Синергетика (от греч. συν — «совместно» и греч. εργος — «действующий») — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем)
Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же, безотносительно природы систем и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.
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. п. и т. д. Время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды. Аналогично и расширительное толкование применимости методов синергетики подвергается критике. 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 процессе усложнения систем различают два взаимодополняющих механизма: объединение частей и разделение (фракционирование) систем. Механизмы, основанные на этих двух принципах, обнаруживаются на всех уровнях сложности и упорядоченности, начиная с макромира и заканчивая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях сложности системы в основе лежат силы, казалось бы, разной природы, но, в конечном счете все они сводятся к четырем фундаментальным взаимодействиям.
Другая сторона явления самоорганизации - информативность, способность системы любого уровня создавать, накапливать, хранить и использовать информацию, в том числе и о направлении своего развития.
Примеры самоорганизации: торнадо, химические часы, биологические процессы (эволюция), социальные системы (общество), формирование человеческой психики на протяжении жизни.
Необходимые условия самоорганизации:
Открытость системы (взаимодействие с другими системами, с окружающей средой): обмен энергией, обмен веществом, обмен информацией при деградации.
Уровни самоорганизации в природе:
Космологический - происхождение вещества из вакуума, появление барионной ассиметрии, разделение различных типов фундаментальных взаимодейтсвий, формирование протонов и нейтронов, формирование атомов водорода и гелия, первичный нуклеосинтез, разделение атомов вещеста и электромагнитного излучения.
Астрофизический - формирование галактик, звезд и планетных систем, звездный нуклеосинтез, образование в космосе простейших молекул вплоть до органических.
Геофизический - формирование и эволюция литосферы, гидросферы и атмосферы Земли как благоприятного резервуара для появления сложных органических молекул.
Химический и биохимический - химическая и биохимическая эволюция молекул и молекулярных агрегатов.
Биологический - биологическая эволюция от появления первых клеток до высших животных и человека, формирование и развитие общего в биосфере.
Социальный - социальная эволюция как историческое развитие различных форм человеческих сообществ от первобытных племен до современной всемирной цивилизации.
Психический и интеллектуальный - психическая и интеллектуальная эволюция от появления языка и письменности, мифологии ирелигии до современного состояния единой мировой науки; попытки формирования ноосферы.
Система обязательно когда-нибудь находится в состоянии кризиса, когда любая маленькая деталь может привести к непредсказуемым последствиям, гибели системы. Теория катастроф с математической точки зрения. Катастрофа - это когда при малом взаимодействии система уходит от прежнего динамического состояния и переходит в новое состояние. Система должна пережить катастрофу, чтобы самоорганизоваться.
4 Концепция необратимости времени в синергетике.
О необратимости времени
1. Случайное событие - это такое событие, которое не имеет предыстории. Такие события существуют ("Бог играет в кости"). Например, считается, что время жизни радиоактивного элемента не зависит от предыстории. Следовательно, никаких причин, определяющих распад, нет. То есть самопроизвольный распад ядра радиоактивного атома - чистый случай. Еще более убедительно случайное поведение элементарных частиц, попадание которых в конкретное место экрана является чистым случаем, и даже 'представление' о наличии какой-либо предыстории частицы (например, конкретной траектории) ведет к невозможности предсказания ее дальнейшего поведения ([9]).
2. Детерминированное событие (причинно обусловленное, не случайное) - это такое событие, которое имеет предысторию. Иначе говоря, существуют причины, вызвавшие это событие и позволяющие "восстановить историю", определить некоторое прошлое событие, являющееся причиной рассматриваемого. Например, нахождение Земли в определенный момент времени в определенной точке своей орбиты обусловлено ее нахождением в предыдущий момент времени в соседней точке орбиты, а также взаимным гравитационным притяжением Земли и Солнца и значениями их масс и скоростей.
В этих определениях молчаливо предполагается, что нам ясен смысл слова "предыстория". На самом деле уточнение этого термина привело бы к необходимости анализа понятий "память", "информация" и т.п. Понимая, что без такого анализа (в другом месте, возможно, мы его проведем), будет потеряна строгость дальнейших рассуждений, попытаемся пока составить себе общее представление о возможных подходах к решению физического аспекта "проблемы" необратимости времени.
