Синергетика: различные взгляды Сборник статей по синергетике В этой работе представлены основные стати ведущий специалистов в области систем управления. Ответ на вопрос «Что такое синергетика?» здесь бесспорно можно найти. Работа содержит в себе несколько отдельных глав, связанных общей темой. Синергетика: различные взгляды Сборник статей по синергетике В этой работе представлены основные стати ведущий специалистов в области систем управления. Ответ на вопрос «Что такое синергетика?» здесь бесспорно можно найти. Работа содержит в себе несколько отдельных глав, связанных общей темой. Лысенко Е.А. Лысенко Е.А. Группа ПС-114 20.12.2007
Содержание: ü Введение от автора ü Синергетика ü Синергетическая модель динамики политического сознания ü Синергетика и кибернетика ü Синергетика и методология системных исследований ü Синергетические стратегии в образовании ü Самоорганизация в физико-химических системах: рождение сложного ü Синергетика и новые подходы к процессу обучения ü Синергетика и образовательные ценности ü Синергетика и глобальные проблемы современности ü Синергетика и биология ü Что такое синергетика? ü Синергетика и проблемы управления в технике, экономике и социологии ü Синергетика и Интернет? ü Синергетика и детерминизм ü Синергетический вызов культуре ü Роль и место синергетики в современной науке ü P.s. Два слова о моде на синергетику
- Итак, вы хотите знать, каков простой и ясный ответ на Великий Вопрос Жизни, Вселенной и всего остального? вопросил Проницательный Интеллектоматик. -Да! Немедленно! воскликнули инженеры. -Сорок два, с беспредельным спокойствием сообщил компьютер. (Дуглас Адаме, Руководство для путешествующих автостопом по галактике)
Введение от автора
Назовите хоть одного образованного человека, который бы не слышал слова «синергетика»…Таких неверно редко встретишь. Это слово – камень преткновения современных наук. Да да наук, не одной скорее всех. Все существующие ныне работы в области синергетики, синергетических систем крайне не систематизированы. Я не ставил перед собой задачу по систематизации этих знаний. Моя задача всего одна - показать, что же такое синергетика и «с чем ее едят». Здесь нет ничего сложного для человека знающего и понимающего и поэтому можно рекомендовать эту работу всем, особенной людям с техническим складом ума. В конце каждого раздела есть список литературы, которая была использована при подготовки статьи. Если своей работой я заинтересую хотя бы одно человека, если он познает бескрайние возможности синергетики я считаю свою задачу выполненной…
Синергетика
Существует целый класс задач, которые состоят в описании поведения сложных систем, при решении которых изучение поведения отдельных элементов системы не позволяет эффективно описать процессы, идущие в системе на макроуровне. Речь в данном случае идет о процессах самоорганизации, хаотическому возникновению в различных средах упорядоченных структур за счет подвода к ним энергии. С другой стороны, хотя подобные системы имеют совершенно различную природу, число математических моделей, которые используются для описания процессов в них невелико. То есть, там, где присутствует упорядоченность, внутренняя сложность макросистем не проявляется, они ведут себя схожим образом. Собственно синергетика занимается поиском и изучением моделей сложных систем, вопросами возникновения порядка из хаоса и перехода от упорядоченных структур к хаотическим. В качестве примеров самоорганизующихся систем можно назвать поток жидкости, который по мере увеличения скорости перестает быть ламинарным, в нем образуются сложные упорядоченные структуры. При дальнейшем увеличении скорости течения выделить упорядоченность становится все сложнее, и поток приобретает хаотичный вид. К сложным самоорганизующимся системам относятся живые организмы любого уровня, от клеток до социумов. В неживом мире примеры самоорганизации также можно найти везде, вплоть до крупномасштабного строения вселенной [15]...
