Информация и самоорганизация

Для иллюстрации информационного подхода к явлениям са-мооргани-зации, воспользуемся примером спонтанного на-рушения симметрии физиче-ского вакуума как самооргани-зующегося процесса. Смысл спонтанного или самопроиз-вольного нарушения симметрии заключается в том, что опи-сывае-мая динамическими уравнениями движения физиче-ская система, обладавшая некоторой симметрией переходит в состояние, лишенное данной симметрии. Такой переход происходит тогда, когда симметричное состояние физической системы не обладает минимальной энергией, а поэтому энер-гетически “не выгодно”. Состояние системы с минимальной энергией неоднозначно, так как ему соответствует серия ре-шений, каждая из которых не обладает ука-занной симметри-ей. Математическое преобразование “симметрии” приводит к тому, что реализуется лишь одно решение этой серии, что соответствует эффекту спонтанного нарушения симметрии.

Спонтанное нарушение симметрии в теории электрослабых взаимодей-ствий предстает как эффект вырождения физиче-ского вакуума. В квантовой теории с вакуумом (наименьшим энергетическим состоянием квантового по-ля) сопоставляет-ся волновая функция. А как известно, одному и тому же на-блюдаемому квантовому объекту может соответствовать множество состоя-ний, т.е. собственных значений волновой функции. Данную ситуацию назы-вают эффектом вырожде-ния, что говорит о неинвариантности вакуума.

Эффект вырождения физического вакуума являет собой про-цесс самооргани-зации на фундаментальном уровне. Яркий пример, раскрывающий механизм такой самоорганизации приведён физиком Еитиро Намбу с самоупорядочиванием ферро-магнитной среды . Мы же для наглядности воспроиз-ведём пример из обыденной жизни предложенный физиком-теоретиком А.Саламом, проясняющего смысл спон-танного нарушения симметрии и сущность информационного подхода к нему.

В приводимом примере демонстрируется выбор одной из двух возмож-ностей (аналогия с реализацией только одного из серии решений в случае вырожденного состояния физиче-ского вакуума). Итак, представим себе зван-ный обед, боль-шой круглый стол, Вокруг которого уселись многочисленные гости. Перед каждым местом за столом поставлена тарелка и в надлежащем порядке разложены ножи, вилки, салфетки и т.п. Поскольку промежутки между местами относительно ма-лы, салфетки разложены так ,что не ясно, к какому месту они относятся, на лицо явная право-левая симметрия. В действи-тельности, конечно, безразлично, какую салфетку взять. И если какой-то гость первым выберет случайно, правую сал-фетку от себя, в тот же миг имевшаяся ранее симметрия спонтанно исчезает, так как все остальные гости вынуждены взять правые салфетки.

Понятно, что это образное описание спонтанного нарушения симметрии, но из него можно извлечь необходимость инфор-мационного подхода при нарушении симметрии как необра-тимого процесса в явлениях самоорганизации. В данном примере, скажем, мы ставим своей целью узнать вероят-ность наступления событий; т.е. с какой вероятностью сал-фетки оказываются то в правой, то в левой руке из людей, сидящих за столом. Когда мы говорим о вероятности числа возможных исходов события, в данном случае, подразу-мевается понятие информации по Шеннону. Для выбора салфеток, это число Z = 2. Знание вероятности даёт возмож-ность подсчёта среднего количества информации, которое реализуется в каждом выборе из двух альтернатив. Ве-роятность подсчитывается при хорошей статистической вы-борке среди большой серии застолий, т.е., выражаясь физи-ческим языком, – ансамблем одинаковых ситуации. Вычисле-ние среднего количества информации в кван-товой механике для одного совершающегося события (как результат процес-са измерения) не представляет особой проблемы. Сложнее ситуация с эффек-том вырождения физического вакуума и другими самоорганизующимися процессами. Во-первых, это связанно с многофакторностью формирования возможностей выбора пути (направления) самоорганизующегося процесса и чувствительностью системы к флуктуациям в сильно нерав-новесном состоя-нии, и, во-вторых, с той неопределённостью и непредсказуемостью, которая возникает в критических точ-ках (точках бифуркации) перехода к новой орга-низации. “Ко-роче говоря, информация сопряжена с двумя фундаменталь-ны-ми условиями.