Итак, если бы все события в мире были строго детерминированы, то
- в принципе было бы возможно установить всю цепочку причин, приведших объект из некоторого прошедшего состояния к нынешнему. То-есть в этом случае прошлое было бы восстановимо. На самом деле в полной мере прошлое невосстановимо ([4], c.127-130);
- будущее было бы полностью известным. На самом деле оно лишь статистически предсказуемо ([4], c.127).
Происходит все так потому, что большинство реальных процессов состоит не только из детерминированных событий, но и из случайных, которые при переходе из прошлого в будущее прерывают причинную цепь, так как не имеют предыстории. Поэтому текущее состояние мира позволяет оценить прошедшие (как и будущие) события только на вероятностной основе, опираясь на память и аналогии. Например, если бы не было представлений о динозаврах, то обнаруженный "здесь" и "теперь" след динозавра интерпретировался бы нами как игра природы. Короче говоря, речь всегда идет просто о более или менее вероятных оценках как прошлого, так и будущего.
Существование случайных событий означает также, что возврат в прошлое не имеет ничего общего с обратимостью времени. Действительно, если бы вдруг все во Вселенной изменилось так, что ее состояние совпало бы с состоянием, имевшим место быть в какой то момент 19 века, то происходившие в то время случайные события не могли бы в точности повторяться вновь (иначе они не были бы случайными, а имели бы предысторию), и Александр Сергеевич Пушкин, возможно, не был бы убит, и время текло бы в том же направлении, что и сейчас.
Обратимость времени, как уже отмечалось, - это возможность прохождения Вселенной своих состояний в обратном порядке, возможность времени течь из будущего в прошлое. Чем же характеризуется будущее?
Но поскольку мир устроен так, что не все события случайны, что действуют законы природы, определяющие причинные ряды событий, постольку обратный ход времени невозможен.
Итак, течение времени определяется существованием случайных событий, а его необратимость - существованием детерминированных событий.
5 Моделирование воздействий окружающей среды. Измерение фрактальной размерности.
Фрактал - особый математический объект, имеющий известные характеристики [1]. Основной характеристикой фрактального объекта является его размерность [2]. Фрактальная размерность, как правило, является неотрицательным нецелым числом, отражающим, некоторым образом, геометрическую сложность объекта. Появление на радиолокационном изображении некоторого искусственного объекта изменит величину фрактальной размерности изображения в целом. Данный факт позволяет использовать величину фрактальной размерности радиолокационного изображения (РЛИ) для обнаружения. Наиболее эффективно применение фрактальной размерности при обнаружении протяженных слабоконтрастных объектов на фоне сильных отражений от подстилающей поверхности так, как на величину фрактальной размерности РЛИ не влияют амплитудные характеристики формирующих изображение сигналов.
Измерение фрактальной размерности различных, естественных и искусственных объектов является не совсем корректной задачей, так как нет точного определения самого понятия фрактальной размерности [1] и, как правило, отсутствует необходимое количество данных (карт различных масштабов). Поэтому фрактальную размерность какого либо образования измеряют косвенно – по наклону зависимости S=F (d) S- измеряемое значение (длина, площадь, объем и т.д.).
6 Основы гармоничной самоорганизации.Ряды размеров наноструктур.
Формирование и исследование структур, характерные размеры которых составляют единицы или десятки нанометров, является одним из важнейших направлений современных фундаментальных и прикладных исследований в физике твердого тела. Основными функциональными элементами таких объектов (наноструктур), как правило, являются отдельные частицы, большие молекулы или атомные кластеры. Сверхмалые размеры наноструктур приводят к пространственному квантованию и необычным их физическим свойствам. Изучение этих свойств дает ключ к пониманию фундаментальных пространственных ограничений в традиционных электронных и магнитных приборах, с одной стороны, и порождает новые принципы построения электронных устройств, полноценно использующих квантовую природу наноструктур с другой стороны.