1. Информация и энтропия в открытых и закрытых системах
Управление – способ организации, обеспечивающий в биологических, социальных и технических системах сохранение их структуры, режима функционирования, реализации программы и цели деятельности.
Кибернетика (от греч. kybernetike – управляющий, рулевой, кормчий) – наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в технических, биологических и социальных системах.
В самом широком смысле кибернетика изучает общие закономерности управления сложными системами с обратной связью. Под системой с обратной связью понимают такую систему, которая способна влиять сама на себя в процессе своего функционирования. Поскольку любые процессы управления связаны с принятием решений на основе получаемой информации, то кибернетику часто определяют как науку об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных системах управления.
Эта наука берет начало с публикации в 1948 г. книги Н. Винера (1894 -1964) «Кибернетика». Наука возникла на стыке математики, техники, теории систем, теории информации, нейрофизиологии. Ее создание связано с появлением первых ЭВМ (электронно-вычислительных машин) в конце 40-х гг. ХХ в. Поэтому мы говорим, что в середине ХХ в. произошла кибернетическая революция.
Кибернетика включает ряд разделов:
- теорию информации;
- проблему искусственного интеллекта;
- исследование операций;
- теорию алгоритмов;
- теорию оптимального управления.
Рассмотрим их особенности и историю формирования.
Теория информации - занимается изучением понятия информации, ее объема, эффективной передачи и получения.
Информация является содержанием любого вида коммуникации. Коммуникация (от лат. – сообщение, передача) – понятие, которое характеризует передачу того или иного содержания посредством знаков, закрепленных на материальных носителях.
Выделяются различные виды коммуникации: техническая, научная, между социальными группами или отдельными индивидами, что зависит от того, какие элементы социальной системы вступают во взаимодействие. Каждый вид коммуникации вырабатывает свои способы, средства и нормы (например, устный, письменный, электронной способы коммуникации).
Информация (от лат. – ознакомление, разъяснение, сообщение) – это совокупность сигналов, отражающих существенно важные характеристики реальности и обеспечивающих принятие субъектом деятельности адекватных целевых и мотивационных решений.
В системах различного уровня организации существуют свои особенности трансляции информации:
* в неживой природе обмен информацией осуществляется объективно, на уровне физико-химических процессов, например, обмен энергией;
* в живой природе обмен информацией также осуществляется объективно, но более сложно, на уровне раздражимости, чувствительности, рефлексов, сигнальных систем, психики;
* в обществе движение информации инициируется социальными субъектами (людьми), т.е. имеются адресант (отправитель) и адресат (получатель) информации.
В современной науке интерес к информации и коммуникации возрастает. Это объясняется рядом причин.
Во-первых, в обществе накоплены большие объемы информации и динамично развиваются средства коммуникации. Возникла необходимость их измерения, классификации, повышения полноты, точности, пропускной способности при передаче и хранении информации. Активную помощь в решении этих проблем оказывают математика и кибернетика. Первую теорию связи предложили математики К. Шеннон и У. Уивер. «Отец» кибернетики Н. Винер теоретически обосновал статус этого научного направления, высказал идею о единстве процессов управления и переработки информации в сложных системах, развивал кибернетический подход к различным областям науки и культуры.
За несколько десятилетий до Винера, в 1913–1922 гг., аналогичные идеи развивал русский экономист, естествоиспытатель, врач, философ А. Богданов. Он предложил создать науку об общих законах организации и управления сложными структурами природы, практики и мышления. Тектология, так назвал эту науку Богданов, призвана была, по мнению автора, теоретически обосновать пути строительства социализма. Некоторые положения тектологии (принцип обратной связи, идея моделирования) предвосхищали идеи кибернетики.
Во-вторых, использование информации при реализации технических и технологических проектов требует все более значительных капиталовложений, поэтому степень риска должна быть минимизирована. Зависит это от точности информации, внедрения компьютерного проектирования, математического моделирования, позволяющих модернизировать производственный процесс на любом его этапе и предотвратить выпуск продукции, которая морально устаревает за время прохождения полного технологического цикла.