1.Резкое нарушение пространственной симметрии, непре-рывно отсеи-вающей другие возможности …

2.Элемент непредсказуемости, связанный с раскрытием со-держания объекта или с сообщением заранее неизвестным …” .

В связи с этим, использование шенноновской информации для самоор-ганизующихся систем становится ограниченным, ибо она, во-первых, ни как не связана со смыслом выбора, и во вторых, относится к закрытым системам, т.е. Z – ограни-ченно. Поэтому возникает необходимость нового подхода, свя-занного с концепцией информации, но включающей се-мантику. “Смысл сиг-налу (информации – В.Ш.), – указывает Г.Хакен, – можно приписать только в том случае, если мы примем во внимание отклик того, кто принял сигнал” . А это в свою очередь приводит к понятию относительной значимости сигна-лов.

Семантика, таким образом, становится средством исследо-вания откли-ка (аттракторов) динамической системы на воз-действия. (В синергетике про-цесс самоорганизации связы-вается с выходом системы на структуру-аттрактор*). Поэтому отклик системы может состоять в исправлении “оши-бок” (или служить источником частичной информации). Если приходя-щий сигнал не переводит начальное состояние корректно, т.е. в аттрактор, то он может перевести начальное состояние в область притяжения аттрактора. За-дача, которая здесь стоит, заключается в том, чтобы определить минимальное число битов, необходимое для достижения данного аттракто-ра (или данного уровня относительной значимости) .

Однако главным, все же остаётся вопрос: каким образом в самооргани-зующейся системе (природной или биологиче-ской) может возникнуть ин-формация, обретающая в ней смысл?

Обратимся снова к примеру, на этот раз к лазеру, в качестве источника самоорганизации в физике. В лазере в активную среду, например, кристалл рубина, погружено большое коли-чество “свободных” атомов. В процессе на-качки энергии из-вне атомы возбуждаются и испускают отдельные цуги волн. Испускаемый каждым отдельным атомом сигнал, как опреде-лённая инфор-мация, переносится световым полем. В полос-ти лазера эти цуги волн могут взаимодействовать с другими возбужденными атомами, что ведёт к усиле-нию испускаемо-го ими сигнала – информации. Но так, как, излучение от-дельными атомами может происходить независимо друг от друга и световые сигналы усиливаются другими атомами, возникает суперпозиция некоррели-рованных, но усиленных цугов волн. Однако когда амплитуды световых сиг-налов дос-тигают достаточно больших пороговых значений, происходит каче-ственно новый процесс. Атомы в лазере начинают коге-рентно осциллиро-вать, световое поле становиться когерент-ным, что означает переход от от-дельных некоррелирован-ных цугов к “бесконечно” длинному цугу синусои-дальных волн – лазер самоорганизуется, без внешнего вмешательст-ва. Хао-тическое состояние усиленных некоррелированных цугов волн сменяется по-рядком – временной структурой ко-герентной волны. Математическая теория, описывающая данный процесс показывает, что возникающая световая вол-на служит параметром порядка, вынуждающим атомы осцил-лировать когерент-но, или, иначе говоря, подчиняет себе атомы. “Параметры порядка, опреде-ляют поведение микро-скопических частей системы в силу принципа подчи-нения. Так возникновение параметров порядка и их способность подчинять, – пишет Г.Хакен, – позволяет системе находить свою структуру” . Важно также отметить, что здесь мы имеем дело с циклической причинностью: с одной стороны, пара-метр порядка подчиняет себе атомы, а, с, другой, сам оказы-вается порожденным совместным, кооперативным действием атомов.

“С точки зрения информации, параметр порядка играет двой-ную роль: он сообщает атомам о том, как им подлежит вести себя, и, кроме того, дово-дит до сведенья наблюдателя о макроскопически упорядоченном состоянии системы. Если для описания состояния отдельных атомов требуется огром-ное количество информации, то после установления упоря-доченного состоя-ния необходима лишь одна величина, а именно фаза общего светового поля, т.е. происходит сильное сокращение информации. Мы можем назвать пара-метр по-рядка информатором. “А поскольку сама информация в сис-теме по-рождается (“создаётся”) кооперативным действием системы, то её Г.Хакен и предложил назвать, синергетиче-ской информацией.

