Синергетика: иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах - Хакен Г.
Скачать (прямая ссылка):
Почему обе мои книги адресованы столь широкой аудитории? Почему
неустойчивости так распространены и что общего между различными
устройствами и самоорганизующимися системами? Самоорганизующиеся системы
обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было
вмешательства извне. Дифференциация клеток в биологии и процесс эволюции
могут в равной мере служить примерами самоорганизации. С другой стороны,
такие устройства, как используемые в радиопередатчиках электронные
генераторы, сделаны руками человека. Но мы часто забываем о том, что во
многих случаях технические устройства функционируют на основе процессов,
тесно связанных с самоорганизацией. В электронном генераторе движение
электронов становится когерентным без воздействия извне когерентной
вынуждающей силы; само устройство сконструировано так, что допускает
специфические коллективные движения электронов. Совершенно ясно, что
демаркационная линия между самоорганизующимися системами и техническими
устройствами не может быть проведена вполне однозначно. Если в
создаваемых им устройствах человек вводит определенные граничные условия,
делающие возможной самоорганизацию компонентов, то в биологических
системах ряд автоматически накладываемых условий запускает процессы
самоорганизации и управляет ими. Именно поэтому изучать устройства и
самоорганизующиеся системы, в частности те, которые встречаются в
биологии, полезно с единой, общей точки зрения.
Смысл подзаголовка этой книги станет понятен, если мы объясним, что такое
неустойчивость. Лучше всего это сделать на примере.
16
Предисловие
Жидкость, находившаяся в состоянии покоя, если в ней начинаются
макроскопические колебания, переходит из старого состояния в новое и
таким образом теряет устойчивость. Если изменять некоторые условия,
например варьировать подаваемую на вход энергию, то система может через
серию неустойчивостей переходить в совершенно различные режимы.
Вопрос о том, существуют ли общие принципы, управляющие возникновением
самоорганизующихся структур и (или) функций,- основной вопрос
синергетики. Когда я более десяти лет назад дал на него утвердительный
ответ для широкого класса систем и предложил рассматривать проблемы
самоорганизации в рамках междисциплинарного направления, названного мной
"синергетикой", многим ученым это могло показаться абсурдным. Почему
системы, состоящие из столь различных по своей природе компонентов, как
электроны, атомы, молекулы, фотоны, клетки, животные или даже люди,
должны, когда они самоорганизуются, подчиняться одним и тем же принципам,
образуя электрические колебания, структуры в жидкостях, химические волны,
лазерные пучки, органы людей и животных, популяции животных или
социальные группы? Но прошедшее десятилетие принесло множество
подтверждений тому, что самые разнообразные явления самоорганизации
подчиняются одним и тем же принципам, и многочисленные разрозненные
примеры, давно известные из литературы, подпадают под объединяющие
понятия синергетики. Диапазон таких примеров необычайно широк: от
морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до
флаттера крыла самолета, от молекулярной физики до космических масштабов
эволюции звезд, от электронных приборов до формирования общественного
мнения, от мышечного сокращения до выпучивания конструкций. Кроме того,
несмотря на существование множества различных дисциплин, обнаружилось
поразительное сходство основных понятий, относящихся к образованию
пространственных, временных и функциональных структур.
Ввиду многочисленности связей между синергетикой и другими областями
науки и техники можно было бы думать, что синергетика использует большое
число совершенно разнородных понятий. Однако это не так. Ситуацию,
сложившуюся в действительности, лучше всего пояснить с помощью аналогии.
Объяснить, как действует двигатель внутреннего сгорания, совсем не
сложно, по крайней мере если говорить об основных принципах. Но для того,
чтобы построить двигатель для обычной машины, гоночной машины или
современного винтового самолета, требуется все более и более высокая
техническая квалификация. Аналогичным образом основные принципы
синергетики допускают весьма простое объяснение, но применение их к любой
реальной системе требует значительных специальных (математических)
познаний. При работе над этой книгой автор ставил перед собой две цели.
Во-первых, доступно изложить основные понятия: неустойчивость, параметры
порядка и принцип
Предисловие
17
подчинения. Эти понятия образуют "машинное обеспечение" синергетики в ее
современном виде и позволяют охватить широкий класс систем от тех,
рассмотрением которых занимаются фундаментальные науки, образующие
"машинное обеспечение", до тех, рассмотрением которых занимаются
прикладные науки, образующие "математическое обеспечение". Во-вторых,
изложить необходимый математический аппарат "методом последовательных
приближений" от простых случаев к более сложным. Такой подход должен
