4.3.5. Кибернетика и синергетика

Впервые термин кибернетика встречается у древнегре­ческого философа Платона и означает искусство управлять кораблем (искусство кормчего), а в переносном смысле -искусство управления людьми. Долгое время этим терми­ном не пользовались. Только в 1948 г. этот термин был взят на вооружение известным американским математиком Норбертом Винером, который опубликовал книгу «Киберне­тика, или управление и связь в животном и в машине».

Данная работа Винера наряду с книгой фон Неймана и О. Моргенштерна «Теория игр и оптимальное поведение» (1944 г.) оказались весьма продуктивными для становле­ния электронно-вычислительной техники.

Кибернетика поставила в центр внимания такие поня­тия как информация, обратная связь, управление и др. На основе идей Винера удалось создать общую теорию ин­формации и связи, применимую в самых различных облас­тях — от физики до биологии и языкознания. В развитии теории информации важную роль сыграли также работы советских ученых А.Н. Колмогорова и А.Я. Хинчина.

В кибернетике были предприняты первые серьезные усилия по научному исследованию феномена самооргани­зации. Кибернетика имела дело как с живыми, так и с тех­ническими (построенными из неживого вещества) управ­ляемыми и саморегулирующимися системами, т.е. с систе­мами, в которых самоорганизация заложена изначально.

107

Кибернетику интересовали гомеостатические системы, поддерживающие свое функционирование в заданном ре­жиме. Само понятие гомеостазиса указывает на то, что в гомеостатической системе речь может идти только о само­организации, направленной на достижение оптимальной структуры ее элементов. Такая идея позволяет понять факт устойчивости и сохранения систем (в том числе жи­вых). Но с позиций гомеостазиса нельзя понять как воз­никают новые системы, причем не только в живой, но и в неорганической природе. К тому же, проблема гомеостазиса в кибернетике рассматривается с чисто функциональной точки зрения и поэтому в ней не анализируются конкрет­ные механизмы самоорганизации.

В настоящее время считается установленным, что про­цессы самоорганизации (так же как, разумеется, и дезорга­низации) могут происходить в сравнительно простых фи­зических и химических средах неорганической природы. А это означает, что простейшая, элементарная форма само­организации имеет место уже в рамках физической и хи­мической форм движения материи. Причем, чем сложнее форма движения материи, тем выше уровень ее самоорга­низации.

Синергетика как новая парадигма самоорганизации зародилась в нашей стране. Еще в 60-х годах XX века со­ветским ученым Б.Н.Белоусовым были начаты интерес­ные эксперименты с так называемыми автокаталитически­ми химическими реакциями, которые затем были продол­жены A.M. Жаботинским. Эти эксперименты показали, что наличие автокаталитических реакций значительно ускоряет процессы самоорганизации в химической форме движения. Были высказаны веские предположения, что именно авто­каталитические самоорганизующиеся химические процес­сы послужили основой для перехода от предбиологической к биологической форме движения материи.

Позднее реакция Белоусова-Жаботинского послужило экспериментальной основой для построения математиче­ской модели самоорганизующихся процессов в бельгийской школе лауреата Нобелевской премии И.Р. Пригожина. Исследуя по преимуществу процессы самоорганизации в физических и химических системах, И.Р. Пригожин в це­лом ряде своих работ (часть из них переведена на русский

108

язык) раскрывает исторические предпосылки и мировоз­зренческие основания теории самоорганизации.

В 70—80-х годах XX века работы в области синергетики быстро расширялись, в них включались все новые исследо­ватели. Немецкому профессору Г. Хакену (Институт синер­гетики и теоретической физики в Штутгарте) удалось объе­динить большую международную группу ученых, создавшую серию книг по синергетике. В этих работах представлялись результаты исследований процессов самоорганизации в са­мых разных системах, включая и социальные.

