Кибернетика и синергетика наука о самоорганизующихся системах - Естествознание - Скачать бесплатно
юридический факультет заочное обучение
специальность – юриспруденция
Контрольная работа №
По концепции современного естествознания.
На тему кибернетика и синергетика – науки о самоорганизующихся системах.
Слушатель Глазков Э.Н. курс учебная группа
|Дата отправки на факультет: |Место работы и занимаемая должность:|
| | |
| | |
| | |
|Дата регистрации работы факультетом:|Индекс, почтовый адрес слушателя: |
| | |
| | |
2000 г.
Оглавление.
1. Кибернетика как наука, основные понятия кибернетик ……………………………. 1
2. Вклад кибернетики в научную картину мира ………………………………………… 9
3. От хаоса к порядку. Синергетика как наука ………………………………………… 10
4. Синергетические закономерности …………………………………………………….. 16
5. Значение синергетики для современной науки и мировоззрения ………………… 17
Вводная часть.
Фронт современной науки простирается от сравнительно частных, конкретных
концепций относительно различных областей физического и химического мира,
до глубочайших теорий, охватывающих различные сферы природы, общества и
технической деятельности человека. К последним следует отнести кибернетику
и синергетику. Поражает дерзость новых наук. Первая посягнула на познание
механизмов управления в разных системах. Вторая -на проблему
самоорганизации самой материи, творения нового.
Рассмотрим различного рода системы, представляющие на первый взгляд смесь
различных и далеко отстоящих друг от друга предметов и явлений. В мире есть
"самодействующие" физические системы (от атома до планетарных систем и
звездных ассоциаций), химические системы (например, органические
соединения, биополимеры), биологические системы (растения, животное,
человек), социальные системы (коллективы, отрасли производства, народное
хозяйство, общество в целом). На самом деле, во всех этих системах есть
общие свойства: способность к самодействию, подчиненность законам
управления, процессы переработки информации, способность к самонастройке и
самоорганизации и др. Изучением процессов управления в природе, обществе и
технике и занимается наука кибернетика.
1. Кибернетика как наука, основные понятия кибернетики
Кибернетика - наука об общих закономерностях процессов управления и
передачи информации в технических, биологических и социальных системах. Она
сравнительно молода. Её основателем является американский математик Н.
Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу "Кибернетика, или
управление их связь в животном и машине". Своё название новая наука
получила от древнегреческого слова "кибернетес", что в переводе означает
"управляющий", "рулевой", "кормчий". Она возникла на стыке математики,
теории информации, техники и нейрофизиологии, ее интересовал широкий класс
как живых, так и неживых систем.
Со сложными системами управления человек имел дело задолго до кибернетики
(управление людьми, машинами; наблюдал регуляционные процессы у живых
организмов и т.д.). Но кибернетика выделила общие закономерности управления
в различных процессах и системах, а не их специфику. В «докибернетический»
период знания об управлении и организации носили «локальный» характер, т.е.
в отдельных областях. Так, еще в 1843 г. польский мыслитель Б. Трентовский
опубликовал малоизвестную в настоящее время книгу «Отношении философии к
кибернетике как искусству управления народом». В своей книге «Опыт
философских наук» в 1834 году известный физик Ампер дал классификацию наук,
среди которых третьей по счету стоит кибернетика – наука о текущей политике
и практическом управлении государством (обществом).
Эволюция представления об управлении происходила в форме накопления,
суммирования отдельных данных. Кибернетика рассматривает проблемы
управления уж ком фундаменте, вводя в науку новые теоретические «заделы»,
новый понятийный, категориальный аппарат. В общую кибернетику обычно
включают теорию информации теорию алгоритмов, теорию игр и теорию
автоматов, техническую кибернетику.
ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА - отрасль науки, изучающая технические системы
управления. Важнейшие направления исследований разработка и создание
автоматических и автоматизированных систем управления, а также
автоматических устройств и комплексов для передачи,
переработки и хранения информации.
К основным задачам кибернетики относятся:
1) установление фактов, общих для управляемых систем или для некоторых их
совокупностей;
2) выявление ограничений, свойственных управляемым системам. и
установление их происхождения;
3) нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы;
4) определение путей практического использования установленных фактов
и найденных закономерностей.
«Кибернетический» подход к системам характеризуется рядом понятий.
Основные понятия кибернетики: управление, управляющая система, управляемая
система, организация, обратная связь, алгоритм, модель, оптимизация, сигнал
и др. Для систем любой природы понятие "управление" можно определить
следующим образом: управление - это воздействие на объект, выбранное на
основании имеющейся для этого информации из множества возможных
воздействий, улучшающее его функционирование или развитие. У управляемых
систем всегда существует некоторое множество возможных изменений, из
которого производится выбор предпочтительного изменения. Если у системы нет
выбора, то не может быть и речи об управлении.
