Игнатова В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

3. ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Среди множества концепций современного естествознания можно выделить те, которые составляют методологическую основу исследовательского аппарата практически всех наук. К ним относятся: общая теория систем, теория самоорганизации систем и теория управления (или организации). Это сравнительно молодые концепции. Они были разработаны в середине ХХ столетия и составили ядро постнеклассической науки.
Одним из основоположников общей теории систем считается австрийский, а позднее американский, биолог Л. фон Берталанфи (1901 — 1972), который выдвинул обобщенную системную концепцию, сделал многое для ее математического оформления, ввел понятие открытой системы, построил системную картину мира.
Основы теории самоорганизации (синергетика) были разработаны в трудах химиков, получивших мировое признание — И. Пригожина, Д. Николиса, Г. Хакена в семидесятых годах ХХ столетия. Отцом синергетики по праву называют И. Пригожина (1917-2002) — лауреата Нобелевской премии, основателя и руководителя брюссельской научной школы химиков. Сегодня в мире функционирует свыше четырехсот научных институтов, основанных И. Пригожиным и занимающихся изучением проблем самоорганизации самых разнообразных систем. Весомый вклад в становление идей синергетики внесли российские ученые: химик А. П. Руденко, физик Ю. Л. Климонтович, математики А. Н. Колмогоров, Я. Г. Синая и многие другие.
Основы науки об оптимальном управлении сложными системами (кибернетика) были заложены в сороковых годах прошлого века Н. Винером (1894— 1964). Большой вклад в развитие этого направления внесли наши соотечественники академики А. И. Берг, А. Н. Колмогоров и многие другие.
Формализованный язык этих концепций сложен и его освоение требует глубокой специальной математической подготовки. Мы будем рассматривать их лишь на качественном уровне, не вдаваясь в количественные математические расчеты.

3. 1 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ

Цели и задачи раздела:

•  Познакомить обучающихся с элементами теории систем.
•  Сформировать представление о системном подходе.
•  Познакомить с наиболее важными для изучаемой дисциплины классификациями систем.
•  Раскрыть свойства открытых систем.
•  Построить системную модель окружающего мира.

План

•  Системный подход к описанию окружающего мира
•  Классификации социоприродных систем
•  Свойства открытых систем
•  Системная модель мира

3. 1. 1 СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА

Системный подход раскрывает возможности формализованного (а в нашем случае качественного) описания окружающего мира в виде иерархии взаимодействующих систем. Разработка этого подхода в науке — закономерное явление, ибо системность является фундаментальным свойством окружающего мира.
В формировании системного подхода одно из важнейших значений имела разработка понятийного аппарата. Выделяют несколько уровней понятий. Центральным является понятие «система». Первые представления о ней как совокупности взаимодействующих элементов, образующих целостность, сформировались еще в недрах классической науки. Сегодня существует множество его толкований, но среди них можно выделить некоторый инвариант:
«система» — целостный, развивающийся комплекс взаимосвязанных элементов, находящихся в определенной иерархической подчиненности, и образующий единство с окружающей средой.
C этим понятием тесно связаны термины: структура, свойство, функция, отношение, связь, подсистема, элемент, часть, целое, информация. Последующий уровень образуют понятия, характеризующие функционирование системных объектов: состояние, стабильность, равновесие, гомеостаз, устойчивость, регуляция, саморегуляция, обратная связь. Еще одну группу составляют понятия, характеризующие развитие систем: простой и структурный рост, изменение, самоорганизация, эволюция, генезис, изменчивость, наследственность, отбор, адаптация, организация, управление, обучение. Однако грань между процессами функционирования и развития проявляется не всегда отчетливо, и нередко один из них переходит в другой, что особенно характерно для самоорганизующихся систем. И последнюю группу составляют понятия, характеризующие процесс моделирования и исследования систем, а также конструирования искусственных систем: содержательное описание, анализ систем, синтез систем и другие.
Вслед за ограничением круга понятий, составляющих каркас системного подхода, неизбежно возникает вопрос о классификации систем, выделении отдельных их групп, выявлении их специфических свойств и особенностей поведения. Окружающий нас мир состоит из огромного их количества. Чтобы как-то упорядочить наши представления о них, необходимо их классифицировать (лат. klassis — разряд, класс), то есть представить в виде логически обоснованных рядов (или взаимного расположения) на основании некоторых существенных признаков. А уже внутри рядов выделить иерархии подсистем.
Следующая ступень в становлении системного подхода — это разработка совокупности общих принципов теоретического описания, методов и способов исследования систем, создание математического аппарата.
Все эти аспекты рассматривает общая теория систем, математической базой которой являются системный анализ, теория множеств, теория информации, формальная логика и другие.
Системный подход и обосновывающая его теория сформировались лишь к середине ХХ века. Но важные его идеи были сформулированы в обществознании еще в 1913 году в книге деятеля российского революционного движения начала ХХ века, врача, философа, экономиста А. А. Богданова (1873-1928). «Тектология. Теория организационных систем». Рассматривая общество как организационную систему, состоящую из взаимосвязанных частей, он проанализировал динамику возможных изменений социальных систем под воздействием внешних и внутренних факторов, выявил общие закономерности их развития и становления, высказал положение о фундаментальной роли кооперативного (лат. cooperatio — сотрудничество) взаимодействия частей системы. Важное место в тектологии занимают понятия кризиса и цели (интереса). Рассматривая социальные системы, А. Богданов попытался выявить соотношение самоорганизации, организации (управления) и обратной связи в развитии систем. Высказанные им взгляды во многом предвосхитили появление теории систем и кибернетики, но современниками не были оценены по достоинству. По сути это был переход к новому мышлению, отличному от классической рациональности, которая в то время была господствующей идеей. Естествознание же сделало это значительно позднее.