В нашей стране разработкой теории самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного (ком­пьютерного) эксперимента занялась школа академика А.А. Самарского и члена-корреспондента РАН С.П. Кур­дюмова. Эта школа выдвинула ряд оригинальных идей для понимания механизмов возникновения и эволюции от­носительно устойчивых структур в нелинейных средах.

Синергетику, как новую парадигму, можно предельно кратко охарактеризовать тремя ключевыми идеями: само­организация, открытые системы, нелинейность.

Физика XIX века ввела понятие о необратимых процес­сах. Провозглашая необратимый характер физических из­менений, классическая термодинамика считала, что эти изменения могут происходить лишь в сторону увеличения энтропии, а следовательно, усиления хаоса, дезорганизации материальных систем. Эти представления об эволюции физических (неорганических) систем, способных лишь к движению в сторону дезорганизации, находились в резком противоречии с самоорганизацией живых систем.

Но физика XIX столетия рассматривала лишь закры­тые, изолированные от окружающей среды системы, в ко­торых энтропия действительно имеет тенденцию к возрас­танию. Такие системы «эволюционируют» в сторону тер­модинамического равновесия и дезорганизации - в полном соответствии со вторым началом термодинамики. Однако в наше время считается установленным, что представле­ние прежней физики о закрытых системах схематизиру­ет и упрощает действительность, то есть является весьма сильной идеализацией, которая реально в природе не встре­чается.

Во второй половине XX века в науке утвердилось пред­ставление согласно которому открытость системы явля-

109

ется непременным условием самоорганизации. Еще до появления синергетики американский кибернетик Г. Ферс-тер выразил это достаточно ясно. «Термин самоорганизу­ющаяся система», - писал он, - становится бессмысленным, если система не находится в контакте с окружением, кото­рая обладает доступным для нее энергией и порядком и с которым наша система находится в состоянии постоян­ного взаимодействия, так что она умудряется как-то «жить» за счет этого окружения»³¹.

Тот факт, что для самоорганизации необходима откры­тая система, то есть система, обменивающаяся с окружаю­щей средой веществом и энергией, ставил под сомнение универсальную справедливость выводов классической тер­модинамики, имеющей дело с закрытыми системами (кото­рые изолированы от окружающей среды и которые, как уже отмечалось выше, фактически не встречаются в природе). Оказалось, что принцип Больцмана (второе начало термо­динамики) в буквальном смысле не применим к системам открытого типа. Конечно, и в открытых системах может нарастать энтропия, происходить увеличение беспорядка (дезорганизации), но за счет обмена энергией с окружающей средой эти процессы могут приостанавливаться и даже приобретать обратный характер. В такого рода системах, грубо говоря, использованная, «обесцененная» энергия рас­сеивается в окружающей среде (а взамен поступает новая энергия из среды). Поэтому подобные системы, или струк­туры получили наименование «диссипативные», что в пе­реводе с английского означает «рассеивающие». Данное понятие сыграло важную роль в становлении синергетики³².

Разработка теории диссипативных структур показало, что диссипация - это не фактор разрушения, а необходи­мое и важное свойство процессов самоорганизации. Именно диссипация есть необходимый процесс, способствующий выстраиванию упорядоченной структуры в нелинейной от­крытой среде.

Диссипативные структуры, не подчиняющиеся принци­пу Больцмана, связаны с совершенно другим принципом, который И.Р. Пригожин назвал «возникновение порядка через флуктуации». Как рождается порядок из хаоса (бес­порядка)? - ставит вопрос И.Р. Пригожин (и этот вопрос выносит в заголовок своей основополагающей работы по синергетике, написанной в соавторстве с И. Стенгерс)³³.

110

С его точки зрения, инициирующим началом самострук­турирования нелинейной открытой среды является малая флуктуация. Под флуктуациями в синергетике понимают случайные отклонения величин, характеризующих систему, от средних значений. Таким образом, синергетическое по­нятие флуктуации оказалось тесно связанным с философ­ской категорией случайности.