Есть существенная разница между работой дачника, орудующего лопатой, и
манипуляциями регулировщика - "гибэдэдэшника" на перекрестке улиц. Первый
оказывает на орудие силовое воздействие, второй - управляет движением
автомобилей. Управление - это вызов изменений в системе или перевод системы
из одного состояния в другое в соответствии с объективно существующей или
выбранной целью.
Управлять - это и предвидеть те изменения, которые произойдут в системе
после подачи управляющего воздействия (сигнала, несущего информацию).
Всякая система управления рассматривается как единство управляющей системы
(субъекта управления) и управляемой системы - объекта управления.
Управление системой или объектом всегда происходит в какой-то внешней
среде. Поведение любой управляемой системы всегда изучается с учетом ее
связей с окружающей средой. Поскольку все объекты, явления и процессы
взаимосвязаны и влияют друг на друга, то, выделяя какой-либо объект,
необходимо учитывать влияние среды на этот объект и наоборот. Свойством
управляемости может обладать не любая система. Необходимым условием наличия
в системе хотя бы потенциальных возможностей управления является ее
организованность.
Чтобы управление могло функционировать, то есть целенаправленно изменять
объект, оно должно содержать четыре необходимых элемента:
1. Каналы сбора информации о состоянии среды и объекта.
2. Канал воздействия на объект.
3. Цель управления.
4. Способ (алгоритм, правило) управления, указывающий, каким образом
можно достичь поставленной цели, располагая информацией о состоянии
среды и объекта.
Понятие пели, целенаправленности. Основатель кибернетики Н. Винер писал,
что "действие или поведение допускает истолкование как направленность на
достижение некоторой цели, т.е. некоторого конечного состояния, при котором
объект вступает в определенную связь в пространстве и во времени с
некоторым другим объектом или событием" (Кибернетика. М., 1968. С. 288).
Цель определяется как внешней средой, так и внутренними потребностями
субъекта управления. Цель должна быть принципиально достижимой, она должна
соответствовать реальной ситуации и возможностям системы (управляющей и
управляемой). За счет управляющих воздействий управляемая система может
целенаправленно изменять свое поведение. Целенаправленность управления
биологических управляемых систем сформирована в процессе эволюционного
развития живой природы. Она означает стремление организмов к их выживанию и
размножению. Целенаправленность искусственных управляемых систем
определяется их разработчиками и пользователями.
Понятие обратной связи. Управление по "принципу обратной связи". Вели
между воздействием внешней Среды и реакцией системы устанавливается связь,
то мы имеем дело с обратной связью. Принцип обратной связи характеризует
информационную и пространственно-временную зависимость в кибернетической
системе. Если поведение системы усиливает внешнее воздействие, то мы имеем
дело с положительной обратной связью, а если уменьшает, -то с отрицательной
обратной связью. Понятие обратной связи имеет отношение к цели управления.
Поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по
отношению к стоящей цели. Яркий пример обратной связи - работа термопары в
холодильнике.
Понятие информации. Управление - информационный процесс. информация -
"пища", "ресурс" управления. Поэтому кибернетика есть вместе с тем наука,
об информации, об информационных системах и процессах. Самый исходный смысл
термина "информация" связан со сведениями, сообщениями и их передачей.
Бурное развитие в нашем веке телефона, телеграфа, радио, телевидения и
других средств массовой коммуникации потребовало повышения эффективности
процессов передачи, хранения и переработки передаваемых сообщении
информации. "Докибернетическое" понятие информации связано с совокупностью
сведений, данных и знаний. Оно стало явно непонятным, неопределенным с
возникновением кибернетики. Понятие информации в кибернетики уточняется в
математических "теориях информации". Это теории статистической,
комбинаторной, топологической, семантической информации.
В отечественной и зарубежной литературе предлагается много разных
концепций (определений) информации:
1) информация как отраженное разнообразие,
2) информация как устранение неопределенности (энтропии),
3) информация как связь между управляющей и управляемой системами,
4) информация как преобразование сообщений,
5) информация как единство содержания и формы (например, мысль -
содержание, а само слово, звук - форма),
6) информация - это мера упорядоченности, организации системы в ее связях
с окружающей средой.
Общее понятие информации должно непротиворечиво охватывать все
определения информация, все виды информации. К сожалению. такого
универсального понятия информации еще не разработано.