В-третьих, в развитии передовых научных направлений информация способна затрагивать гуманитарно-нравственные аспекты бытия общества. Неопределенность статуса информации может привести к появлению неперспективных и опасных для жизни и здоровья людей проектов субъективистского типа, в которых информация интерпретируется в интересах теории. Негативные последствия в этой области связаны с изменением вектора развития социальной системы. Поэтому перед современной наукой стоит важнейшая проблема уточнения понятий: коммуникация, информация, интерпретация, фальсификация, знание.
Проблема искусственного интеллекта – это проблема создания автономной системы, не только обладающей совершенным логическим мышлением, но и способной к творческому (не предусмотренному ее создателями) решению поставленных перед ней задач.
В разделе «исследование операций» анализируется понятие операции как некоторого преобразования над исходными данными.
В теории алгоритмов предметом исследования выступает совокупность операций, построенная так, чтобы она приводила к требуемому результату.
Теория оптимального управления оперирует соотношением затрат на проведение вычислений и получаемой при этом ошибки.
В зависимости от области применения кибернетических методов различают такие отрасли кибернетики, как:
- техническая;
- экономическая;
- медицинская;
- биокибернетика.
В настоящее время термин «кибернетика» употребляется реже, чем в 50 – 70-е гг. Чаще говорят «информатика» или «компьютерные науки». Их развитие проявилось в возникновении целой индустрии, которую называют сферой IT–технологий (от англ. information technologies – информационные технологии). Она включает в себя:
- разработку технических средств;
- создание специфического программного обеспечения для их работы.
Необходимость автоматической обработки результатов физических экспериментов возникла в связи с исследованием тел, требующих высокой точности результатов и огромного количества измерений. Это, например:
- изучение ядерных реакций, проводимых на огромных экспериментальных установках – ускорителях;
- создание прогнозов погоды, где необходимо обработать данные от множества метеостанций;
- контроль радиационного фона на территории целой страны, что особенно актуально в Республике Беларусь.
При проведении любых экспериментов всегда можно говорить о физических величинах, характеризующих исследуемый объект. Простейший прибор, который проводит измерение, называется датчиком (сенсором). С развитием технологий и усложнением исследуемых объектов создаются все более сложные измерители – интеллектуальные датчики. В современной науке даже существует понятие «интеллектуальная пыль», оно применяется к устройствам микроскопического размера, которые в буквальном смысле распыляют над объектом.
Автоматизация физического эксперимента в настоящее время в условиях конкурентной борьбы производителей занимает принципиальное место в любых исследованиях. При этом разработчик должен учитывать как эффективность создаваемой им системы, так и материальные затраты, необходимые для ее разработки.
В XX в. в связи с развитием некоторых специфических областей физического знания возникла потребность в введении нового понятия – информации. Это прежде всего квантовая механика и ее практические приложения - лазерная физика и квантовая теория информации.
Причина актуализации этого вопроса – в необходимости развития сферы передачи данных на расстояния, создания сложных логических систем. При этом от элементов, обеспечивающих такую передачу, требуется, чтобы передаваемое сообщение дошло до получателя без изменений или же они были такими, чтобы первоначальное содержание можно было восстановить с определенной степенью точности.
Для определения термина «информация» (или, выражаясь более корректно, меры информации), было использовано введенное ранее, в XIX в., понятие энтропии. Первоначально Л. Больцманом (1844 – 1906) было дано строго математическое определение энтропии (термодинамическое) как величины, связанной с числом микроскопических состояний термодинамической системы.
Под термодинамической системой понимается система, обладающая очень большим числом степеней свободы, т. е. независимых параметров, полно определяющих состояние системы. Микроскопическое состояние же задается, когда указаны значения всех величин, соответствующих этим степеням свободы. Таковыми, к примеру, могут являться координаты и скорости частиц газа – атомов или молекул. Сам газ при этом является термодинамической системой, так как число частиц, составляющих его, чрезвычайно велико.