Синергетика по-новому осветила место и роль случай­ности в эволюции материального мира. Она опровергла тот привычный взгляд, будто случайная флуктуация несуще­ственна, ибо маломасштабна, и в силу этого, не может оп­ределять путь развития системы. С точки зрения синерге­тики, в открытых нелинейных системах (а таковые типич­ны в мире, в котором мы живем) случайное малое воз­действие - флуктуация - может приводить к весьма суще­ственному результату. Таким образом случайность игра­ет особую, конструктивную (можно даже сказать — креатив­ную) роль в процессах самоорганизации, происходящих в материальном мире.

Формирование синергетики в последней четверти XX сто­летия оказалось в чем-то схожим со становлением кибер­нетики в середине этого столетия. Такая схожесть основы­вается на обнаруженной общности в феноменах, имеющих место в системах неживой и живой природы, а также в со­циальных системах. Во всех этих материальных системах имеют место процессы самоорганизации.

Вместе с тем между кибернетикой и синергетикой су­ществует и значительное различие. Кибернетика, возник­шая на рубеже 40-50-х годов XX века, претендовала на общенаучное значение в изучении процессов управления, имеющих место в некоторых неорганических (созданных человеком), биологических и социальных системах. И, надо сказать, она успешно отстояла свой общенаучный статус. Синергетика претендует сегодня на большее: она выступает уже как новое миропонимание, как основа концепций гло­бального и космического эволюционизма.

Итоги ушедшего столетия

На границе столетий всегда какая-то часть людей была озабочена поисками символов ушедшего времени. Вот и ныне — периодические издания дружно выделяют события, ставшие этапными и оказавшие влияние на жизнь чело-

111

вечества в прошедшие сто лет. Называют атомную бомбу, компьютеры и Интернет, открытие генетического кода и клонированную овечку. Если посмотреть повнимательнее и на прочие более мелкие события века, то все равно ока­жется, что, подводя итоги времен, люди выделяют прежде всего и чаще всего достижения науки и техники.

Известное приложение к «Независимой газете» — «НГ-Наука» в течение 2000 года проводила рейтинговые опросы читателей по четырем, как принято сегодня говорить, но­минациям:

• самые выдающиеся ученые столетия;

• открытия и научные концепции (теории), в наибольшей степени повлиявшие на развитие цивилизации в XX в.;

• наиболее значимые технологии и изобретения;

• самые грандиозные реализованные технические (инже­ нерные) проекты.

В результате, как и планировала «НГ-Наука», появился список — «Золотая сотня» науки и техники XX в., состав­ленный по мнениям читателей.

Самые выдающиеся ученые столетия

1. Иван Павлов (теория условных и безусловных реф­ лексов).

2. Мария Склодовская-Кюри (работы по радиоактив­ ности).

3. Николай Семенов (теория разветвленных химических реакций).

4. Отто Ган (деление ядра урана).

5. Альберт Эйнштейн (специальная и общая теория относительности).

6. Нильс Бор (теория строения атомов).

7. Макс Планк (квантовая теория).

8. Вольфганг Паули (принцип запрета в квантовой ме­ ханике).

9. Вернер Гейзенберг (квантовая механика).

10. Поль Дирак (квантовая механика).

11. Энрико Ферми (ядерная и нейтронная физика).

12. Эдвард Теллер (ядерные реакции).

13. Стивен Хокинг (теория излучения «черных дыр»).

14. Бенуа Мандельброт (фрактальная геометрия).

15. Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон (открытие двойной спирали ДНК).

112

16. Норберт Виннер (кибернетика).

17. Илья Пригожин (термодинамика неравновесных процессов).

18. Деннис Габор (голография).

19. Александр Фридман (модель нестационарной рас­ ширяющейся Вселенной).

20. Клод Шеннон (математическая теория информа­ ции).

21. Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн (транзисторный эффект).