Информация может быть структурной, застывшей, окостенелой. например, в
минералах, машинах, приборах, автоматических линиях. Любая машина - это
овеществленная научная и техническая информация, разум общества, ставший
предметом.
Информация может быть также функциональной, " актуальным управлением".
Информация измеримая величина. Она измеряется в битах.
Каковы свойства информации? Первое - способность управлять физическими,
химическими, биологическими и социальными процессами. Там, где есть
информация, действует управление, а там, где осуществляется управление,
непременно наличествует и информация. Второе свойство информации -
способность передаваться на расстоянии (при перемещении инфоносителя).
Третье - способность информации подвергаться переработке. Четвертое -
способность сохраняться в течение любых промежутков времени и изменяться во
времени. Пятое свойство - способность переходить из пассивной формы в
активную. Например, когда извлекается из "памяти" для построения тех или
иных структур (синтез белка, создание текста на компьютере и т. д.).
Информация существенно влияет на ускоренное развитие науки. систем
управления, техники и различных отраслей народного хозяйства. Политика,
политическое управление, экономика - это концентрированная смысловая
информация, т. е. такая, которая перерабатывается человеческим сознанием и
реализуется в различных социальных сферах. Она обусловлена политическими,
экономическими потребностями общества и циркулирует в процессе управления
производством и обществом. Социальная информация играет огромную роль в
обеспечении правопорядка, работы правоохранительных органов, в деле
образования и воспитания подрастающих поколений. Информация -неисчерпаемый
ресурс общества. Информация - первооснова мира, всего сущего. Современным
научным обобщением всех информационных процессов в природе и обществе
явилась информациология -генерализованная наука о природе информации и
законах информации.
Понятие самоорганизации. В современную науку это понятие вошло через идеи
кибернетики. Процесс самоорганизации систем обусловлен таким неэнтропийным
процессом, как управление. Энтропия -мера неорганизованности, хаоса.
Энтропия и информация, как правило, рассматриваются совместно. Информация -
это то, что устраняет неопределенность, количество "снятой"
неопределенности. Тенденция к определенности, к повышению информативности -
процесс негэнтропийный (процесс с обратным знаком).
Термин "самоорганизующаяся система" ввел кибернетик У. Росс Эшби для
описания кибернетических систем. Для самоорганизующихся систем характерны:
1) Способность активно взаимодействовать со средой, изменять ее в
направлении, обеспечивающим более успешное функционирование системы:
2)наличие определенной гибкости структуры или адаптивного механизма,
выработанного в ходе эволюции;
3)непредсказуемость поведения самоорганизующихся систем;
4)способность учитывать прошлый опыт или возможность научения.
Одним из первых объектов, к которым были применены принципы
самоорганизации, был головной мозг.
Использование понятий и идей кибернетики в вопросах физики, химии,
биологии, социологии, психологии и других науках дали превосходные всходы,
позволили глубоко продвинуться в сущность процессов, протекающих в неживой
и живой природе. Нет никакого сомнения в том, что грядущий XXI век и
прогресс естествознания и науки всей будет протекать по линии изучения
закономерностей управляющих процессов в сложноорганизованных системах.
Самоорганизующаяся система - это познавательная модель науки XXI века.
2. Вклад кибернетики в научную картину мира
Кибернетика устранила ту принципиально неполную научную картину мира,
которая была присуща науке XIX и первой половине XX века. Классическая и
неклассическая наука строила представление о мире на двух фундаментальных
постулатах - материя и энергия. Создавала вещественно- энергетическую,
вещественно- полевую картину мира.
На постулатах о материи и энергии строились представления о пространстве
и времени. Но в палитре научной картины мира не хватала важнейшей " краски"
- информации. Самая глубокая причина сопряжения пространства и времени, а
равно всех изменений в мире проистекает из изменения массы, энергии и
информации. Опыт развития науки последнего времени показал, что реальный
мир состоит из этих предельно фундаментальных элементов- Системы
материальных объектов, вещественно-энергетические процессы являются и
носителями, хранителями и потребителями информации. И подобному тому, как
Эйнштейн установил закон эквивалентности вещества и энергии, есть закон (не
открытый еще) эквивалентности массы, энергии и информации. Кибернетика
(вместе с теорией информации) дала новое представление о мире, основанное
на информации, управлении, организованности, обратной связи,
целенаправленности. Создала информационную картину мира. Не энергия, а
информация выйдет в XXI столетии на первое место в мире научных понятий.
Фундаментальный характер информации означает, что хаос не может быть
абсолютным. В любом хаосе существует некоторый уровень упорядоченности.