Макроскопическое состояние системы (состояние системы «как целого») задается уже меньшим число параметров. Эксперимент показывает, что одному и тому же макросостоянию соответствует множество микросостояний. Их число и входит в формулу Больцмана.
Характер изменения энтропии во времени для замкнутых систем описывается фундаментальным законом возрастания энтропии (второе начало термодинамики, 1865 г.). Его авторами являются Р. Клаузиус и Л. Больцман.
Замкнутая система – это независимая система, совершенно не взаимодействующая с окружающей средой. Закон гласит: во всех осуществляющихся в природе замкнутых системах энтропия никогда не убывает – она увеличивается или, в предельном случае, остается постоянной. Энтропия замкнутой системы достигает своего наибольшего значения в состоянии термодинамического равновесия. Свойством всех замкнутых систем является то, что они рано или поздно переходят в состояние равновесия. Такой процесс изучает особая наука – кинетика. В то же время для открытых систем подобный вывод в общем случае места не имеет.
Соответственно этим двум возможностям все происходящие с макроскопическими телами процессы принято делить на необратимые и обратимые.
Необратимые – это процессы, сопровождающиеся возрастанием энтропии всей системы.
Строго обратимый процесс представляет собой, разумеется, идеальный предельный случай. Реально происходящие в природе процессы могут быть обратимы лишь с большей или меньшей степенью точности.
Для определения термина меры информации рассмотрим следующий мысленный эксперимент. Пусть имеется система с некоторым значением энтропии – начальным. Это система открытая, она может обмениваться составляющим ее веществом с окружающей средой. Пусть в систему передается некоторое сообщение. Это сообщение может изменить энтропию системы. Тогда разность между конечным и начальным значениями энтропии определяет меру информации, заключенную в сообщении.
В современной компьютерной технике вводят специальные величины для характеристики меры информации. Они связаны с особенностью кодирования сигналов. Такими величинами, к примеру, являются бит и байт. В то же время отождествлять их с общим определением меры информации не следует. Они являются лишь приложением теории информации в конкретной сфере.
В настоящее время понятие информации стало широко использоваться во многих сферах научной деятельности, в том числе и в дисциплинах гуманитарного профиля. Среди них – философия, социология. Общепризнанным стал термин «информационное общество», характеризующий особенности общественного развития в конце XX – начале XXI в. Но, пользуясь им, необходимо четко проводить разграничение между физическим определением и его интерпретацией в других областях научного знания.
2. Синергетика как теория самоорганизации
Тезис о том, что мир как совокупность составляющих его объектов, находится в постоянном движении, становлении и развитии, был впервые обоснован в философии. Универсальной философской теорией развития является диалектика. Со временем философская идея получила и естественнонаучное признание. Ее реализацией стала разработка принципа глобального эволюционизма, который распространяет развитие на все сферы бытия, устанавливая универсальную связь между неживой, живой и социальной материей. В обоснование универсального эволюционизма внесли свой вклад многие концептуальные направления в науке XX в. и среди них – синергетика.
Синергетика (от греч. synergos– содействие, сотрудничество) – теория согласованного состояния процессов самоорганизации в сложных системах различной природы. Термин «синергетика» был введен Г. Хакеном в 1970 г. для обозначения нового междисциплинарного направления исследований сложных самоорганизующихся систем.
Самоорганизация – это процесс самостоятельного образования системой новых структур, свойств и качеств. Способность к самоорганизации установлена наукой в различных явлениях природы и техники, что нашло отражение в создании соответствующих теорий, например, теории генерации лазера, теории диссипативных структур И. Пригожина, теории турбулентности А.Н. Колмогорова, теории неравновесных структур плазмы в термоядерном синтезе, теории активных сред, математической теории катастроф.
