Структурные рівні організації матерії

Структурные рівні організації матерії.

Аруцев Олександр Артемьевич, Єрмолаєв Борис Валерійович, Кутателадзе Іраклій Отарович, Слуцький Михайло Семенович Развитие — це необоротне, спрямоване, закономірне зміна матерію та свідомості, їх універсальне властивість; внаслідок розвитку виникає новий якісний стан об'єкта — її складу чи структури. Розвиток — загальний принцип пояснення природи, нашого суспільства та пізнання, як історично які протікають подій.

Различают дві форми розвитку, між якими існує діалектична зв’язок: еволюційну, пов’язану з поступовими кількісними змінами об'єкта (еволюція), і революційну, що характеризується якісними змінами у структурі об'єкта (революція). Вирізняють прогресивну, що ведеться лінію розвитку (прогрес) і регрессивную, спадну лінію (регрес). Прогрес — спрямоване розвиток, для якого характерний перехід від нижчого до вищої, від менш досконалого до більш здійсненого.

Развитие, як б повторює вже пройдені щаблі, але повторює їх інакше, більш високої базі, як кажуть, спіраллю, а чи не по прямий лінії; розвиток стрибкоподібне, катастрофічне, революційне перетворення кількості в якість; внутрішні імпульси до розвитку, надані протиріччям, сталкиванием різних зусиль і тенденцій, діють На цей тіло, чи не більше цього явища; безперервна зв’язок усіх сторін кожного явища, зв’язок, дає єдиний, закономірний світової процес руху, — такі деякі риси діалектики, як більше змістовного вчення про розвиток (А.К.Айламазян, Е.В.Стась).

Основной особливістю, отличающей розвиток з інших динамічних процесів, наприклад, від процесу зростання, є якісну зміну у часі змінних, характеризуючих стан що розвивається системи (для процесу зростання зазвичай кажуть лише про кількісному зміні цих змінних). Причому якісне зміна носить стрибкоподібний характер. Поступове монотонне зміна деякого параметра протягом помітного часу супроводжується відповідним поступовим зміною стану системи, але у нагальні моменти відбувається розрив поступовості: стан системи змінюється стрибком, система переходить на новий якісний рівень, кількість перетворюється на якість. Потім повторюється усі знову, але вже новому якісному рівні (А.И.Яблонский).

В вивченні розвитку матерії сучасної наукою зроблено такі серйозні кроки, що зараз з повне право казати про перетворення ідеї розвитку, еволюції до тями наукового мислення для цілого ряду областей знання.

Термин «еволюція «має низку значень, проте найчастіше він використовують як синонім розвитку. Так, И. И. Шмальгаузен визначає еволюцію як закономірний процес історичного поступу організму. Іноді термін «еволюція «використав вужчому сенсі, розуміючи її як жодну з форм розвитку, яка протиставляється революції.

Эволюция і революція розглядаються як взаємозумовлені боку розвитку, виступаючи проти абсолютизації якійсь із них. У найрізноманітніших процесах розвитку природно наявність які чергуються ділянок: еволюційних і революційних.

Эволюция в широкому значенні - уявлення щодо змін у природі й у суспільстві, їх спрямованості, порядку, закономірності; певне стан будь-якої системи сприймається як результат більш-менш тривалих змін її попереднього стану; у вужчому сенсі - уявлення про повільному поступове кількісному зміні.

Эволюция в біології - це необоротне історичне розвиток живої природи. Визначається мінливістю, спадковістю і природним відбором організмів. Супроводжується пристосуванням їх до місцевих умов існування, освітою видів, перетворенням біогеоценозів і біосфери загалом.

Эволюционная ідея зародилася і розвинулася у ХІХ в. як опозиції уявленню про незмінності світу, але свого апогею досягнути у нашій столітті, і його прийняття вважатимуться досягненням XX в.

В у минулому столітті ідея неизменчивости органічного світу набула свого яскраве вираження у особі Ж.Кювье. Кюв'є виходив зі свого теорії сталості і незмінності видів тварин і її двох основних принципів — принципу кореляцій принципу умов. Незмінність виду входила, відповідно до Кюв'є, в організованість, упорядкованість природи. Його теорію катастроф, чи зміну фаун і флор, у цій органічної області може бути теорією еволюції за незмінності видів, теорією порушення гармонії природи тільки внаслідок катастрофічних подій общеземного масштабу.

Теория типів, теорія гармонії природи й теорія незмінності видів чудово погодилися друг з одним і становили фундамент природознавства у першій половині в XIX ст.

Познавательная вартість цих уявлень про сталість органічного світу була величезна. Уявлення про незмінність видів стали основою їх класифікації. Теорія типів дозволяла робити прогнози. Геніальна еволюційна ідея Ламарка, на півстоліття випередив свій час, не знайшла підтримки почасти оскільки, ополчившись на сталість виду, він свою полеміку і його реальності.

Ч.Дарвин вперше обгрунтував еволюцію і переконав своїх сучасників саме оскільки він поєднав визнання реальності виду з наукової теорією його змінності.

В XX в. ідею гармонії природи змінила ідея еволюції. Принцип гармонії природи, теорія типів і помилкове уявлення про сталість виду відсунулися у свідомості людей на задній план, а багатьом здавалися спростованими. З часом, проте, повне обгрунтування еволюційної ідеї породило свою протилежність. У науці XX в. знову відродилася ідея стійкості. І з тим самим шляхетним запопадливістю, з якою людська думку руйнувала теорію типів і теорію незмінності видів, вона кинулася шукати механізмів підтримки сталості.

