Кибернетика и синергетика – науки о самоорганизующихся системах

Оглавление.

Кибернетика как наука, основные понятия кибернетик

Вклад кибернетики в научную картину мира

От хаоса к порядку. Синергетика как наука

Синергетические закономерности

Значение синергетики для современной науки и мировоззрения

Вводная часть

Фронт современной науки простирается от сравнительно част­ных, конкретных концепций относительно различных областей физи­ческого и химического мира, до глубочайших теорий, охватывающих различные сферы природы, общества и технической деятельности че­ловека. К последним следует отнести кибернетику и синергетику. По­ражает дерзость новых наук. Первая посягнула на познание механиз­мов управления в разных системах. Вторая -на проблему самооргани­зации самой материи, творения нового.

Рассмотрим различного рода системы, представляющие на пер­вый взгляд смесь различных и далеко отстоящих друг от друга пред­метов и явлений. В мире есть "самодействующие" физические систе­мы (от атома до планетарных систем и звездных ассоциаций), хими­ческие системы (например, органические соединения, биополимеры), биологические системы (растения, животное, человек), социальные системы (коллективы, отрасли производства, народное хозяйство, общество в целом). На самом деле, во всех этих системах есть общие свойства: способность к самодействию, подчиненность законам уп­равления, процессы переработки информации, способность к самона­стройке и самоорганизации и др. Изучением процессов управления в природе, обществе и технике и занимается наука кибернетика.

1. Кибернетика как наука, основные понятия кибернетики

Кибернетика - наука об общих закономерностях процессов уп­равления и передачи информации в технических, биологических и социальных системах. Она сравнительно молода. Её основателем яв­ляется американский математикН. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу "Кибернетика, или управление их связь в животном и машине". Своё название новая наука получила от древнегреческого слова "кибернетес", что в переводе означает "управляющий", "руле­вой", "кормчий". Она возникла на стыке математики, теории информации, техники и нейрофизиологии, ее интересовал широкий класс как живых, так и неживых систем.

Со сложными системами управления человек имел дело задолго до кибернетики (управление людьми, машинами; наблюдал регуляционные процессы у живых организмов и т.д.). Но кибернетика выделила общие закономерности управления в различных процессах и системах, а не их специфику. В “докибернетический” период знания об управлении и организации носили “локальный” характер, т.е. в отдельных областях. Так, еще в 1843 г. польский мыслитель Б. Трентовский опубликовал малоизвестную в настоящее время книгу “Отношении философии к кибернетике как искусству управления народом”. В своей книге “Опыт философских наук” в 1834 году известный физик Ампер дал классификацию наук, среди которых третьей по счету стоит кибернетика – наука о текущей политике и практическом управлении государством (обществом).

Эволюция представления об управлении происходила в форме накопления, суммирования отдельных данных. Кибернетика рассматривает проблемы управления уж ком фундаменте, вводя в науку новые теоретические “заделы”,новый понятийный, категориальный аппарат. В общую кибернетику обычно включают теорию информации теорию алгоритмов, теорию игр и теорию автоматов, техническую кибернетику.

ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА - отрасль науки, изучающая технические системы управления. Важнейшие направления исследований разработка и создание автоматических и автоматизированных систем управления, а также автоматических устройств и комплексов для передачи, переработки и хранения информации.

К основным задачам кибернетики относятся:

1) установление фактов, общих для управляемых систем или для некоторых их совокупностей;

2) выявление ограничений, свойственных управляемым системам. и установление их происхождения;

3) нахождение общих законов, которым подчиняются управляе­мые системы;

4) определение путей практического использования установлен­ных фактов и найденных закономерностей.