Глава 1. Физические системы Последние несколько десятилетий развития физики показали, что упорядоченность образуется в открытых системах (обменивающихся веществом и энергией с окружающей средой), находящихся в неравновесном состоянии. Такие системы обычно оказываются неустойчивыми, не всегда возвращаются к начальному состоянию. Им свойственно наличие бифуркационных точек, где нельзя однозначно предсказать дальнейшую эволюцию системы. При этом малое воздействие на систему может привести к значительным непредсказуемым последствиям (к раскрытию неустойчивости). В открытых системах, далеких от равновесия, возникают эффекты согласования, когда элементы системы кореллируют свое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопические интервалы времени. В результате согласованного взаимодействия происходят процессы возникновения из хаоса определенных структур, их усложнения. Собственно синергетика возникла из объединения трех направлений исследований: разработки методов описания существенно неравновесных структур, разработки термодинамики открытых систем и определения качественных изменений решений нелинейных дифференциальных уравнений. Диссипативные системы Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, называют диссипативными. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного хаотического движения, в тепло. Если замкнутая система (гамильтонова система), выведенная из состояния равновесия, всегда стремится вновь придти к максимуму энтропии, то в открытой системе отток энтропии может уравновесить ее рост в самой системе и есть вероятность возникновения стационарного состояния. Если же отток энтропии превысит ее внутренний рост, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флюктуации, а при определенных условиях в системе начинают происходить самоорганизационные процессы, создание упорядоченных структур. При изучении систем, их часто описывают системой дифференциальных уравнений. Представление решения этих уравнений как движения некоторой точки в пространстве с размерностью, равной числу переменных называют фазовыми траекториями системы. Поведение фазовой траектории в смысле устойчивости показывает, что существует несколько основных его типов, когда все решения системы, в конечном счете, сосредотачиваются на некотором подмножестве. Такое подмножество называется аттрактором. Аттрактор имеет область притяжения, множество начальных точек, таких, что при увеличении времени все фазовые траектории, начавшиеся в них стремятся именно к этому аттрактору. Основными типами аттракторов являются устойчивые предельные точки, устойчивые циклы (траектория стремится к некоторой замкнутой кривой) и торы (к поверхности которых приближается траектория). Движение точки в таких случаях имеет периодический или квазипериодический характер. Существуют также характерные только для диссипативных систем так называемые странные аттракторы, которые, в отличие от обычных не являются подмногообразиями фазового пространства (не вдаваясь в подробности, замечу, что точка, цикл, тор, гипертор - являются) идвижение точки на них является неустойчивым, любые две траектории на нем всегда расходятся, малое изменение начальных данных приводит к различным путям развития. Иными словами, динамика систем со странными аттракторами является хаотической. Уравнения, обладающие странными аттракторами вовсе не являются экзотическими. В качестве примера такой системы можно назвать систему Лоренца, полученную из уравнений гидродинамики в задаче о термоконвекции подогреваемого снизу слоя жидкости. Замечательным является строение странных аттракторов. Их уникальным свойством является скейлинговая структура или масштабная самоповторяемость. Это означает, что увеличивая участок аттрактора, содержащий бесконечное количество кривых, можно убедиться в его подобии крупномасштабному представлению части аттрактора. Для объектов, обладающих способностью бесконечно повторять собственную структуру на микроуровне существует специальное название - фракталы. Для динамических систем, зависящих от некоторого параметра, характерно, как правило, плавное изменение характера поведения при изменении параметра. Однако для параметра может иметься некоторое критическое (бифуркационное) значение, при переходе через которое аттрактор претерпевает качественную перестройку и, соответственно, резко меняется динамика системы, например, теряется