В.И.Вернадский зумів розкрити лише на рівні біосфери загалом взаємодія еволюційного процесу і ідеї стійкості живої природи. У 1928 р. В. И. Вернадский писав: «У геохимическом аспекті, входячи як частину в мало непостійну, коливну близько незмінного середнього стану біосферу, життя, узята як єдине ціле, представляється сталої роботи та незмінною в геологічному часу. У складної організованості біосфери відбувалися межах живого речовини лише перегрупування хімічних елементів, а чи не докорінні зміни їх складу і кількість — перегрупування, не отражавшиеся на сталості і незмінності геологічних — у разі геохімічних процесів, де ці живі речовини брали участь.

Устойчивость видових форм протягом мільйонів років, мільйонів поколінь, може, навіть становить саму характерну риску живих форм " .

По котрий склався якоїсь спільної думки, вершиною творчості Вернадського є вчення про біосфері про еволюційному переході її під впливом людського розуму до нового стан — ноосферу: «Маса живого речовини, його енергія і рівень організованості в геологічної історії Землі безупинно еволюціонували, будь-коли повертаючись у давнє стан. Перетворення поверхневою оболонці планети під впливом діяльності стали природним етапом цієї еволюції. Уся біосфера, змінившись докорінно, повинна перейти до нового якісне стан, сферу дії людського розуму » .

Переводя теорію Дарвіна мовою кібернетики, И. И. Шмальгаузен показав, що саме перетворення органічних форм закономірно ввозяться рамках щодо стабільного механізму, лежачого на биогеоценотическом рівні організації життя і чинного по статистичному принципу. Це і вищий синтез ідеї еволюції органічних форм із тим стійкості й ідеєю сталості геохимической функції життя жінок у біосфері. Так воєдино виявилися злитими й разом про те піднятими нового сучасний рівень концепції Кюв'є, Дарвіна, Вернадського.

Основные напрями пошуку еволюційної теорії - це розробка цілісних концепцій, більш адекватно що відбивають системного характеру досліджуваних явищ.

Общепризнанным є теза про рух як атрибуті матерії, і виникає запитання, чи можна вважати атрибутом матерії розвиток. Ці дві проблеми жваво дискутуються, і сьогодні загальновизнаною погляду немає. Існує думка, що рух — більш загальний момент, а розвиток — окреме питання руху, тобто. розвиток не є атрибутом матерії. Інша думка наполягає на атрибутивном характері розвитку. Вирішення питання про атрибутивном характері розвитку пов’язано про те змістом, яке входить у поняття «розвиток ». Зазвичай виділяють три підходу:

— розвиток як круговорот;

— розвиток як необоротне якісну зміну;

— розвиток як нескінченне рух від нижчого до вищої.

Эти підходи справедливі, коли не про матерії взагалі, йдеться про якомусь матеріальному освіті.

К матерії в цілому, матерії як такої поняття розвитку застосовно, але не тому сенсі, в якому говоримо про розвиток окремих предметних областей. Матерія як об'єктивність — це саме вся сукупність речей і явищ навколишнього нас світу. Вона безупинно розвивається, і це такий розвиток значить нічого іншого, крім сталого розвитку всіх його конкретних проявів. Матерія є гранично загальна філософська категорія, а природознавство завжди мало і матиме працювати з «матерією цьому рівні проникнення неї «. Єдине відомої нам матерії ми сьогодні можемо приписувати розвиток не основі загальфілософських міркувань, а на основі досить апробованих природничонаукових теорій.

Тезис про розвитку атрибуті матерії донедавна важко було узгодити з даними природознавства, де єдиний закон, до складу якого спрямованість що відбуваються змін, — це друге початок термодинаміки, говорящее скоріш про тенденції до деградації. Друге початок одна із природничонаукових висловів принципу розвитку, визначальним еволюцію матерії. Оскільки принцип збільшення ентропії відбиває необоротність всіх реальних процесів і тим самим означає необоротне зміна всіх відомих форм матерії, тобто. їх перехід у якісь якихось інших форм, котрим вже буде недійсні існуючі закони, його вважатимуться природничонауковим вираженням філософського принципу розвитку.

Второе початок має хоча б статус, як і перше початок (закон збереження енергії), та її дію який суперечить розвитку Всесвіту. Навпаки, сам принцип розвитку віднаходить своє природничонаукове обгрунтування у другому початку термодинаміки. Принцип зростання ентропії сприймається як одне з природничонаукових конкретизаций принципу розвитку, відбиває освіту нових матеріальних форм і структурних рівнів в неорганічної природі.

Одной з фундаментальних чорт сучасного природознавства разом із тим напрямів його диалектизации є глибше і органічне насичення систему наук про природу еволюційних ідей, які нерозривно пов’язані з концепцією ієрархії якісно своєрідних структурних рівнів матеріальної організації, виступаючих як щаблі, етапи еволюції природних об'єктів. Якщо загалом лише кілька десятиріч тому дослідження еволюційних процесів у різних областях природознавства були досить слабко зв’язані між собою, той зараз становище змінилося радикально: виявляються контури єдиного (в різноманітті своїх конкретних проявів) процесу еволюції охоплених дослідженнями областей природи.

Практика сучасної науково-дослідної діяльності висуває нові завдання у розумінні еволюційних процесів, тому формується якийсь шар знань, не має статусу окремої науки, але що становить важливий компонент культури мислення сучасного вченого. Цей шар знання є хіба що проміжним між філософією, діалектикою як загальної теорією розвитку та конкретно-научными еволюційними концепціями, що відбивають специфічні закономірності еволюції живих організмів, хімічних систем, земної кори, планет і зірок.

Можно, певне, казати про кількох взаємозалежних і супідрядних поняттях еволюції в рамках природничо-науковому картини світу. Найважливішою також застосовним практично не більше всієї доступною дослідженню області природи, неживої і живої, можна вважати поняття еволюції як необоротного зміни структури природних об'єктів.

