Синергетика
Синергетика (от др. – греч. συν- − приставка со значением совместности и ἔργον − «деятельность»), или теория сложных систем − междисциплинарное направление науки, изучающее общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и других) на основе присущих им принципов самоорганизации. Синергетика является междисциплинарным подходом, поскольку принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же безотносительно природы систем, и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.
Основное понятие синергетики − определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные. В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер, и тогда они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).
Феномен появления структур часто трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного − к сложносоставному и более совершенному. С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда позиционируют как «глобальный эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции», дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций, подобно тому как некогда кибернетика определялась как «универсальная теория управления», одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т. д. Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды. Аналогичным образом и расширительное толкование применимости методов синергетики также подвергается критике.
Автором термина «синергетика» является Герман Хакен (р. 1927), немецкий физик-теоретик, хотя задолго до него Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями. Убедившись на практике исследований сложных систем в ограниченности по отдельности как аналитического, так и численного подхода к решению нелинейных задач, И. Забуский в 1967 году пришел к выводу о необходимости единого «синергетического» подхода, понимая под этим «…совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений». Определение термина «синергетика», близкое к современному пониманию, ввел Г. Хакен в 1977 году в своей книге «Синергетика».
Область исследований синергетики четко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как ее интересы распространяются на все отрасли естествознания. Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций. Математический аппарат синергетики скомбинирован из разных отраслей теоретической физики: нелинейной неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп, тензорного анализа, дифференциальной топологии, неравновесной статистической физики. Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход:
1. Школа нелинейной оптики, квантовой механики и статистической физики Германа Хакена, с 1960 года профессора Института теоретической физики в Штутгарте. В 1973 году он объединил большую группу ученых вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет 69 томов с широким спектром теоретических, прикладных и научно-популярных работ, основанных на методологии синергетики: от физики твердого тела и лазерной техники до биофизики и проблем искусственного интеллекта.
2. Физико-химическая и математико-физическая Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой формулировались первые теоремы (1947), разрабатывалась математическая теория поведения диссипативных структур (термин Пригожина), раскрывались исторические предпосылки и провозглашались мировоззренческие основания теории самоорганизации как парадигмы универсального эволюционизма. Эта школа, основные представители которой работают теперь в США, не пользуется термином «синергетика», а предпочитает называть разработанную ими методологию «теорией диссипативных структур» или просто «неравновесной термодинамикой», подчеркивая преемственность своей школы пионерским работам Ларса Онзагера в области необратимых химических реакций (1931).
В России концептуальный вклад в развитие синергетики внес академик Н.Н. Моисеев − идеи универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.
Математический аппарат теории катастроф, пригодный для описания многих процессов самоорганизации, разработан российским математиком В.И. Арнольдом и французским математиком Рене Томом.
В рамках школы академика А.А. Самарского и члена-корреспондента РАН С.П. Курдюмова разработана теория самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента (включая теорию развития в режиме с обострением).
Синергетический подход в биофизике развивается в трудах членов-корреспондентов РАН М.В. Волькенштейна и Д.С. Чернавского.
Синергетический подход в теоретической истории (исторической математике) с подразделами клиодинамики и клиометрики, развивается в работах Д.С. Чернавского, Г.Г. Малинецкого, Л.И. Бородкина, С.П. Капицы, А.В. Коротаева, С.Ю. Малкова, П.В. Турчина, А.П. Назаретяна и др.
Приложения синергетики распределились между различными направлениями:
− теория динамического хаоса (исследует сверхсложную скрытую упорядоченность поведения наблюдаемой системы; например, явление турбулентности);
− теория фракталов (занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации. Сам процесс самоорганизации также может быть фрактальным);
− теория катастроф (исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах «бифуркация», «аттрактор», «неустойчивость»);
− лингвистическая синергетика и прогностика (труды профессора Р.Г. Пиотровского и его учеников и последователей);
− семантическая синергетика30.