22. Александр Флеминг (открытие пенициллина).

23. Анри Пуанкаре (математическая формулировка принципов специальной теории относительности).

24. Тим Бернерс-Ли (концепция Всемирной паутины — World Wide Web).

25. Кристиан Барнард (пересадка сердца человеку).

26. Петр Капица (физика низких температур).

27. Томас Морган (генетика).

28. Андрей Сахаров (работы в области термоядерного синтеза).

29. Фриц Габер (синтез аммиака).

30. Гленн Сиборг (синтез трансурановых элементов).

31. Сергей Королев (реализация советских космических программ).

32. Николай Вавилов (генетика).

33. Игорь Курчатов (создание советского атомного ору­ жия).

34. Владимир Вернадский (теория ноосферы).

35. Владимир Ипатьев (химия высоких температур и давлений).

36. Константин Циолковский (теория космических по­ летов).

37. Юлий Харитон (создание советского атомного ору­ жия).

38. Владимир Уткин (создание ракетно-космической техники).

39. Андрей Мирзабеков (секвенирование геномов).

40. Николай Басов, Александр Прохоров (работы в об­ ласти квантовой электроники).

41. Уоллес Короузерс (синтез нейлона).

113

Открытия и научные концепции (теории), в наибольшей степени повлиявшие на развитие цивилизации в XX в

1. Специальная теория относительности.

2. Общая теория относительности.

3. Квантовая механика.

4. Транзисторный эффект.

5. Теория электрослабого взаимодействия.

6. Ноосферная концепция.

7. Теория диссипативных систем.

8. Разветвленные цепные реакции.

9. Лазерный эффект.

10. Двойная спираль ДНК.

11. Ядерный магнитный резонанс.

12. Теория иммунитета.

13. Открытие функции хромосом как носителей на­ следственности.

14. Экспериментальное подтверждение явления кванто­ вой телепортации.

15. Соотношение неопределенности Гейзенберга.

16. Энтропийный принцип.

17. Концепция Большого взрыва.

18. Кварковая теория строения вещества.

19. Высокотемпературная сверхпроводимость.

20. Концепция устойчивого развития.

21. Концепция «ядерной зимы».

22. Открытие эмбриональных стволовых клеток.

23. Концепция дрейфа материков.

24. Синтез трансурановых элементов.

25. Выделения фермента теламеразы, останавливающего процесс старения клеток.

26. Закон гомологических рядов Вавилова.

27. Открытие реликтового озера Восток под трехкиломет­ ровым панцирем льда в центральной части Антарктиды.

28. Открытие групп крови.

29. Планетарная модель атома.

30. Эффект Вавилова-Черенкова (излучение света дви­ жущимся в воде электроном).

31. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах.

32. Космологическая теория суперструн.

114

Наиболее значимые технологии и изобретения

1. Генная инженерия.

2. Интернет.

3. Клонирование млекопитающих.

4. Атомная энергетика.

5. Лазеры.

6. Компьютерные виртуальные реальности.

7. Кремниевые микрочипы.

8. Волоконно-оптическая связь.

9. Факс.

10. Мобильная телефонная связь.

11. Нанотехнологии.

12. Томография.

13. Синтез фуллеренов.

14. Телевидение.

15. Запись информации на CD- и DVD-дисках.

16. Радиолокация.

17. Термоядерный синтез.

18. Молекулярные микрочипы для расшифровки геномов.

19. Реактивная авиация.

20. Синтез пластмасс.

21. Шариковая авторучка.

22. Застежка «молния».

23. Ксерокс.

24. Акваланг.

25. Перфторан (голубая кровь) — кровезаменитель на перфторуглеродных эмульсий.

26. Технология «чистых комнат».

27. Пузырьковая камера.

28. Ускорители элементарных частиц.

29. Роторные автоматизированные линии.

Реализованные инженерные проекты

1. «Саркофаг» (объект «Укрытие» над 4-м блоком Чер­ нобыльской АЭС).

