интересно
Предыдущая | Содержание | Следующая

Сложные самоорганизующиеся синергетические системы и свертывание информации в процессе упорядочения системы

Любые синергетические системы – это только открытые системы, имеющие свою "внешнюю среду", откуда черпают все необходимые компоненты для своего существования. В силу этого какая-то часть энергии, вещества, информации этой окружающей среды ассимилируется системой и более или ме-нее длительно удерживается в ней в особо упорядоченном состоянии. Как правило, система ощущает себя более энергичной, более активной в отношении среды.

Синергетика изучает нелинейные системы самой различной природы и самоорганизацию в них. Теория самоорганизации нелинейных систем различной природы использует единство таких основных понятий, как параметры порядка, аттракторы, бифуркация, странные аттракторы, солитоны, фракталы, хаос и порядок, неравновесность, диссипативные структуры, когерентность и др.

Все синергетические системы – это сложные открытые неравновесные самоорганизующиеся системы, которые способны на внешнее воздействие отвечать самоорганизацией структур. Организация таких структур происходит в результате появления новой локальной упорядоченности, подчиняющей себе все другие, ранее не упорядоченные (хаотические) элементы своего уровня с образованием в конечном счете упорядоченных структур уже в вышележащем иерархическом уровне. Свойства этой новой структуры не могут быть представлены как некая сумма свойств, образовавших ее элементов. При этом ни сами элементы, ни их базовые свойства не меняются, меняется только характер появления этих свойств: случайный, или хаотический, сменяется коллективным, согласованным.

Все самоорганизующиеся системы способны поддерживать собственные существование, или гомеостаз, при помощи циклической структуры связей, которые и являются основным признаком такой системы.

Важной особенностью синергетических систем является то, что в процессе упорядочивания происходит резкое уменьшение системной информации за счет ее свертывания. Это понятно, так как при описании общих, или коллективных, состояний (свойств) системы нет необходимости описывать каждый элемент в отдельности, достаточно описания общих (коллективных) свойств. Свертывание информации без снижения надежности системы является главной ценностью синергетических систем. Свертывание информации в коллективную информацию является одним из основ появления самовоспроизводящихся и саморазжимающихся синергетических систем живой природы.

Принципиально важно, что при свертывании информации запоминаются и хранятся только жизненно важные для системы параметры. По-видимому, эволюция всех природных систем идет в направлении увеличения иерархичности, позволяющей при переходе с уровня на уровень свертывать информацию.

С точки зрения синергетики накопление знаний – это нелинейный процесс, и система знаний представляет сложную самоорганизующуюся систему, в которой один единственный новый факт может вызвать значительные подвижки в привычной структуре представлений.

По-видимому, человеческое сознание также представляет собой многоуровневую синергетическую систему, формирующуюся на основе самоорганизации механизмов отражения (рефлексии) под влиянием так называемого коллективного генетического кода.

По-видимому, принцип свертывания информации за счет иерархичности широко используется головным мозгом при запоминании, хранении и реализации огромных и многочисленных массивов информации. Кроме того, свернутая информация способна "отвердевать" в виде более или менее устойчивых физических или химических структур. В качестве примера этого может служить генетический код, "отвердевший" в виде молекул ДНК или РНК, в которых свернута информация о живой системе в виде генов. Биологический код, в сущности, это свернутая информация о наследственности.

Возникновение в синергетической системе упорядоченности является нелинейным результатом кооперации и коллективного поведения элементов предыдущего уровня организации.

В процессах самоорганизации нелинейных систем нет направляющей руки. Самоорганизация рождается самой системой в результате потери устойчивости некоего состояния как фазового перехода. Но возможны и обратные процессы, когда происходит переход устойчивых систем в состояние хаоса (беспорядка).

Системы и структуры, которые при потере устойчивости могут рождать какие-то новые структуры, алгоритмизованы и заранее предопределены теорией синергетики, все остальное заранее не предопределено.

Стохастические процессы, или флуктуации, имеют решающее значение для точек бифуркации нелинейных систем, когда используются понятия "странный аттрактор", "фрактальная размерность".

Структура системы в синергетике представляет состояние, возникающее в результате когерентного (согласованного) поведения большого числа элементов (частиц) системы. Иногда такие структуры называются диссипативными структурами, которые за счет обмена с внешней средой из однородного состояния равновесия необратимо переходят в другое состояние равновесия.

Согласованное действие элементов или частиц систем, а вследствие этого самоорганизацию систем, мы часто наблюдаем в природе. Примерами согласованных действий и самоорганизации системы могут служить большие косяки рыб, перелеты птиц, большие стаи животных, самоорганизация колоний амеб и т.п. Такое поведение можно объяснить взаимосогласованностью между параметрами порядка и векторами состояний.

Когда происходит переход сложной системы из одного устойчивого состояния в другое устойчивое, то выясняется, что поведение сложной системы описывается очень малым количеством параметров, так называемым параметром порядка, а не многочисленными параметрами вектора состояния, как это может показаться сначала. Таким образом, в состояниях близких к фазовому переходу, сложная система, которая обычно описывается многими параметрами, как будто упрощается, становится как бы менее сложной, менее хаотической. Происходит сжатие информации и переход от многочисленных параметров состояния к очень немногочисленным параметрам порядка. Такое подчинение большого числа параметров состояния малому количеству параметров порядка называют "принципом подчинения".

Синергетическая концепция в теории управления опирается на идею целенаправленной самоорганизации сложных систем путем формирования и преднамеренного ввода в исходные модели системы и поддержания с помощью управляющих воздействий желаемых притягивающих инвариантных многообразий в пространстве состояний системы, на которых естественные свойства объекта наилучшим образом согласуются с требованиями задачи управления.

В процессе целенаправленной самоорганизации в синергетической системе происходит последовательное уменьшение степени свободы и их подстройка к макропеременным, а его следствием является образование аттракторов, к которым притягиваются траектории системы.

Синергетическое изучение одной области позволяет получать знание и интуицию совсем в другой области и переносить знание из одной области в другую, например из области техники в организационную или социально-экономическую. В системах различной природы стали обнаруживаться возможности описания их с помощью странных аттракторов и диссипативных структур, что позволяет под лозунгом синергетики объединять специалистов самых разных наук.

Когерентность, или согласованное упорядоченное поведение динамических элементов, тоже является примером нелинейного поведения системы. Когерентность наблюдается во всех синергетических системах. Например, сердце работает как целостная система, ритмично перекачивая кровь, тогда как изолированные клетки сердца продолжают ритмично сокращаться, но каждая клетка при этом работает в своем собственном ритме, и разброс частот между изолированными клетками может быть очень большим, тем самым создается частотный хаос, беспорядок. Однако как только изолированные клетки объединяются в единый орган – сердце, все клетки сердца переходят на единую частоту.

Какие-то клетки, неимеющие наибольшую частоту навязывают свою частоту всем другим клеткам, и получается единый ритм сердца – когерентность. Потеря когерентности в работе сердца называется фибрилляцией сердца, или несогласованностью, хаосом работы отдельных клеток сердца, что является анти-синергетическим механизмом, и очень опасным.

Напомним, что процессы самоорганизации и дезорганизации возникают при экологических кризисах.

Основной механизм возникновения экологических кризисов, связанных с происходящими в природе и обществе процессами самоорганизации и дезорганизации, заключается в следующем. Относительно постоянная степень открытости нашей планеты по отношению к космосу задает определенное энтропийное равновесие, или критический уровень организации планеты. Если критический уровень организации планеты еще не достигнут, то на планете в целом должны преобладать процессы самоорганизации, а если превышен, то процессы дезорганизации. В случае, когда критический уровень организованности планеты не достигнут, человечество, преобразуя природу (строя города, дороги, дамбы, электростанции, заводы), в целом уменьшает энтропию планеты, стремясь достичь критического уровня организованности системы, но по инерции неизбежно превышает этот уровень. Вследствие излишней организованности, приводящей к повышению организованности планеты и ее критического уровня, на планете обязательно должны возникнуть процессы дезорганизации, внесенные в результате излишней организованности человечеством и ведущие к разрушениям.