Mир нелинейных систем

На протяжении всего предшествующего изложения постоянно возникало упоминание нелинейных явлений, нелинейности поведения системы. Ниже эти понятия будут раскрыты, и на ряде примеров показано, в чем состоит различие линейного и нелинейного подходов. Это различие существенно, потому что в настоящее время достигнуто общее понимание важности этого круга понятий, выходящих далеко за пределы той области механики и физики, где они зародились [149].

Представление о линейных законах связано прежде всего с тем, что они обычно описывают малые изменения изучаемого объекта. Так растяжение пружины пропорционально приложенной силе. Только когда преодолена упругость и прочность материала пружины, ее растяжение перестает быть пропорциональным силе. Для линейных явлений не важен их масштаб -- растяжение на миллиметр или сантиметр качественно одинаково, если предел прочности составляет метр.

_{Пример слабо нелинейной системы -- маятник. Пока угол его отклонения мал по сравнению с 90}^o_{, время колебаний, как у линейной системы, слабо зависит от его размаха. Рассматриваемые системы имели малое число степеней свободы. В сложной системе при таком линейном подходе обычно выделяется только одна степень свободы.}

Поведение сложных систем можно рассматривать, как говорят, в линейном приближении. Это верно тогда, когда состояние системы устойчиво. Критерий устойчивости системы заключается в малых колебаниях около положения равновесия. Если же система находится вблизи порога устойчивости, но еще устойчива, то даже небольшое возмущение может стать причиной непропорционально крупных изменений, наступающих при потере устойчивости, нарушении внутренней структуры и организации системы, которые затем приводят к хаосу (рис. 2.4).

Очень многое в нашем поведении и суждениях основано именно на линейной модели мира. В большинстве случаев она работает и служит прекрасным инструментом нашего сознания -- от оценки погоды на следующий день до поведения машины при повороте или обгоне. Однако надо помнить, что линейная модель всегда ограниченна, для нее всегда есть порог -- жесткий, как хрупкость стекла, или невыраженный, как при растяжении резины. Рассматривая линейный подход, мы увидели, что есть предел, за которым наступает качественно новая область -- нелинейный мир. Он намного разнообразнее линейного, и для объяснения нелинейных явлений надо искать новые образы и интеллектуальные модели [17].

С понятием линейности связаны и прочно укоренились в нашем сознании причинно-следственные отношения. Причиной деформации пружины является действующая сила. При управлении машиной малыми усилиями руля обеспечивается устойчивое движение по заданному пути на основе линейных прогнозов движения автомобиля. Такие линейные прогнозы мы все склонны делать, и для этого есть глубокие психологические причины.

Рис. 2.4 Системы устойчивые (1), ограниченно устойчивые (2) и неустойчивые (3)

Причиной маневра машины являются воля и усилие водителя, однако при неумелом или резком повороте машину может занести -- порог устойчивого движения будет перейден и движение станет неуправляемым; маневр привел к неконтролируемым последствиям. Таким образом, в нелинейных явлениях причинно-следственная связь событий оказывается неоднозначной, и простая линейная зависимость причины и следствий больше не отвечает сложной картине движения.

Предвидение развития событий при движении машины и изменении погоды или при расчете роста населения ограничено горизонтом прогноза. Так прохождение атмосферного фронта приводит к резкому, за несколько часов, изменению погоды. В системе преодолевается порог развития, происходят внезапные бифуркации, переходы в новое состояние организации системы, после чего наступает следующая стадия эволюции, пока развитие не приведет к новому порогу и переходу в новое состояние. В этом состоит сценарий развития сложной системы, каким он представляется в образах нелинейной механики.

Рассматривая устойчивый рост населения страны, можно с достаточной уверенностью предсказать его численность через 5 или 10 лет. Действительно, за это время население увеличится на 7-15%, еще меньше составит миграция населения, и можно предвидеть с определенной степенью вероятности, что в течение этого срока не наступит война или другая катастрофа. Происходит это потому, что рассматриваются малые, по сравнению с общей численностью населения, изменения. Однако экстраполяция населения на поколение вперед требует уже большей осмотрительности и множества оговорок.

Малые воздействия на систему вблизи границы устойчивости могут привести к непропорционально большим последствиям. Так в 1914 г. Европа стремительно развивалась, вооружалась и находилась на пороге устойчивости. Убийство эрцгерцога Фердинанда оказалось малым, но достаточным возмущением для того, чтобы опрокинуть хрупкую систему европейской безопасности и ввергнуть Европу в непредвиденный хаос мировой войны. И только по прошествии 40 лет Европа перешла в новое состояние относительно спокойного развития.

