Основы современной синергетики. Синергетия Ч. 1 — К4
Нас всюду окружают системы. Да мы сами — тоже системы. Многие системы состоят из подсистем. Вот перед вами компьютер, и он включает системы ввода и системы вывода. А его операционная система тоже состоит из множества подсистем. Ну и мы имеем подсистему опорно-двигательного аппарата, а она из подсистемы костей и подсистемы мышц и связок, а также кровеносная система, нервная система, ну и далее по порядку. Некоторые системы со временем мало меняются, будем их называть стабильными и рассматривать здесь пока не будем. Нас будут интересовать системы лабильные, так или иначе меняющиеся, а некоторые даже меняются с какими-то фокусами. И эти их причуды нас будут интересовать больше всего.
Эти знания постепенно оформились в новую науку, названную ___синергетия___, главным объектом которой является качественное изменение — преобразование всевозможных систем. Преобразование, качественный переход (КП), заключается в появлении из исходной системы новой, обладающей существенными свойствами, которые отсутствовали у первичной системы. Качественный переход — КП, как показывает опыт и закономерная основа [3], имеет характеристики, подобные для всевозможных систем, несмотря на особенности конкретных проявлений. Вследствие подобия КП разной природы и наличия общих закономерностей, а также широчайшего многообразия КП (от Большого взрыва до мировых войн), этот объект является бесспорным предметом науки, изучающей процессы или фазы преобразования любой системы. Последнее обстоятельство придаёт ___синергетии___ универсальный характер; ___синергетика___ же составляет ее раздел, подобно механике в физике. Те, кому слово ___синергетия___ непривычно, могут заглянуть сюда: ["Синерге́тия и синерге́тика — в чем разница?"](https://golos.io/ru--logicheskoe-myshlenie/@eugeny/sinergetiya-i-sinergetika-v-chem-raznica) О прочих разделах синергетии будет сказано ниже; при этом подобно механике сохраняется почтенная роль синергетики в прочих разделах общей науки. Как и механика, _синергетика_ будет служить образцом для аналогии или отличия в теориях, составляющих _синергетию_. Напомним в этой связи, что в квантовой механике, изучающей атом и качественно отличающейся от классической механики, последняя используется для составления основного уравнения квантовой теории. 2. Представим и кратко опишем предшественников синергетии. Сначала перечислим их: теория фазовых переходов, «теория» катастроф, синергетика, теория режимов с обострением [5], анатомия кризисов [6], конфликтология и, наконец, «технология новых знаний» (К3). Сразу же отметим, что в двух последних теориях, в отличие от первых пяти, рассматриваются объекты нематериальной природы — интересы и их взаимодействия (конфликты) и знаниевые системы. Различие существенное, и все же имеющаяся общность допускает объединение. Все перечисленные теории, если их преобразовать системно-закономерным образом, с полным правом составят разделы синергетии; соответствующая часть технологии новых знаний уже вошла в состав трансформационной науки. Чтобы ясно представить, в чем заключается новое качество синергетии и обогащение ее возможностей, рассмотрим вкратце историю вопроса качественного перехода одной системы в другую. 3. Известная теория фазовых переходов (ФП) описывает исходное состояние вещества, условия ФП и получающееся в результате другое вещество — новую фазу. Известным примером служит переход воды в лед или в пар (его использовал Гегель для «обоснования» закона перехода количества в качество). Теорию фазовых переходов вкратце можно описать, уподобив ее газожидкостной модели Ван-дер-Ваальса (ВдВ). Далее эта модель используется для демонстрации общих положений и законов; ей придаются расширенные полномочия. Вслед за теорией ФП вышла на сцену теория катастроф. Ее основная идея — «любой особенности аналитического описания соответствует качественный переход» — катастрофа, как назвал Тома. Основной результат этой теории — полный перечень видов особенностей при двухпараметрическом описании. К сожалению, выявленные особенности не были отождествлены с реальными КП, подобно тому, как это сделано в известном подходе Эренфеста. Напомним это соответствие: порядок разрывной производной отождествляется с родом фазового перехода. Например, скачкообразное изменение величин, как при переходе газ–жидкость — ФП первого рода. 4. В указанных теориях не было временнóго измерения, они описывали итоговый результат. Возникновение особенности с течением времени у величины, описывающей нелинейный процесс, обнаружили и осознали общность этого факта авторы [5]. Они назвали его режимом обострения, а проявляется он в виде неограниченного роста величины при t → tc. Такое поведение, несомненно, свидетельствует о наличии КП в момент tc. 5. Важнейшее достижение синергетики заключается в динамическом анализе систем, потенциально способных к трансформациям. Значение синергетики, возвышающее ее над всеми