устойчивость. Потеря устойчивости происходит, как правило, переходом от точки устойчивости к устойчивому циклу (мягкая потеря устойчивости), выход траектории с устойчивого положения (жесткая потеря устойчивости), рождение циклов с удвоенным периодом. При дальнейшем изменении параметра возможно возникновение торов и далее странных аттракторов, то есть хаотических процессов. Здесь надо оговорить, что в специальном смысле этого слова хаос означает нерегулярное движение, описываемое детерминистическими уравнениями. Нерегулярное движение подразумевает невозможность его описания суммой гармонических движений. Распределенные системы В системах, рассмотренных выше, предполагалась ограниченность числа фазовых переменных. Однако более близкими к реальности являются распределенные системы с бесконечномерным фазовым пространством, типичным примером которых являются активные среды. Исследования показывают, что в этих системах могут существовать конечномерные аттракторы. Существование бесконечномерных аттракторов еще не изучено. Реакция Белоусова-Жаботинского До пятидесятых годов нашего века считалось, что в реакциях неорганических компонентов периодические явления наблюдаться не могут, хотя первые сведения о наблюдении таких реакций датируются концом XIX века. Современный этап в исследовании колебательных химических реакций начался со случайного открытия, сделанного в 1958 году Б. П. Белоусовым, который заметил, что если растворить лимонную и серную кислоты в воде вместе с броматом и солью церия, то окраска смеси изменяется периодически от бесцветной до бледно-желтой. Систематическое исследование этой реакции провел через несколько лет А. М. Жаботинский. Он же отметил возникновение в ходе этой реакции различных упорядоченных структур. Сразу после этого было создано множество вариантов реакции с более быстрыми и более медленными осцилляциями. Однако детальное изучение глубинных механизмов реакции было проведено только в семидесятых годах авторами работы [19]. Интересно рассмотреть типы регулярных структур, возникающих во время реакции. Наиболее простыми из них являются ведущие центры, спонтанно возникающие точки, из которых исходят концентрические волны. Природа таких центров до конца не изучена, но так как в ходе экспериментов такие центры имели тенденцию к появлению в одном и том же месте, можно сказать, что их вызывают посторонние примеси в растворе, в окрестностях которых элементы среды переходят в автоколебательный режим. Нередко в среде можно обнаружить или вызвать возникновение спиральных волн. Все спиральные волны имеют одну частоту, центр спирали может перемещаться. Эксперименты на клеточных автоматах показали, что причиной появления спиральной волны может являться разрыв сложного фронта волны возбуждения, ихсуществование является исключительно свойством самоорганизации среды и не связано с внешними воздействиями. Перемещение центра спиральной волны тоже является замечательным свойством, так как является резонансом волны с некоторым внешним периодическим воздействием. Описанные структуры способны взаимодействовать. В исследованиях отмечены эффекты подавления одного ведущего центра другим, более высокочастотным. Неподвижные спиральные волны способны к сосуществованию, с другой стороны, можно создать две перемещающиеся спиральные волны, которые при столкновении аннигилируют. Такие взаимодействия позволяют говорить о построении на базе структур активных сред логических элементов (описанный пример представляет собой элемент исключающее или , сигнал на выходе присутствует тогда и только тогда, когда есть сигнал только на одном из входов). На практике также была доказана возможность хаотического поведения реакции Белоусова-Жаботинского, когда появление и поведение структур не подчинялось никакому гармоническому закону, т.