книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Глава 1. Системный анализ мира

Бесформенную материю греки называли ХАОСОМ. Примером может служить газ, испаряющийся с нагреваемой жидкости. Тепловое движение молекул газа целиком преобладает над силой притяжения. Молекулы газа движутся независимо от других молекул, и их движение носит абсолютно хаотический характер. В этом случае говорят, что каждая молекула обла­ дает бесконечным числом свобод.

КОСМОС — это уже структурированная и проявленная по законам ТЕОСА материя. Следовательно, строительным материалом для КОСМОСА является ХАОС. Само собой разумеется, что не весь ХАОС охвачен процес­ сами творения, значительная его доля остается свободной, и, следователь­ но, «строительная площадка КОСМОСА» содержит не только проявленные и одухотворенные формы, но и неиспользованную часть ХАОСА. Таким об­ разом, КОСМОС, оформленный по законам ТЕОСА, всегда соседствует и взаимодействует с бесформенным ХАОСОМ, и такое соседство предопре­ деляет нелинейность их взаимодействия.

Современные представления фактически наследуют древние основы и развивают их дальше. Действительно, весь видимый мир от микромира до ма­ кромира состоит из систем. Например, нуклон представляет собой систему кварков. Атомное ядро состоит из системы нуклонов. Атом — это система ну­ клонов и электронов. Молекула — система атомов, кристалл и клетка — си­ стемы молекул. Порода — система кристаллов. Планетарное тело — система пород. Солнечная система состоит из Солнца, планет, спутников, комет, ас­ тероидов, метеороидов, метеоритов. Звезда — сложная излучающая система. Галактика — сложная система звезд, туманностей, скоплений видимого ве­ щества и невидимого. Вселенная — система галактик. Образование систем осуществляется в рамках 4 основных взаимодействий: сильного (для ядерных сил), слабого (распад сложных ядер), электромагнитного (все химиче­ ские соединения живого и косного происхождения) и гравитационного (макросистемы).

Под системой следует понимать не гербарий элементов, а их совокуп­ ность, объединенную общей функциональной средой и целью функционирования, т.е. наделенную новым свойственным только отдельному элементу качест­ вом. Любой процесс также является системой, так как имеет границы сво­ его проявления. Система имеет больше свойств, чем просто сумма свойств элементов ее составляющих. Фактически здесь не выполняется закон адди­ тивности, согласно которому 2 + 2 = 4. При возникновении системы доба­ вляется свойство самой системы, и тогда 2 + 2 > 4. Например, объемные ре­ зонансные частоты всей системы отличаются от таковых у отдельных эле­ ментов. Пустая кастрюля при ударе звучит иначе, чем наполненная водой.

Функциональная среда системы — это характерная для системы сово­ купность законов, алгоритмов и параметров, по которым осуществляется взаимодействие между элементами системы и функционирование (разви­ тие) системы в целом. Например, законы позволяют управлять страной по

41

Разде i / . Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

всем аспектам бытия. Зона действия этих законов и есть пространство си­ стемы. Развитие системы осуществляется за счет процессов структурирова­ ния, т.е. путем усложнения системы. При усложнении растет мера внут­ ренней упорядоченности и. следовательно, снижается энтропия, которая характеризует степень неупорядоченности или хаотичности. В равновес­ ном процессе энтропия равна отношению количества теплоты Q к термо­ динамической температуре Т, т.е. dS = Q/dT. Эта формула означает, что энтропия описывает направление термодинамического процесса.

Структура системы — это топологически оформленное множество связей, по которым обеспечивается энерго-, массо- и информационный обмен между элементами и подсистемами системы. Эти связи определяют функционирование системы в целом и способы ее взаимодействия с внеш­ ней средой. Определение цели функционирования системы в процессе эво­ люции — достаточно сложный вопрос. С одной стороны, применительно к живым существам цель состоит в реализации заложенной генетической про­ граммы. С другой стороны, применительно к таким суперсистемам, как био­ сфера, цель состоит в создании все более совершенных видов, способных оптимизировать реакцию собственной экосистемы на изменяющиеся окру­ жающие условия и успешно адаптироваться. Применительно к неживым системам — это адаптация к изменившимся условиям путем перестройки структуры. Во всех случаях решение проблемы существования происходит по пути самоорганизации системы для адаптации к сложившимся окружа­ ющим условиям.