предшествующими теориями, в том, что она открыла новые стороны КП за счет временнóй развертки процессов. Большим успехом ее вполне можно считать установление факта минимального достаточного описания в виде системы трех дифференциальных уравнений второго порядка нелинейности. Существенным общезначимым вкладом синергетики является введение ею в широкое пользование ряда специальных математических и физических понятий, таких как аттрактор — область притяжения динамической траектории, ветвление, хаос, а также общезначимого понятия — самоорганизация. Наряду с этими достижениями и впечатляющим охватом многих областей знаний (физика, химия, биология и др.) синергетика, представленная в [1], является по сути лишь прототипом науки. Недостаточность ее в общем плане и пробелы обнаруживаются, как только начнем задавать естественные вопросы. Как реализуется непременное соответствие с предшествующими теориями, указанными выше? Почему нет определений ключевых понятий, таких как неустойчивость, качественный переход, самоорганизация и др.? Где обязательная для науки закономерная база? Конечно, можно объяснить эти проблемы молодостью теории, но и после исходной версии [1] написан ряд книг по синергетике, а поставленные вопросы не получили в них ответа. 6. Заслуживает внимания интересный содержательный сборник «Анатомия кризисов» [6]. В нем с единых позиций расширяется круг синергетических систем, в него включаются: эволюция звезд, геологическая история Земли, биологическая эволюция, развитие почв, история цивилизации, экономические циклы, кризисы в системе природа–общество. Даются общие закономерности кризисов, обозначаются их этапы, приводится словарь терминов, включающий сотню понятий (неустойчивости нет). В последнем разделе содержатся «синергетические подходы к проблеме кризисов». Из этого названия раздела следует, что представленная теория кризисов не позиционирует себя как естественная часть синергетики, хотя это несомненно так. 7. Такая отстраненность, очевидно, обусловлена неопределенностью рамок и статуса исходной теории [1] и, конечно, отсутствием надежного фундамента, который закладывает синергетия. С этим обстоятельством связано возникновение ряда версий синергетики, ее даже назвали псевдорелигией и философией (см. весьма спорную книгу [7], от критики которой не отмахнешься). Избегая крайностей и стремясь к «золотой середине», целесообразно развивать теорию преобразований систем, включая в нее все результаты разных теорий, имеющие прямое отношение к тематике качественных переходов любых систем. Это — важная и актуальная тематика, поскольку развитие любой системы неминуемо проходит через последовательность КП, а зная их механизмы, можно целенаправленно управлять ходом развития, преобразуя системы в нужном направлении, если имеются для этого достаточные ресурсы. С учетом этой прописной декларации и следует строить синтезирующую науку о преобразованиях систем — синергетию. Она будет развиваться как точная наука, аккумулируя и умножая знания, и плодотворность ее будет возрастать неуклонно! 8. Существенным стимулом развития синергетии служат два очевидных важных обстоятельства. ___Первое___, проблемное обстоятельство заключается в том, что решение проблем, чем человек и человечество занимается постоянно, требует преодоления затруднений, как правило, нестандартным способом. Последнее означает, что приходится преодолевать барьеры в виде качественных переходов. Как это делать, должна учить синергетия. Синергетика лишь в малой степени осуществляет эту важнейшую функцию. ___Второе___, прогнозное обстоятельство коренится в желании и необходимости знать перспективы развития системы (любой системы и данной, конкретной). Нас интересует надежный прогноз погоды, составляем планы деятельности на неделю (месяц, год), желаем знать судьбу человека, ход развития общества и государства, предсказывать кризисы и катастрофы. Любое из отмеченных прогнозирований затруднительно в силу наличия при развитии качественных переходов, выходы из которых вследствие хаотизации кажутся непредсказуемыми. Если имеется достаточно адекватная модель эволюции интересующей системы, прогноз может быть сделан с вероятностью близкой к единице.
Оба указанных обстоятельства сводятся к проблеме построения подходящих моделей развития систем. Синергетика взяла модели, имеющиеся в сопредельных теориях, и это поначалу вполне естественно. Для синергетии построение удовлетворительных моделей — первостепенная задача.
В «Основах синергетии» она будет решаться лишь частично посредством расширения поля действия аналогов известных моделей. При дальнейшем же развитии вопрос будет «поставлен ребром» и будет решаться. В связи с этим отметим, что три последних раздела синергетии — кризисный, конфликтный и нового знания, имеют лишь качественные модели и перевод их на количественные рельсы — задача непростая, но решаемая. Первый пример подает полуколичественная модель кризиса «природа–общество» в [5].