В класичному природознавстві, і в природознавстві уже минулого століття, вчення про принципах структурної організації матерії був представлений класичним атомизмом. На атомизме замикалися теоретичні узагальнення, беруть початок у кожному з наук. Ідеї атомізму служили підвалинами синтезу знань та її своєрідної «точкою опори. Нині під впливом бурхливого розвитку всіх областей природознавства класичний атомізм піддається інтенсивним перетворенням. Найістотнішими і дуже значимими змінами у наших уявленнях про принципи структурної організації матерії є ті зміни, що виявляються у цьому розвитку системних уявлень.

Общая схема ієрархічного ступенчатого будівлі матерії, що з визнанням існування щодо самостійних і стійких рівнів, вузлових точок у низці ділень матерії, зберігає чинність і евристичні значення. Відповідно до цій схемі дискретні об'єкти певного рівня матерії, беручи специфічні взаємодії, служать вихідними при освіті та розвитку принципово нових типів об'єктів із іншими властивостями і формами взаємодії. У цьому велика стійкість і самостійність вихідних, щодо елементарних об'єктів обумовлює повторні та що зберігаються властивості, стосунки держави й закономірності об'єктів вищого рівня.

Это становище об'єднані для систем різної природи.

Любая складна система, що виникла процесі еволюції методом спроб і помилок, повинен мати ієрархічну організацію. Справді, коли буде можливостей перебрати все мислимі сполуки з кількох елементів, а знайшовши наукову комбінацію, размножает її й використовує - як єдине ціле — як елемента, що можна повністю пов’язати з невеликим числом інших так само елементів. Так виникає ієрархія. Це грає величезну роль. Фактично всяка складна система, як виникла природно, і створена людиною, можна вважати організованою, тільки вона полягає в певної ієрархії чи переплетенні кількох ієрархій. Не знаємо організованих систем, влаштованих інакше.

Концептуальные форми висловлювання ідеї структурних рівнів матерії різноманітні. Певне розвиток ідея рівнів отримало процесі проведення аналізу концептуального апарату фундаментальних, щодо завершених фізичних теорій, теорії еволюції живих організмів.

Одна з актуальних проблем, які ставить вивчення ієрархії структурних рівнів природи, залежить від пошуках кордонів цієї ієрархії як і мегасвіті, і у мікросвіті. Ієрархічність рівнів відбивається у иерархичности класифікаційних понять, притаманних описових теорій різних наук. З наявністю певних рівнів матерії пов’язано існування низки самостійних наукових дисциплін.

Уровни стають такими спіралями лише за всебічному розвитку наступності, без якої можуть лише хаотичні зміни круговоротів змін. Тому «розвиток розвитку «можна тільки з урахуванням збагачення форм наступності, що дозволяє у тому мірою зберігати досягнуті перетворення, щоб включати в лінії процесів еволюції, і навіть онтогенезу. Виникнення нового без наступності приречене було кожна раз починати розвиток з «початку » .

В ході прогресу число взаємозалежних рівнів зростає й об'єкти стають все більш багаторівневими. Об'єкти кожної наступної щаблі з’являються і розвиваються внаслідок об'єднання і диференціації певних множин об'єктів попередньої щаблі. Системи стають дедалі більше багаторівневими. Складність системи зростає як оскільки зростає кількість рівнів. Істотне значення набуває розвиток нових взаємозв'язків між рівнем і з середовищем, спільної таких об'єктів і об'єднань. У цих взаємозв'язках дедалі більше значення отримує информация.

1. Інформаційна концепція розвитку систем.

Понятие розвитку неживої і живий природи сприймається як необоротне спрямоване на зміну структури об'єктів природи, оскільки структура відповідає рівню організації матерії.

Структура — це внутрішня організація системи, що сприяє зв’язку складових систему елементів, визначальна існування її як цілого й її якісні особливості. Структура визначає упорядкованість елементів об'єкта. Елементами є будь-які явища, процеси, і навіть будь-які властивості й стосунку, перебувають у будь-якої взаємної зв’язку й співвідношенні друг з одним.

Структура є упорядкованість (композицій) елементів, що зберігається (інваріантна) щодо певних змін (перетворень).

Структура — це щодо стійкий, упорядкований спосіб зв’язку елементів, що надає їх взаємодії у межах внутрішньо розчленованого об'єкта цілісний характер.

Важнейшее властивість структури — її відносна стійкість, понимаемая як збереження в зміні. Проте структура містить певну динамічність, окремі тимчасові моменти, є процес розгортання в часі та в просторі нових властивостей елементів.

Структура — це загальний, якісно певний і щодо стійкий порядок внутрішніх відносин між підсистемами тій чи іншій системи. Поняття «рівень організації «на відміну поняття «структура «включає, крім того, уявлення про зміну структур і його послідовності під час історичного розвитку системи з виникнення. Тоді за зміну структури то, можливо випадковою і який завжди має спрямований характер, зміна рівня організації відбувається необхідним чином. Системи, досягли відповідного рівня організації та які мають певний структуру, набувають здатність використовувати інформацію у тому, аби з допомогою управління зберегти незмінним (або підвищувати їхню) свій рівень організації та сприяти стабільності (чи зменшенню) своєї ентропії.

Что таке організація? Посилаючись на основоположників теорії організації Федорова і Богданова, Моїсєєв дає таке визначення: «Організація досліджуваного об'єкта (системи) — це сукупність консервативних, повільно змінюються (у приватному разі постійних, незмінних) характеристик об'єкта.

Для визначення організації слід вирізнити ці характеристики об'єкта (системи) " .

Под організацією системи усвідомимо на зміну структури системи, яке забезпечує узгоджена поведінка, чи функціонування системи, яке визначається зовнішніми умовами.

Если під зміною організованості розуміти зміна способу сполуки (або зв’язки) підсистем, їхнім виокремленням систему, то явище самоорганізації можна з’ясувати, як таке неминуче зміна системи та її функцій, що відбувається поза будь-яких додаткових впливів, внаслідок взаємодії системи з умови існування і наближається до певного щодо стійкого стану.