В рамках синергетического подхода исследуются сложные системы с такими характеристиками, как гомеостатичность, иерархичность, нелинейность, открытость, неустойчивость1.
Гомеостатичность означает поддержание программы функционирования системы в некоторых рамках, позволяющих ей следовать к своей цели и не сбиться с курса. Корректирующие сигналы система получает от цели за счет отрицательных обратных связей, подавляющих любое отклонение в программе поведения, возникшее под действием внешней среды. Например, теплокровные поддерживают температуру тела в широком диапазоне внешних температур; автопилот самолета выдерживает курс и высоту, несмотря на воздушные ямы и порывы ветра. Цель-программу поведения системы в состоянии гомеостаза называют аттрактором. Область притяжения аттрактора называется его бассейном. Аттракторы существуют только в открытых диссипативных, т. е. рассеивающих энергию, вещество, информацию, системах.
Иерархичность нашего мира может быть представлена по многим признакам: по масштабам длин, времен, энергий. Смысл структурной иерархии состоит в составной природе вышестоящих уровней по отношению к нижестоящим. То, что для низшего уровня есть порядок, для высшего – бесструктурный элемент хаоса. При этом невозможна полная редукция свойств более сложных уровней к свойствам более простых уровней. Каждый уровень имеет внутренний предел сложности. Связываясь в структуру, элементы передают ей часть своих функций, степеней свободы, которые затем выражаются от лица всей системы.
Эти коллективные переменные называются параметрами порядка. Изменение параметра порядка руководит поведением элементов низшего уровня, образующих систему, феномен их взаимосогласованного существования и называют явлением самоорганизации. Важную роль в иерархии систем играет время, что проявляется в становлении, рождении и гибели иерархических уровней. При этом сверхмедленные параметры порядка мегауровня управляют макроуровнем, который, в свою очередь, задает параметры порядка для микроуровня. Медленное изменение управляющих параметров мегауровня приводит к неустойчивости системы на макроуровне и перестройке ее структуры. Поэтому иерархичность синергетической системы носит динамический характер, что обозначается понятием эмерджентность.
Нелинейность означает, что результат суммы воздействий на систему не равен сумме результатов этих воздействий. Результаты действующих причин нельзя складывать. Линейность, как идеал многих поколений математиков и физиков возможна вблизи положения равновесия системы: малое колебание маятника, равномерное движение. Свойством линейных систем является принцип суперпозиции: результат суммарного воздействия на систему есть сумма результатов. Но у линейных систем нет развития, нет эволюции. Нелинейность же ярко проявляется вблизи границ существования системы. На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции.
Процессы в нелинейных системах часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру. Для каждой системы существует свой «коридор нелинейности», в пределах которого усиление нелинейности увеличивает количество способов образования форм локальных структур, а также количество вариантов эволюции системы.
Между нелинейной неравновесной открытой системой и средой могут возникать отношения обратной положительной связи, когда в среде вырабатываются условия, ведущие к изменениям в самой системе. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными.
Открытость (незамкнутость) означает, что система взаимодействует со средой, обменивается веществом, энергией информацией с другими уровнями и только при этом обмене возможно развитие. В природе все системы в той или иной форме открыты, но в науке исторически первым было понятие замкнутой, изолированной системы. Для нее справедливы фундаментальные законы сохранения и второй закон термодинамики, согласно которому энтропия со временем возрастает или остается постоянной, т. е. порядок обречен исчезнуть, например, замкнутая Вселенная идет к тепловой смерти. Открытость же позволяет системам эволюционировать от простого к сложному.
Открытыми являются живые системы и общество, к ним второе начало неприменимо, энтропия в них может уменьшаться, они потребляют вещество и энергию. В неживой природе диссипация (преобразование системой поступающей энергии в тепловую) тоже может приводить к упорядоченным структурам, например, эволюция Солнечной системы. Именно с описания таких систем в химии и теории лазера и началась синергетика.
