Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - 4.3. Концептуальна модель розвитку

Найбільш важливий етап процесу розробки моделі полягає у виборі структури моделі системи. Навряд чи можна вважати за доцільне починати дослідження з докладної математичної моделі, ще до того, як висунуті основні гіпотези і досягнуте більш глибоке розуміння механізму роботи системи. Розробка моделі системи починається з найменш структуризованих і найширше застосовуваних понять, а на їхній основі аксіоматичним способом розвивається подальша математична модель. Методичні аспекти вивчення розвитку складних систем невідривні від самої теорії розвитку.

Завдання полягає в тому, щоб для певного класу систем, а саме відкритих динамічних, таких, що самоорганізуються, конкретизувати загальні закономірності розвитку, формалізувати їх, побудувати модель розвитку. Ідея розвитку нерозривно пов'язана з концепцією ієрархії структурних рівнів природи, що виступають як ступені, етапи розвитку природних об'єктів. Це положення єдине для систем різної природи. Відповідно до схеми ієрархічної ступеневої будови матерії, окремі об'єкти певного рівня матерії, вступаючи в специфічні взаємодії, служать вихідними утвореннями в розвитку принципово нових типів об'єктів з іншими властивостями і формами взаємодії. При цьому основним вихідним положенням є наявність наступності. Якщо немає наступності, то ми будемо спостерігати не процес розвитку, а лише хаотичні зміни круговоротів. Нове завжди народжується в надрах старого. Розвиток неживої і живої природи розглядається як необоротна зміна структури об'єктів природи. Важлива проблема в теорії розвитку – виявлення об'єктивних критеріїв прогресу, що визначають перехід системи від одного рівня розвитку до іншого, більш високого.

Однією з природничонаукових конкретизацій принципу розвитку є принцип зростання ентропії, що відбиває утворення нових матеріальних форм і структурних рівнів. Рівняння Больцмана для ентропії часто розглядають як математичне вираження закону еволюції. Однак ця математична модель процесу розвитку має такі серйозні недоліки.

Вона показує лише напрямок еволюції і не враховує того факту, що системи, які розвиваються, – це системи відкриті, котрі можуть зменшувати свою ентропію за рахунок збільшення ентропії в зовнішньому середовищі. З позицій нерівноважної термодинаміки розвиток трактується як послідовність переходів ієрархії структур зростаючої складності. Перехід на новий рівень розвитку йде від безладдя до порядку через нестійкість. У нерівноважних ситуаціях поява порядку можлива тільки за наявності зовнішніх потоків (матеріально-енергетичних або інформаційних), що утримують систему далеко від рівноваги. За відсутності цих потоків (ізоляції системи) у подібних ситуаціях розвиваються дисипативні руйнування структури, розсіювання (дисипація) енергії або інформації, у результаті чого системи деградують до рівноважного стану.

Взаємодія із середовищем створює потенційні можливості для виникнення нестійких станів і появи слідом за нестійкістю нової, більш упорядкованої структури. Нестійкість, що виникає у процесі розвитку, створює можливість стрибкоподібного переходу системи до нового стану. Стрибок можна розглядати як реакцію системи на збурювання з метою його компенсації, тільки система повертається не до старого стану, а переходить до нового, тобто "розвиток через нестійкість" забезпечує стійкість на більш високому рівні. При цьому саму стійкість розуміють не як стійкість рівноважних структур типу кристалічних утворень, а як динамічну стійкість відкритих систем за рахунок самоорганізації, авторегуляції, здійснювану для досить складних систем в основному шляхом інформаційного обміну (В. Ебелінг).

Спокійний еволюційний етап розвитку характеризується наявністю відповідних механізмів, що стабілізують даний стан системи і ліквідують будь-яке відхилення від нього (повертають систему до цього стану). З часом ці механізми послаблюються через кількісне зростання відповідних параметрів або середовища системи, у силу чого вони вже не можуть здійснювати стабілізацію системи. Настає кризовий стан. Нове вступає в протиріччя зі старим, і, як результат цього протиріччя, відбувається стрибкоподібний перехід системи до нового стійкого стану.

Розвиток – це насамперед необоротна зміна. Тому занадто стійка, тобто абсолютно стійка, система до розвитку не здатна, тому що вона придушує будь-які відхилення від свого гіперстійкого стану і при будь-якій флуктуації повертається у свій рівноважний стан. Для переходу до нового стану система повинна стати в якийсь момент нестійкою. Але перманентна нестійкість – це інша крайність, що також шкідлива для системи, як гіперстійкість, тому що вона виключає "пам'ять" системи, адаптивне закріплення корисних для виживання в даному середовищі характеристик системи.