Под самоорганізацією усвідомимо на зміну структури, що забезпечує узгодженість поведінки наявністю внутрішніх зв’язків і зв’язку з довкіллям.

Самоорганизация — це природничонаукове вираз процесу саморуху матерії. Спроможність до самоорганізації мають системи живої і неживої природи, і навіть штучні системи. Конкретна конфігурація структури існує лише у суворо визначених умовах й у нагальні моменти «руху «складної системи. Динаміка розвитку систем призводить до послідовної зміни їх структур.

Закономерное на зміну структури системи відповідно історичних змін співвідношень із зовнішнього середовищем і називається еволюцією.

Изменение структури складної системи у її взаємодії з довкіллям — то є вияв властивості відкритості як зростання можливостей виходу до нового. З з іншого боку, на зміну структури складної системи забезпечує розширення життєвих умов, що з ускладненням організації та підвищенням життєдіяльності, тобто. придбанням пристосувань загальнішого значення, дозволяють налагодити зв’язки з новими сторонами довкілля.

Самоорганизация характеризується виникненням внутрішньо узгодженого функціонування за рахунок внутрішніх зв’язків і зв’язку з довкіллям. Причому поняття функція і структура системи тісно взаємопов'язані; система організується, тобто. змінює структуру заради виконання функції.

Вопрос про стосунках структури та функції - одне із давніх часів і традиційних в біології. Аристотель, формулюючи так запитання «навіщо існує орган? », відповідав: «заради виконання певної виховної мети », тобто. функції. Для біологічних об'єктів поняття функції і цілі ідентичні. Так, під функцією розуміється, наприклад, фізіологічне відправлення.

Рассматривая структуру і функцію, перевагу віддають первинності у зміні функції. Проте особливо правильно розглядати діалектичну взаємозв'язок і взаємозумовленість їх змін — у процесі еволюції (зміна середовища вимагає зміни функції; а вона, своєю чергою, впливає на зміну структури).

Растительное і тваринний світ дає безліч переконливих прикладів такої взаємозумовленості.

Так, вихід рослин на суходіл ознаменувався придбанням комплексу морфофизиологических нововведень, захисних покровів, проводить системи, диференціацією тіла на органи тощо. Завдяки цих змін, передусім, було досягнуто зменшення втрати води від випаровування та посилення її руху по рослині. Тут важко сказати, що чому передувало, морфологічні чи фізіологічні зміни. У той самий час очевидно, що «замовлення «зменшення негативних наслідків нестачі води спричинив у себе відбір рослин на розвиток захисних покровів і проводить системи в наземних умовах.

В тому випадку йдеться про судовий процес самоорганізації, де можна назвати причину та досудове слідство, вказати зв’язку його з довкіллям: зовнішня середовище змінює функцію, функція змінює структуру. Принаймні ускладнення внутрішньої організації функціональні можливості організмів посилюються.

Функциональные особливості змінюються трохи швидше, ніж структурні. Однією з прикладів впливу функціональних перетворень на структуру рослини можуть бути листя, і перетворення структури черешка зміною його функції: у аркуша після тривалої самостійного життя в укорененном стані перебудовуються історично сформовані функції; у своїй живець набуває функції стебла, посилюється його проводить і механічна активність.

Структура і функція — невід'ємні властивості живої природи, вони пов’язані в онтоі філогенезі. Будь-який орган має множинністю функцій. Якщо з множин функцій, наприклад, кореня рослин (проведення речовин чи його запасение, освіту придаткових нирок, прикріплення, синтез тощо.) одна виявиться головною, то будова їх у філогенезі зміниться відповідно до нової функції. З з іншого боку, прояв будь-який функції рослин однієї й тієї ж виду змінюється кількісно, причому відмінності часто спадково обумовлені. На основі може статися відбір за рівнем висловлювання даного властивості. Наприклад, тільки в рослин за таким принципом посилилася присасывающая функція коренів (паразити), в інших — опорні функції.

Взаимосвязь зміни структури та функції в онтоі філогенезі сприяє підвищенню виживання та конкурентоспроможності. Для рослин функція — єдине фізіологічне відправлення, необхідне виживання і розмноження рослин, у онтогенезі (наприклад, фотосинтез, подих, рух). Відбір спрямовано пошуки найефективніших механізмів, що реалізують необхідну функцію, тобто. на пошуки архітектур системи.

Именно в структурі біологічно активного речовини еволюція закодувала його спроможність виконувати суворо певну біологічну функцію.

Функциональная роль біологічних молекул задається їх просторової структурою — розташуванням у просторі входять до структури атомів. Можна навести багато інших прикладів.

Для вивчення процесу її розвитку необхідний знати характер зміни структур у часі, їх динамічні параметри. Треба також вміти розкривати закономірності взаємозв'язку між структурою і що проявляється системою функцією.

До недавнього часу природознавство та інші науки могли обходитися без цілісного, підходу до своїх об'єктах вивчення, не враховуючи колективних ефектів і дослідження процесів освіти стійких структур і самоорганізації. У час проблеми самоорганізації, студійовані в синергетики, набувають актуальний характер у багатьох науках, починаючи з фізики та закінчуючи екологією.

Задача синергетики — з’ясування законів побудови організації, виникнення упорядкованості. На відміну від кібернетики тут наголошується не так на процесах управління та обміну інформацією, але в принципи побудови організації, її виникнення, розвитку та самоусложнения (Г.Хакен).

Вопрос про оптимальної упорядкованості та молодіжні організації особливо гостра при дослідженнях глобальних проблем — енергетичних, екологічних, багатьох інших, потребують залучення величезних ресурсів.

Философско-методологический аналіз проблем глобального еволюціонізму неминуче призводить до постановці фундаментального питання: чи існують закони еволюційного процесу, які становлять певну конкретизацію діалектичній концепцій розвитку й у той час загальні всім структурних рівнів природної дійсності?

Хотя ця проблема нині ще далекою від рішення, усе-таки є певні підстави допускати існування законів і закономірностей прогресивного розвитку на природі, які охоплюють усі основні етапи — космогонічний, геологічний, біологічний, разом із специфічними законів і закономірностями, властивими кожному їх. Це може бути, по-перше, частнонаучные закони чи закономірності, які можна екстраполювати на цілісні процеси еволюції природної дійсності (скажімо, закон зростання ентропії чи певні «биоаналогии », мають досить загальне значення).

Во-вторых, ідея глобального еволюціонізму підтримують із боку загальнонаукових концепцій. Так, початок останні роки розробка генетичних аспектів загальної теорії систем дозволяє припускати, деякі сформульовані межах її закономірності може бути дуже широкої сферою застосовності, зокрема, охоплювати певні риси еволюції всієї досліджуваної природної дійсності. Вивченню процесів еволюції неживої і живий природи, і навіть прогресу суспільства може сприяти подальша розробка концепції самоорганізації.

Наконец, по-третє, можливо припустити, що є такі типи вистачить загальних еволюційних законів і закономірностей, які виявлено з урахуванням комплексного аналізу процесів розвитку на масштабах всієї системи наук про природі. Поки, звісно, передчасно обговорювати питання, чи буде закони, сформульовані спочатку у межах загальнонаукової картини світу, включатися далі у таку форму організації теоретичного знання, якою є теорія (система теорій), чи іншу, досі мало досліджену форму міждисциплінарного і загальнонаукового знання — вчення (прикладом якій у змозі служити вчення В.І.Вернадського про біосфері), або ж входити й до складу систем теорій, й у склад навчань різного рівня спільності. Принаймні, очевидно, що потреби як теоретичного, і світоглядного плану будуть стимулювати подальше обгрунтування ідеї глобального еволюціонізму.

Информационная концепція розвитку систем будь-який природи, основу якої лежать категорії інформатики — інформація, ентропія, інформаційні процеси та їх зв’язку з еволюційними процесами, очевидно, може розглядатися як одне з природничонаукових конкретизації загальної теорії развития.

2. Особливості описи складних систем.

Те практичні завдання, що сьогодні вирішуються, вимагають глибокого вивчення окремих об'єктів і явищ природи. Велика кількість завдань пов’язані з дослідженням складних систем, таких, куди входять безліч елементів, кожен із яких собою досить складна система, й інші системи тісно взаємопов'язані із зовнішнього середовищем. Вивчення таких систем у природних умовах обмежена їх складністю, а трапляється неможливим зважаючи на те, що не можна провести натурний експеримент чи повторити той чи інший експеримент. У умовах часом єдиним можливим методом дослідження є моделювання (фізичне, логічне, математичне). Без моделі немає пізнання. Будь-яка гіпотеза — це модель. І правильність гіпотези про майбутнє стані об'єкта залежить від цього, наскільки правильно визначили параметри досліджуваного об'єкту і їх взаємозв'язки між собою — і довкіллям. Проте наукове опис будь-коли охоплює всіх деталей, вона завжди виділяє суттєві елементи структур і зв’язків. Тому таке опис містить узагальнену модель явищ. Нині термін «загальна теорія систем «на пропозицію Л. Берталанфи трактується в широкому і вузькому значенні. Загальна теорія систем, понимаемая у сенсі, охоплює комплекс математичних і інженерних дисциплін, починаючи з кібернетики і закінчуючи інженерної психологією. Більше вузьке тлумачення терміна пов’язані з вибором класу математичних моделей для описи систем і підвищення рівня їх абстрактного описи.

Аналогичная ситуація складається з теорією розвитку складних систем. Її теж можна розуміти у широкому і вузькому значенні. У широкому значенні теорія розвитку складних систем — це природничонаукова конкретизація загальної теорії розвитку — матеріалістичної діалектики. У межах тієї ж теорії мають бути об'єднані основні тези щодо поведінки складних систем, розроблені у різних областях наукового знання, у результаті то, можливо побудована концептуальна модель процесів розвитку складних систем різної природи. Більше вузьке розуміння теорії розвитку передбачає побудова математичних моделей розвитку конкретних систем (біологічних, екологічних, економічних, соціальних тощо.). І тут об'єкт дослідження виділяється і аналізується конкретної наукової дисципліною.

Особенность простих систем — в практично взаємної незалежності їх властивостей, що дозволяє досліджувати всі вони окремо за умов класичного лабораторного експерименту; особливість складних систем залежить від істотною взаємозв'язку їх властивостей (іноді вона застосовується як визначення складної системи).

Будем вважати систему складної, якщо вона з значної частини взаємозалежних і взаємодіючих між собою елементів, кожен із яких то, можливо подано у вигляді системи. Як змісту теорії розвитку складних систем так можна трактувати сукупність методологічних підходів, дозволяють будувати моделі процесів розвитку складних систем, використовуючи досягнення різних наук, і навіть методи аналізу одержуваних моделей.

Обычное для теорії простих систем вимога адекватності моделі оригіналу для моделей складних систем призводить до непомірному зростання їх розмірності, приводящему до нездійсненності. Ситуація для побудови теорії здається безнадійної, вона справді виявляється такою, а то й зробити деякого розумного відступу від непомірних вимог адекватності теорії та водночас не полишати вимог її об'єктивності.

Математические моделі будь-яких систем може бути двох типів — емпіричні і теоретичні. Емпіричні моделі - це математичні висловлювання, аппроксимирующие (з використанням тих чи інших критеріїв наближення) експериментальні даних про залежності параметрів стану системи від значень параметрів які впливають них чинників. Для емпіричних математичних моделей непотрібен отримання жодних подань про будову і на внутрішньому механізмі зв’язків у системі. Разом про те завдання про перебування математичного висловлювання емпіричну моделі по заданому масиву спостережень не більше обраної точності описи явища неоднозначна. Існує безліч математичних висловів, аппроксимирующих не більше даної точності одні й самі досвідчені даних про залежності параметрів.

Теоретические моделі систем будуються виходячи з синтезу узагальнених уявлень про окремих що становлять їх процесах і явищах, виходячи з фундаментальних законах, що описують поведінка речовини, енергії, інформації. Теоретична модель описує абстрактну систему, й у початкового виведення її співвідношень непотрібен даних про спостереженнях за параметрами конкретної системи. Модель будується з урахуванням узагальнення апріорних поглядів на структурі системи та механізму перетинів поміж слагающими її елементами.

Наряду з емпіричними і теоретичними використовують і полуэмпирические моделі. Їх математичні висловлювання виходять теоретичним шляхом з точністю до емпірично одержуваних констант, або у загальну систему співвідношень моделей поруч із теоретичними висловлюваннями використовують і емпіричні.

Построение емпіричних моделей — єдиний спосіб моделювання тих елементів системи, котрим не можна побудувати нині теоретичних моделей через брак відомостей про їхнє внутрішньому механізмі. Питання, пов’язані з побудовою емпіричних моделей, ставляться до галузі обробки спостережень чи, точніше, до математичної теорії планування експерименту.

Для деяких систем єдина можливість оцінити правильність теоретичної моделі полягає у проведенні про чисельні експериментів із використанням математичних моделей. Поведінка моделі на повинен суперечити загальних уявлень про закономірності поведінки процесів.

Теоретическая модель описує не конкретну систему, а клас систем. Тому перевірка теоретичної моделі можлива для дослідження конкретних частково чи повністю можна побачити систем. Потім перевірену в такий спосіб теоретичну модель можна застосовувати щодо описи і вивчення конкретних ненаблюдаемых систем, які стосуються до того ж або до вужчому класу.

Строго обгрунтувати вираз «моделі ставляться одного й тому класу «важкувато. Ми розглядатимемо клас та розвитку систем, до якій можуть ставитися системи штучні, живої та неживої природи, соціальні й т.п.

Между емпіричними, полуэмпирическими і теоретичними моделями немає різкій кордону. Будь-які математичні моделі, зрештою, виражаються через параметри, зумовлені експериментальним шляхом. Усі різницю між трьома згаданими типами моделей зводяться до ступеня спільності уявлень, які стосуються даної моделі, саме: або їх ставляться безпосередньо до досліджуваному конкретному об'єкту, чи пов’язані з класом таких об'єктів, або ж, нарешті, пов’язані з класом явищ, наблюдающихся у природі.

Большинство процесів настільки складно, що з сучасний стан науки дуже рідко вдається створити їх універсальну теорію, діючу в усі час і усім ділянках аналізованого процесу. Натомість потрібно у вигляді експериментів і спостережень спробувати зрозуміти провідні (що визначають) чинники, які визначають поведінка системи. Виділивши ці чинники, слід абстрагуватися від інших, менш істотні, побудувати простішу математичну модель, що враховує лише виділені чинники. До зовнішніх чинникам будемо відносити такі, які впливають на параметри досліджуваної моделі, однак самі на досліджуваному часовому відрізку їй не довіряють зворотного впливу.

Известно, що матеріальне єдність світу вихлюпнеться у взаємозв'язку цілого та її частин. Донедавна в природознавстві переважним був підхід, за яким частина завжди розглядали як простіше, ніж ціле. Нове напрям — синергетика описує процеси, у яких ціле має такими властивостями, яких в його частин. Вона розглядає навколишній матеріальний світ знає як безліч локалізованих процесів різної труднощі й ставить за мету відшукати єдину основу організації світу — як для найпростіших, і для складних його структур. У той самий час синергетика не стверджує, що ціле складніше частини, вона зазначає, що ціле і частина мають різними властивостями і з цього відмінні друг від друга.

В синергетики робиться спроба описати розвиток світу у відповідність до його внутрішніми законами розвитку, спираючись у своїй на результати відновлення всього комплексу природних наук. У нашій аналізу є важливим те, що однією з основних понять синергетики є поняття нелінійності.

Не лише у процесі наукового пізнання, а й у своєму повсякденному практиці ми зіткнулися з різними проявами нелінійних закономірностей. Поведінка нелінійних систем принципово відрізняється від поведінки лінійних. Найбільш характерне відмінність — порушення у яких принципів суперпозиции. У нелінійних системах результат кожного з у присутності іншого виявляється іншим, ніж у випадку відсутності останнього.

Математические дослідження природи лінійності і нелінійності однак обумовлювалися потребами розвитку фізики. Постановка завдання про нелінійності пов’язані з іменами Рэлея, Д «Аламбера, Пуанкаре, які досліджували математичну модель струни та інші моделі з допомогою диференційних рівнянь.

В 1930;ті роки XX в. перше місце у сфері звичайних диференційних рівнянь стають проблеми якісної теорії. Значний вплив їхньому розвиток надають потреби фізики, особливо нелінійної теорії коливань. Фізикам Андронову і Мандельштаму належить тут низку важливих математичних ідей розробок. Мандельштам першим звернув увагу до необхідність вироблення у фізиці нового «нелінійного мислення ». До його найкращих робіт існували тільки окремі приватні підходи до аналізу окремих нелинейностей у різних фізичних завданнях. Роль Мандельштама у тому, що він чітко зрозумів загальність нелінійних явищ, зумів побачити, можливості лінійної теорії принципово обмежені, що з її межами лежить величезний коло явищ, потребують розробки нових нелінійних методів аналізу.

Возникают питання: як і роль нелінійності, для чого необхідне розробляти нелинейные моделі, якщо дуже багато фізичних процесів можна пояснити з допомогою лінійних моделей або ж звести нелинейные завдання до лінійним? Відповідь для цієї питання ось у чому: лінійні завдання розглядають лише зростання, течії процесів, нелінійний ж описує фазу їх стабілізації, можливість існування кількох типів структур. У той самий час нелінійний висловлює тенденцію різних фізичних процесів до нестійкості, тенденцію початку хаотичного руху. Отже, поєднання лінійності і нелінійності (навіть поки що далеко ще не діалектичне) дає понад адекватне відбиток реальних процесів, оскільки з допомогою виражається єдність стійкості й мінливості, що є ядром сутності будь-якого руху.

Решение численних проблем, які виникають за описі переходу від регулярного до стохастическому руху, пов’язують із розвитком стохастической чи хаотичної динаміки.

Удалось показати, що з допомогою рівнянь, запропонованих Х. Лоренцем, або систем рівнянь, які включають дивні аттракторы, можливо опис поведінки деяких типів плазмових хвиль, хімічних реакцій у відкритих системах, циклів сонячної активності. закономірностей зміни чисельності біологічних співтовариств, дослідження питань, що з генерацією лазерів у певному діапазоні параметрів.

Синергетика, використовуючи єдність лінійності і нелінійності, висловлює теоретично ті аспекти матеріального єдності світу, пов’язані зі спільними властивостями саморозвитку складних систем. Нелинейные рівняння, що є основою цієї теорії, дозволяють з допомогою досить простих моделей описувати найрізноманітніші матеріальні процеси. Причому, навіть вирішуючи цих рівнянь, можна виробити уявлення про якісно нових рисах тих процесів, які цими рівняннями описуються.

Теория описи складних хаотичних процесів М. Фейгенбаума цікавить, бо автор, по суті, виходить із визнання матеріального єдності світу і намагається знайти те загальне, що взагалі властиве хаотичним процесам різної природи. Ця теорія показує, поведінка всіх диссипативных систем поблизу початку хаотичного руху носить універсальному характері. Теорія дає можливість описати поведінка тій чи іншій системи поза можливості інших математичних уявлень.

Для виявлення найзагальніших закономірностей поведінки потрібні макромоделі, які мають найвищий рівень узагальнення. Можливо, такий моделлю то, можливо модель процесу розвитку, побудована з урахуванням інформаційної концепції.

Построение такий моделі проводилося на кілька етапів: концептуальна модель; модель процесу самоорганізації; власне математична модель, тобто. рівняння, яке описує поведінка системи; машинна модель, реалізує алгоритм рішення цього уравнения.

3. Концептуальна модель розвитку.

Наиболее важливий етап процесу розробки моделі полягає у виборі структури моделі системи. Навряд можна вважати доцільним починати дослідження відразу з докладним математичну модель ще до його того, як висунуті основні гіпотези і досягнуто глибше розуміння механізму роботи системи.

Разработка моделі системи починається з найменш структуризованных і найширше застосовуваних понять, і основі аксіоматичним чином розвивається подальша математична модель.

Методические аспекти вивчення розвитку складних систем невідривні від самого теорії розвитку. Завдання у тому, щоб для певного класу систем, саме відкритих динамічних самоорганізуючих, конкретизувати загальні закономірності розвитку, формалізувати їх, побудувати модель розвитку.

Идея розвитку тісно пов’язана з концепцією ієрархії структурних рівнів природи, виступаючих як щаблі, етапи розвитку природних об'єктів. Це становище об'єднані для систем різної природи. Відповідно до схемою ієрархічного ступенчатого будівлі матерії, окремі об'єкти певного рівня матерії, беручи специфічні взаємодії, служать вихідними утвореннями у розвитку принципово нових типів об'єктів із іншими властивостями і формами взаємодії. У цьому основним вихідним становищем служить наявність наступності. Якщо немає наступності, ми спостерігатимемо не процес розвитку, а лише хаотичні зміни круговоротів. Нове завжди народжується у надрах старого.

Развитие неживої і живий природи сприймається як необоротне на зміну структури об'єктів природи. Важлива проблема теоретично розвитку — виявлення об'єктивних критеріїв прогресу, які визначають перехід системи від рівня розвитку до іншого, вищому.

Одной з природничонаукових конкретизаций принципу розвитку є особливим принцип зростання ентропії, який відбиває освіту нових матеріальних форм і структурних рівнів. Рівняння Больцмана для ентропії часто розглядають як математичне вираз закону еволюції. Однак це математична модель процесу розвитку має такими на серйозні недоліки. Вона показує лише напрям еволюції і враховує той факт, що системи — це системи відкриті, які можуть опинитися зменшувати свою ентропію рахунок збільшення ентропії у зовнішнього середовища.

С позицій нерівновагової термодинаміки розвиток сприймається як послідовність переходів ієрархії структур зростаючій складності. Перехід новий рівень розвитку залежить від безладдя порядок через нестійкість. У нерівноважних ситуаціях поява порядку можливе лише за наявності зовнішніх потоків (вещественно-энергетических чи інформаційних), утримують систему далеке від рівноваги. За відсутності цими потоками (ізоляції системи) у таких ситуаціях розвиваються диссипативные руйнації структури, розсіювання (диссипация) енергії чи інформації, у результаті системи деградують до рівноважному стану. Взаємодія з середовищем створює потенційні змогу виникнення нестійких станів і чекає появи за нестійкістю нової, більш упорядкованим структури.

Возникающая в процесі розвитку нестійкість відкриває можливість стрибкоподібного переходу системи до нового стан. Стрибок можна як реакцію системи на обурення з його компенсації, лише систему повертають над старе стан, а перетворюється на нове, тобто. «розвиток через нестійкість «забезпечує стійкість більш рівні. У цьому сама стійкість розуміється не як стійкість рівноважних структур типу кристалічних утворень, бо як динамічна стійкість відкритих систем з допомогою самоорганізації, авторегуляции, здійснювана для досить складних систем в основному шляхом інформаційного обміну (В.Эбелинг).

