Синергетика

ЧТО ТАКОЕ СИНЕРГЕТИКА.
Синергетика – новое научное направление, оформившееся примерно 35 лет назад. Термин
«синергетика» ввел профессор Штутгартского университета Герман Хакен. Это
направление носит интегрирующий характер, объединяя общими законами разные
области наук: физику, химию, биологию, психологию, социальные науки и т.д.
Синергетику можно охарактеризовать по-разному, а именно:
Синергетика - наука о самоорганизации физических, химических, биологических и
социальных систем; наука о коллективном, когерентном поведении систем различной
природы;
Синергетика – термодинамика открытых систем вдали от равновесия;
Синергетика – наука о неустойчивых состояниях, предшествующих катастрофе, и их
дальнейшем развитии (теория катастроф);
Синергетика - наука об универсальных законах эволюции в природе и обществе.
В течение примерно пятисот лет в период развития индустриальной формы цивилизации
(XV–XX век) научные исследования в своём большинстве относились к изучению так
называемых устойчивых явлений. Последние характерны тем, что небольшому
изменению причины явления соответствует небольшое следствие. Математически это
может быть выражено следующим образом: небольшому изменению аргумента
соответствует небольшое изменение функции, что, в конце концов, привело к линейной
математике. Основные законы физики, химии, биологии за период индустриальной
цивилизации были получены для устойчивых явлений, и на их базе шло развитие
современной науки. Однако в Природе, кроме устойчивых явлений, имеются и
неустойчивые, для которых небольшое изменение причины может привести к большим
следствиям. Неустойчивые явления могут привести систему либо в более организованное
состояние — к самоорганизации, либо к катастрофе. Факты самоорганизации будут
рассмотрены позже, а о катастрофах всем хорошо известно. Достаточно вспомнить,
например, выход двигателей из строя; разрушение зданий, сооружений; гибель экосистем,
резкое нарушение здоровья человека и т.д. Серьёзное внимание в науке на характер
развития процессов в состоянии неустойчивости обратили внимание во второй половине
ХХ века, примерно в это же время возникла новая научная дисциплина — синергетика.
Слово «синергетика» происходит от греческого «σινεργεια» — содружество,
сотрудничество, совместная работа. Этот термин в 1973 году ввёл в обиход немецкий
физик, профессор Штутгартского университета Герман Хакен, назвав им новое научное
направление, изучающее самоорганизацию систем. Факты самоорганизации встречались
давно, но их трудно было объяснить, так как они противоречили второму началу
термодинамики. Второе начало термодинамики в формулировке Людвига Больцмана
означает, что изолированная система стремится от менее вероятного состояния к более
вероятному, или от порядка к хаосу, так как именно хаос является наиболее вероятным
состоянием. Идея самоорганизации, то есть стремления при определённых условиях
системы от хаоса к порядку противоречит, как отмечалось, второму началу
термодинамики. Обратим внимание на то, что равновесная термодинамика — не просто
раздел физики, эта наука определяла мировоззрение нескольких поколений
исследователей. Потребовалось чрезвычайное интеллектуальное напряжение, чтобы
вырваться из «железных оков» равновесной термодинамики и представить себе, что в
беспорядочном тепловом движении огромного числа молекул возможна
макроскопическая упорядоченность. Факты самоорганизации в косной природе
встречались и раньше, приведём несколько примеров.
1. Эффект Бенара (1901).
В горизонтальной щели подогреваемой снизу вязкой жидкости образуются ячейки
гексагональной формы, наподобие пчелиных сот.
2. Реакция Белоусова (1951) — Жаботинского (1959).
В смеси некоторых химических веществ наблюдается самоорганизация во времени, то
есть происходит периодическая смена цвета вещества;
3. Оптические квантовые генераторы (лазеры) (1960).
Лазеры производят усиление света при вынужденном излучении. Этот процесс вызван
тем, что он возникает не беспорядочно, как в обычной оптической среде (например в
газоразрядной лампе), а упорядоченно: происходит согласованное монохроматическое
(одна длина волны) излучение атомов в единой фазе.
Согласованное действие большого количества атомов в этих примерах всесторонне
исследовалось во второй половине ХХ века. Было установлено, что подобные процессы
могут происходить в так называемых активных, или, по терминологии И. Пригожина,
диссипативных средах. Последние образуются в неустойчивой фазе процесса, в
термодинамически неравновесной открытой системе, характер процесса когерентен, а
описание его связано с нелинейными уравнениям.
