Эффект синергии

Как действуют законы самоорганизации в сложных системах

Наверное, вы неоднократно слышали словосочетание «синергетический эффект». Сегодня это понятие часто применяется достаточно утилитарно, например в применении к маркетинговым стратегиям или педагогическим практикам. Но на самом деле это сложный научный методологический термин, универсальная категория, которая имеет ряд важных аспектов, в том числе экономических и управленческих.

«Отец» синергетики

Герман Хакен — немецкий физик-теоретик, профессор Штутгартского университета (ФРГ) — в 1980 году издал труд «Синергетика». Книга была посвящена новой дисциплине, возникшей на стыке нескольких наук (физики, химии, биологии, социологии и т.д.). В рамках данной науки изучается такое совместное действие отдельных частей какой-либо неупорядоченной системы, в результате которого происходит самоорганизация: возникают макроскопические пространственные, временные или пространственно-временные структуры, причем рассматриваются как детерминированные, так и стохастические процессы. Изучается и обратное явление — переход от упорядоченного состояния к хаосу. В книге даны основы математического описания коллективных процессов в различных системах с приложениями к задачам физики, химии, биологии. Спустя некоторое время синергетический подход стал популярен не только в научных сферах, но и в области теории управления. Но вначале немного о том, с чего все начиналось.

Физические и биологические системы: что общего?

Со времени открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать вывод о возрастании со временем энтропии в замкнутых системах (возрастание неопределенности, хаоса) с процессами самоорганизации в живой и неживой природе, происходящими в открытых системах. Долгое время казалось, например, что существует противоречие между выводом второго закона термодинамики и выводами эволюционной теории Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации. Однако в соответствии с современным пониманием самоорганизация представляет собой автоматический процесс, при котором, если говорить о биологических системах, выживают комбинации, выгодные с точки зрения адаптации всего вида и отдельных организмов.

Кибернетика играет существенную роль в понимании общих принципов процессов самоорганизации и дает методы конструирования различных типов самоорганизующихся систем. Однако при этом остается открытым вопрос о физических процессах, происходящих в ходе самоорганизации в самых различных физических, химических, метеорологических, биологических и других системах. Эти процессы, как правило, очень сложны, но тем не менее установление общих закономерностей процессов самоорганизации оказывается возможным.

Во всех рассматриваемых системах процесс самоорганизации идет обязательно с участием большого числа объектов (атомов, молекул или более сложных образований) и, следовательно, определяется совокупным, кооперативным действием. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, профессор Герман Хакен ввел специальный термин «синергетика». Это название происходит от греческих корней «syn» — «вместе» и «ergeia» — «труд», что означает совместное, или кооперативное, действие. Впервые этот термин был введен, и именно в этом смысле, великим английским физиологом Шеррингтоном около ста лет тому назад в ходе исследований мышечных систем и управления ими со стороны спинного мозга.

Самоорганизация: как рождается порядок

«Одно из самых поразительных явлений и наиболее интригующая из проблем, с которыми сталкиваются ученые, — это спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса. В повседневной жизни мы встречаемся с подобными явлениями, когда наблюдаем развитие растений и животных. Рассматривая их в гораздо больших масштабах времени, ученые приходят к проблемам эволюции и в конце концов к вопросу о происхождении живой материи. Наряду с попытками понять или в некотором смысле объяснить эти чрезвычайно сложные биологические явления, естественно, возникает также и вопрос о возможности обнаружения процессов самоорганизации в гораздо более простых системах неживого мира», — пишет Герман Хакен.

По его словам, в последние годы накопилось много примеров физических и химических систем, в которых из хаотических состояний возникают высокоупорядоченные пространственные, временные или пространственно-временные структуры. Как и в живых организмах, такие системы могут функционировать лишь за счет подвода к ним потока энергии (и вещества). В отличие от машин, сконструированных человеком, которые рассчитаны на определенный тип функционирования, вышеупомянутые структуры образуются спонтанно: они самоорганизуются. Для многих специалистов оказалось неожиданным то, что большое число таких систем проявляет поразительные аналогии в поведении при переходе от неупорядоченного состояния к упорядоченному. Это сильный аргумент в пользу того, что функционирование таких систем подчиняется одним и тем же основополагающим принципам.

В работах Хакена были получены фундаментальные научные результаты в области исследования процессов, по сути, стихийной самоорганизации в системах различной физической природы. Однако, несмотря на выдающиеся достижения современной синергетики, концепция управления и самоуправления не получила в ней должного развития и обобщения и, следовательно, не заняла подобающего места, хотя во многом и определяет самую сущность процессов самоорганизации. В соответствии с базовыми положениями синергетики ее отличительной особенностью является стихийная самоорганизация, а истинный смысл возникающих при этом кооперативных процессов заключен во внутренних причинах во многом непредсказуемой самоорганизации систем.

Синергетический подход в теории управления: базовые положения

Во-первых, в синергетических системах в процессе самоорганизации и образования диссипативных структур (аттракторов) происходит уменьшение числа степеней свободы путем выделения лишь нескольких координат, к которым подстраиваются остальные. Именно эти выделенные макропеременные и определяют основные особенности динамики системы, поэтому они получили название «параметры порядка». Указанные параметры порядка позволяют выявить глубокие закономерности в поведении нелинейных динамических систем на основе построения иерархии базовых упрощенных (агрегированных) моделей, учитывающих взаимодействие лишь некоторых переменных.

Во-вторых, следствием процесса самоорганизации является образование аттракторов, к которым притягиваются траектории системы. Такое поведение системы позволяет поставить вопрос о направлении процессов, об их целях. Указанные аттракторы имеют размерность, всегда меньшую размерности исходной системы, что означает «забывание» начальных условий, откуда начинаются траектории движения к аттрактору.

В-третьих, каждый аттрактор имеет свою область притяжения в фазовом пространстве, поэтому можно выделить границу, разделяющую эти области. Тогда достаточно малое изменение начальных условий, находящихся вблизи указанной границы, может привести к качественно различному поведению всей нелинейной системы. Это будет означать, что, прилагая к системе достаточно малые воздействия, согласованные с ее внутренними свойствами, можно обеспечить качественно новое поведение нелинейной системы вдали от ее положения равновесия.