Какие достижения синергетия имеет к настоящему времени? Прежде всего, согласно содержанию К4, это — добротный фундамент науки: системное представление ее оснований, достаточно полная и конструктивная система законов и оснащающих их принципов, согласованная с принципами эффективная методика анализа качественных переходов. Наряду с этими общими результатами имеются многочисленные конкретные применения. Для анализа широчайшего круга систем используются две основные модели — аналитическая, обобщающая модель ВдВ и дифференциальная трехкомпонентная, которая включает в себя все модели синергетики. Во второй части книги — К5 — следует отметить получение динамической картины для всего диапазона вводимого ресурса на примере модели производственной системы. Модель конкретная, а результаты на ее основе имеют общий характер. Демонстрируются всевозможные режимы: гармонический, ударной волны, хаотический, распаднóй. Иллюстрируются все основные законы, показано «окно» существования системы и обнаружены другие интересные особенности. Заслуживают внимания применения технологии синергетии к разным системам в третьей главе. Там получен ряд впечатляющих результатов. С использованием КП разного рода обнаружены новые возможности в энергетике, экологии, образовании.
Синергетия развивается, стартуя от исходной теории — синергетики, включает все ее достижения, расширяется, вбирая в себя теории, изучающие качественные переходы, и, наконец, превращается в зрелую науку, приобретая закономерный фундамент и охватывая широчайшее поле приложений. Чтобы видеть ее продвижение, обозначим три указанных стадии развития для удобства сравнения как С1 (синергетика), С2 (содержание К4, 5) и С3 (будущая зрелая синергетия).
Наука о трансформациях всевозможных систем, развиваясь, увеличивает свою плодотворность в получении нового знания посредством качественных переходов и имеет прекрасные перспективы.
_Выходные данные книги К4_ Скворцов Г. Е., Полищук Е. В. Основы современной синергетики. СПб, 2010 г. 68 с.
Представляется преобразованная синергетика — синергетия, нацеленная на изучение качественных переходов — трансформаций, всевозможных систем. Дается системное представление синергетической науки, которое составляется из основных положений системы законов и принципов, основных методов и решаемых ею задач. Синергетия — универсальная наука, включает все теории, посвященные качественным переходам: теорию фазовых переходов, катастрофику, исходную синергетику, конфликтологию, теорию кризисов, технологию новых знаний. Основная задача ее — изучение на моделях не-большой размерности существенных сторон преобразования систем, предсказание качественных переходов, описание их протекания и результатов.
Книга будет интересна и полезна всем любителям синергетики, исследователям качественных переходов в разных системах: физикохимических, биологических, социо-экономических, психологических, а также изобретателям.
The book will be useful and interesting to all lovers of Synergetics, researchers of qualitative transitions in various systems: physical, chemical, biological, socio-economic, psychological, and also to inventors.
УДК 536.75
© Скворцов Г. Е., Полищук Е. В. 2010
| ОГЛАВЛЕНИЕ | стр |
|---|---|
| Введение | 5 |
| Глава 1. Основания синергетии | 10 |
| 1.1. Системный подход | 10 |
| 1.1.1. Система, как всеобщая конструкция | 10 |
| 1.1.2. Основные свойства систем | 12 |
| 1.1.3. Природные преобразования и феномен КП | 14 |
| 1.2. Системная схема синергетии | 15 |
| 1.3. Основные объекты, понятия и тематика синергетии | 16 |
| 1.3.1. Основные объекты синергетии | 16 |
| 1.3.2. Основные понятия синергетии | 17 |
| 1.3.3. Иллюстрация определений системы | 19 |
| 1.4. Законы и принципы синергетии | 20 |
| 1.4.1. Базовые законы | 21 |
| 1.4.2. Законы основных связей | 24 |
| 1.4.3. Законы структурности SI-систем | 25 |
| 1.4.4. Класс законов причинности | 27 |
| 1.4.5. Законы реакции систем и законы динамики | 28 |
| 1.4.6 Типичная синергетическая модель КП | 33 |
| 1.4.7. Роль хаотизации | 34 |
| 1.5. Синергетия преобразует синергетику | 35 |
| Глава 2. Применения законов и принципов синергетии | 37 |
| 2.1. КП-генерация законов | 37 |
| 2.2. Открытие системы законов природы | 39 |
| 2.3. Капы открытий и изобретений | 40 |
| 2.3.1. КП метод предсказания явлений | 40 |
| 2.3.2. Физико-химические качественные переходы | 41 |
| 2.3.3. Биологическая тематика | 44 |
| 2.3.4. Ключевые капы | 46 |
| 2.3.5. Капы оздоровления | 48 |
| Глава 3. Начала технологии синергетии | 49 |
| 3.1. N-фрагментное представления КП | 49 |
| 3.1.1. Описание N-зависимости | 49 |
| 3.1.2. Применения N-зависимости | 51 |
| 3.1.3. Кризис земледелия, волнения клетки и тимуса, рождение идеи. Что у них общего? | 54 |
| 3.2. Динамическая модель трансформации систем | 56 |
| 3.2.1. Модель Лотки | 57 |
| 3.2.2. Анализ исходной, нелинейной модели | 59 |
| 3.3. Нелинейность моделей SI-теорий | 61 |
| Заключение | 63 |
| ПРИЛОЖЕНИЕ — Графики | 65 |
| ЛИТЕРАТУРА | 67 |