“Кибернетический” подход к системам характеризуется рядом по­нятий. Основные понятия кибернетики:управление, управляющая си­стема, управляемая система, организация, обратная связь, алгоритм, модель, оптимизация, сигнал и др. Для систем любой природы понятие "управление" можно определить следующим образом: управление - это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся для этого информации из множества возможных воздействий, улучшаю­щее его функционирование или развитие. У управляемых систем все­гда существует некоторое множество возможных изменений, из кото­рого производится выбор предпочтительного изменения. Если у сис­темы нет выбора, то не может быть и речи об управлении.

Есть существенная разница между работой дачника, орудующе­го лопатой, и манипуляциями регулировщика - "гибэдэдэшника" на пере­крестке улиц. Первый оказывает на орудие силовое воздействие, вто­рой - управляет движением автомобилей. Управление - это вызов из­менений в системе или перевод системы из одного состояния в другое в соответствии с объективно существующей или выбранной целью.

Управлять - это и предвидеть те изменения, которые произойдут в системе после подачи управляющего воздействия (сигнала, несущего информацию). Всякая система управления рассматривается как един­ство управляющей системы (субъекта управления) и управляемой си­стемы - объекта управления. Управление системой или объектом всегда происходит в какой-то внешней среде. Поведение любой управля­емой системы всегда изучается с учетом ее связей с окружающей сре­дой. Поскольку все объекты, явления и процессы взаимосвязаны и влияют друг на друга, то, выделяя какой-либо объект, необходимо учитывать влияние среды на этот объект и наоборот. Свойством уп­равляемости может обладать не любая система. Необходимым усло­вием наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей уп­равления является ее организованность.

Чтобы управление могло функционировать, то есть целе­направленно изменять объект, оно должно содержать четыре необхо­димых элемента:

1. Каналы сбора информации о состоянии среды и объекта.

2. Канал воздействия на объект.

3. Цель управления.

4. Способ (алгоритм, правило) управления, указывающий, каким образом можно достичь поставленной цели, располагая информаци­ей о состоянии среды и объекта.

Понятие пели, целенаправленности. Основатель кибернетикиН. Винер писал, что "действие или поведение допускает истолкование как направленность на достижение некоторой цели, т.е. некоторого ко­нечного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве и во времени с некоторым другим объектом или собы­тием" (Кибернетика. М., 1968. С. 288). Цель определяется как внеш­ней средой, так и внутренними потребностями субъекта управления. Цель должна быть принципиально достижимой, она должна соответ­ствовать реальной ситуации и возможностям системы (управляющей и управляемой).За счет управляющих воздействий управляемая сис­тема может целенаправленно изменять свое поведение. Целенаправ­ленность управления биологических управляемых систем сформиро­вана в процессе эволюционного развития живой природы. Она означает стремление организмов к их выживанию и размножению. Целе­направленность искусственных управляемых систем определяется их разработчиками и пользователями.

Понятие обратной связи. Управление по "принципу обратной свя­зи". Вели между воздействием внешней Среды и реакцией системы устанавливается связь, то мы имеем дело с обратной связью. Прин­цип обратной связи характеризует информационную и простран­ственно-временную зависимость в кибернетической системе. Если по­ведение системы усиливает внешнее воздействие, то мы имеем дело с положительной обратной связью, а если уменьшает, -то с отрицатель­ной обратной связью. Понятие обратной связи имеет отношение к цели управления. Поведение объекта управляется величиной ошибки в по­ложении объекта по отношению к стоящей цели. Яркий пример об­ратной связи - работа термопары в холодильнике.

Понятие информации. Управление - информационный процесс. информация - "пища", "ресурс" управления. Поэтому кибернетика есть вместе с тем наука, об информации, об информационных системах и процессах. Самый исходный смысл термина "информация" свя­зан со сведениями, сообщениями и их передачей. Бурное развитие в нашем веке телефона, телеграфа, радио, телевидения и других средств массовой коммуникации потребовало повышения эффективности про­цессов передачи, хранения и переработки передаваемых сообщении информации. "Докибернетическое" понятие информации связано с совокупностью сведений, данных и знаний. Оно стало явно непонятным, неопределенным с возникновением кибернетики. Понятие ин­формации в кибернетики уточняется в математических "теориях ин­формации". Это теории статистической, комбинаторной, топологи­ческой, семантической информации.

В отечественной и зарубежной литературе предлагается много разных концепций (определений) информации:

информация как отраженное разнообразие,

информация как устранение неопределен­ности (энтропии),

информация как связь между управляющей и уп­равляемой системами,

информация как преобразование сообщений,

информация как единство содержания и формы (например, мысль - содержание, а само слово, звук - форма),

информация - это мера упорядоченности, организации системы в ее связях с окружаю­щей средой.

Общее понятие информации должно непротиворечиво охватывать все определения информация, все виды информации. К сожалению. такого универсального понятия информации еще не разработано.

Информация может бытьструктурной, застывшей, окостенелой. например, в минералах, машинах, приборах, автоматических линиях. Любая машина - это овеществленная научная и техническая инфор­мация, разум общества, ставший предметом.

Информация может быть такжефункциональной, " актуальным управлением". Информация измеримая величина. Она измеряется в битах.

Каковы свойства информации? Первое - способность управлятьфизическими, химическими, биологическими и социальными процес­сами. Там, где есть информация, действует управление, а там, где осу­ществляется управление, непременно наличествует и информация. Вто­рое свойство информации - способность передаваться на расстоянии (при перемещении инфоносителя). Третье - способность информации подвергаться переработке. Четвертое - способность сохраняться в те­чение любых промежутков времени и изменяться во времени. Пятое свойство - способность переходить из пассивной формы в активную. Например, когда извлекается из "памяти" для построения тех или иных структур (синтез белка, создание текста на компьютере и т. д.).

Информация существенно влияет на ускоренное развитие науки. систем управления, техники и различных отраслей народного хозяй­ства. Политика, политическое управление, экономика - это концент­рированная смысловая информация, т. е. такая, которая перерабаты­вается человеческим сознанием и реализуется в различных социальных сферах. Она обусловлена политическими, экономическими потребно­стями общества и циркулирует в процессе управления производством и обществом. Социальная информация играет огромную роль в обес­печении правопорядка, работы правоохранительных органов, в деле образования и воспитания подрастающих поколений. Информация -неисчерпаемый ресурс общества. Информация - первооснова мира, всего сущего. Современным научным обобщением всех информаци­онных процессов в природе и обществе явилась информациология -генерализованная наука о природе информации и законах информа­ции.

Понятие самоорганизации. В современную науку это понятие вош­ло через идеи кибернетики. Процесс самоорганизации систем обус­ловлен таким неэнтропийным процессом, как управление. Энтропия -мера неорганизованности, хаоса. Энтропия и информация, как пра­вило, рассматриваются совместно. Информация - это то, что устра­няет неопределенность, количество "снятой" неопределенности. Тен­денция к определенности, к повышению информативности - процесс негэнтропийный (процесс с обратным знаком).

Термин "самоорганизующаяся система" ввел кибернетикУ. Росс Эшби для описания кибернетических систем. Для самоорганизующихся систем характерны:

1) Способность активно взаимодействовать со средой, изменять ее в направлении, обеспечивающим более успешное функционирование системы:

2)наличие определенной гибкости структуры или адаптивного механизма, выработанного в ходе эволюции;

3)непредсказуемостьповедения самоорганизующихся систем;

4)способность учитывать прошлый опыт или возможность науче­ния.

Одним из первых объектов, к которым были применены принци­пы самоорганизации, был головной мозг.

Использование понятий и идей кибернетики в вопросах физики, химии, биологии, социологии, психологии и других науках дали превосходные всходы, позволили глубоко продвинуться в сущность процессов, протекающих в неживой и живой природе. Нет никакого сомнения в том, что грядущийXXI век и прогресс естествознания и науки всей будет протекать по линии изучения закономерностей уп­равляющих процессов в сложноорганизованных системах. Самоорга­низующаяся система - это познавательная модель наукиXXI века.