е. у системы появлялась физическая реализация странного аттрактора. Колебательные процессы в химических реакциях, вероятно, являются ключом к разгадке некоторых свойств живых существ: сложных биологических часов, транскрипции ДНК, процессов в мускулах. Турбулентность Классическое уравнение гидродинамики - уравнение Навье-Стокса - представляет поток жидкости как сумму движущихся частиц. Однако такой подход применим, только если речь идет о ламинарном потоке. По мере увеличения скорости потока в жидкости сначала появляются устойчивые вихри. Их число незначительно, а расположение и скорость постоянно (вырожденная турбулентность). При дальнейшем росте скорости число вихрей растет, они начинают перемещаться, образуя повторяющуюся картину (частично упорядоченная турбулентность). Наконец, стройная картина рушится, уступая место хаотической смеси вихрей. Ведущая роль в анализе перехода течения жидкости с турбулентное состояние принадлежит О. Рейнольдсу. До него были установлены эмпирические закономерности для различных случаев, но именно Рейнольдс обнаружил, что возникновение турбулентности связано с превышением скоростью потока некоторой критической величины. Ему удалось вывести соотношение, связывающий радиус трубы, скорость течения и вязкость жидкости, которое дает универсальный критерий перехода в турбулентную фазу. Однако теоретически обосновать его значение Рейнольдс не смог. Проявление турбулентности, как изменения макроскопической вязкости жидкости связанной с явлениями перемешивания, турбулентной диффузии было математически описано Прандтлем и, позднее. Карманом. Они сформулировали понятие подобия пульсации скорости. Дальнейшее развитие теории турбулентности было сделано Колмогоровым, описавшим закон распределения энергии по пульсациям потока. Численное решение произвольных задач с турбулентными потоками на базе уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса имеющимися в настоящее времявычислительными средствами не представляется возможным. Помимо этого, есть вероятность, что упрощения, сделанные при выводе этих уравнений, а именно игнорирование слабых взаимодействий между группами атомов, может сделать такую методику неприменимой, так как именно эти детали могут быть критическими при описании сложных потоков. Удачным походом в данном случае может быть статистическое описание движения. Для это строятся функции корреляции значений скорости различных рангов. Такие функции, будучи весьма обобщенной моделью системы, нечувствительны к начальным данным и дают удовлетворительное соответствие макроскопическому поведению системы. Основной проблемой статистической гидромеханики является построение конечной цепочки корреляционных функций, обнаружения внутренних взаимозависимостей законов распределения и изменения скоростей. В статистической гидромеханике на первом месте стоит изучение поведения структур, возникающих в пограничном слое. Именно структура потока в этом слое определяет величину вязких сил, действующих на поверхность обтекаемого тела и поэтому основными приложениями теории стали практические задачи, возникающие при конструировании летательных аппаратов и скоростных судов. Диффузный рост При изучении форм растущих в условиях неоднородностей кристаллов было замечено, что их структура фрактальна, т.е. повторяется на разных уровнях масштаба. Причины, по которым возникает такая упорядоченность в деталях неизвестны. Говоря о процессе осаждения частиц при электролизе, Л. Сандер [13] предположил, что появление скейлинговой регулярности может быть связано с тем, что вероятность прилипания частицы к выпуклому участку поверхности выше, чем вероятность ее проникновения во впадины. Таким образом, стимулируется развитиеотростков. Однако процесс является неустойчивым и на отростках в свою очередь появляются зародыши роста боковых ответвлений. Таким образом, взаимодействие стохастических процессов и процессов роста приводит к образованию огромного диапазона различных узоров.
При этом указанные направления не исключают, а взаимодополняют друг друга, делая акцент на те или иные идеи. Так, И.Пригожий анализирует процессы образования упорядоченных структур из хаоса (его широко известная популярная работа так и называется "Порядок из хаоса"), с точки зрения энтропийных процессов - диссипации, тогда как Г.Хакен и его школа делают акцент на негэнтропию - порядок. Принципиально важно подчеркнуть, что синергетику или новую концепцию самоорганизации, нельзя отнести ни к естественным, ни к общественным, ни к гуманитарным наукам в их традиционном смысле. Это междисциплинарное направление исследования образования упорядоченных структур из хаоса. По мнению Ю.Л.