При описании поведения систем существенным становится понятие их сложности. В этом случае следует переходить к рассмотрению средних показателей. Но в сложных системах можно, и это интуитивно понятно, ввести градацию параметров по степени их влияния на состояние системы и по тому, в какой мере они определяют ее состояние и развитие. Так для системы народонаселения Земли оказывается, что распределение населения по Земле и концентрация людей в городах в среднем мало влияют на скорость роста. Это верно глобально, но для конкретного города и страны все может быть иначе.

Что же является причиной роста и тем более предвидимого резкого изменения роста человечества? Мы, несомненно, имеем дело с саморазвитием системы и его пределом, и к этому выводу нас приведет весь последующий анализ. Более того, человечество проходит через демографический переход, который, подобно атмосферному фронту, приведет к резкому изменению режима развития, переходу в новое состояние для всего человечества. Чем ближе мы к критическому моменту демографического перехода, тем больше динамика роста населения подчиняет себе время. Смену причин развития, когда само развитие подчиняет себе рост как функцию времени, следует рассматривать как следствие выраженной нелинейности демографической системы человечества, проявление ее самоорганизации.

Действительно, на что хотелось бы обратить внимание -- это на самоорганизацию систем. Из всех представлений о нелинейном мире самоорганизация менее всего очевидна и очень существенна. Как показывает само название, в сложных системах часто возникает порядок, симметрия в развитии. Подобное происходит в атмосфере, что хорошо видно сверху, при полете над регулярной облачностью. Формирование грозы, циклона, атмосферного фронта есть следствие самоорганизации в атмосфере, проявляющейся на разных масштабах во времени и в пространстве. Такая самоорганизация возникает в атмосфере как открытой системе при притоке солнечной энергии извне.

В самоорганизации более сложных систем все большее значение приобретает информация, связанная с качеством энергии, ее энтропией. Именно этому посвящена последняя монография Б.Б. Кадомцева "Динамика и информация" [164]. С современных позиций сама жизнь, эволюция живого на всем протяжении развития жизни на Земле, появление человека есть результат самоорганизации, где информации принадлежит ключевая роль.

Характерной чертой эволюционного процесса стала его внутренняя спонтанность, случайность, которая тем не менее ведет к закономерностям развития и прогресса. Недаром метафорой эволюции стал слепой часовщик [35]. В этом процессе нет внешней причины, нет ни цели, ни управления извне, если, разумеется, не признать существование Бога, однако в этом случае отпадает необходимость в поиске естественнонаучных объяснений. Нам о проблеме взаимоотношений веры и знаний напоминает встреча Наполеона и Лапласа. Когда астроном преподнес императору "Небесную механику", тот спросил ученого, есть ли в его системе место для Бога, на что Лаплас ответил, что в этой гипотезе он не нуждается...

При всей постепенности процесса антропогенеза само появление человека было пороговым, нелинейным явлением. С появлением и развитием человека был перейден рубеж в эволюции, и потому мы качественно отличны своим разумом, сознанием от остального животного мира. И в этом случае мы не можем указать иной причины нашего появления, кроме как результата самоорганизации мира живого.

В самой модели роста человечества нелинейные представления о саморазвитии и самоорганизации оказываются очень существенными. Во-первых, рост приводит к представлению о коллективном взаимодействии, охватывающем все человечество, в основе которого лежит информация. Во-вторых, закономерности роста и развития выражаются в статистических законах, которые уже в понятиях вероятностей на новом уровне определяют причинные связи в историческом развитии человечества.

Таким образом, некоторые основные представления нелинейного мира необходимы для понимания феноменологической теории роста человечества как нелинейной и относящейся к поведению сложных систем. При этом мы, естественно, только наметили и далеко не исчерпали всех понятий, которые развиты в современных исследованиях нелинейных явлений, в применении к человеку и обществу [160]. Наша цель состояла в том, чтобы указать на некоторые основные понятия и отнести их к системному поведению человечества.

В заключение следует заметить, что знакомство и владение в первую очередь качественными, модельными понятиями нелинейного мира необходимы современному обществоведу как для лучшего понимания им сложных по своей сути явлений, так и для овладения тем языком, на котором говорят и думают представители точных наук, когда они обращаются к изучению больших систем. Только действительно овладев понятиями естественных наук, можно их использовать не в качестве метафоры, а как конструктивные элементы в диалоге двух культур.

К сожалению, есть печальный опыт поверхностного использования языка точных наук как в гуманитарных областях, так и произвольного обращения некоторых математиков с представлениями историков [100]. Самое удивительное, что этому находят оправдание в философии постмодернизма при полном пренебрежении, если не отрицании, опыта науки [165]. Ниже, при анализе понятия времени, мы вернемся к таким явлениям.

Переход к разделу>>>1.1>>>1.2>>>1.3>>>1.4>>>1.5>>>1.6