Синергетика

Визначення і загальна характеристика

СИНЕРГЕ́ТИКА (від грец. συνεργία — сумісна дія) — напрям, загальнонаукова між­дисциплінарна про­грама дослідже­н­ня процесів самоорганізації. Йдеться про сумісну дію елементів середовища, що знаходиться у надто нерівноважному стані (з великим пере­падом температур, тисків, висот, на­строїв). Узгоджений рух елементів, що виникає при критичних значе­н­нях таких різниць, створює ко­оперативний ефект становле­н­ня нового цілого, більш чи менш стійкого. Це завжди динамічна стійкість, тобто ціле створює собі частини з елементів середовища та існує як єд­ність їх багатоманітності в процесі свого роз­горта­н­ня та від­творе­н­ня. Новий порядок виникає з попереднього хаосу і є великомас­штабною флуктуацією (від­хиле­н­ням) по від­ношен­ню до середніх значень, характерних для того хаотичного стану, і може бути описаний параметром порядку. Порядок цей далек­осяжний, тобто мас­штаби нового цілого значно пере­вищують роз­міри елементів середовища (на­приклад, коли порівняти роз­міри молекул води та роз­міри хвилі цунамі). Давно ві­домі явища, такі як те ж цунамі, або язики полумʼя нині зро­зумілі як феномени самоорганізації: від­повід­но, як усамітнена хвиля (солітон) та теплові структури в плазмі. Багато що в ро­зумін­ні живого та соціального також набуло свого наукового поясне­н­ня на основі синергетичних моделей самоорганізації як становле­н­ня нового цілого, що природно, оскільки такі діалектичні риси, як цілісність та здатність до становле­н­ня й роз­витку притаман­ні цим сферам буття. Математично процеси самоорганізації описують нелінійні рівня­н­ня, що мають кілька роз­вʼязків (принаймні два). Точки роз­галуже­н­ня на графічному зображен­ні таких роз­вʼязків називають особливими точками. У випадку роз­двоє­н­ня це т. зв. точки біфуркації. Синергетичні моделі самоорганізації вперше створені у фізиці та хімії, їх за­стосовують нині в біо­логії, соціальних та гуманітарних науках, хоча й не завжди у математично оформленому ви­гляді.

Термін «С.» увів німецький фізик Г. Хакен, який описав формува­н­ня лазерного монохроматичного ви­промінюва­н­ня як процес самоорганізації, тобто когерентного (узгодженого, ко­оперативного) руху елементів середовища до стійкого атрактору (в даному випадку фокусу, а взагалі атрактор — це множина значень, до якої роз­гортається нелінійна динаміка). Для становле­н­ня С. велике значе­н­ня мало створе­н­ня нерівноважної термодинаміки бельгійським фізико-хіміком, лауреатом Нобелівської премії, іноземним членом НАНУ І. Пригожиним. Варто за­значити, що він використовував поня­т­тя «самоорганізація», але не вживав термін «С.», як і багато інших вчених, що працювали в галузі нелінійної динаміки. Теорії динамічного хаосу і фракталів (самоподібних структур, що можуть утворюватися у середовищі динамічного хаосу в полі конкуренції атракторів) також не завжди залучають до сфери за­стосува­н­ня терміна «С.», хоча пере­хід параметрів порядку до хаотичної поведінки є продовже­н­ням самоорганізації, і тому динамічний хаос може бути роз­глянутий як предмет С. у широкому сенсі цього слова. Правда, іноді по­значе­н­ня «С.» використовують лише для опису самоорганізації стійких структур.