Климонтовича, синергетика - это не новая наука, но новое объединяющее направление в науке. Цель синергетики - выявление общих идей, общих методов и общих закономерностей в самых разных областях естествознания и социологии. Таким образом, новое научное направление, которое стремится статья ядром постнеклассической научной картины мира, продолжает сложившуюся в культуре традицию, предлагая в очередной раз пересмотреть онтологию мира и построить на новой основе постнеклассическую картину мира. Синергетика, утверждая всеобщность нелинейности, заставляет задуматься, критически пересмотреть сложившуюся линейную модель знания, линейную модель прогресса, в том числе и социального прогресса. Если законы синергетики носят глобальный характер, то не следует ли пересмотреть роль принципа соответствия в структуре познания и вообще кумулятивистскую модель познавательного процесса?! Некоторые авторы, например, авторы учебного пособия для студентов и аспирантов "Концепции самоорганизации: становление нового образа научного мышления", изданного в 1994 г. считают, что широко распространенная модель развития познания: классическая, неклассическая и постнеклассическая этапы развития науки, защищаемая В.С.Степиным и рядом других известных исследователей, ошибочна, поскольку сама того не замечая, следует старой досинергетической линейной парадигме. По мнению этих авторов в науке нет такого порядка, который исследователи post factum устанавливают, в ней больше беспорядка, чем это представляется сторонникам линейного мышления. В этой связи интересно, что спорят не только о сути новой концепции самоорганизации, но и о ее названии. И это не случайно. Так было всегда. Достаточно вспомнить споры о сути и названии теории относительности, также дискуссии по философским проблемам волновой или квантовой механики. Споры о названии новых фундаментальных теорий связаны с тем, что зачастую за тем или иным названием кроется соответствующее содержание. Все это свидетельствует о том, что предмет новой науки находится в движении и философия может принять участие и действительно принимает участие в определении ее сути, возможностей и границ, размышляя над смыслом новых идей. Синергетика, независимо от ее будущего, уже привела к расширению наших знаний о мире и даже наших незнаний. Ведь имеет смысл различать не только разные типы знания, но и разные типы незнания. Одно дело, когда мы не знаем, что чего-то не знаем, и совсем другое, когда мы знаем, что чего-то не знаем. Первое не волнует нас, человек и общество воспринимают подобное незнание как должное, тогда как второй тип незнания мобилизует исследователей на поиски причин того, что мы не знаем. Поэтому процесс движения мысли к истине не столь прост, как мы недавно полагали, думая, что исследование - суть движения от незнания через гипотезу к знанию. В действительности движение к истине предполагает осознание незнания чего-то, после которого незнание становится объектом изучения. В чем философско-методологическое значение синергетического подхода? На что претендует новое научное направление? Во-первых, синергетика направляет свое внимание, по словам И.Пригожина, не на существующее, а на возникающее. Ей интересны моменты возникновения из хаоса порядка, для этого она исследует несколько типов хаоса (равновесный хаос, динамический хаос (неравномерный, турбулентный) и статистический хаос и специально вводит термин "бифуркация" как точку ветвления, когда открываются несколько возможных путей развития и нет ничего предопределенного. Тем самым усиливается отход от классической модели бытия, поскольку неклассическая картина тоже суживает границы классического детерминизма, но оставляет возможность действия статистических законов. Постнеклассическая наука, опираясь на результаты синергетики, теории диссипативных структур суживает еще больше действие статистических законов, поскольку по ее мнению, в нестабильном, неравновесном состоянии "малые воздействия могут привести к большим следствиям". Это принципиальное значительной методологической значимости положение, ибо мир теряет некий выделенный центр. Оказывается, что в мире нет тех универсальных законов, которые делали возможным его познание в неклассическом смысле. Ведь именно универсальность причинно-следственных связей служила ведущим представителям эпохи Просвещения онтологическим основанием возможности победы разума, всеобщности рациональности. Теперь подобные суждения ставятся под вопрос. Итак, идея о том, что мир не имеет центра и в мире нет единых универсальных причинных цепей, связывающих все сущее - претендует на радикальную переоценку ценностей не только в науке, но и в области философии. Во-вторых, синергетика смотрит на мир