Космос не способен опуститься до сплошной энтропии. Живые организмы и
социальные системы питаются отрицательной энтропией (негэнтропией), то есть
они противостоят беспорядку и хаосу. Масс-энерго-информационные
преобразования исчерпывают собой все возможные состояния Космоса, а равно
его подсистем, включая человека, общество.
Кибернетика оказала революционизирующее влияние на теоретическое
содержание и методологию всех наук. Она устранила непреодолимые грани между
естественными, общественными и техническими науками. Способствовала синтезу
научных знаний, создала из понятий частных наук структуры новых понятий,
новый язык науки. Такие понятия, как информация, управление, обратная
связь, система, модель, алгоритм и др. обрели общенаучный статус.
Кибернетика дала в руки человека сильнейшее оружие управления
производством, обществом, инструмент усиления интеллектуальных способностей
человека (ЭВМ). Современные ЭВМ (компьютеры) - универсальные
преобразователи информации, а с преобразованием информации человек связан
во всех областях своей деятельности (в политике, экономике, науке,
профессиональной сфере и др.).
Философ Ф. Бекон писал, что "когда истина обнаружена, она налагает
ограничения на мысли людей". На мир уже нельзя смотреть "докибернетическим
взглядом". Новая наука -кибернетика- сформировала свой взгляд на мир.
информационно-кибернетический стиль мышления.
3. От хаоса к порядку. Синергетика как наука.
В физической картине мира до 70-х годов XX века царствовали два закона
классической термодинамики. Первый закон термодинамики (закон сохранения и
превращения энергии) фиксировал всеобщее постоянство и превращаемость
энергии. Закон констатировал, что в замкнутой системе тел нельзя ни
увеличить, ни уменьшить общее количество энергии. Этот закон утверждал
независимость такого изменения энергии от уровня организации животного,
человека, общества и техники. Второй закон термодинамики выражает
направленность перехода энергии, именно переход теплоты от более нагретых
тел к менее нагретым. Иногда этот закон формулируют так: тепло не может
перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему. Этому могут
способствовать только затраты дополнительной работы.
В соответствии с классическими физическими представлениями в замкнутой
системе происходит выравнивание температур, система стремится к своему
термодинамическому равновесию, соответствующему максимуму энтропии. В
физической картине мира принцип возрастания энтропии соответствует
одностороннему течению явлений, т.е. в направлении хаоса, беспорядка и
дезорганизации. Один из основателей классической термодинамики Р. Клаузис в
своей попытке распространить законы термодинамики на Вселенную пришел к
выводу: энтропия Вселенной всегда возрастает. Если принять этот постулат
как реальный факт, то во Вселенной неизбежно наступит тепловая смерть. С
тех пор, как физика открыла этот процесс рассеивания, деградации энергии,
люди чувствовали " понижение теплоты вокруг себя". Многие ученые не
соглашались с выводами Клаузиса. В. И. Вернадский утверждал, что "жизнь не
укладывается в рамки энтропии". В природе наряду с энтропийными процессами
происходят и антиэнтропийные процессы. Многие учение высказывали сомнение
по поводу распространения второго закона термодинамики на всю Вселенную.
Но в мире, как мы знаем, не только господствует тяга к тепловой или
другой смерти. В мире постоянно идет процесс возникновения нового, эволюции
и развития разного рода систем. Согласно эволюционной теории Дарвина, живая
природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения всё новых
видов растений и животных. В обществе наблюдается процесс социального
творчества, т. е. созидания нового. Спрашивается, как из всеобщей тенденции
к энтропии, дезорганизации может появиться " порядок" в живой природе и
социуме. Возникновение нового казалось невероятным чудом.
Ответить на вопрос, как происходит эволюция и возникновение в природе, "
решила" новая наука синергетика (совместно с новой неравновесной
термодинамикой, теорией открытых систем).
Синергетика (греч. "синергетикос" - совместный, согласованно действующий)
- наука, целью которой является выявление, исследование общих
закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения
упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравноценных
системах различной природы (физических, химических, биологических,
экологических и др.). Термин "синергетика" буквально означает "теория
совместного действия". Синергетика являет собой новый этап изучения сложных
систем, продолжающий и дополняющий кибернетику и общую теорию систем. Если
кибернетика занимается проблемой поддержания устойчивости путем
использования отрицательной обратной связи, а общая теория систем -
принципами их организации (дискретностью, иерархичностью и т. п.), то
синергетика фиксирует свое внимание на неравновесности, нестабильности как
естественном состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и
неоднозначности путей их эволюции. Синергетика исследует типы поведения
таких систем, то есть нестационарные структуры, которые возникают в них под
действием внешних воздействий или из-за внутренних факторов (флуктуации).