Спокойный еволюційний етап розвитку характеризується наявністю відповідних механізмів, стабілізуючих дане стан системи та які ліквідують будь-яке відхилення від нього (повертають систему до цього стану). З часом ці механізми послаблюються через кількісного зростання відповідних параметрів середовища чи системи, через що вони не можуть здійснювати стабілізацію системи. Настає кризовий стан. Нове входить у протиріччя з колишнім, як і дозвіл цього протиріччя, відбувається стрибкоподібний перехід системи в нове стійке стан.

Развитие — це передусім необоротне зміна. Тож надміру стійка, тобто. абсолютно стійка, система до розвитку неспроможна, оскільки вона придушує будь-які відхилення від своєї гиперустойчивого гніву й за будь-якої флуктуації повертається у своє рівноважний стан. Для переходу до нового стан система має стати в якусь мить нестійкою. Але перманентна нестійкість — інша крайність, що також шкідлива системі, як гиперустойчивость, оскільки вона виключає «пам'ять «системи, адаптивне закріплення корисних для виживання у цій середовищі характеристик системи.

Таким чином, хоча мають право існування лише стійкі системи (несталі відразу элиминируются), але розвиваються лише з існуючих систем, які здатні (тимчасово) ставати нестійкими під впливом відповідних чинників. Такий тип поведінки характерний для відкритих систем, які можуть опинитися перебувати у стаціонарних станах, далекі від рівноваги.

Такое поведінка ми бачимо у біологічних, екологічних, економічних, соціальних систем. Нині основні тези нерівновагової термодинаміки про розвиток складних систем стали практично загальнонауковими.

Опираясь на таке уявлення про розвиток складних систем, можна назвати дві основні параметра, характеризуючих процес розвитку. Це стійкість системи та міра її організованості.

Развитие — це єдиний цілісний процес, котрі можуть розглядатися, тільки стосовно системі, тому що цей процес є наслідком кооперативного дії елементів системи. Якщо хочемо досліджувати процес розвитку окремого елемента, маємо уявити цей елемент як системи, провівши розбивка його за елементи і виділивши зовнішню середу. Мірою організованості системи може служити ентропія, понимаемая у сенсі. Стан системи визначається розподілом її елементів, які мають даним ознакою, мірою їх упорядкованості. Ентропія системи може бути оцінена щодо різноманітних рівнів агрегирования її елементів.

Из викладених вище міркувань слід, що з визначення гніву й тенденцій розвитку системи треба зазначити, що не стані перебуває система (усталеному чи нестійкому) як і у своїй змінюється ентропія системи.

Эволюционный етап розвитку, характеризується сталістю системи та збільшенням ентропії. Зростання ентропії може бути як зростанням кількості елементів, а й порушенням зв’язків, упорядкованості системи. І тут порушення зв’язків можуть призвести до того що, що систему перестане виконувати покладені її у функції, вона нездатна до цього силу своєї неорганізованості. Отже, зростання ентропії який завжди свідчить у тому, що систему підвищує свої запаси стійкості. Поблизу точки біфуркації випадкові флуктуації можуть невпізнанно змінити траєкторію руху системи. Залежно від зовнішніх і внутрішніх умов система або деградує, або переходить нового якісний рівень розвитку. Період зародження та формування нової виборчої системи пов’язаний із втратою стійкості й виникненням диссипативной структури, яка зберігається завдяки обміну енергією, речовиною, інформацією із зовнішнього середовищем. Період зародження нової виборчої системи характеризується збільшенням диссипации. За дотримання певних умов у системі виникатимуть процеси упорядкування структури, у результаті ентропія постійно зменшуватиметься і система піде на нове стійке стан. У цьому один цикл розвитку закінчується, починається наступний — еволюція нової виборчої системи. Деградація системи у два аспекти.

В першому випадку різко зростає ентропія, система втрачає стійкість, але переходу до нового стійке стан немає. У разі відсутні регулюючі механізми (внутрішні і його зовнішні), виникає лавиноподібне зростання ентропії внаслідок зростання кількості нових элементов-признаков й відсутності когерентного їх поведінки. Система дезорганизуется не може виконувати своїх функцій.

Во другому разі ентропія зменшується з допомогою кількісних змін — у системі. Система через свою гиперустойчивости втрачає спроможність до адаптації й за наявності відповідних зовнішніх впливів не завалиться, тобто. стійкість окремих підсистем ще визначає стійкість системи загалом.

Устойчивость та розвитку систем ми пов’язуємо із структурною сталістю і функціонуванням системи. У разі система, яка має здібностями до адаптації, неспроможна функціонувати у мінливих зовнішніх умов (А.К.Айламазян).

В залежності від значень управляючого параметра система може у великому числі стійких і нестійких режимів. Траєкторія розвитку системи характеризується чергуванням стійких областей, на якому домінує детерминистические закони, і нестійких областей поблизу точок біфуркації, де перед системою відкривається можливість вибору однієї з кількох варіантів майбутнього.

И детерминистический характер рівнянь, що описують поведінка системи, дозволяють обчислити заздалегідь набір можливих станів, визначити їх відносну стійкість, і випадкові флуктуації, «що визначають «одне з кількох можливих станів поблизу точки біфуркації, як найтісніше взаємопов'язані. Ця суміш потребі - і випадковості і як «історію «системи.

Модель пов’язує конкретний етап розвитку системи з знаком похідною ентропії і сталістю системи. Модель показує, що систему будь-якої складності може проходити при відповідні умови все етапи розвитку.

Предлагаемая концептуальна модель розвитку виходить з однією з основних категорій інформатики — ентропії як мері ладу у системі. Тому излагаемую концепцію розвитку систем назвемо інформаційної та висунемо гіпотезу у тому, що вона застосовна до систем неживої і живий природи, штучним, соціальним і іншим системам.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.