Таким образом, как мы видим, существует органическая взаимосвязь между когерентностью и информацией, с одной стороны, и, соответственно, информационным способом опи-сания самоорганизующихся систем, с дру-гой. С синергетиче-ской информацией и когерентностью так же связан пере-ход от одного уровня организации на другой и соответственно с одного уровня описания на другой (с микроскопического на мезо- и макроскопиче-ский), как необходимого условия ос-мысления и теоретического представле-ния единого эволю-ционного процесса.

При переходе к химическим процессам самоорганизации (эволюции) ситуация конечно сложнее. Но мы можем в явле-ниях химического автоката-лиза усмотреть много общего с механизмами самоорганизации в физических процессах и, в частности, с лазером, что позволяет говорить о едином под-хо-де к физико-химическим самоорганизующимся процессам. Еще сложнее проблемы, которые возникают при формирова-нии концептуальных представ-лений добиологической и био-логической эволюции, а так же социальных фе-номенов са-моорганизации. Однако не вызывает сомнений тот факт, что и к данным процессам эффективно применим информацион-ный подход, учиты-вающий специфику предмета исследова-ния.*

Г.Хакен следующим образом комментирует данное обстоя-тельство: “В случае с биологической системой коллективное поведение выгодно для всей системы. Находясь вне точек устойчивости, система может переходить в раз-личные со-стояния, и ей необходима информация о выборе того или иного состояния. Одна из возможностей состоит в том, что эта информация зало-жена в системе генетически или посту-пает в систему от связей, налагаемых одними частями сис-темы на другие. Но нередко в случае вырождения важ-ную роль играет окружающая среда, или, иначе говоря, значи-мость состоя-ния, в которое может перейти система, оцени-вается контекстом. По мнению автора, именно так зарожда-ется информация в биологическом смысле. Не-смотря на не-устойчивость, коллективное состояние возникает, но обрета-ет свой смысл только в соотнесении с окружающей средой и отчасти в связи с тем, сколь оно важно для выживания всей системы”. И далее, он переводит свои размышления в об-ласть социальных процессов. “По моему мнению, ис-следование информации в биологических системах пред-ставляет интерес и в современном обществе, надлежащее функционирование которого основано на адекватном произ-водстве, передаче и переработке информации. Возмож-но, наиболее важным аспектом, возникшим в последнее время, следует счи-тать круговую причинность, приводящую к кол-лективному состоянию, кото-рому в социологии могут соот-ветствовать социальный климат, широкое об-щественное мнение, демократия или диктаторский режим”

Ещё один аспект проблемы, связанный с когерентностью и информа-цией, который мы хотели бы рассмотреть в заклю-чительной части, касается переходных процессов в явлениях на пути к сложному.

Информация – Бифуркация – Альтернативы путей эволюции

Возникновение новой организации в нелинейных средах, си-нергетикой определяется как переход через пороговые ре-жимы (“критические точки”). Процессы происходящие в поро-говых режимах являются фокусом сосредо-точений усилий каждой из концептуальных представлений синергетики, ибо в них, образно выражаясь, “природа вершит свои таинства” Си-туация анало-гично квантомеханическому измерению, опре-деляемому “соотношением не-определённостей” В.Гейзенберга, который привёл к необходимости введения в квантовую теорию вероятностного (квантомеханического) способа описа-ния. Гносеологические проблемы, возникшие в связи с данным обстоятельст-вом, привели даже такого стол-па физической науки как А.Эйнштейн к не-принятию вероят-ностной (статистической) интерпретации квантовой меха-ники, выразившаяся в известной его фразе: “Бог не играет в кости”. В письме Максу Борну он писал: “Вы верите в бога, играющего в кости, я – в полный закон и порядок в мире, ко-торый существует объективно, и который я чисто умозри-тельным путём пытаюсь охватить. Я твёрдо верю, но наде-юсь, что кто-нибудь откроет более реалистический подход или более приемлемую ос-нову, чем удалось сделать мне. Даже огромный успех, выпавший на долю квантовой теории, не убеждает меня в том, что в основе всего лежит игра в кос-ти, я отчётливо сознаю, что Ваши более молодые коллеги со-чтут это про-явлением старческого возраста” .