Под открытой принято понимать систему, способную обмениваться с окружающим пространством (над системами и соседними системами) веще­ ством. энергией и информацией. В природе большинство систем являются частично открытыми, т.е. принимающими не абсолютно все, а избиратель­ но и на определенных частотах (как набор антенн). Разная степень откры­ тости в процессе эволюции — это и есть смена набора антенн общения с внешним миром.

Любая открытая система обладает свойством аккумуляции, преобразо­ вания и выброса поступающей в нее энергии. Поэтому при достижении предела аккумуляции любая система переходит в неравновесное состояние. Что это такое? Представьте себе карандаш, который вы держите за отточен­ ный конец, а другой конец свободно висит. Как бы вы ни отклонили сво­ бодный конец, он, покачавшись, вернется в свое устойчивое нижнее поло­ жение. Но попробуйте поставить карандаш острым концом на стол — он сразу же упадет, причем абсолютно неясно, в какую сторону. Это и есть не­ устойчивое, или неравновесное, положение. В природе известно множест­ во неравновесных состояний, причем не только кинематического плана. Все эволюционирующие системы рано или поздно попадают в ситуацию неравновесности. Исследованиями установлено, что существует три вари­ анта выхода из этого состояния:

42

Глава L Системный анашз мира

1) скачкообразный нелинейный переход системы за счет процессов структурирования в новое более сложное состояние с уменьшением энтро­ пии (т.е. укрепление внутренних связей);

2)переход в устойчивое равновесное, как правило, колебательное, со­ стояние (гомеостаз или гомеокинез);

3)переход в состояние распада, которое приводит к гибели системы либо сразу, либо постепенно в борьбе за выживание при недостаточной кон­ курентоспособности (катастрофа).

Первый и третий варианты возможны и до достижения неравновесного состояния. Это происходит либо за счет структурирующего информацион­ ного воздействия извне, либо путем поражающего внешнего воздействия на систему как на мишень с нанесением значительного ущерба. В качестве при­ мера второго состояния представьте себе стоящего или идущего человека. Опора на двух ногах — неустойчивое состояние (нельзя заснуть стоя, не опираясь на что-либо), но если основание (ноги) будет создавать ритмич­ ное раскачивание около центра масс (посредине человека), то состояние станет квазиустойчивым. Следует отметить, что все системы в процессе эво­ люции меняют степень своей открытости. Открытость фактически являет­ ся регулятором темпа эволюции. Действительно, в молодости человек ведет более активный образ жизни по сравнению со старостью как в смысле ди­ намики жизни, так и в смысле питания. Но в старости человек более мудр, т.е. имеет богатый информационный багаж знаний.

Обмен энергией и информационную связь с внешней средой открытая система ведет на характеристических параметрических или объемных резо­ нансных частотах. Такие состояния играют роль установившихся режимов. Кроме того, при любом скачкообразном (фазовом) переходе происходит сброс нелинейной части динамического хаоса. При исследованиях нельзя забывать об этом, ибо хаос, например, как микроволновое реликтовое из­ лучение во Вселенной хранит информацию о кризисных стадиях эволюции системы.

Переход на колебательный принцип развития или в состояние гомеоста­ за либо гомеокинеза хорошо иллюстрируется на примере эволюции биосфе­ ры: новые более совершенные виды, возникавшие в процессе эволюции, все­ гда образовывали новую экосистему более высокого уровня, в которой они занимали главенствующее положение в трофической или пищевой цепи эко­ системы. Сложная экосистема как совокупность соподчиненных систем бо­ лее устойчива к внешним воздействиям и может быть разрушена только по­ ражающими факторами при нанесении ей существенного ущерба. Во всех остальных случаях она исключительно устойчива.