3. 1. 2 КЛАССИФИКАЦИИ СОЦИОПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

Существует множество критериев классификации систем.
Выделим некоторые из классификаций, которые будут нам необходимы в дальнейшем для изучения учебного материала.
1. По происхождению системы можно разделить на естественные (физические, химические, биологические, геологические и др. ), искусственные (машины, механизмы, здания, сооружения и т. д. ) и смешанные (все социоприродные системы).
2. По характеру взаимодействия с окружающей средой выделяют закрытые и открытые системы. Закрытой называют такую систему, внешнее воздействие на которую пренебрежимо мало или может быть сведено к нулю. Открытая система активно обменивается ресурсами с окружающей средой и другими системами. Влияние последних на ее поведение чрезвычайно велико.
3. В зависимости от интенсивности влияния на поведение систем случайных факторов и слабых флуктуаций параметров выделяют детерминированные (или динамические) и стохастические (или вероятностные) системы.
4. Системы можно классифицировать и по характеру отражения (простое или опережающее). Здесь выделяют неживые, живые и социальные системы.
5. По характеру процесса упорядочивания выделяют самоорганизующиеся системы, кибернетические, управляющие, управляемые и т. д.
Исторически самыми первыми наиболее глубоко были изучены закрытые(изолированные) механические (динамические) системы. Если результирующая всех внешних сил, действующих на механическую систему сил, близка к нулю, она может считаться закрытой. Например, система космический корабль — космонавт, пребывающая на околоземной орбите, находится в состоянии невесомости: силы гравитационного притяжения к Земле компенсируются центробежными силами, направленными в противоположную сторону. Простейшие механические системы содержат не менее двух тел (рычаг — опора, маятник — подвес, Земля — Луна,. . . ), более сложные, например, машины или механизмы — от сотен до нескольких тысяч деталей, взаимодействующих между собой в процессе работы механизма. Мгновенное состояние подобной системы определяется координатами и скоростями ее элементов (а, следовательно, и их энергиями).
Закрытая механическая система является идеализированной моделью, в которой господствуют однозначность и жесткие причинно-следственные связи. Это ограничение позволяет изучать протекание процессов лишь в рамках определенных условий. Тем не менее, многие теории классического естествознания, разработанные на основе подобных моделей дают достаточно точное описание поведения тел. Если внешние воздействия на такую систему малы, а начальные параметры и законы движения элементов известны и имеют вид непрерывных функций, то можно, используя математические уравнения, связывающие параметры, предсказать состояние системы в любой последующий момент времени. Это жестко детерминированные линейные системы с «бесконечной памятью». Их поведение в настоящем и будущем однозначно зависит от прошлого. Основываясь на этом, достаточно точно рассчитывают координаты планет Солнечной системы в любой заданный момент времени, траектории искусственных спутников Земли, координаты и скорость движения автомобиля по дороге. Конечно, отклонения параметров движущихся тел от расчетных значений имеются, но они малы и часто ими пренебрегают или, когда это необходимо, вносят поправки; например, осуществляют коррекцию движения спутника на орбите.
С развитием молекулярной физики в конце XIX века сложилось представление о стохастических (статистических или вероятностных) системах, к числу которых относятся термодинамические, биологические, социальные и другие. Они содержат огромное количество элементов. Например, в 1 см3 одноатомного газа при нормальных условиях содержится 2,7*1019 атомов, в клетке организма ~ 108 молекул, в организме человека ~ 1013 клеток. При этом каждый элемент взаимодействует в той или иной мере одновременно со всеми остальными. Проследить за движением каждого отдельного элемента и точно указать его состояние в любой момент времени весьма затруднительно. Применение законов механики в их первозданном виде для описания поведения таких систем потребовало бы знания огромного количества параметров состояния и учета координат и скоростей всех элементов. Это привело бы к необходимости решения огромного числа уравнений. Кроме того, в таких системах чрезвычайно велика роль случайных флуктуаций параметров. При этом одному и тому же набору макропараметров, характеризующих в среднем состояние системы в течение времени t, из-за флуктуаций соответствует множество вариантов мгновенных состояний. Поэтому будущее состояние стохастических систем, в отличие от динамических, можно указать лишь с определенной степенью вероятности, используя для этого представления о статистических распределениях.
Различия в поведении и свойствах динамических и стохастических систем связаны с тем, что в стохастических системах приходится учитывать взаимодействие внутри отдельных коллективов элементов системы. Интерференция (лат. interferentio— наложение, перераспределение) их свойств приводит к появлению у сложных систем новых системныхкачеств, которые несводимы к простой сумме качеств отдельных элементов. Например, в системе природы наиболее низкий уровень организации — элементарные частицы. Они в качестве составных элементов входят в структуру атомов. Свойства свободной частицы отличны от ее свойств в коллективе. У коллектива (атома) появляется новое свойство — валентность, которое определяет его способность вступать в химические реакции и которое отсутствует у составляющих его частиц. Атомы в свою очередь входят в состав молекул. При образовании молекулы между каждой парой атомов возникает химическая связь, на свойства которой в той или иной мере влияют и все остальные атомы. Однако это влияние не может быть описано на основе линейных представлений. Поведение молекулы в физико-химических процессах сложным образом зависит от всей ее электронной структуры и характера химических связей атомов (ковалентная, полярная или ионная). Конечно, в химии используется и модель парных взаимодействий, но она может дать лишь приближенную количественную оценку свойств химических связей, а для более точного расчета необходимо обязательно вводить некоторые поправки.
Чрезвычайно важна классификация систем по свойствам отражения. Неживые системы обладают простым отражением, живые и социальные (клетка — организм — популяция — экосистема — биосфера, микросоциум — город — государство — сообщество государств) — опережающим. Наличие опережающего отражения дает возможность живым организмам «предвидеть» грядущие изменения и заранее готовиться к ним, а человеку и социальным системам осознанно ставить цели, планировать их выполнение и выбирать для этого адекватные методы.
Среди самоорганизующихся систем необходимо выделить еще один тип — системы с заданной целью. Это экономические, социально-политические, педагогические, психологические, законодательные системы. Например, цель педагогической системы — формирование личности, способной адаптироваться в современных ей условиях, цель законодательной — создание правовой базы для обеспечения жизнедеятельности отдельного человека, государства или содружества государств и контроль за их исполнением, цель экономической — создание условий устойчивого (неразрушимого) функционирования экономики.
Существуют и другие виды систем, например, абстрактные (математические), научные, логические, технологические и другие.

