Концепции синергетики в теории систем.
Попов В.П., Крайнюченко И.В.

Общая теория систем (ОТС), начиная с А. Богданова [1] и Л. фон Берталанфи [2], существует около ста лет. Системой принято называть любое достаточно сложное образование, состоящее из множества взаимосвязанных элементов, которые как единое целое взаимодействуют с внешней средой [3]. При этом свойство системы не сводится к сумме свойств составляющих её элементов.
Каждый исследователь, преследуя свои цели, из «моря» окружающей информации выделяет только интересующую его часть. Согласно определению Клира: «системой является все, что мы хотим рассматривать как систему» [4]. Поэтому ОТС - это еще не законченная теория, а комплект концепций, изменяющийся в ходе развития науки.
ОТС и кибернетика являются органически связанными науками. Кибернетика изучала процессы регулирования гомеостазиса консервативных систем («черных ящиков»). Современные идеи глобального эволюционизма позволяют «обновить» ОТС, усилить концепцию эволюционизма. Поэтому «Общая теория систем» (ОТС) должна включать в себя идеи синергетики, превращаясь в «Синергетическую теорию систем» (СТС). Для этого придётся расширить понятия «элемент», связь (взаимодействие).
Согласно ОТС элемент – это минимальный, неделимый фрагмент объекта. Элементом системы может быть не любой произвольный фрагмент. Элемент должен содействовать достижению целей системы. Элемент является неделимой частью системы не потому, что его невозможно расчленить на более мелкие части, но потому, что при этом он потеряет нужные для системы функции. К этому следует добавить, что для функционирования элемент должен иметь вход и выход (приток ресурсов, отток продуктов деятельности), без связей элемент перестанет функционировать. Поэтому функционирующей частью системы может быть только «кентавр» элемент – связь [3]. Деление его на части (элемент и связи) для упрощения является всего лишь мысленным приёмом.
Эволюция систем происходит как совокупное изменение элементов и связей, но четвертое измерении (время) для ОТС как бы отсутствует. Изучение организаций без учёта их развития ограничивает мировоззрение. Например, свойства стали, вкус торта нельзя воспроизвести только на основании знания их состава. Важно знать последовательность и условия приготовления композиций. Сажа и алмаз состоят из атомов углерода, но как сажу превратить в алмаз? Без знания технологи склеивания невозможно получать прочные соединения.
В четырехмерном пространстве - времени любая система, и её элементы выглядят как кинофильм. Если отснять кинофильм о растущем цветке, то это открывает много новой информации, которую невозможно получить при изучении взрослого растения. Классическая ОТС рассматривает только один кадр кинофильма, но СТС воспринимает все объекты как эволюционный ряд (ЭР) развернутый в четырехмерном пространстве – времени.
Эволюционные ряды событий изучает геология, зоология, антропология, генетика, история и др. науки. Чем более протяжённый ЭР удаётся построить, тем шире раздвигаются горизонты науки. Каждый ЭР имеет пределы в пространстве и во времени из – за ограниченных возможностей науки. Например, наблюдения за человеком старшего возраста не дает возможности представить его младенческий образ. Картину эволюции биосферы миллионы лет назад никто не созерцал, но по сохранившимся ископаемым остаткам ученые частично смогли её реконструировать.
Временная протяженность эволюционных рядов зависит от темпа «вымирания» старого и темпа образования нового. Например, многочисленные простейшие одноклеточные жители Земли – прокариоты сегодня выродились в малочисленные колонии. Глобальная экспансия рептилий завершилась, остались вымирающие черепахи, змеи, крокодилы, ящерицы и др. Неандертальцы вымерли полностью (сохранилась память в ископаемых остатках и настенной живописи), но расплодились люди.
Итак, прошлое имеет тенденцию исчезать, распадаться, поэтому эволюционный ряд напоминает след реактивного самолёта в небе. Передний фронт перемещается и растет, задний – сокращается. Распаду, разрушению подвержены «старые» структуры. Если структура продолжает существовать в наше время, следовательно, она еще молодая. Атомы существуют многие миллиарды лет, очевидно, их жизненный цикл очень продолжительный.
Однако распад структур не означает, что исчезает память (информация) о ней. Каждый новый объект может возникнуть путем нового сочетания предшественников, поэтому «старое» обязательно входит в структуру «нового». Очевидно, что анализ структуры нового может дать сведения о прошлом. Примерами могут служить исторические исследования, изучение архивов, раскопки древних поселений. Устройство древних одноклеточных можно понять по исследованию современных клеток. ДНК человека хранит память о вымерших организмах [5]. Изучение современных клеток позволяет высказать предположение о древних доклеточных формах жизни. Следователь по следам раскрывает прошлые преступления. Годовые кольца на пеньках деревьев могут рассказать о климате минувших веков.