Таким чином, хоча мають право на існування тільки стійкі системи (нестійкі відразу елімінуються), але розвиваються тільки ті з існуючих систем, що здатні (на деякий час) ставати нестійкими під впливом відповідних факторів. Такий тип поведінки характерний для відкритих систем, що можуть знаходитися в стаціонарних станах, далеких від рівноваги. Таку поведінку ми спостерігаємо в біологічних, екологічних, економічних, соціальних системах.

У даний час основні положення нерівноважної термодинаміки про розвиток складних систем стали практично загальнонауковими. Спираючись на таке уявлення про розвиток складних систем, можна виділити два основні параметри, що характеризують процес розвитку. Це стійкість системи і міра її організованості.

Розвиток – це єдиний цілісний процес, що може розглядатися тільки стосовно системи, тому що цей процес є результатом кооперативної дії елементів системи. Якщо ми хочемо досліджувати процес розвитку окремого елемента, то повинні зобразити цей елемент у вигляді системи, провівши розбивання його на елементи і виділивши зовнішнє середовище.

Мірою організованості системи може служити ентропія, що розуміється в широкому смислі. Стан системи визначається розподілом її елементів, що мають дану ознаку, мірою їхньої впорядкованості. Ентропія системи може бути визначена д ля різних рівнів агрегування її елементів.

З викладених вище міркувань випливає, що для визначення стану і тенденцій розвитку системи необхідно знати, у якому стані знаходиться система (стійкому чи нестійкому) і як при цьому міняється ентропія системи. Еволюційний етап розвитку характеризується стійкістю системи і збільшенням ентропії. Зростання ентропії може бути викликано не тільки зростанням числа елементів, але й порушенням зв'язків, упорядкованості системи. У цьому випадку порушення зв'язків може призвести до того, що система перестане виконувати покладені на неї функції, вона буде нездатна до цього в силу своєї неорганізованості. Отже, зростання ентропії не завжди свідчить про те, що система підвищує свій запас стійкості. Поблизу точки біфуркації випадкові флуктуації можуть змінити траєкторію руху системи.

Залежно від зовнішніх і внутрішніх умов система або деградує, або переходить на новий якісний рівень розвитку. Період зародження і формування нової системи пов'язаний із втратою стійкості і виникненням дисипативної структури, що зберігається тільки завдяки обміну енергією, речовиною, інформацією із зовнішнім середовищем. Період зародження нової системи характеризується збільшенням дисипації. При дотриманні певних умов у системі можуть виникнути процеси впорядкування структури, в результаті чого ентропія буде зменшуватися і система перейде до нового стійкого стану. На цьому один цикл розвитку закінчується, починається наступний – еволюція нової системи.

Деградація системи розглядається в двох аспектах. У першому випадку різко зростає ентропія, система втрачає стійкість, але перехід до нового стійкого стану не відбувається. У даному випадку відсутні регулюючі механізми (внутрішні і зовнішні), виникає лавиноподібне зростання ентропії внаслідок зростання числа нових елементів-ознак і відсутності когерентної поведінки з їхнього боку. Система дезорганізується і не може виконувати свої функції.

У другому випадку ентропія зменшується за рахунок кількісних змін у системі. Система в силу своєї гіперстійкості втрачає здатність до адаптації і за наявності відповідних зовнішніх впливів може зруйнуватися, тобто стійкість окремих підсистем ще не визначає стійкість системи в цілому. Стійкість систем, що розвиваються, ми пов'язуємо зі структурною стійкістю і функціонуванням системи. У даному випадку система, яка не має здатності до адаптації, не може функціонувати в мінливих зовнішніх умовах (А. К. Айламазян).

Залежно від значень керуючого параметра система може знаходитися у великому числі стійких і нестійких режимів. Траєкторія розвитку системи характеризується чергуванням стійких ділянок, де домінують детерміністичні закони, і нестійких ділянок поблизу точок біфуркації, де перед системою відкривається можливість вибору одного з кількох варіантів майбутнього. І детерміністичний характер рівнянь, що описують поведінку системи і дозволяють обчислити заздалегідь набір можливих станів, визначити їхню відносну стійкість, і випадкові флуктуації, які "вибирають" один з кількох можливих станів поблизу точки біфуркації, найтіснішим чином взаємозалежні. Ця суміш необхідності й випадковості становить "історію" системи. Модель пов'язує конкретний етап розвитку системи зі знаком похідної ентропії і стійкістю системи. Модель показує, що система будь-якої складності за відповідних умов може проходити всі етапи розвитку.

Пропонована концептуальна модель розвитку базується на одній з основних категорій інформатики – ентропії як мірі порядку в системі. Таку концепцію розвитку систем назвемо інформаційною і висунемо гіпотезу про те, що вона застосовна до систем неживої і живої природи, до штучних, соціальних та інших систем.