3. 1. 3 СВОЙСТВА ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Используя модель закрытой системы, термодинамика к концу XIX века изучила поведение тепловых систем вдали от состояния равновесия. Полученные ею выводы в определенных границах могут быть применены и ко всем другим системам — как природным, так и социальным. Однако любая реальная система является открытой (рис. 6), обменивается с окружающей средой ресурсами — веществом (М), энергией (W) и информацией (I). Между системой и окружающей средой всегда есть какая-то «полупрозрачная» граница, которая одновременно и обособляет систему, отгораживает ее, отделяет от окружающей среды, и в то же время обеспечивает возможность взаимодействия системы с окружением.
Например, внутренность клетки отделяется от межклеточной среды мембраной, живой организм отделяется от окружающей среды поверхностным покровом, государственные границы отделяют одно государство от другого. Во внешней среде может нарушиться равновесие, могут измениться ее параметры, а внутри устойчивой системы поддерживается стационарное равновесие (гомеостаз). И в то же время через мембрану извне поступают в клетку питательные вещества. С помощью анализаторов человек ощущает окружающий мир и реагирует на его воздействие: при понижении температуры одевает теплую одежду, в дождливую погоду укрывается зонтом. Через межгосударственные границы идут потоки материальных и духовных ценностей, и в то же время каждое государство имеет пограничную и таможенную службы, обеспечивающие внутреннее равновесие в стране.

                                                                  1
 вещество М1                                                                                  М2

 энергия W1                                                                                    W2
                                                                                     2
 информация I1                                                                                                                         I2
                                                                 3

Рис. 6 Открытая система

Обменные процессы с окружающей средой выступают важнейшим фактором развития открытой системы и определяют характер ее поведения.
Поступающие в нее ресурсы идут на жизнеобеспечение системы, ее самоупорядочение, развитие и поддержание устойчивости. Если их недостаточно, или поступают ресурсы не того качества, которое необходимо системе, она деградирует и неминуемо разрушится. Обменные процессы идут в двух направлениях: с одной стороны система получает ресурсы извне, с другой — происходит их диссипация (лат. dissipatio— рассеяние) в окружающее пространство. Система, использовав поступившие в нее ресурсы для своего переустройства (переструктуризации элементов, создания новых связей или для каких-то других своих нужд), отработанные остатки выбрасывает наружу. Но это ресурсы уже иного качества, отличного от поступивших в систему. Иногда говорят — более низкого. Но это не совсем точно, ибо не указывается, по какому параметру оценивается это качество. Например, тепловой баланс Земли устанавливается благодаря равенству потоков энергии, с одной стороны получаемой за счет своего внутреннего тепла и падающей на нее солнечной радиации, а с другой — рассеиваемой ею в окружающее пространство в процессе теплообмена. Но качество энергии в этих потоках разное: Земля получает от Солнца коротковолновое излучение, а рассеивает — длинноволновое. Это качественное изменение потоков энергии и обеспечивает протекание физико-химических процессов, которые определяют эволюцию биосферы.