2. Высадка человека на Луну.

3. Проект «Вега» (исследование вещества кометы Гал- лея).

4. Автомат Калашникова.

5. Экспедиция марсохода «Соджорнер» (марсианская станция «Марс Пэсфайндер»).

115

6. Создание и испытание в СССР самой мощной водо­ родной бомбы (50 мегатонн).

7. Космическая орбитальная станция «Мир».

8. Плотина Рогунской ГЭС (высота 355 м).

9. Пересадка человеческого сердца.

10. Первый искусственный спутник Земли.

11. Кольская сверхглубокая скважина (достигнутая глу­ бина — более 12 тыс. м).

12. Ледокол-атомоход «Ленин».

13. Экраноплан «Монстр Каспия» (длина 100 м, размах крыльев 40 м, 10 реактивных двигателей, скорость передви­ жения 800 км/ч в нескольких метрах над поверхностью воды).

14. Беспилотный полет советского космического челно­ ка «Буран».

15. Туннель под Ла-Маншем.

16. Телескоп Хаббл.

17. Программа «Геном человека».

18. Сибирский горно-химический комбинат (Красно­ ярск-20).

19. Проект «Союз-Аполлон».

20. Здание делового центра в столице Малайзии Куа- ла Лумпур «Петронас Твин Тауэрс», высота 452 м.

21. Останкинская телебашня — 537 м.

22. Радиовещание, начало регулярных радиопередач.

23. Первая посадка на Венеру советского космическо­ го аппарата «Венера-3».

24. Юпитерианский зонд «Галилео».

25. Система «Спэйс шаттл».

26. Ускоритель элементарных частиц — Большой ад- ронный коллайдер в Европейском центре ядерных иссле­ дований (ЦЕРН).

27. Газодобывающая платформа «Циклоп» в Северном море.

28. План ГОЭЛРО.

Вопросы для самоконтроля

1. Что характерно для натурфилософского понимания природы?

2. Когда и при каких обстоятельствах возникает наука?

116

3. Назовите основные принципы атомистического уче­ ния о природе, обоснованные Демокритом.

4. Что включает в себя космология Аристотеля?

5. Каково значение гелиоцентрической картины мира, созданной Н.Коперником.

6. Что такое научная революция? Какие научные рево­ люции в истории общества вам известны?

7. Расскажите о создании экспериментального есте­ ствознания

8. Покажите роль Галилея и Ньютона в истории есте­ ствознания.

9. Осветите роль Роберта Бойля в развитии науки XVII века.

10. В чем сущность диалектизации естествознания?

11. Покажите значение геологического и биологическо­ го эволюционизма.

12. Почему и как происходило вытеснение натурфило­ софских представлений из естествознания Нового времени?

13. Каковы причины крушения механистической кар­ тины мира?

14. В чем суть четвертой научной революции, предоп­ ределившей переход к неклассическому естествознанию XX века?

15. Каковы особенности развития науки в XX веке?

16. Как изменялись представления о строении атома? Назовите основные положения современной атомистики.

17. В чем особенности современных космологических представлений? Что подтверждает теорию «больного взры­ ва»?

18. Каковы достижения современной химии? Ее основ­ ные направления.

19. Какие важнейшие открытия были сделаны в био­ логии в XX веке? Что такое биотехнология?

20. Синергетика как новое миропонимание конца XX века.

Примечания

¹ Космология — учение о Вселенной.

² Чанышев АЛ. Курс лекций по древней философии. М., 1978. С.143-144.

117

³ Схоластика (от греч. «схоластикос» — школьный) средневековая «школьная философия», представители ко­ торой стремились рационально обосновать и систематизи­ ровать христианское вероучение.