Рассмотрим подробнее следующие понятия: неустойчивый процесс, открытая система,
когерентность и нелинейность. Понятие об устойчивости и неустойчивых системах
рассматривалось выше. Во второй половине ХХ века в термодинамике стали изучать
необратимые процессы, происходящие в открытых системах, обменивающихся со средой
массой и энергией.
Когерентность — термин, взятый из волновой физики для обозначения согласованно
протекающих колебательных процессов. Вернёмся к примеру с лазером, где процессы
происходят в одной фазе, и в результате сложения большого числа малых актов излучения
отдельных атомов возникает мощный (лазерный) эффект.
Одно из ярких достижений физиков и математиков ХХ века — создание теории
колебаний, и особенно изучение распространения волн в активной среде, так называемые
автоколебательные процессы.
Научное сообщество постепенно проникалось сознанием того, что колебательные режимы
достаточно распространены в биохимии, химии, биологии, медицине. Достаточно указать
такие явления как «биологические часы», сердечную деятельность, перистальтику
кишечника и т.д. Нелинейность проявляется в разных областях. Нелинейность связана с
уравнениями, содержащими неизвестные величины не только в первой степени (например
квадратное уравнение). Синергетика решительно преодолевает устоявшиеся во многих
поколениях исследователей понятия порядка и хаоса, представления об эволюции
Природы, сложившиеся междисциплинарные отношения в Науке и быстро превращается
в носителя новой научной парадигмы. В развитие синергетики существенный вклад внёс
Илья Романович Пригожин (1917–2002), бельгийский учёный русского происхождения,
его труды позволили исследователям вырваться из железных оков равновесной
термодинамики и выйти на новую научную парадигму, в этом состоял его жизненный
подвиг. За работы по термодинамике необратимых процессов и их использование в химии
и биологии он был удостоен в 1977 году Нобелевской премии по химии.
В настоящее время публикуется большое количество работ по синергетике, организуются
форумы, конференции с участием представителей самых разных специальностей,
объединяемых стремлением выработать и освоить новый стиль мышления в науке и
технике, в искусстве, философии, педагогике и других областях. Вызывает некоторое
удивление, что в этом потоке исследований мало работ из области медицины. На наш
взгляд, первый шаг по синергетике в медицине сделал в 1943 году один из творцов
квантовой механики, лауреат Нобелевской премии Э. Шредингер. В своей книге «Что
такое жизнь с точки зрения физики» он рассмотрел человека как открытую систему и, в
частности, поставил очень интересный вопрос: чем питается организм. Обычно полагают,
что это калорийность продуктов, микроэлементы, витамины, содержащиеся в пище.
Шредингер напоминает в этой книге, что каждый процесс, явление, событие,
происходящие в Природе, связаны с движением энтропии в той части мира, где это
происходит. Живой организм тоже непрерывно увеличивает свою энтропию и постепенно
приближается к её максимальному значению, означающему смерть. Но если организм
будет извлекать из окружающей среды, по терминологии Э. Шредингера, отрицательную
энтропию (негэнтропию), то он компенсирует рост энтропии.
Напомним, что энтропия является мерой хаоса в системе, а следовательно, негэнтропия —
мерой порядка. Иными словами, отрицательная энтропия есть то, чем питается организм.
Принято говорить об «антиэнтропийности» жизни, то есть росте упорядоченности в ходе
эволюции. Можно сказать, что живой организм, потребляя пищу, использует тот
порядок, который в пищу внесла Природа, и выбрасывает после потребления менее
упорядоченные остатки. Из этих рассуждений следует, что величина и знак изменения
энтропии играет существенную роль в оценке жизнедеятельности организма и, наверное,
может рассматриваться как медицинский параметр.
Человек — неравновесная открытая система, обменивающаяся с окружающей средой
массой, энергией и информацией.
Уместно для описания происходящих в организме человека процессов использовать
термодинамику неравновесных процессов, в которую необходимо было ввести
дополнительный параметр — информацию. Итак, организм человека определяется как
открытая система, обменивающаяся с окружающей средой массой, энергией и
информацией, что потребовало некоторого расширения термодинамики Пригожина.