Еще одна особенность определения системы заключается в понимании сложности. Ведь все природные системы состоят из подсистем, что уже ин­ туитивно предопределяет их положение в качестве сложных. По каким кри­ териям считать систему сложной? По количеству составляющих ее элемен­

43

Раздел / . Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

тов, количеству связей? Но тогда за чертой рассмотрения остаются пове­ денческие аспекты живой природы, а процесс сознания, предвидения (опе­ режающего отражения) вообще не учитывается. Математики предложили оценивать сложность длиной алгоритма, описывающего систему. Вероятно, для простых модельных систем этот подход и имел бы некоторую ценность, но даже для одной и той же системы разные математики дадут различное ал­ горитмическое представление. На сегодняшний день математическое описа­ ние деятельности простейших организмов и даже деятельности одной клет­ ки представляет существенную трудность. В силу этих причин понятие сложности остается в употреблении на интуитивном уровне.

По современным представлениям исследование живых систем немысли­ мо без понятия «информация». Смысл термина информация до сих пор хоро­ шо раскрыт лишь в Шеннонском, или бинарном смысле. Однако принципы символического, знакового или семантического воздействия, стимулирую­ щего поведенческие или структурные изменения систем за счет малых ин­ формационных воздействий, до сих пор остаются неясными. Например, принципы обучения и даже «зомбирования» позволяют навязывать про­ граммные действия живым системам. Можно только констатировать, что понятие «информация» также остается на уровне интуитивного или обще­ принятого понимания.

Система является самоорганизующейся если она, без специфического воз­ действия извне обретает какую-то пространственную, временную или функ­ циональную структуру (Г. Хакен). При этом энтропия системы уменьшается.

1.1.1

Устойчивость, неустойчивость

Если мы поставили своей целью разобраться, как отдельным личностям удается генерировать решения, выводящие обычные объекты и ситуации на качественно иные уровни, то нам прежде всего не­ обходимо разобраться с этим самым критическим моментом. Прежде всего отметим, что любая система может принимать различные состояния: равно­ весное (устойчивое), локально устойчивые и неравновесное (неустойчивое) (рис. 1.2).

Особый интерес вызывает неустойчивое состояние системы, так как именно в этом случае происходят кардинальные изменения в системе, и она при малейшем воздействии выбирает принципиально новое состояние или иную траекторию эволюции. Точка такого перехода называется точкой бифуркации (рис. 1.3).

44

Глава 1 Системный анашз мира

О

у с т о й ч и в о е

Рис. 1,2, Схемы возможных различных состояний систем

Рассмотрим достаточно простую модель качественной перестройки. Желательно, чтобы неожиданные обстоятельства могли быть повторены многократно, тогда мы сможем рассмотреть этот процесс подробнее. Возь­ мем простую школьную резинку — ластик (надо только, чтобы он был дос­ таточно мягким), подойдет также пружинка от шариковой ручки. Что про­ изойдет, если слегка надавить на концы ластика или пружинки? Понятно, что ластик или пружинка сожмется и ответят сопротивлением — будет дей­ ствовать упругая сила. Если сдавить сильнее? Сожмется еще больше, упру­ гая сила сопротивления увеличится. А если еще сильнее? Вроде бы ничего

45

Глава I. Системный анализ мира

Если мы и дальше будем увеличивать давление, то обнаружим, что ощу­ щаем гораздо меньшую силу сопротивления. Ластик сам изменил свою фор­ му так, чтобы воспринимать минимум энергии. Наш катаклизм обратим: мы можем разжать пальцы, и ластик примет исходную форму. Однако если бы мы взяли предмет из менее эластичного материала (например, спичку), то катастрофа вполне оправдала бы свое название: спичка бы держала на­ грузку до определенного момента, после чего она бы просто сломалась, по­ скольку дерево не может выдержать такие деформации, как резина. Понят­ но, если бы все это происходило, например, с колонной здания, то катаст­ рофа случилась бы самая настоящая.