Однако надеждам А.Эйнштейна не было суждено осущест-виться, более того, синергетика углубила наши представле-ния о процессах, которые в принципе не могут быть понятны и описаны детерминистически. К таким процессам и относят-ся переходные процессы в явлениях самоорганизации.

В пороговом состоянии течение событий, процессов неодно-значно, не-определённо из-за внешних воздействий и флук-туаций в системе, так же как и непредсказуема новая органи-зация, возникающая после прохождения этого порога – “точки бифуркации”*, ибо в момент перехода система находится в таком состоянии, о котором И.Пригожин говорит, что она ока-зывается в одно и то же время всем, чем она может быть. “В этих точках самое полное знание не даёт нам возможности вычислить то, что произойдёт, заменить вероят-ность уве-ренностью. Система нащупывает, таким образом, некую “диа-грам-му бифуркации”, “карту возможностей”, в то время как она всё в большей мере удаляется от состояния равновесия благодаря изменению своих отно-шений со средой, опреде-ляющей каждый раз, что именно можно будет пред-видеть, а также то, что, как это известно заранее, можно только конста-тиро-вать и пересказывать” .

Ещё Дж.К.Максвелл в своё время обратил внимание на важ-ность таких точек, не только в сфере физических процессов, но и в явлениях самой раз-личной природы. В качестве при-меров он приводит такие состояния как: ска-ла, отделившая-ся от основания в результате выветривания и балансирую-щая на выступе горного склона; небольшая искра, поджи-гающая огромный лес; слово, ввергающее мир в пучину вой-ны; крупица вещества, лишающая чело-века воли; крохотная спора, зарождающая посевы картофеля и другие куль-туры; геммула, превращающая нас в философов или идиотов. При этом Дж.Максвелл подметил, что чем выше уровень органи-зации системы, нахо-дящейся в неравновесном состоянии, тем больше таких точек. Следователь-но, сложные системы в своем развитии должны проходить целую последова-тельность, каскад таких точек бифуркаций. Но последуем дальше за его рас-суждениями. “В этих точках воздействия, – отмечает он, – физическая вели-чина которых слишком мала для того, чтобы существо конечных размеров принимало их во внимание, могут приводить к необычайно важным послед-ствиям. Всеми результатами человеческой деятельности мы обязаны искус-ному использованию таких особых состояний, когда такая возможность представлялась” . Особая точка – точка бифуркации, характеризуется суще-ствованием множе-ства возможных структур, в пределах которых открывает-ся перспектива дальнейшего развития сложной системы. В этом состоянии система как бы “колеблется” перед выбором бу-дущего, “прощупывает” соб-ственное пространственное со-стояние, “блуждает” по полю путей развития. Поле возмож-ностей путей развития, определяясь параметрами системы, вы-ступает как своего рода потенциальный план эволюции.

Однако в открытой нелинейной системе возможны не любые структу-ры, ибо спектр структур аттракторов уже предопре-делён как спектр возмож-ностей, открывающий направление эволюции.

От чего же будет зависеть выбор пути, какие факторы влияют на опре-деление этого выбора?

Если подходить строго детерминистически, то выбор всецело должен определяться историей, точнее, предыстории систе-мы, как начальных усло-вий. Но в сильно неравновесных сис-темах, из-за флуктуаций в критических состояниях, происхо-дит “забывание” начальных условий, “потеря системной па-мяти”, то есть исчезает различие между прошлым и будущим системы, что означает уникальность точек бифуркаций. От-сюда следует, что эволюция системы в критической области определяется тенденциями грядущего поряд-ка. “Будущее состояние системы как бы притягивает, организует, форми-рует наличное ее состояния.