2. Вклад кибернетики в научную картину мира

Кибернетика устранила ту принципиально неполную научную картину мира, которая была присуща науке XIX и первой половине XX века. Классическая и неклассическая наука строила представле­ние о мире на двух фундаментальных постулатах - материя и энергия. Создавала вещественно- энергетическую, вещественно- полевую кар­тину мира.

На постулатах о материи и энергии строились представ­ления о пространстве и времени. Но в палитре научной картины мира не хватала важнейшей " краски" - информации. Самая глубокая при­чина сопряжения пространства и времени, а равно всех изменений в мире проистекает из изменения массы, энергии и информации. Опыт развития науки последнего времени показал, что реальный мир со­стоит из этих предельно фундаментальных элементов-Системы ма­териальных объектов, вещественно-энергетические процессы являют­ся и носителями, хранителями и потребителями информации. И подоб­ному тому, как Эйнштейн установил закон эквивалентности вещества и энергии, есть закон (не открытый еще) эквивалентности массы, энер­гии и информации. Кибернетика (вместе с теорией информации) дала новое представление о мире, основанное на информации, управлении, организованности, обратной связи, целенаправленности. Создала ин­формационную картину мира. Не энергия, а информация выйдет в XXI столетии на первое место в мире научных понятий.

Фундаментальный характер информации означает, что хаос не может быть абсолютным. В любом хаосе существует некоторый уро­вень упорядоченности. Космос не способен опуститься до сплошной энтропии. Живые организмы и социальные системы питаются отри­цательной энтропией (негэнтропией), то есть они противостоят бес­порядку и хаосу.Масс-энерго-информационные преобразования исчерпывают собой все возможные состояния Космоса, а равно его подсис­тем, включая человека, общество.

Кибернетика оказала революционизирующее влияние на теоре­тическое содержание и методологию всех наук. Она устранила непре­одолимые грани между естественными, общественными и техничес­кими науками. Способствовала синтезу научных знаний, создала из понятий частных наук структуры новых понятий, новый язык науки. Такие понятия, как информация, управление, обратная связь, систе­ма, модель, алгоритм и др. обрели общенаучный статус.

Кибернетика дала в руки человека сильнейшее оружие управле­ния производством, обществом, инструмент усиления интеллектуаль­ных способностей человека (ЭВМ). Современные ЭВМ (компьютеры) - универсальные преобразователи информации, а с преобразова­нием информации человек связан во всех областях своей деятельнос­ти (в политике, экономике, науке, профессиональной сфере и др.).

Философ Ф. Бекон писал, что "когда истина обнаружена, она налагает ограничения на мысли людей". На мир уже нельзя смотреть "докибернетическим взглядом". Новая наука -кибернетика- сформи­ровала свой взгляд на мир. информационно-кибернетический стиль мышления.

3. От хаоса к порядку. Синергетика как наука.

В физической картине мира до 70-х годов XX века царствовали два закона классической термодинамики. Первый закон термодина­мики (закон сохранения и превращения энергии) фиксировал всеоб­щее постоянство и превращаемость энергии. Закон констатировал, что в замкнутой системе тел нельзя ни увеличить, ни уменьшить общее количество энергии. Этот закон утверждал независимость такого из­менения энергии от уровня организации животного, человека, обще­ства и техники.Второй закон термодинамики выражает направлен­ность перехода энергии, именно переход теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. Иногда этот закон формулируют так: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему. Это­му могут способствовать только затраты дополнительной работы.