Неустойчивость (неравновесность) состояния, траектории или программы системы заключается в том, что любые, сколь угодно малые отклонения от них со временем увеличиваются. Постепенно накапливающиеся отклонения величин от своего среднего значения называются флуктуациями.
Нарастание флуктуаций ведет к нарушению равновесия, и система оказывается в точке перелома – точке бифуркации. В этой точке неустойчивости достаточно сколь угодно слабого воздействия, чтобы повлиять на выбор поведения системы. На этом принципе основаны обучающиеся системы, например роботы нового поколения, перестраивающиеся с одной программы на другую.
Большинство систем Вселенной носит открытый характер, в ней доминируют неустойчивость и неравновесность. Поэтому Вселенная оказывается способной к развитию, эволюции, самоорганизации. На этом принципе основаны роботы нового поколения, перестраивающиеся с одной программы на другую, обучающиеся системы. Символом неустойчивости можно считать перевернутой маятник, который готов упасть вправо или влево в зависимости от малейших воздействий. В точке неустойчивости даже замкнутая система становится открытой, получает информацию, ранее не доступную ей.
Таким образом, в стабильном состоянии синергетическая система функционирует на основе принципа детерминизма и подчиняется факторам порядка. В бифуркационной точке перед системой существует множество альтернативных ветвей развития, неустойчивых траекторий. Выход из динамического хаоса и выбор новой ветви развития – аттрактора – система делает самостоятельно, и предсказать его чрезвычайно трудно или невозможно. В процессе выбора система приобретает новые свойства, формирует новые параметры порядка и начинает подчиняться особым законам до возникновения нового динамического хаоса.
Представления постороннего наблюдателя о синергетической системе ограничены и относительны, что особенно ярко проявилось в теории относительности и квантовой механике. В теории относительности метры и секунды свои для каждого движущегося наблюдателя. В квантовой механике, измеряя точно одну величину, исследователь не может судить относительно многих других. Поэтому целостное описание иерархической системы предполагает взаимодействие между наблюдателями разных уровней (принцип дополнительности Бора).
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших - к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
Объектами современных междисциплинарных исследований становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и саморазвитием.
Исторически развивающиеся системы представляют собой более сложный тип объекта даже по сравнению с саморегулирующимися системами, так как с течением времени они формируют новые уровни своей организации, изменяют свою структуру, характеризуются принципиальной необратимостью процессов. Среди таких систем особое место занимают природные комплексы, в которые включен человек (объекты экологии, медико-биологические объекты, объекты биотехнологии).
Основные свойства самоорганизующихся систем – открытость, нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия.
Напомним, что объект изучения классической термодинамики – закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией, а центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой Т. Изменение энтропии определяется формулой: dE = dQ/T, где dQ– количество теплоты, обратимо подведенное к системе или отведенное от нее.
Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом в закрытой системе энергия сохраняется, хотя может приобретать различные формы. Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно этому началу, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к «тепловой смерти». Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, чтобы воспрепятствовать возрастанию энтропии. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. По мере того как иссякает запас энергии и возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее.
Вместе с тем уже во второй половине XIX в., и особенно в XX в., биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к снижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. История и эволюция Вселенной развивают ее от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. Такая возможность появилась только с переходом естествознания к изучению открытых систем.
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне и (или) стока вовне вещества, энергии или информации. Причем приток и сток обычно носят объемный характер, т.е. происходят в каждой точке данной системы. Так, во всех компонентах биологического организма (ткани, органы, клетки и т.д.) происходит обмен веществ, приток и отток вещества (с помощью кровеносных сосудов, эндокринной и других систем). Постоянный приток (и сток) вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных, неустойчивых состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию.
Неравновесность, неустойчивость открытых систем порождается постоянной борьбой двух тенденций. Первая – это порождение и укрепление неоднородностей, структурирования, локализации элементов открытой системы. И вторая – рассеивание неоднородностей, «размывание» их, диффузия, деструктурализация системы. Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая – открытая система рассеивается, превращаясь в хаос. А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым – могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается.
Нелинейность. Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Вследствие этого Вселенная оказывается способной к развитию, эволюции, самоорганизации. Стабильные и равновесные системы не способны к самоорганизации, они являются тупиками эволюции.
Неравновесные системы благодаря избирательности к внешним воздействиям среды воспринимают различия во внешней среде и «учитывают» их в своем функционировании. При этом некоторые слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, на нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции: здесь возможны ситуации, когда эффект от совместного действия причин А и В не имеет ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.
Процессы в нелинейных системах часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению. Для каждой системы существует некий оптимальный «коридор нелинейности», способствующий структурообразованию.
Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.
Диссипативность. Хаос как фактор самоорганизации. Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, т.е. своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Диссипация – это тенденция к размыванию организации, но в нелинейных, неравновесных системах она проявляет себя и через противоположную функцию – структурообразование. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно формироваться новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития.
Синергетика определяет хаос как многоликое материальное начало, которое не только разрушает и само является продуктом разрушения, но и способствует созиданию нового. Благодаря хаосу материя деструктурируется и насыщается неопределенностью, в то же время она порождает структурные организации, оказывается способной к самоорганизации, потенциально готова к новаторству. Потенциальная способность хаоса к творчеству порождается тем, что, философски выражаясь, случайность сама случайна, а значит, она не всегда несущественна, иногда она закономерна. А если закономерна, то направлена на порождение и поддержание некоторой структурности, организованности. Синергетика конкретизирует эту общую идею и показывает, при каких условиях хаос оказывается конструктивной силой.
Синергетика конкретизирует созидательные функции хаоса. Во-первых, хаос необходим для исходного структурирования нелинейной среды. Во-вторых, он способствует резонансному объединению простых структур в единую сложную структуру, согласованию темпов их эволюции, объединению, «склеиванию» «темпомиров». В-третьих, «хаос может выступать как механизм переключения, смены различных режимов развития системы, переходов от одной относительно устойчивой структуры к другой».
Главная идея синергетики – идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.
Самоорганизующиеся системы – это обычно очень сложные открытые системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название аттракторов. Аттракторы характеризуют те направления, в которых способна эволюционировать открытая нелинейная среда. (В закрытой системе аттрактор один, и он определяется вторым началом термодинамики – максимальная энтропия.) Иначе говоря, аттракторы – это те структуры (и цели), по направлению к которым протекают процессы самоорганизации в нелинейных средах. Для наглядной иллюстрации понятия аттрактора часто используют образ конуса «воронки», который втягивает в себя траектории эволюции нелинейной системы.
В процессе самоорганизации возникает множество новых свойств и состояний. Очень важно, что обычно соотношения, связывающие аттракторы, намного проще, чем математические модели, детально описывающие всю новую систему. Это связано с тем, что аттракторы отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому задача определения аттракторов – одна из важнейших при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации. Вблизи точек бифуркаций в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.
В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы колеблется перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.
Переход от Хаоса к Порядку вполне поддается математическому моделированию. Более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых разных сферах действительности (в природе и обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
Одна из важнейших идей европейской цивилизации – идея развития мира. В своих простейших и неразвитых формах (преформизм, эпигенез, кантовская космогония) она начала проникать в естествознание еще в XVIII в. Но только XIX в. по праву может быть назван веком эволюции. Сначала в геологии, затем биологии и социологии теоретическому моделированию развивающихся объектов стали уделять все большее и большее внимание.
Однако в науках физико-химического цикла идея развития пробивала себе дорогу очень сложно. Вплоть до второй половины XX в. здесь господствовала исходная абстракция закрытой обратимой системы, в которой фактор времени не играет роли. Даже переход от классической ньютоновской физики к неклассической (релятивистской и квантовой) ничего не изменил в этом отношении. Правда, в классической термодинамике был сделан некоторый робкий прорыв – введены понятие энтропии и представление о необратимых процессах, зависящих от времени («стрела времени»). Но, в конечном счете, классическая термодинамика изучала лишь закрытые равновесные системы, а неравновесные процессы рассматривались как возмущения, второстепенные отклонения, которыми можно пренебречь в окончательном описании познаваемого объекта.