из "другой системы координат", чем предшествующая наука, поскольку она принимает за исходное нестабильность, неравновесность, нелинейность, тогда как линейность, стабильность, равновесность оказываются моментами этой нестабильности и неравномерности. Тем самым категориальная сетка, с позиций которой видится мир в новой постнеклассической парадигме. принципиально иная, поскольку ее базовыми исходными понятиями выступают такие категории, как нелинейность, самоорганизация, открытость, сложность, бифуркация, когерентность, аттрактор, хаос, случайность и другие. Уже одно перечисление базовых, системообразующих понятий данной научной области свидетельствует о ее принципиальном отличии не только от классической картины мира, но и неклассической. Вот почему новая междисциплинарная сфера науки стала сразу оказывать влияние на философию, в частности, на философию постмодернизма. При этом важно определить концептуальное содержание хотя бы нескольких наиболее важных с методологической точки зрения категорий, чтобы представить себе контуры нового научного направления. Например, традиционно хаос считался чем-то лежащим за пределами науки, играл лишь роль первоначала в греческой философии. В новой постнеклассической синергетической картине хаос означает неструктурированность бытия, и потому хаос не подчиняется детерминистическим законам. Согласно синергетике, мир имеет всегда определенные структуры, упорядоченные тем или иным образом. Нет абсолютной бесструктурности и абсолютного беспорядка. Есть структура и упорядоченные формы, не укладывающиеся в известной науке модели описания. Структуры зарождаются, эволюционируют, претерпевая самые разные катаклизмы и трансформации и они могут быть вписаны с помощью "законов" хаоса, если хаос разделить на различные типы: равновесный, неравновесный (динамический) и статистический. Тем самым хаос становится предметом изучения науки и осмысливается философией. Далее, принципиальным для всей новой системы размышлений выступает категория самоорганизации, под которой понимается способность тех или иных систем к саморазвитию, самозарождению, используя при этом не только и не столько приток энергии, информации, вещества извне, сколько пользуясь возможностями, заложенными внутри системы. Принципиально важно для синергетики то обстоятельство, что она имеет дело не только с нелинейными, нестабильными системами, но и с тем, что она рассматривает сложные, эволюционирующие и открытые системы. Таковы общество, различные его подсистемы, система "человек-природа", рост народонаселения и т.д. и т.п. При этом открытыми называются системы, которые обмениваются с внешним миром веществом, энергией и информацией. Не менее интересны и методологически значимы и другие базовые категории синергетики, но и приведенные положения достаточно ясно показывают, что новая синергетическая концепция вводит новую онтологию, новую категориальную сетку для изучения процессов находящихся в состоянии нестабильности, неравновесности и вдали от равновесия. Все эти утверждения имеют принципиальное значение для философии и методологии науки. Концептуально важно, что в новой системе хаос, случайность, дезорганизация и т.д. не разрушительны, а в ряде случаев могут быть созидательными, конструктивными. Вот почему актуализируется задача: научить жить человека в состоянии неопределенности, нестабильности, хаоса, показав ему, что и хаос, и неопределенность и нестабильность можно использовать конструктивно для решения тех или иных задач. Ведь многие явления социальной жизни, например, формирование общественного мнения, сложные экономические процессы в период кризисов, распространение научной информации и т.д. носят нелинейный характер и подчиняются законам самоорганизации. Все это доказывает обоснованность интереса философских систем к новым достижениям научной мысли и ставит сложные задачи перед образованием. Синергетика, хочет она этого или нет, но если иметь в виду ее смысловую интенцию, то она стремится пересмотреть онтологию бытия, делает значительный, еще больший шаг в возвращении субъекта в мир теории, нежели квантовая механика, поскольку субъект участвует в формировании объекта исследования. Объекты согласно синергетике должны стать человекоразмерными. И в этом чрезвычайно важном для философии положении синергетика продолжает и углубляет начатую неклассической наукой традицию, особенно квантовой