Здобутки математики та математичної фізики різних років використовували як математичний апарат і зразки роз­вʼязку задач при створен­ні синергетичних моделей самоорганізації. Для роз­робле­н­ня загальної динамічної теорії нелінійних коливань чимало зробили вчені Л. Мандельштам, М. Крилов, М. Боголюбов, Л. Понтрягін та ін. Французький вчений А. Пуанкаре на початку 20 ст. роз­вʼязав обчислювальними методами певні нелінійні рівня­н­ня. Однак оскільки такі методи є на­ближеними і вимагають уточне­н­ня шляхом великої кількості по­вторних операцій (ітерацій), саме компʼютерна революція надала можливість широкого за­стосува­н­ня обчислювальних методів для роз­вʼязку нелінійних задач, а також візуалізації за рахунок компʼютерної симуляції нелінійної динаміки природних і штучних процесів самоорганізації. І. Пригожин використовував поня­т­тя «дисипативна структура» для по­значе­н­ня самоорганізованих структур, що утворюються у далеких від рівноваги від­критих середовищах та існують за рахунок дисипації (роз­сія­н­ня) енергії, речовини чи інформації, яку отримують із середовища. При цьому ентропія локально зменшується у самоорганізованій структурі, а вироблена ентропія від­дається середовищу, і таким чином утримується новий порядок. І. Пригожин, зокрема, роз­робив в галузі хімічної кінетики математичну модель брюселятора, що на­ближено від­ображала т. зв. хімічний годин­ник (періодичні колива­н­ня в реакції Білоусова—Жаботинського). Синергетичні моделі використовували в теорії теплових структур у плазмі (С. Курдюмов, Г. Малінецький), біо­фізиці для поясне­н­ня морфогенезу (Д. Чернавський та ін.), квантовій фізиці живого (С. Сітько). Також синергетичні ідеї та моделі працюють у соціальній та гуманітарній сферах: на цей час вже створені соціо-синергетика (Л. Бевзенко) і психо-синергетика (І. Єршова-Бабенко). Часто синергетичну парадигму за­стосовують в економіці, соціології, літературо­знавстві, мистецтво­знавстві, проте не завжди при цьому прокламують створе­н­ня нових дисциплін із власними на­звами.