Проникновение идеи развития в геологию, биологию, социологию, гуманитарные науки в XIX – первой половине XX в. происходило независимо в каждой из этих отраслей познания. Философский принцип развития мира (природы, общества, человека) не имел общего, стержневого для всего естествознания (а также для всей науки) выражения. В каждой отрасли естествознания у него были свои (независимые от другой отрасли) формы теоретико-методологической конкретизации.
Только к концу XX в. естествознание нашло теоретические и методологические средства для создания единой модели универсальной эволюции, выявления общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и нашей планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез) и, наконец, возникновение человека и общества (антропосоциогенез). Такой моделью является концепция глобального эволюционизма. В этой концепции Вселенная предстает как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от фазы инфляции физического вакуума и Большого Взрыва до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой. Космохимия, геохимия, биохимия отражают здесь фундаментальные переходы в эволюции молекулярных систем и неизбежности их превращения в органическую материю.
Сегодня синергетика вышла за рамки естествознания и находит все более широкое применение в гуманитарных науках: социологии, экономической теории, психологии, педагогике, лингвистике, искусствоведении, антропологии.
3. Место физических знаний в экспертно-криминалистических исследованиях
Профессиональная деятельность специалиста-криминалиста связана с проведением измерений. Измерение – это процесс сравнения свойств объекта с эталонным объектом, обладающим заранее известными общепринятыми значениями этих свойств.
В физике свойству объекта соответствует физическая величина. Наиболее распространенной системой единиц этих величин является так называемая интернациональная система единиц (СИ). Кроме нее существуют и активно используются в некоторых областях физики и другие системы единиц. Выбор конкретной системы единиц обуславливается соображениями удобства.
Например, в электродинамике и лазерной физике используется система СГС (сантиметр-грамм-секунда). В любой системе выделяют основные единицы и кратные им. Например, в системе СИ для характеристики длины вводится такая характеристика как метр (м). Для обозначения меньших отрезков длины образуются с помощью специальных приставок величины, соответствующие им: сантиметр, миллиметр, нанометр. Для проведения измерений физических величин существуют определенные устройства. В криминалистике для измерения длины используются рулетка, штангенциркуль, микрометр. Для измерения массы используются весы различных типов.
После проведения измерений осуществляется математическая обработка их результатов. Ее целью является нахождение среднего арифметического значения физической величины, отклонения от него и относительной погрешности его определения. На этом этапе применяются статистические методы обработки результатов измерений.
Наиболее широко из различных областей физики в криминалистике используется оптика. Для начала рассмотрим понятие света и основные оптические явления. В физике излучение анализируется с точки зрения квантово-механических представлений. Излучение рассматривается как поток квазичастиц – фотонов с определенной энергией и импульсом. Важным является понятие частоты (длины) волны светового излучения. На основании этого понятия излучение делится на следующие виды:
- низкочастотное;
- радиоволны;
- инфракрасное;
- видимое;
- ультрафиолетовое;
- рентгеновское;
- гамма-излучение.
Совокупность этих диапазонов называется шкалой электромагнитных волн.
В криминалистике находят применение следующие оптические явления:
- дифракция – отклонение светового пучка от прямолинейного распространения, которое не вызвано отражением или изменением показателя преломления этой среды;
- интерференция – явление взаимодействия двух световых пучков, не сводящееся к их простому суммированию;
- дисперсия – явление зависимости скорости светового излучения в среде от ее показателя преломления.
Для характеристики среды используются коэффициенты пропускания и отражения - части светового потока, которые поглощаются и пропускаются данной средой.