механикой со своим принципом, дополнительности, традицию возвращения субъекта в мир теории. Тем самым усложняется вопрос о критериях реальности затрудняется решение проблемы демаркации между реальным и вымышленным. Не случайно встает проблема полионтологичности бытия. Между тем на этом пути встают сложные философско-методологические вопросы. Ведь ценность науки и в определенном отношении философии, проистекают из того, что они формулируют некие общеобязательные, интерсубъективные, асоциальные положения. Таким образом, встает вопрос о социокультурной ценности самого направления развития мысли, которая стремится уйти от общеобязательности, интерсубъективности и асоциальное. В этой связи первая проблема, актуализируемая синергетической концепцией, - отношение к прошлому, тем достижениям научного знания, которые исходили из всеобщности линейности, порядка и стабильности. Вторая не менее сложная проблема, имеющая философско-мировоззренческий характер, - культурныепоследствия деонтологизации знания, усиления участия субъекта в формировании познаваемого объекта. Ситуация осложняется тем, что подобное расширение роли субъекта может быть интерпретировано как отрицание реальности объекта. Не случайно некоторые видные постмодернисты, например, Ж.-Ф.Лиотар, Ж.Делез и др. широко используют идеи синергетики. Последнее естественно, поскольку между децентрацией субъекта и деконструкцией текста в постмодернизме и деонтологизацией объекта познания в синергетике имеется не внешняя, а более органичная, содержательная связь. В новых условиях необходимо научить человека жить в условиях неопределенности, сложности, открытости, в мире, где нет единого центра, который не только линейно не стремится ни к какому прогрессу, но возможно и никуда не стремится. Важно понять, что определенность ищем мы, это мы хотим, чтобы мир был похож на наш дом, двери которого закрыты, это нам хочется, чтобы у мира был единый центр и чтобы он линейно развивался по пути прогресса. Но все наши субъективные предпочтения ставятся под вопрос новой стратегической концепцией и потому нам нужно готовить учеников к этому новому видению бытия. Подобная радикальная переоценка ценностей, затрагивающая не только ценностно-мировоззренческие установки людей, но и сложившиеся психологическиестереотипы, не может пройти безболезненно. Но, видимо, подобная переоценка ценностей неизбежна.
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
№ 1 ФИЗИКА 2011
УДК 537.528
С.М. МУХАМЕДИН
ИНФОРМАЦИОННО-ЭНТРОПИЙНЫЙ АНАЛИЗ СТЕПЕНИ САМООРГАНИЗАЦИИ
СТРУКТУР
Фрактальная теория позволяет учитывать специфику различного вида неоднородности турбулентности в
спектральной теории самоаффинных мультифракталов. Эксперименты свидетельствуют, что турбулентность об-
ладает свойствами мультифракталов. В настоящее время мультифрактальный анализ широко применяется в раз-
личных областях современной физики. В однородной и изотропной турбулентности ее структурные элементы –
вихри – представляют собой самоподобный мультифрактал с одинаковым по всем пространственным перемен-
fH x f x dx fH x dx ( , ) ( ) ( , ) ξ + ξ + Δξ = ξ + Δξ . (6)
Из решения этого уравнения находится зависимость G G= Δξ ( ) , необходимая для перенор-
мировки
f , учитывающей Δξ.
Пусть S0 и S – значения энтропии, соответствующие распределениям
f , f . Тогда, принимая
0 0
H( , ) ln x f ξ = − ,
с учетом (5) получим
0 0
S S f f dx − = ≥ ∫
ln( / ) 0 , (7)
где использовано неравенство lnξ ≥ 1–1/ξ. Как видно из (4), при самоорганизации энтропия
уменьшается.
Если дискретные значения вероятностей реализации известны из эксперимента
0 0 0
( ) ; ( ) Р f X X P f X X i i i i i i
= Δ = Δ , (8)
то условие нормировки функции распределения запишется в виде
0 0
exp(( ln )/ ) 1, ln
i i i
i
∑ P P G H P + = = − , (9)
Дополнительное условие S-теоремы для энергии имеет вид
0 0
(ln (exp( ln )/ )) 0
i i i
i
∑ P F P G P + − = . (10)
Из (8) с учетом (9) получим
1/ 1/
0 0 0
(ln ( )) 0
G G
i i i i
i
∑ ∑ P P P P − = . (11)
Уравнение (10) решается дважды относительно G, так как G определяет степень упорядочен-
ности системы в неравновесном состоянии. Во второй раз
, Р Рi i
меняется местами. Большое зна-
чение G указывает на наличие самоорганизации. Таким способом находится зависимость28 С.М. Мухамедин
G G= Δξ ( ) , необходимая для перенормировки Р0i
. Затем по формуле (4) количественно находится
уменьшение энтропии при самоорганизации.