Живые системы усваивают низкоэнтропийные ресурсы, а выбрасывают высокоэнтропийные. То, что рассеивается одной системой или выбрасывается как отходы, используется системами более низкого иерархического уровня для обеспечения своего устойчивого функционирования. Например, отходы одного производства могут стать ресурсом для другого, или отбросы жизнедеятельности одних организмов — пищей для других. Поступление ресурсов извне стимулирует поступательное развитие системы и обеспечивает переход ее на новую ступень (фазу) эволюции. Благодаря обменным процессам с окружающей средой (другими системами) может изменится внутренняя структура системы и функции отдельных элементов.
В иерархически связанных системах идет не только усложнение структуры и функций каждой из них, но и осуществляется взаимодействие на уровне прямой и обратной связей, благодаря чему у систем более высокого уровня появляется возможность управленияпроцессами в системах более низкого уровня. Система, находящаяся на более высоком иерархическом уровне, управляет процессами самоорганизации системы, находящейся на более низком уровне. Однако поведение системы более низкого уровня, их «отзыв» на действия вышестоящих оказывает существенное влияние на состояние последних и характер их поведения. Этот механизм реализуется в иерархиях биологических, технологических, кибернетических, социальных и других систем.
Вследствие потерь и деградации ресурсов все открытые системы являются диссипативными. Скорость процесса диссипации напрямую зависит от свойств самой системы, но и во многом определяется свойствами окружающей среды. Например, нагретая вода с разной скоростью остывает в открытом стакане и термосе при одних и тех же внешних условиях; скорость остывания воды в одном и том же стакане будет зависеть от температуры окружающей среды.
Открытые диссипативные системы являются нелинейными. Это значит, что соотношение между величинами М1 — М2, W1 — W2, I1 — I2 не может быть адекватно описано с помощью линейных функций (простейшая линейная функция y=kx+b, графически изображается прямой линией), то есть между ними нет однозначной зависимости. Процессы, протекающие в таких системах, описываются с помощью нелинейных дифференциальных уравнений (пример дифференциального уравнения приведен при рассмотрении принципа периодичности). Это связано с тем, что значения М2, W2, I2 зависят от множества случайных событий как внутри самой системы (характера взаимодействия между отдельными ее элементами), так и случайных внешних воздействий.
Открытая развивающаяся система является неравновесной. Параметры, характеризующие состояние ее отдельных частей, существенно отличаются от их средних значений, характеризующих систему в целом (например, температуры отдельных органов живого организма отличаются от его средней температуры или экономические показатели отдельных предприятий, входящих в концерн, отличаются от средних показателей последнего). Любая система, если в нее не поступают ресурсы, в конце концов придет к состоянию, когда все параметры выравниваются. Оно называется равновесным и характеризуется максимумом энтропии и хаосом.
В устойчиво функционирующей системе между отдельными процессами устанавливается стационарное (лат. stationaris — неподвижный) или «текущее равновесие» — гомеостаз — относительное динамическое постоянство внутренних свойств систем и устойчивость основных функций ее элементов. Оно принципиально отличается от равновесного состояния, прежде всего тем, что «препятствует» росту энтропии. Например, сохранение состава внутриклеточной среды, функций клеточных органелл, характера биохимических процессов способствует устойчивости биологической системы. Внешнее воздействие может вывести ее из состояния стационарного равновесия. Но вследствие своей инерционности, она будет стремиться сохранить свое прежнее состояние, что вызывает появление в ней процессов, стремящихся ослабить внешнее воздействие. В результате взаимодействия этих противоположных тенденций и сохраняется состояние стационарного равновесия (работает принцип Ле Шателье — Брауна. ). Тем не менее, это равновесие подвижно и может смещаться в ту или другую сторону.

