Синергетический подход к анализу динамики нелинейных процессов в сложных системах

В 70-х годах ХХ века германский ученый, спец в области лазерной физики, Герман Хакен усмотрел аналогию меж процессами появления генерации в лазере и формированием структур в системах другой природы и установил, что это может послужить основой новейшей синтетической дисциплины – синергетики (в переводе с греческого – согласное действие). Найдя общность взглядов, под знаменем синергетики стали собираться представители разных наук, от физики и химии до экономики и социологии. Ее специфичность состоит в особенном внимании к процессам самоорганизации сложных динамических систем. Идет речь о процессах, заключающихся в самопроизвольном формировании и усложнении упорядоченных структур, происходящих в почти всех пространственных системах. Такую среду, можно мыслить как совокупа огромного числа точечных частей, любой из которых спецефическим образом ведет взаимодействие со своими соседями в пространстве.

Неувязка того, каким образом динамика личных частей и нрав связи меж ними проявляется в свойствах среды, ее возможности к образованию пространственных структур, — одна из центральных задач синергетики. Другое обозначение по существу для той же дисциплины – теория диссипативных структур принадлежит И. Р. Пригожину.

Синергетика, либо теория самоорганизации, сейчас представляется одним из более фаворитных и многообещающих междисциплинарных подходов. Термин синергетика в переводе с греческого значит «совместное действие». Введя его, Герман Хакен вкладывал в него два смысла:

1. Теория появления новых параметров у целого, состоящего из взаимодействующих объектов.
2. Подход, требующий для собственной разработки сотрудничества профессионалов из различных областей.

Благодаря ее концепциям, способам, представлениям были экспериментально обнаружены примечательные явления в физике, химии, биологии, гидродинамике.
Синергетический подход характеризуется:

• отказом от бинарного стереотипа как структуры разделяющей, недостаточной для синтеза, демонстрацией общности законов в различных областях познаний;
• методологическим подходом, с помощью которого движение от целого к частям не противоречит принципу «от обычного к сложному».

Свойство бинарных структур — их неустойчивость. Ситуация выбора «или-или» дискомфортна и решаются такие ситуации переходом к монаде. Сама постановка вопроса принуждает идти по пути упрощения. При всем этом всякий дуализм отвергается. Бинарным ситуациям соответствует огромное количество противоречий. Гете гласил, что меж 2-мя обратными воззрениями находится неувязка. Чтоб решить ее, необходимо выйти в дополнительное измерение, отрешиться от бинарного подхода, требуется компромисс. Меж правым и левым хорошим решением может являться «золотая середина». В физике примером такового подхода может являться внедрение принципа дополнительности, предложенного Нильсом Бором.

Факты самоорганизации в неживой природе:

• ячейки Бенара (1901 г.);
• реакция Белоусова –Жаботинского;
• оптические квантовые генераторы (лазеры).

Кибернетика изучает процессы гомеостаза, т.е. поддержания равновесия в системе, обеспечения ее стойкости к наружным воздействиям за счет использования принципа отрицательной оборотной связи (гашение отклонений).

Синергетика изучает процессы высококачественного конфигурации в системе за счет использования принципа положительной оборотной связи. Ход протекающих при всем этом процессов в системе определяется ее внутренними качествами. Синергетика занимается структурной динамикой целостных объектов. Процессы самоорганизации, саморазвития идут везде, где есть жизнь.

Можно выделить три научные школы, являющихся основными для синергетики:

• нелинейной динамики систем (Л.И. Мандельштам, А.А. Андронов);
• диссипативных процессов (И. Пригожин);
• лазерной физики (Г. Хакен).

Синергетический подход к анализу физических процессов в системах опирается на такие ее характеристики, как нелинейность, когерентность, открытость. Нелинейность для разных систем проявляется в различных обличьях.

Аналитические свойства нелинейности естественно выразить, ориентируясь на главные структуры арифметики: порядковые, алгебраические, топологические. Порядковая нелинейность предполагает нарушение одномерной упорядоченности, это мир с одним измерением. Хоть какое различение по нескольким аспектам просит нелинейного подхода. Даже одномерный процесс с оборотной связью преобразуется в двумерный. Обобщение понятия размерности открывает дробномерный мир фракталов.

Алгебраическая нелинейность характеризуется уравнениями, содержащими неведомые величины не только лишь в первой степени, также показательные, тригонометрические, логарифмические и другие функции.

Топологическая нелинейность ассоциируется с особенностями многомерных отображений. Высококачественный нюанс нелинейности проявляется в таких парадоксах самоорганизации как неоднозначность, неустойчивость, необратимость. Возникновение внезапных свойств становится не исключительным, а закономерным (бифуркационный кризис, пороговый эффект, странноватые аттракторы). Отказ от детерминизма ведет к отказу от описания эволюционного процесса в определениях отдельных траекторий.

Когерентность – термин из волновой физики, где значит согласованное протекание колебательных процессов. При всем этом согласование в сложных системах может осуществляться не только лишь через фазы колебаний, а вообщем через корреляции. Согласованное взаимодействие, порождающее макроэффекты, является центральным принципом самоорганизации.

В аналитическом нюансе когерентность можно рассматривать, привлекая механизм резонанса; в высококачественном – делая упор на явление кооперативности, когда в системе, при наличии многих реагирующих единиц, реакция первой единицы упрощает ответ 2-ой, реакция 2-ой – ответ третьей и т.д.

Синергетика открывает позитивную роль хаоса. Размеренные процессы сменяются критичными состояниями. В такие моменты определяющую роль в образовании нового порядка в системе играет определенная толика хаоса. Без таковой неупорядоченной, неконтролируемой, случайной составляющие могли быть невозможны высококачественные конфигурации, переходы в значительно новые состояния.

В синергетике есть понятие бифуркации. В точках бифуркации (полифуркации) линия движения разветвляется. И в законе движения нет указания на то, по какой ветки следовать. Есть только диапазон способностей. Выбор ветки находится в зависимости от флуктуаций, от фактора локального масштаба. Через малые блуждания системы попадает в область притяжения одной из вероятных траекторий предстоящего движения. Хаос поначалу обеспечивает возможность схода с прежней линии движения при потере стойкости в зоне кризиса, а потом помогает подключиться к новенькому аттрактору.