Универсальным свойством самоорганизующихся систем является наличие их иерархических
уровней с самоподобными, масштабно-инвариантными характеристиками. Это свойство дает воз-
можность рассматривать вероятность реализации значений характерной физической величины
макроскопической системы Р как непрерывную переменную, а соответствующую информацию
J = – ln P – как независимую определяющую переменную. Следовательно, вероятность можно
представить в виде функции от информации:
( ) , ( ) 1
J
P J e P J dJ
∞
−
= = ∫
. (12)
С другой стороны, вероятность P(J) определяется через функцию распределения плотности
вероятности f(J):
( ) ( ) ,
J
J
P J e f J dJ
∞
−
= = ∫
(13)
где пределы интегрирования выбраны в соответствии с интервалами изменения J и Р: 0 ≤ J ≤ ∞,
1 ≥ P ≥ 0. Соотношению (13) удовлетворяет функция
( ) ( ) , ( ) 1.
J
f J P J e f J dJ
∞
−
= = = ∫
(14)
Функция вероятности реализации информации P(J) совпадает с функцией распределения
плотности вероятности f(J). Именно информация может служить общей и полной характеристикой
всех иерархических уровней сложной системы: часть может содержать все сведения о целом. Ин-
формационную энтропию определяем как среднее значение информации, используя формулу (13):
( ) ( ) ( 1) .
J
J
S J f J dJ J e
∞
−
= − = + ∫
(15)
Самоподобие самоорганизующейся системы предполагает соответствие некоторой характер-
ной функции g(х) функциональному уравнению [4]
g x g g x ( ) , = α α ( ( )) (16)
где α – масштабный множитель. Любая непрерывная функция в своей неподвижной точке удовле-
творяет уравнению (14). Принимая в качестве характерных функций функцию вероятности P(J) и
информационную энтропию S(J), найдем их неподвижные точки:
1 1 1 1
( ) , , 0,567;
J
P J J e J J
−
= = = (17)
2 2 2 2 2
( ) , ( 1) , 0,806.
J
S J J J e J J
−
= + = = (18)
Эти неподвижные точки являются единственно устойчивыми, так как они являются также и пре-
делами бесконечных отображений, достигаемых при любых начальных значениях информации J0:
( ),
i i
J P J +
= 0 1
lim exp( exp(... exp( )...) ;
i
J J
→∞
− − = (19)
( ),
i i
J S J +
= 0 0 2
lim exp( exp(... exp(ln( 1) )...) .
i
J J J
→∞
− − + − = (20)
Числа J1, J2 были впервые найдены в работе [4], и были указаны возможности применения этих
чисел для описания универсальных закономерностей природных явлений. В работах [2, 3] приве-
дены доказательства существования этих критериев в закономерностях динамического хаоса дис-
сипативных нелинейных отображений, структурных элементов турбулентности, конвективного
теплообмена в однофазных и двухфазных средах и т.д.
Трактовка смысла чисел J1, J2 может быть различной, наиболее универсальная из них: расши-
рение области применения числа Фибоначчи («золотого сечения» динамической меры системы).Информационно-энтропийный анализ степени самоорганизации структур 29
Число J1 соответствует информационному описанию, число J2 – энтропийному описанию сложной
системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. М у х а м е д и н С . М . М у х а м е д и н Е . С . // Материалы Междунар. науч.-практич. конф. – Караганда,
2005. – С. 153–156.
2. М у х а м е д и н С . М . , К у с а и ы н о в К . К . // Там же. – С. 156–159.
3. М у х а м е д и н С . М . , А й н а б е к о в а С . С . , К о р и к б а е в А . К . // Сб. трудов «Современные научные
достижения – 2006». – Днепропетровск, 2006.
4. М у х а м е д и н С . М . // Вестник КазНУ им. Аль Фараби. – 2006. – № 4. – С. 94-99.
Кокшетауский государственный университет им. Ш. Уалиханова, Поступила в редакцию 26.01.10.
Минералогия