Если произошло событие выхода на структуру-аттрактор (со-бытие по-падания внешнего или внутреннего, спонтанного воздействия в сферу его притяжения), то в открытой нели-нейной среде имеет место процесс самодо-страивания, са-мовыстраивания структуры-аттрактора. Процесс выпадения на аттрактор также естествен как процесс падения тел в гра-витационном поле притяжения Земли” .

Альтернативность формирующихся путей эволюции (струк-тур-аттракторов), присущая каждому из уровней самооргани-зующихся систем, всё же не означает полного отсутствия не-обходимости, некоторой предде-терминированности эволю-ционного процесса. Выбор одного из возможных путей проис-ходит под действием механизмов отбора (естественного – в при-родном и биологическом развитии и целевого в социаль-ном). “Отбор, – пи-шут Г.Николис и И.Пригожин, – позволяет декодировать информацию и тем самым допускает переход с одного уровня на другой” . Стало быть, из поля возможностей отбираются и реализуются лишь те структуры, которые удов-летворяют принципам отбора. Вместе с тем, хотя отбор и вы-ступает на подо-бие “набора фильтров”, которые из всего множества возможных состояний, пропускают только строго определенные, он не является конечным этапом, итогом пе-рехода системы через точки бифуркации. Механизмы отбора вклю-чены в действие на этапе локализации возможных структур на стоках струк-тур-аттракторов. Здесь, по-видимому, имеют место механизмы стабилизаци-онного типа при локальных бифуркациях, о которых говорит К.Уоддингтон .

Следовательно, сам отбор формирует и допускает множест-во возмож-ных состояний (структур), но в какое именно пе-рейдет система, будет зави-сеть от тех случайных флуктуа-ций в момент, когда пороговое состояние дос-тигнет критиче-ского значения. Иллюстрацию данного положения, на основе информационного подхода, можно найти у Г.Хакена на отно-сительно про-стом примере “выбора” (отбора) из двух воз-можных. “В зависимости от флуктуации, – отмечает он, – внутри самой системы последняя может пере-ходить в одну из двух устойчивых точек (в один из двух аттракторов). В этом случае приходящий сигнал содержит информацию в обычном смысле слова, который неоднозначен, и эта неодно-значность снимается флуктуацией сис-темы. Если говорить не строго, то можно сказать, что исходная информация уд-ваивается, так как после получения сигнала система может прейти в любой и двух аттракторов” .

Однако в критической точке оказывается принципиально не-возможным предсказать каком именно направлении будет эволюционировать система: к “хаосу” – понижению уровня ор-ганизации, полному разрушению или “по-рядку” – сложному, более высокому уровню организации. Чем данный про-цесс будет определяться, какие механизмы здесь работают?

Ответы на эти вопросы вызывают пристальный интерес к критическим режимам – точкам бифуркациям, как со стороны исследователей фазовых переходов, так и представителей самых различных областей научного позна-ния, исследующих переходные процессы к новому уровню организации сложно-го. Вот как представляет данную проблему Г.Николис: “В ок-рестно-сти точек перехода феноменологический анализ, ос-нованный главным обра-зом на теории бифуркаций, должен быть дополнен информацией о поведении флуктуаций”. Сле-довательно, от природы нелинейности и характера флук-туаций, во многом будут зависеть типы бифуркаций, проис-ходящих в систе-ме. Соответственно им, бифуркации могут приводить: “1) к возникновению многих стационарных состоя-ний без изменения пространственной и времен-ной симмет-рии, 2) к нарушению временной симметрии из-за появления пре-дельных циклов, 3) к нарушению пространственной сим-метрии из-за возник-новения структур” . После тщательного анализа проблемы на примерах сис-тем, в которых происхо-дят химические реакции с диффузией Г.Николис при-ходит к важному выводу о том, что несмотря на возможность разви-тия по-следовательной теории возмущений для неравновес-ных явлений перехода, всё же нерешенными остаются важ-ные задачи математического характера (например, для по-нимания механизма бифуркаций, нарушающих симметрию, необходимо обобщить теорию возмущений на неоднородные флуктуации в системах, зависящих от двух и более парамет-ров и др.), что ведёт пока ещё к необходимости феноменоло-гического способа описания для многих типов бифуркаций.