Итак, воспользуемся «ручным» характером нашей катастрофы и иссле­ дуем ее внимательнее. Еще раз доведем наш объект до прогиба, после че­ го вернемся в исходное положение. И так несколько раз.

Если у нас качественный ластик, т.е. без внутренних и внешних дефек­ тов, и мы оказываем давление строго по его оси, то обнаружим, что прогиб происходит то в одну, то в другую сторону. Куда прогнется ластик в каждый следующий раз, предсказать невозможно — это остается неожиданностью.

Дело в том, что ластик в критический момент находится в неустойчи­ вом состоянии, как, например, мяч. который мы попытаемся удержать на своей голове. После критического сжатия любое случайное малое возмуще­ ние, внешнее или внутреннее, прекращает неустойчивое состояние — лас­ тик скачком прогибается в какую-то сторону. В какую именно сторону, за­ висит от этого возмущения.

Влияние малых возмущений на качественное изменение объекта — очень важный момент. Житейский опыт подсказывает нам: большие результаты требуют, как правило, больших усилий — чтобы сдвинуть с места огромный камень, надо обладать недюжинной силой. Оказывается, однако, иногда со­ всем незначительные усилия могут приводить к весьма масштабным резуль­ татам (рис. 1.6). Так, перегруженная колонна может некоторое время со­ хранять прямое положение; скопившийся за зиму снег может продолжать держаться на склоне горы. Но достаточно в какую-то минуту дуновения ве­ тра или разговора стоящих невдалеке людей — и хрупкое равновесие нару­ шается. Вот она — катастрофа: рушится инженерное сооружение; поселок в горах сметает лавина.

Когда ситуация на рынке становится слишком сложной, какой-нибудь случай может привести гигантскую корпорацию к банкротству!

Механизм, реализующий быстрое превращение малых воздействий в результаты огромного значения, является очень важным моментом. На нем и основывается неординарное мышление.

Задержимся еще ненадолго на примере с выпучиванием ластика. Сле­ дующий шаг: попытаемся графически представить изменение поведения ластика при выпучивании. Попробуем представить себе так называемую

47

Раздел / Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

Рис. 7.6. При некотором критическом сжатии исходное, прямое положение становится неустойчивым, и малейшая причина приводит к прогибу [Блинков А.В., Киселев А.Н., 2001. http://www.dere.ru/ibary/blinkov/anat_ kata_l.html]

поверхность состояния объекта. Зависимость угла прогиба от сжимающей силы представлена на рис. 1.3. Строго говоря, этот рисунок справедлив для более простого объекта, у которого вся упругость сосредоточена в точке посередине между двумя жесткими стержнями. До приложения некоторо­ го усилия никакого прогиба нет совсем. Начиная с некоторого критиче­ ского момента исходное неискривленное состояние резинки остается воз­ можным, но становится неустойчивым, поэтому оно показано штриховой линией. Прогиб может произойти как в одну, так и в другую сторону (на графике — вверх или вниз), а величина его быстро увеличивается с увели­ чением силы сжатия. Точка перехода из равновесного состояния в нерав­ новесное называется точкой бифуркации

Что будет происходить с ластиком, если после того как выпучивание уже произошло, мы станем прилагать усилие поперек, как бы стараясь вер­ нуть его в исходное положение? После выпучивания ластик оказывается, может иметь два состояния: прогиб либо в одну, либо в другую сторону (рис. 1.7). Причем, если бы мы имели дело не с прямоугольным в сечении ластиком, а, например, с круглой пружинкой от шариковой ручки, то чис­ ло возможных состояний после выпучивания увеличилось бы до бесконеч­ ности, так как пружинка может выгнуться в любом направлении из 360° окружности.

48