Лекція 6. Діалектична логіка як методологія наукового дослідження

Синергетика – це міждисциплінарний напрямок наукових досліджень, що виник на початку 70-х років XX століття. Його представники вивчають закономірності і принципи, що лежать в основі процесів самоорганізації в системах самої різної природи: фізичних, хімічних, біологічних, технічних, соціальних та інших. Під самоорганізацією в синергетиці розуміються процеси виникнення макроскопічно впорядкованих просторово-часових структур в складних нелінійних системах, що знаходяться в далеких від рівноваги станах, поблизу особливих критичних точок – точок біфуркації, в околиці яких поведінка системи стає нестійкою. Останнє означає, що в цих точках система під впливом самих незначних впливів, або флуктуацій, може різко змінити свій стан. Цей перехід часто характеризують як виникнення порядку з хаосу. Одночасно відбувається переосмислення концепції хаосу, вводиться поняття динамічного (або детермінованого) хаосу як якоїсь надскладної впорядкованості, яка існує неявно, потенційно, і що може проявитися у величезному різноманітті впорядкованих структур.

Синергетика – поняття нове, лише недавно з'явилося в словниках та енциклопедіях. У 1973 році – точна дата народження цього напрямку – професор Штутгартського університету німецький фізик Герман Хакен на конференції, присвяченій процесам самоорганізації, зробив програмну доповідь, в якій оголосив про нову, засновану ним дисципліну – «синергетику». Ще одним засновником синергетики є бельгійський фізик, лауреат Нобелівської премії Ілля Романович Пригожин. Більшість його робіт були присвячені нерівноважній термодинаміці (у якій система не перебуває у стані рівноваги з середовищем, як наприклад суспільство і окрема сім’я) і статистичної механіки незворотних процесів. Одне з головних досягнень полягало в тому, що було показано існування нерівноважних термодинамічних систем, які, за певних умов, поглинаючи речовину і енергію з навколишнього простору, можуть здійснювати якісний стрибок до ускладнення (дисипативні структури). Причому такий стрибок не може бути передбачений, виходячи з класичних законів статистики.

Ідейні витоки синергетики сягають своїм корінням доби Античності. Так, приміром, Аристотель, який у своїх роботах часто апелював до сучасників, писав: «Є і такі філософи, які причиною і нашого Неба, і всіх світів вважають мимовільність (рос – самопроизвольность): адже вони вважають, що самі собою виникають вихор і рух, що розділяють і призводять в даний порядок Всесвіт.

Подібні думки висловлювали й в інші часи:

·           християнський мислитель Фома Аквінський, який шукав за ірраціональністю сувору логіку;

·           іспанський філософ XVI століття Людовик Моліна, – богослов, який би розглядав свободу волі людини, кажучи сучасною мовою, як нелінійну систему з багатоваріантністю;

Засновники синергетики стверджують, що закономірності явищ самоорганізації не обмежуються областю неживої природи: вони поширюються на всі матеріальні системи. Як зазначає Г. Хакен, принципи самоорганізації поширюються «від морфогенезу в біології, деяких аспектів функціонування мозку до флатера крила літака, від молекулярної фізики до космічних масштабів еволюції зірок, від м'язового скорочення до спучування конструкцій».

Для того, щоб зрозуміти сутність синергетики необхідно розглянути ті принципи, що лежать в її основі.

Основні принципи синергетики:

1. Системності або цілісності світу і наукового знання про нього, спільності закономірностей розвитку об'єктів всіх рівнів матеріальної і духовної організації.

2. Нелінійності (тобто багатоваріантність і незворотність).

Нелінійність – у математичному плані проглядається у випадках, коли ціле більше суми частин, що його формують. Лінійний процес вимірюється простими рівняннями, типу: Х=3Y. Нелінійні рівняння мають кілька рішень. Безлічі рішень нелінійного рівняння відповідає безліч шляхів еволюції системи, описуваної цими рівняннями (нелінійної системи).

Нелінійність в світоглядному плані може бути розгорнута за допомогою ідеї багатоваріантності шляхів еволюції, ідеї вибору з альтернатив і як наслідок ідеї незворотності еволюції.

3. Глибиною взаємозв'язку хаосу і порядку (випадковості і необхідності). З точки зору синергетики, хаос, безлад, випадковість необхідні для народження нового, а, отже, необхідні для еволюції. Синергетика розглядає випадковість і хаос як необхідні складові частини цього світу, в той час як раніше вони розглядалися як щось непізнане. Природа містить в собі випадковість і незворотність як істотні моменти, а «це веде до нового уявлення про матерію. Вона не розглядається більше як пасивна, як це має місце в механістичній картині світу». У механістичній науці непостігаемим було тотожне незмінного, але хоча людині не дано повністю збагнути природу, вона все ж має можливість спонтанної діяльності.

4. Відкритості систем і світу в цілому.

Синергетика розглядає відкриті системи.

Відкрита система – це система, яка безперервно взаємодіє зі своїм середовищем. Взаємодія може приймати форму інформації, енергії або матеріальних перетворень на кордоні з системою. Відкрита система протиставляється закритій, тобто системі, що не обмінюється енергією, речовиною або інформацією з навколишнім середовищем. Закрита система відповідно до законів термодинаміки повинна в кінцевому підсумку прийти до стану з максимальною ентропією і припинити будь-які еволюції.

Теорія відкритих систем, що перебувають у стані постійної самоорганізації дала можливість трансформувати синергетику у міждисциплінарний підхід.

5. Нове розуміння часу.

В синергетиці час постає нелінійним феноменом, тобто час розглядається як виникаюча властивість. Тобто, в синергетиці мова йде не про час буття, а про час становлення деякої структури, складові якої можуть мати різний вік. З огляду на це, час втрачає свою одноманітність, адже становлення порядку певної структури може перебувати в активній фазі, і час протікає надзвичайно швидко, а може перебувати у стадії стагнації, а тому час сповільнюється. Своєрідність часу у синергетиці, поряд з вказаним виявляється у його дискретності – час метаболізму, життя одного покоління, річний коловорот часу тощо.

Синергетичний підхід в сучасному пізнанні, основні принципи

·           Наука має справу з системами різних рівнів організації, зв'язок між ними здійснюється через хаос.

·           Коли системи об'єднуються, ціле не дорівнює сумі частин.

·           Загальна для всіх систем: спонтанне утворення, зміни на макроскопічному рівні, виникнення нових якостей, етап самоорганізації. При переході від неврегульованого стану до стану порядку всі системи поводяться однаково.

·           Нерівноважність в системі є джерелом появи нової організації (порядку).

·           Системи завжди відкриті і обмінюються енергією з зовнішнім середовищем.

·           Процеси локальної впорядкованості відбуваються завдяки припливу енергії ззовні.

·           У сильно нерівноважних умовах системи починають сприймати ті чинники, які вони б не сприйняли в більш рівноважному стані.

·           У нерівноважних умовах незалежність елементів поступається місцем корпоративній поведінці.

·           Далеко від рівноваги узгодженість поведінки елементів зростає. У рівновазі молекула бачить тільки своїх сусідів, далеко рівноваги – бачить всю систему цілком. Приклади: кісткова матерія – комунікація за допомогою сигналів, робота головного мозку.

·           В умовах, далеких від рівноваги, в системах діють біфуркаційні механізми – наявність точок роздвоєння продовження розвитку. Варіанти розвитку системи практично не передбачувані.

Ключові положення синергетики. Г. Хакен

Досліджувані системи складаються з декількох або багатьох однакових або різнорідних частин, які знаходяться у взаємодії один з одним.

Ці системи є нелінійними.

При розгляді фізичних, хімічних і біологічних систем мова йде про відкриті системи, далекі від теплової рівноваги.

Ці системи схильні до внутрішніх і зовнішніх коливань.

Системи можуть стати нестабільними.

Відбуваються якісні зміни.

У цих системах виявляються емерджентні (тобто знову виниклі) нові якості.

Виникають просторові, тимчасові, просторово-часові або функціональні структури.

Структури можуть бути впорядкованими або хаотичними.

У багатьох випадках можлива математизація.

Г. Хакен насамперед підкреслює, що частини систем взаємодіють один з одним. Він виділяє витоки, які призводять до утворення нових систем. Хаос є хаос, він ніяк не може перетворитися в порядок. Логіка Г. Хакена йде в іншому напрямку. Основоположний системний фактор полягає не в хаотичності, а у взаємодії, в динаміці.

Динаміка не чужа навіть хаосу. А раз так, то цілком можливо, що в хаосі народжується порядок, впорядкованість. Це дійсно має місце. Багатьом впорядкування хаосу, його самоорганізація здається чимось дивовижним. Їм важко зрозуміти, що хаос не позбавлений динаміки, вони абсолютизують хаос, вважають його деструктивним началом.

Найважливішим концептом синергетики є нелінійність. У синергетиці основна увага приділяється вивченню нелінійних математичних рівнянь. Лінійність абсолютизує поступальність, безальтернативність, торжество сталості. Нелінійність фіксує непостійність, різноманіття, нестійкість, відхід від положень рівноваги, випадковості, точки розгалуження процесів, біфуркації.

Точкою біфуркації називають стан максимальної хаотичності нерівноважного процесу (від лат. Bifurcus – роздвоєний). Завдяки хаотичності подальше розгортання нерівноважного процесу має не один шлях руху, а безліч можливих шляхів з точки біфуркації

Маючи справу з відкритими (тобто, такими, що мають джерела і стоки енергії) нелінійними системами, синергетика стверджує, що світ виникає в результаті самовільних і самоорганізованих механізмів. В їхній основі лежить єдина симетрія форм в живій і неживій природі. Наприклад, спіралі Галактики і циклону подібні до спіралі раковини равлика чи рогів тварин.

Випадковість стає необхідним елементом світу: порядок (закон) і безлад (хаос) містять у собі один одного. Більш того, випадковість грає роль творчого начала в процесі самоорганізації. Чим далі від стану рівноваги, тим швидше зростає число рішень, станів складної системи.

Синергетика, як правило, має справу з відкритими системами, далекими від рівноваги. Відкритість системи означає наявність у ній джерел та стоків, наприклад, речовини, енергії та інформації.

Щоб система утворилася, необхідне відповідне динамічне джерело, яке якраз і виступає організуючим початком. Там, де настає рівновага, самоорганізація припиняється.

Системи, що самоорганізуються не завжди стабільні. Саме в коливаннях система рухається до відносно стійких структурам. Нелінійні рівняння, як правило, описують процеси коливання.

Синергетика, як це показав в своїх численних роботах І. Пригожин, дозволяє з нових позицій зрозуміти два найважливіші чинники існування як нас самих, так і нашого оточення – час і незворотність. Йдеться про те, що, по-перше, саме незворотність грає конструктивну роль, по-друге, слід перевідкрити поняття часу.

Так само як і розмірність, симетрія істотно залежить від того, які операції дозволяється проводити над об'єктом. Наприклад, будова тіла людини і тварин має білатеральною (двосторонньою) симетрією, але операція перестановки правого і лівого фізично не можлива. Отже, якщо обмежитися тільки фізично здійсненними операціями, то білатеральної симетрії не буде. Симетрія – властивість негруба: невелика варіація об'єкта, як правило, знищує весь запас властивої йому симетрії.

Синергетика сьогодні існує в трьох іпостасях:

як наука, як методологія і як загальнонаукова картина світу, то автентична синергетика може і має бути присутня у всіх трьох в якості ядерних компонентів, природно, з різним рівнем формалізації. Якщо в синергетиці – науці про системи, що розвиваються - автентичне ядро початку існує, то в синергетичної методології та картині світу ці ядра знаходяться в стадії становлення.

Коеволюція – спільна еволюція біологічних видів, які взаємодіють в екосистемі. Зміни, що зачіпають будь-які ознаки особин одного виду, призводять до змін в іншого або інших видів.

Флуктуація (від лат. Fluctuatio - коливання) – будь-яке випадкове відхилення будь-якої величини. У квантовій механіці – відхилення від середнього значення випадкової величини, що характеризує систему з великого числа хаотично взаємодіючих частинок; такі відхилення викликаються тепловим рухом частинок або квантовомеханічними ефектами.

Атрактор (англ. attract – притягувати) – множина точок у фазовому просторі, до якої збігаються фазові траєкторії дисипативної системи. Атрактори можуть бути точковими (точки рівноваги), лініями (граничні цикли), поверхнями, і навіть складними багатовимірними фрактальними структурами, як у випадку дивного атрактора. Навколо атрактора в фазовому просторі існує басейн притягання.

Фрактал (лат. Fractus – подрібний, зламаний, розбитий) – множина, що має властивість самоподібності (об'єкт, в точності або приблизно збігається з частиною себе самого, тобто ціле має ту ж форму, що і одна або більше частин).

Дисипативна система (дисипативна структура) – розподілена фізична система, в яких відбувається дисипація (розсіювання) енергії і зростання ентропії (невизначеності). Термін утворений від латинського dissipatio – «розсіюю», «руйную». Всі реальні середовища є дисипативними середовищами; важливу роль відіграють нерівноважні дисипативні середовища, в яких втрати енергії компенсуються її припливом ззовні через зовнішні поля і потоки. Дисипативна система є стійким станом, що виникає в нерівноважної середовищі за умови дисипації енергії, яка надходить ззовні. Дисипативну систему також називають стаціонарної відкритої системою або нерівноважної відкритою системою.