3. 1. 4 СИСТЕМНАЯ МОДЕЛЬ МИРА

С точки зрения системного подхода Мироздание — это грандиозная суперсистема, состоящая из множества иерархических взаимосвязанных подсистем разной природы и разного уровня сложности (космические, физические, химические, геологические, биологические, психологические, технологические, экологические, социальные, научные, языковые, политические, экономические и т. д. ), находящихся в разного рода отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность. Схематично она представлена на рис. 7. В ней выделены иерархии живой и неживой природы и социальные системы.
Выстроенная таким образом модель окружающего мира отражает его дискретность. На ней представлен мир как некий статичный срез, структура, в которой «все связано со всем».
Однако окружающий нас мир непрерывен, находится в постоянном изменении и развитии. Его можно представить как вселенский процесс самоорганизацииматерии, как последовательную смену состояний, направленный поток изменений, в котором cозидание (усложнение, поступательное развитие, устойчивость) и разрушение (деградация, неустойчивость) периодически повторяются и взаимодействуют друг с другом.

            организмы                                                                     планета Земля

              клетки                                                                        горные породы

молекулы и агрегаты молекул
 

атомы
 

фундаментальные поля, эле
ментарные частицы, кварки

Рис. 7 Системная модель мира

Характер их взаимодействия определяется множеством случайных факторов. Благодаря этому, с одной стороны существует то великое многообразие окружающего мира, которое мы наблюдаем вокруг себя, проявляется его неповторимость и неоднозначность, а с другой — сохраняется родство всего сущего, наблюдается определенная направленность процессов. Мир представляется как открытая динамичная система, в которой «все взаимодействует со всем, все проявляется во всем», и самоорганизацией которой управляют фундаментальные законы природы.
Новые понятия и термины: интерференция, системное качество, диссипация, нелинейный, неравновесный, обратная связь, гомеостаз.
Ведущие идеи:
-открытость реальных систем;
-обмен ресурсами как важнейший фактор их самоорганизации;

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука