

а) по мере приближения к точке бифуркации флуктуации в системе нарастают

б) элементы возникающие в точке бифуркации упорядоченной структуры формируются из флуктуаций, случайно возникших до точки бифуркации

Состояние, когда человек тяжело болен и имеются варианты развития: либо выздороветь либо умереть, либо болезнь примет хроническую форму – и есть точка бифуркации

В ходе самоорганизации системы:

а) в системе происходит превращения хаоса в порядок и энтропия системы уменьшается

б) в окружающей среде системы увеличивается беспорядок и ее энтропия возрастает

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.