Итак, в СТС вместо понятия элемент вводится понятие элементарный эволюционный ряд (ЭР) [3]. Он метафорически представляется кинофильмом, который можно «прокрутить» в сознании. Чтобы воспринимать систему в виде совокупности ЭРов, связанных между собой, требуется тренировка пространственно – временного воображения. Полнота представления ЭРа в сознании человека зависит от его эрудиции и научных знаний.
Точка зрения на двуединство элементов и связей рекомендует их эволюцию рассматривать совместно. Понятие связь в ОТС не достаточно проработана в философском и научном плане. В древних философских учениях Мир считался (взаимо)связанным. Садовский [6] напрасно анализирует вариат одностороних связей, их в природе не существует. На всякое действие всегда имеется противодействие (не всегда симметричное). Движение электрического тока испытывает сопротивление (закон Ома). В классической механике этот факт выражается законом равенства действия и противодействия. Давление на опору вызывает реакцию. Движению в плотных средах препятствует сила трения. Реакция физико-химической системы на внешнее воздействие осуществляется посредством реорганизации внутренних связей (принцип Ле - Шателье – Брауна).
Можно показать, что связи (взаимодействия) осуществляются путем обмена триедиными потоками вещества (В), энергии (Э) и информации (Э). На субатомном уровне действуют сильные и слабые взаимодействия, которые физики представляют как обмен глюонами и мезонами. В ядре атома нуклоны обмениваются мезонами, и это удерживает их от распада. Атомное строение уравновешивается электрическими силами притяжения и центробежными силами отталкивания. Процессы в экономике есть процессы обмена товарами, деньгами. Биосфера объединяется трофическими и другими связями.
В макрообъектах длина связей возрастает за счет эстафетных взаимодействий. Колебания передаются от частицы к частице, как в почте на перекладных. Удлинение электромагнитных связей стало возможным только при возникновении упорядоченных материальных каналов. (магнитопроводы, волноводы, световоды, линии электропередач, водопроводы, газопроводы, железные и грунтовые дороги и пр). Нервный сигнал достигает адресата также по цепочке нейронов. Так работают и радиорелейные линии.
Холистическое мировоззрение вносит в ОТС представление о триединстве ВЭИ потоков. Движущееся вещество (В) содержит и энергию (Э), и информацию (И). Например, энергия электричества заключается в движение электронов. Водопад переносит и вещество, и энергию. Информация всегда переносится посредством вещества и хранится на материальных носителях. Напимер, телеграфные сообщения являются прерывистым движением электрического тока. На магнитные носители информация наносится в виде намагниченных участков.
Связь всегда содержит передатчик, канал и приёмник ВЭИ. Для нарушения связи достаточно ликвидировать любой из названных элементов. Но в целостном, материальном мире ликвидировать связи полностью нельзя. Можно сделать их малопригодным для целей системы. Поэтому для жизнеспособной системы нужна не любая связь, а эффективная.
В ОТС статичные связи распределены в пространстве между элементами. Но с точки зрения СТС связи существуют как в пространстве, так и во времени (связь времен). Это радикально меняет представление о дискретном характере взаимодействий.
Поскольку весь материальный мир является дискретным и энергетически квантованным, то и ВЭИ потоки периодически должны изменяться количественно и качественно. Движение электронов по проводнику сопровождается «дробовым эффектом» (шум, неравномерность потока электронов). В изолированном сосуде давление не постоянно, а наблюдаются флюктуации, вызванные неоднородностью движения молекул. Любой гомеостат работает в колебательном режиме по схеме: воздействие – пауза - обратная связь – пауза – следующее воздействие и т.д. Инерционность систем принуждает вести управление с определенной периодичностью. В ходе эволюции, с усложнением систем длительность циклов управления возрастает. Биосферные циклы растянуты на сотни миллионов лет. Популяционные волны короче. Клеточные циклы исчисляются минутами. Очевидно, при проектировании систем управления необходимо вести поиск оптимальных ритмов пульсаций ВЭИ потоков в каналах связи.
Четырехмерный взгляд на взаимодействия позволяет разделить их на «прошлые» и «настоящие». Такая точка зрения является всего лишь одним вариантом множества дискретных состояний системных связей, но позволяет разрешить ряд противоречий в теории систем. Рассмотрим примеры.