⁴ Клавдий Птолемей (прибл. 90-168 гг. н.э.) по пра­ ву считается одним из крупнейших ученых античности. Он серьезно занимался математикой, увлекался географией, много времени посвящал астрономическим наблюдениям. Главный труд Птолемея, носивший название «Математи­ ческая система», определил дальнейшее развитие астроно­ мии более чем на тысячелетие. В период упадка александ­ рийской школы греческий оригинал этого сочинения был утерян. Сохранился только его арабский перевод, который много позднее, уже в XII веке, был переведен на латинский язык. Поэтому книга Птолемея дошла до нас под араб­ ским латинизированным названием «Альмагест».

⁵ Де Бройль Л. По тропам науки. М., 1962. С. 9.

⁶ Цит. по: Верная Дж. Наука в истории общества. М., 1956. С. 223.

⁷ Бруно Дж. О бесконечности Вселенной и мирах. М.: ОГИЗ, 1936. С. 160.

⁸ Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965. С.8.

⁹ Вавилов СМ. Исаак Ньютон. М., 1989. С. 117.

¹⁰ Верная Дж. Наука в истории общества. С. 266.

¹¹ В XVII-XVIII веках древнегреческий термин «атом» (неделимый) часто заменяли латинским термином «кор­ пускула», т.е. частичка («корпускула» — уменьшительное от латинского слова «корпус» — тело).

¹² Цит. по: Зубов В.П. Развитие атомистических пред­ ставлений до начала XIX в. М., 1965. С. 246.

¹³ Там же. С. 245-246.

¹⁴ Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 19. С. 202.

¹⁵ Там же. С.203.

¹⁶ Цит. по: Алексеев В.П. От животных к человеку. М., 1969. С.7.

¹⁷ Космогония — учение о происхождении и развитии Вселенной.

¹⁸ Цит. по: Хэллем Э. Великие геологические споры. М., 1985. С. 105.

¹⁹ Цит. по: Холличиер В. Природа в научной картине мира. М., 1966. С. 109.

118

²⁰ Цит. по: Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М., 1982. С.208.

²¹ Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 20. С. 353.

²² Там же. С. 304-305.

²³ Цит. по: Бернал Дж. Наука в истории общества. С. 265.

Сравнение с Солнечной системой было не случайно: диаметр Солнца (1,4-10⁶ км) почти во столько же раз меньше размеров Солнечной системы (6-10⁹ км), во сколько размеры ядер (10^-12 см) меньше диаметра атома (10^-8 см).

²⁵ Цит. по: Парнов Е.И. На перекрестке бесконечнос­ тей. М., 1967. С. 294.

²⁶ Данин Д. Нильс Бор // Известия, 22 янв. 1998. С. 5.

²⁷ Цит. по: Дынкин А.А. Новый этап НТР. М., 1991. С. 38.

²⁸ До этого Нобелевская премия в области физики при­ суждалась отечественному ученому более двадцати лет на­ зад: в 1978 году лауреатом этой премии стал знаменитый ученый-физик, академик П.Л. Капица за исследования в области физики низких температур.

²⁹ Энтропия — понятие, появившиеся в термодинами­ ке и означающее меру неупорядоченности (беспорядка, хао­ са) системы.

³⁰ Хаос — термин древнегреческого происхождения, ас­ социировавшийся у древних мыслителей с образом темной, «зияющей» бездны. Как отмечает известный специалист по истории античной философии А.Н.Чанышев, «древне­ греческое слово «хаос» происходит от глагола «хайно» — раскрываюсь, разверзаюсь. Это первичное, бесформенное состояние мира» (см.: Чанышев А.Н. Курс лекций по древ­ ней философии. М., 1981. С.110).

³¹ Ферстер Г. О самоорганизующихся системах и их окружении // Самоорганизующиеся системы. М., 1964. С. 116.

³² Под диссипацией понимаются процессы рассеивания энергии, превращение ее в менее организованные формы (например, - в тепловую энергию из-за наличия трения, вязкости и т.п.).

³³ Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М., «Прогресс», 1986.

119