Количественные характеристики светового излучения изучаются таким разделом оптики, как фотометрия. Здесь вводятся понятия световой энергии и светового потока. Ключевым является понятие освещенности поверхности – это световой поток, приходящий на единичную площадку в единицу времени. В фотометрии вводятся специальные величины для характеристики светового излучения. Например, единицей освещенности является люкс (лк).
При непосредственном проведении следственных действий криминалист использует различные типы оптических устройств и материалов. Это фотоаппарат и различные системы линз, источники света, спектроскопические приборы, фоточувствительные материалы, микроскоп и лупа.
Среди основных источников света, используемых в криминалистике, следует выделить лампы накаливания, импульсные лампы, оптические квантовые генераторы (лазеры).
Лазер – это устройство, которое генерирует световое излучение с определенными свойствами: высокой когерентностью, малой расходимостью, значительной интенсивностью данного излучения и узким спектральным составом по сравнению с обычными источниками света.
Основным спектроскопическим прибором является спектрограф – устройство, позволяющее фиксировать спектры изучаемых веществ. Фоточувствительные материалы – это различные фотоэмульсии для фиксации светового излучения.
В настоящее время в связи с развитием данной области физики принципиальное значение при проведении криминалистической экспертизы является спектральный анализ. Он позволяет выявлять содержание, вид и концентрацию веществ в исследуемом образце исходя из знания его спектра. Спектр – это зависимость интенсивности светового излучения от длины волны. В криминалистике используют спектры поглощения и люминесценции. Выделяют следующие виды спектрального анализа: качественный и количественный. Первый дает возможность определить факт наличия искомого вещества, а второй – его концентрацию. Современные приборы основаны на лазерной спектроскопии, что позволяет достичь более высокой точности в проведении измерений.
Для увеличения разрешающей способности человеческого глаза применяются лупа и микроскоп. Микроскопия является важным методом исследования вещественных доказательств в лабораторных условиях. Лупа позволяет проводить измерения непосредственно на месте преступления.
Криминалистическая фотография – важнейший инструмент в работе эксперта. Она позволяет зафиксировать вещественные доказательства. При проведении фотосъемки следует придерживаться специальных процессуальных и методологических требований, предъявляемых к оформлению результатов фотосъемки по уголовным делам. Выделяют цифровые и пленочные фотоаппараты. Для фиксации результатов фотосъемки применяются специальные материалы - фотопленки, фотопластинки, фотобумаги, светочувствительные эмульсии. Фотографические материалы бывают черно-белые и цветные. Важную роль играет правильная цветопередача объектов в изображении. Особенности фотосъемки зависят от объекта, погодных условий, освещенности, движения изучаемого объекта.
Широко используются в деятельности специалиста-криминалиста достижения из области физики твердого тела. Основной метод изучения структуры вещества здесь – рентгеноструктурный анализ. Он основан на изучении спектра рассеянного объектом рентгеновского излучения, что позволяет сделать выводы о его строении, деформациях и структуре.
Таким образом, современному специалисту-криминалисту необходимо знать основные направления развития физики, ее теоретико-концептуальные основы и конкретные методы исследования, находящие применение в судебной экспертизе.
Заключение
1. В середине XX столетия сложилась кибернетика как наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в технических, биологических и социальных системах.
2. Характер изменения энтропии во времени для замкнутых систем описывается фундаментальным законом возрастания энтропии: во всех осуществляющихся в природе замкнутых системах энтропия никогда не убывает – она увеличивается или, в предельном случае, остается постоянной.
3. Новизна синергетического подхода состоит в следующем:
развитие осуществляется, через неустойчивость;
развитие большинства систем носит нелинейный характер;
для сложных систем всегда существует несколько возможных путей развития. Выбор пути носит случайный характер.
4. В профессиональной деятельности специалиста-криминалиста наиболее широко применяются знания из оптики, физики твердого тела, а также системы измерения физических величин.
1 В.Г. Буданов. О методологии синергетики // Вопросы философии, 2006. № 5.