В соответствии с классическими физическими представлениями в замкнутой системе происходит выравнивание температур, система стремится к своему термодинамическому равновесию, соответствую­щему максимуму энтропии. В физической картине мира принцип воз­растания энтропии соответствует одностороннему течению явлений, т.е. в направлении хаоса, беспорядка и дезорганизации. Один из ос­нователей классической термодинамики Р. Клаузис в своей попытке распространить законы термодинамики на Вселенную пришел к вы­воду: энтропия Вселенной всегда возрастает. Если принять этот по­стулат как реальный факт, то во Вселенной неизбежно наступит теп­ловая смерть. С тех пор, как физика открыла этот процесс рассеива­ния, деградации энергии, люди чувствовали " понижение теплоты вок­руг себя". Многие ученые не соглашались с выводами Клаузиса.В. И. Вернадский утверждал, что "жизнь не укладывается в рамки энтро­пии". В природе наряду с энтропийными процессами происходят и антиэнтропийные процессы. Многие учение высказывали сомнение по поводу распространения второго закона термодинамики на всю Вселенную.

Но в мире, как мы знаем, не только господствует тяга к тепловой или другой смерти. В мире постоянно идет процесс возникновения нового, эволюции и развития разного рода систем. Согласно эволюционной теории Дарвина, живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения всё новых видов растений и жи­вотных. В обществе наблюдается процесс социального творчества, т. е. созидания нового. Спрашивается, как из всеобщей тенденции к энт­ропии, дезорганизации может появиться " порядок" в живой природе и социуме. Возникновение нового казалось невероятным чудом.

Ответить на вопрос, как происходит эволюция и возникновение в природе, " решила" новая наука синергетика (совместно с новой неравновесной термодинамикой, теорией открытых систем).

Синергетика (греч. "синергетикос" - совместный, согласованно действующий) - наука, целью которой является выявление, исследо­вание общих закономерностей в процессах образования, устойчивос­ти и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравноценных системах различной природы (фи­зических, химических, биологических, экологических и др.). Термин "синергетика" буквально означает "теория совместного действия". Синергетика являет собой новый этап изучения сложных систем, про­должающий и дополняющий кибернетику и общую теорию систем. Если кибернетика занимается проблемой поддержания устойчивости путем использования отрицательной обратной связи, а общая теория систем - принципами их организации (дискретностью, иерархичнос­тью и т. п.), то синергетика фиксирует свое внимание на неравновес­ности, нестабильности как естественном состоянии открытых нели­нейных систем, на множественности и неоднозначности путей их эво­люции. Синергетика исследует типы поведения таких систем, то есть нестационарные структуры, которые возникают в них под действием внешних воздействий или из-за внутренних факторов (флуктуации).

Синергетика исследует организационный момент, эффект взаи­модействия больших систем. Возникновение организационного пове­дения может быт обусловлено внешними воздействиями (вынужден­ная организация) или может быть результатом развития собственной (внутренней) неустойчивости системы в системе (самоорганизация).

Синергетика возникла в начале 70-х гг. XX века. До этого време­ни считалось, что существует непреодолимый барьер между неорга­нической и органической, живой природой. Лишь живой природе при­сущи эффекты саморегуляции и самоуправления.

Синергетика пере­кинула мост между неорганической и живой природой. Она пытается ответить на вопрос, как возникли те макросистемы, в которых мы живем. Во многих случаях процесс упорядочения и самоорганизации связан с коллективным поведением подсистем, образующих систему. Наряду с процессами самоорганизации синергетика рассматривает и вопросы самодезорганизации - возникновения хаоса в динамических

системах. Как правило, исследуемые системы являются диссипативными, открытыми системами.

Основой синергетики служит единство явлений, методов и моде­лей, с которыми приходится сталкиваться при исследовании возник­новения порядка из беспорядка или хаоса - в химии (реакция Белоусова -Жаботинского), космологии (спиральные галактики), эколо­гии (организация сообществ) и т.д. Примером самоорганизации в гид­родинамике служит образование в подогреваемой жидкости (начиная с некоторой температуры) шестиугольных ячеек Бенара, возникнове­ние тороидальных


29-04-2015, 05:18