Таким образом, всю совокупность механизмов, включающих в процесс самоорганизации (а к ним принадлежат и бифурка-ции), вплоть до возникно-вения новой организации можно было определить, как механизмы (принци-пы) “детерминации будущим” (конечно, здесь мы далеко от мысли отождест-влять эти механизмы с телеологическим принципом “causa finalis” – принци-пом “конечных причин”).

Сходные идеи применительно к неравновесным термодина-мическим системам были выражены: Л.Онсагером в форме принципа минимума потен-циала рассеяния, школой И.Пигожина – сначала в принципе минимума про-изводства энтропии, а затем – избыточного ее производства; Г.Хакеном – в принципе максимума информационной энтропии. Попытку более общей трактовки данных принципов на основе эмпири-ческого обобщения предпри-нял Н.Н.Моисеев. “Мне кажется, – писал он, – что особую роль в мировом эволюционном про-цессе играет “принцип минимума диссипации энергии”. Сформулирую его следующим образом: если допустимо не-единственное со-стояние системы (процесса), а целая сово-купность состояний, согласных с законами сохранения и свя-зями, наложенными на систему (процесс), то реа-лизуется то состояние, которому соответствует минимальное рассеяние энер-гии, или, что то же самое, минимальный рост энергии” .

Если Л.Онсагер, И.Пригожин и Г.Хакен распространяют свои принци-пы в основном на неравновесные термодинамические системы, то Н.Моисеев стремился вывести обобщенный принцип, который определял бы выбор оп-ределенного со-стояния из возможных для любых самоорганизующихся сис-тем, что должно достигаться путем его интерпретации не только на не жи-вые, но и на биологические и социальные системы. Таким обобщенным принципом, для Н.Н.Моисеева, выступает принцип “экономии энтропии”, где принцип мини-мума диссипации энергии выступает всего лишь частным случаем.

Таким образом, самоорганизация – это целая гамма взаимо-обусловлен-ных и взаимодействующих механизмов. С пози-ций синергетического подхо-да, развитие характеризуется непрерывным процессом усложнения, а с рос-том сложности соответственно увеличивается число таких состояний систе-мы, в которых возникают критические точки – бифуркации, что ведет к воз-растанию количества возможностей для перехода системы на новый уровень организации. При достаточном уровне сложности система сама способна создать такие со-стояния, которые порождают новые возможности.

Заключение

Поиск единого подхода к явлениям самоорганизации (эволю-ции уни-версума) в современном развитии синергетических исследований обуслов-лен, как мы видели, наличием общно-сти механизмов, открываемых различ-ными концепциями са-моорганизации. Однако единство подхода не означает еди-нообразия средств и методов и, соответственно, единства способа описа-ния. Напротив, единство подхода есть выра-жение поиска, с одной стороны, единых (“унифицирующих”) принципов, с другой, – условий, позволяющих переходить от одного способа описания к другому как отображение, на осно-ве этих принципов, иерархических уровней сложного (эволю-ционного целого).

Чтобы найти единые принципы. Мы должны сосредоточить внимание на таких ситуациях, когда сложная система качест-венно изменяет свое мак-роскопическое поведение или, ина-че говоря, когда она изменяет свою макро-скопическую про-странственную, временную или пространственно-временную структуру . Выяснение причин, приводящих к таким качест-вен-ным изменениям, есть по существу обнаружение общих механизмов процессов самоорганизации. К таким механиз-мам относится и когерентность (как “сборка” сложного), рас-смотренная нами во взаимодействии с другими меха-низмами в контексте информационных процессов, сопровож-дающих самоор-ганизацию.

С другой стороны, было выяснено, каким образом форми-руемый еди-ный подход находит свое отражение в синерге-тическом способе описания. В проведенном исследовании он представлен в форме дополнительности двух способов опи-сания: силового – причинного и не-силового – информацион-но-го, на основе близкодействующих и дальнодействующих связей (взаимодей-ствий). При этом переход с одного уровня описания на другой – с микроско-пического на мезо – и макро-скопический, связан с “сильным сокращением информации”, как синергетической информации по Г.Хакену.

Рубрики: | Дата публикации: 02.07.2010

Нужна курсовая или дипломная?