При взрыве гранаты осколки разлетаются совместно, практически не влияя друг на друга. Если рассматривать осколки в некоторый момент после взрыва, то с точки зрения ОТС, их нельзя назвать системой, т.к. они не взаимодействуют между собой, но общая цель у них имеется (накрыть некоторое пространство). Если отснять кинофильм о взрыве, то можно увидеть причину когерентного полета осколков. Дальность, направление разлета осколков конструктивно запрограммированы в устройстве гранаты. Стартовое взаимодействие, которое существовало до взрыва, виртуально продолжало функционировать и после него. Аналогично приказ командира является программой действия бойца на всем протяжении боя. Приведём другие примеры.
Макроскопический кристалл по ряду признаков считается хорошо упорядоченной системой. В целостной системе любые изменения должны отражаться на всех частях системы. Однако можно отломить часть кристалла, и это не нарушит порядка расположения атомов на другом его конце. Этот факт противоречит концепции целостности системы, но если система не целостная, то почему тогда все элементарные ячейки кристалла идентичны? Получается, что при ограниченной длине связей может возникать организованность, превышающая намного порядков по размерам длину связи. Это пример показывает незавершённость «Общей теории систем». Для кибернетики интерес представляют только связи, существующие в настоящий момент времени и игнорируются пройденные этапы образования системы. Но для СТС важен факт существования взаимосвязи в прошлом и настоящем. Приведём примеры.
Рост кристалла начинается из зародыша. Размеры зародыша соизмеримы с длиной межатомных связей. На этой стадии нет противоречия между целостностью системы и длиной связей. Далее кристалл растет слоями. Предшествующий слой (субстрат) определяет структуру следующего наслоения. Это является структурной памятью, передаваемой от слоя к слою. Имеет место поток информации от центра к границе растущего кристалла. Точно так поддон для хранения и транспортировки яиц имеет ячейки (углубления), которые детерминируют расположение яиц. Описанный процесс позволяет возникнуть системе очень большого размера, но при этом прямая связь между отдалёнными во времени и пространстве элементами практически теряется. Однако остаётся системообразующая память о прошлых виртуальных связях. Однояйцевые близнецы имеют в своей основе одинаковые программы развития (ДНК). Близнецов можно разлучить, но стартовая генетическая программа до смерти будет влиять на сходство их поведения. Рассуждения по поводу СТС привели нас к выводу о возможности существования «виртуальных» взаимодействий между элементами систем.
В качестве иллюстрации познавательных возможностей СТС попытаемся разрешить противоречие между философской и кибернетической трактовкой системности Вселенной. Модель расширяющейся Вселенной предполагает начальное (сингулярное) состояние, когда размеры Вселенной были ограничены и сигналы взаимодействия достигали любых её элементов. Взаимодействие между подсистемами Вселенной по мере её расширения ослабевает, но стартовой программы достаточно, чтобы эстафета развития продолжалась. Вселенную можно считать системой потому, что её части продолжают «помнить» стартовый алгоритм и эта виртуальная связь продолжает управлять развитием. Итак, взаимодействия могут реализоваться, как через актуальные, так и через виртуальные связи. Точно так отношения (закреплённые служебными инструкциями) между начальником и подчиненным остаются даже тогда, когда один из них в отпуске.
Наличие системной памяти привело к появлению сигнальных взаимодействий. Для передачи сигнала передатчик и приёмник должны иметь память и знания о назначении сигнала. Например, если красная ракета является сигналом атаки, то эти сведения бойцы получили заранее. Сигнальные связи могут функционировать только в обучаемых системах.
Итак, современная теория систем, кроме известных концепций должна включать в себя представления об элементарных эволюционных рядах; взаимодействиях, основанных на обмене ВЭИ потоками; прошлых (виртуальных) взаимодействиях, оставивших следы в структурной памяти системы.
Литература
1. Богданов А.Л. Тектология. Всеобщая организационная наука. - М.: Экономика. 1983.
2. Берталанфи Л. Общая теория систем. - М.: Системное моделирование, 1969.
3. Крайнюченко И.В., Попов В.П. Системное мировоззрение. Теория и анализ. – Пятигорск. ИНЭУ. 2005.
4 Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. - М.: Иностр. лит. 1990.
5. Дмитриев А.Н., Дмитриева Э. Я. Социально-гносеологические аспекты функциональной структуры бессознательного психического // Бессознательное. т.3. Тбилиси, 1978 – 1985.
6. Садовский В.Н. Основания общей теории систем. - М.: Знание, 1974.