Синергетика исследует организационный момент, эффект взаимодействия
больших систем. Возникновение организационного поведения может быт
обусловлено внешними воздействиями (вынужденная организация) или может быть
результатом развития собственной (внутренней) неустойчивости системы в
системе (самоорганизация).
Синергетика возникла в начале 70-х гг. XX века. До этого времени
считалось, что существует непреодолимый барьер между неорганической и
органической, живой природой. Лишь живой природе присущи эффекты
саморегуляции и самоуправления.
Синергетика перекинула мост между неорганической и живой природой. Она
пытается ответить на вопрос, как возникли те макросистемы, в которых мы
живем. Во многих случаях процесс упорядочения и самоорганизации связан с
коллективным поведением подсистем, образующих систему. Наряду с процессами
самоорганизации синергетика рассматривает и вопросы самодезорганизации -
возникновения хаоса в динамических
системах. Как правило, исследуемые системы являются диссипативными,
открытыми системами.
Основой синергетики служит единство явлений, методов и моделей, с
которыми приходится сталкиваться при исследовании возникновения порядка из
беспорядка или хаоса - в химии (реакция Белоусова -Жаботинского),
космологии (спиральные галактики), экологии (организация сообществ) и т.д.
Примером самоорганизации в гидродинамике служит образование в подогреваемой
жидкости (начиная с некоторой температуры) шестиугольных ячеек Бенара,
возникновение тороидальных вихрей (вихрей Тейлора) между вращающимися
цилиндрами. Пример вынужденной организации - синхронизация мод в
многомодовом лазере с помощью внешних периодических воздействий. Интерес
для понимания законов синергетики представляют процессы предбиологической
самоорганизации до биологического уровня. Самоорганизующиеся системы
возникли исторически в период возникновения жизни на Земле.
Основы синергетики были заложены немецкий ученым Г. Хакеном ( автором
книги "Синергетика" (М, 1980)), работами бельгийского ученого И. Пригожина
и его группы. Работы Пригожина по теории необратимых процессов в открытых
неравновесных системах были удостоены Нобелевской премии (1977).
Модели синергетики - это модели нелинейных, неравновесных систем,
подвергающихся действию флуктуации. В момент перехода упорядоченная и
неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно
флуктуации переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно несколько
устойчивых состояний, то флуктуации отбирают одну из них. При. анализе
сложных систем, например, в биологии или экологии, синергетика исследует
простейшие основные модели, позволяющие понять и выделять наиболее
существенные механизмы "организации порядка" избирательную неустойчивость,
вероятностный отбор, конкуренцию или синхронизацию подсистем. Понятия и
образы синергетики связаны, в первую очередь, с оценкой упорядоченности и
беспорядка - информация, энтропия, корреляция, точка бифуркации и др.
Методы синергетики в значительной степени пересекаются с методами теории
колебаний и волн, термодинамики неравновесных процессов, теории катастроф,
теории фазовых переходов, статистической механики, теории самоорганизации,
системного анализа и др.
Классическая термодинамика в своем анализе систем отвлекалась от их
сложности и проблем взаимосвязи с внешней средой. По существу, она
рассматривала изолированные, закрытые системы. Но в мире есть и открытые
системы, которые обмениваются веществом, энергией информацией со средой. В
открытых системах тоже возникает энтропия, происходят необратимые процессы,
но за счет получения материальных ресурсов, энергии и информации система
сохраняется, а энтропию выводит в окружающую среду. Открытые системы
характеризуются неравновесной структурой. Неравновесность связана с
адаптацией к внешней среде (система вынуждена изменять свою структуру),
система может претерпевать много различных состояний неопределенность и
т.д. Переход от термодинамики равновесных процессов, к анализу открытых
систем ознаменовал крупный поворот в науке, многих отраслях научных знаний.
В открытых системах обнаружен эффект самоорганизации, эффект движения от
хаоса к порядку.
Немецкий физик Герман Хакен термином «синергетика» предложил обозначить
совокупный, коллективный эффект взаимодействия большого числа подсистем,
приводящих к образаванию устойчивых структур и самоорганизации в сложных
системах.
Конечно, феномен перехода от беспорядка к порядку, упорядочения ученые
знали и до этого. В качестве примеров самоорганизации в неживой природе
можно привести авторегуляцию, принцип наименьшего действия и принцип Ле-
Шателье. Было открыто самопроизвольное образование на Земле минералов с
более сложной кристаллической решеткой. В химии известны процессы,
приводящие к образованию устойчивых структур во времени. Примером является
реакция Белоусова-Жаботинского,
|