Зі створе­н­ням нерівноважної термодинаміки зʼявилася можливість побудови загальнонаукової картини світу. Після Дарвіна у біо­логії утвердилися еволюційні ідеї, тобто рух до більшої впорядкованості. У фізиці ж тоді природним вважався рух до меншої впорядкованості, тобто зро­ста­н­ня ентропії. І лише з появою нерівноважної термодинаміки, що описує процеси у від­критих далеких від рівноваги системах, де природним є локальне зменше­н­ня ентропії, тобто спонтан­не збільше­н­ня впорядкованості, ствердився єдиний еволюційний науковий по­гляд на світ як на самоорганізовану систему. При цьому класична термодинаміка не від­міняється, а знаходить межі свого за­стосува­н­ня для близьких до рівноваги за­мкнутих систем, що є ідеалізацією. В реальності ж, на опис якої претендує наукова картина світу, врахува­н­ня тенденції до зро­ста­н­ня ентропії забезпечується тим, що при самоорганізації вироблена ентропія пере­дається середовищу, а отже там ентропія збільшується. Характерно, що за від­сутності самоорганізації ентропії виробляється менше, тобто за самоорганізацію, збільше­н­ня порядку, перед­бачена ентропійна плата. Земля отримує від Сонця електромагнітне ви­проміне­н­ня з низькою ентропією, а від­дає у космічний про­стір теплове ви­проміне­н­ня з високою ентропією. За рахунок цієї різниці й існує все життя на нашій планеті. Ось чому чиста про­зора атмо­сфера є запорукою можливості отримувати низько-ентропійне електромагнітне ви­проміне­н­ня, від­давати високоентропійну теплову енергію у навколоземний про­стір. Крім тенденції до зро­ста­н­ня складності, ще одна нова риса нелінійної синергетичної картини світу — це темпоральність. Попередні фізичні картини світу виходили зі стійкості: у механістичній картині світу то була стійкість тіл від­ліку і мірних ліні­йок, у квантово-релятивістській — стійкість квантово-механічних систем (ядер, атомів, молекул). Це від­повід­ало лінійності цих картин світу, оскільки лінійні закони описують зворотні в часі процеси. Про­блемою для лінійної науки був опис незворотності та не­стійкості, тобто те, що характерне для темпоральності («стріли» часу). Нелінійні закони теоретично від­творюють незворотність описуваних ними процесів, оскільки минуле й майбутнє у них роз­різняються. Це наочно видно на графіках роз­вʼязку нелінійних задач, де є точки роз­галуже­н­ня варіантів пере­бігу нелінійної динаміки (зокрема точки біфуркації), й історичний вибір системою одного з варіантів є незворотнім. Вихідною рисою в цій картині світу є не­стійкість, процесуальність, а про­блемою — стійкість. У нелінійних ситуаціях стійкість завжди пере­хідна та динамічна. Стійкі атрактори в нелінійних середовищах повʼязані з періодичним рухом (граничні цикли). Також важливою рисою синергетичної картини світу є уявле­н­ня про цілісність самоорганізованих структур. Власне, самоорганізація і є становле­н­ням нового складного цілого. Цілісність утворених внаслідок самоорганізації систем може мати різну ступінь динамічної стійкості. Так, теплові структури в плазмі є пере­хідними і невід­творюваними: гра язиків полумʼя у вогнищі або збуджений натовп, який рухається як єдине ціле та роз­падається (роз­бігається) при небезпеці чи досягнен­ні загальної мети. Це цілісність — «абсолютний рух становле­н­ня» (К. Маркс). Такий від­критий у майбутнє рух, обравши один або декілька варіантів, притаман­них нелінійному середовищу атракторів, може при­звести до утворе­н­ня динамічно стійкого цілого як періодично від­творювальної дисипативної структури. У фізиці — це приклади комірок Бенара з упорядкованими конвективними потоками, у хімії — «хімічний годин­ник» реакції Білоусова—Жаботинського, у біо­логії — живі організми як ієрархія дисипативних структур. Квантово-механічні системи (ядра, атоми, молекули, живі організми з точки зору квантової фізики живого) мають найвищу стійкість і можуть бути охарактеризовані як тотальне ціле. Воно роз­гортає та зберігає в собі, як сформулював Ґ. Геґель, ознаки тотального цілого в «науці логіки», звісно, зовсім з іншого приводу. Імена Ґ. Геґеля й К. Маркса зга­дані в цьому контекс­ті не випадково: діалектичні ідеї втілені в методології С. Головна від­мін­ність синертичного по­гляду на дослідже­н­ня цілісності в методології нелінійного мисле­н­ня полягає у від­мові від панівного у лінійній науці пояснювального принципу редукції. Пропоноване ним зведе­н­ня складної системи до її елементів та взаємодії між ними не пояснює, чому молекули води у хвилі цунамі рухаються разом, а поруч зберігають спокій. У С. працює сформульований Г. Гакеном протилежний принципу редукції принцип під­леглості: ціле, що по­стає, під­корює своєму рухові становле­н­ня наявні елементи середовища, створюючи собі з них частини. Це, власне, діалектичний по­гляд на ціле як на таке, що створює й ви­значає свої частини, а не складається з них як з чогось готового. Свого часу М. Злотіна, викладаючи діалектику, дотепно за­уважувала, що курка не складається з яєць, а роз­вивається з яйця як роз­винене ціле з нероз­виненого цілого. Особливість цього принципу полягає в тому, що умови його за­стосува­н­ня ви­значаються нелінійністю середовища, повʼязаною з нерівноважністю, викликаною пере­падом температур, висот, тисків, на­строїв залежно від природи середовища та від­повід­них контрольних параметрів. Так, у хвилю цунамі потрапляють ті маси води, які опинилися в зоні великого тиску, створеної землетрусом. Г. Гакен сформулював ще уявле­н­ня про циклічну причиновість, від­повід­аючи на пита­н­ня: чи ціле спричиняє когерентний рух елементів, чи їхній когерентний рух ви­значає появу нового цілого. Це не традиційне ро­зумі­н­ня діючої або цільової причини, хіба що матеріальної, оскільки когерентний рух елементів середовища і є нове ціле. Авторка цього допису показала, що діюча причина самоорганізації формується на заснуван­ні нелінійності під впливом умов, що сприяють вибору одного з можливих варіантів нелінійної динаміки в особливих точках (зокрема точках біфуркації). Сформована причина діє з необхідністю, але це «реальна необхідність, що включає в себе випадковість» (Ґ. Геґель). Випадковість здійсненого в точці біфуркації вибору ви­значається рівно­ймовірністю набору наявних атракторів руху в нелінійному середовищі. Принципова від­критість у точках біфуркації системи, що самоорганізується, повʼязана з над­звичайною чутливістю нелінійного нерівноважного середовища до найменших зовнішніх або внутрішніх впливів. Ця об­ставина полегшує можливість людських впливів невеликої енергії на пере­біг над­звичайно енергетично потужних процесів. Варто згадати ризики викликати сходже­н­ня лавини випадковим криком за лавинонебезпечної ситуації і можливістю спрямувати її без­печним для людей шляхом спеціальними діями. Таким чином синергетично пояснюється свобода людських дій у нелінійній ситуації та людська від­повід­альність за такі дії й ризики несві­домих дій за від­сутності належних знань та вмінь.

Літ.: Климонотович Н. Ю. Без формул о синергетике. Минск, 1986; Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса / Пер. с англ. Москва, 1986; Добронравова И. С. Синергетика: становление нелинейного мышления. К., 1990; Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант / Пер. с англ. Москва, 1996; Хакен Г. Основные понятия синергетики / Пер. с нем. // Синергетическая парадигма. Москва, 2000; Бевзенко Л. Д. Социальная самоорганизация. К., 2002; Ситько С. П. Жизнь как четвертый уровень квантовой организации природы // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2007. № 1; Кримський C. Б. Запити філософських смислів // Кримський С. Б. Під сигнатурою Софії. К., 2008; Добронравова І. С. Практична філософія науки. С., 2017.

І. С. Добронравова

Завантажити статтю