Что обнаруживается в процессе самоорганизации открытых нелинейных систем

Концепции современного естествознания. Тест 1

Поможем успешно пройти тест. Знакомы с особенностями сдачи тестов онлайн в Системах дистанционного обучения (СДО) более 50 ВУЗов. При необходимости проходим систему идентификации, прокторинга, а также можем подключиться к вашему компьютеру удаленно, если ваш вуз требует видеофиксацию во время тестирования.

Закажите решение теста для вашего вуза за 470 рублей прямо сейчас. Решим в течение дня.

1. Онтология – это учение о
познании
природе
ценностях
бытии

2. Гносеология – это учение о
познании
пространствах
описании природы
материи

3. В чём заключается принцип фрактальности
возможность обобщения, усложнения структуры системы в процессе эволюции
минимальное количество ключевых параметров
главное в становлении не элементы, а целостная структура
возможность моделирования эволюции системы с помощью нескольких параллельных теоретических подходов

4. Когда возникла синергетика
в 60-е гг. ХХ в.
в 70-е гг. ХХ в.
в 70-е гг. ХIX в.
в 80-е гг. ХХ в.

5. Модели синергетики – это модели
нелинейных, неравновесных систем, подвергающихся действию факторов
линейных и неравновесных систем
нелинейных и равновесных систем
линейных и равновесных систем, не подвергающихся действию факторов

6. Материалистическая трактовка физической картины мира характерна для
А. Эйнштейна и В. Гейзенберга
М. Планка и А. Эйнштейна;
В. Гейзенберга и Э. Шредингера
Э. Шредингера и А. Эддингтона

7. Кого можно считать родоначальником физической науки
Анаксагора
Аристотеля
Пифагора
Демокрита

8. Что обнаруживается в процессе самоорганизации открытых нелинейных систем
однозначная природа хаоса
двойственная природа хаоса
устойчивость всех процессов
нет верного ответа

9. Кто выдвинул принцип «порядок из шума»
Д.И. Менделеев
И.Р. Пригожин
Г.фон Ферстер
Г. Хакен

10. Согласно какому принципу, реальные природные, общественные и психические явления и процессы детерминированы, то есть возникают, развиваются и уничтожаются закономерно, в результате действия определенных причин, обусловлены ими
принцип вероятности
принцип дополнительности
принцип причинности
принцип детерминизма

11. Три ступени постижения природы по Джонсу
дивергенция, трансформация, конвергенция
конвергенция, эволюция, синергетика
трансформация, конвергенция, синергетика
дивергенция, трансформация, генетика

12. Какие три уровня организации материального мира существуют
живая природа, визуальный мир и общество
неживая природа, живое вещество и общество
неживая природа, искусственный интеллект и живое вещество
существует только один уровень- общество

13. Конвергенция – это
схождение
основной закон системы
сближение и приобретение в ходе эволюции сходных признаков
нет верного ответа

14. Синергетический стиль мышления – это
последовательность предписаний
нелинейное открытое мышление
совокупность принципов синергетики
нет верного ответа

15. В чём заключается принцип дополнительности
возможность приобретения знаний на основе прошлого опыта
возможность моделирования эволюции системы с помощью нескольких параллельных теоретических подходов
возможность обобщения, усложнения структуры системы в процессе эволюции
главное в становлении не элементы, а целостная структура

Источник

Самоорганизующиеся системы в природе

Физико-математические науки

Похожие материалы

Как было отмечено в работе [1], появлению такого нового научного направления в естествознании, как синергетика, способствовали исследования в области математического моделирования сложных самоорганизующихся открытых систем. Ориентирована синергетика на изучение строения, возникновения, развития и самоусложнения таких систем.

Моделирование самоорганизующихся систем гораздо сложнее моделирования закрытых линейных систем, что связано в основном с решением нелинейных уравнений. Однако именно синергетика позволяет раскрыть условия возникновения и существования сложных структур, ответить на вопросы, связанные с их эволюционным развитием, позволяет строить модели различных катастрофических и других сложных развивающихся процессов. Она дает качественно новый толчок для обсуждения таких традиционных философских проблем, как случайность и детерминизм, хаос и порядок, открытость и эволюционность, часть и целое. Синергетика способствует развитию нового стиля научного мышления — эволюционного, нелинейного, интегративного [2 — 4].

Для всех изученных явлений самоорганизации определён набор существенных признаков:

Поэтому мы можем наблюдать огромное многообразие мира самоорганизующихся нелинейных систем, в отличие от ограниченного мира закрытых линейных систем. Однако, как уже было отмечено, такие самоорганизующиеся системы сложнее моделировать: для приближенного решения большинства нелинейных уравнений, описывающих поведение таких систем, требуется целый комплекс современных аналитических методов и вычислительных экспериментов, и, конечно же, применение мощной компьютерной техники (вплоть до кластерных систем).

Синергетика открывает для изучения такие аспекты окружающего мира, как нестабильность и многообразие путей эволюции, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать явления природного и техногенного характеров, и т.д. Исследования синергетики показывают, что даже в неорганической природе существуют системы, способные к самоорганизации. Таким образом, историю развития природы следует рассматривать в контексте усложнения, — образования более сложных нелинейных систем, приводящих, в свою очередь, к образованию еще более сложных, и т.д. Это и обеспечивает эволюцию природы на всех уровнях ее организации — от низших и простейших систем к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).

Методы синергетики уже позволили создать и исследовать модели многих сложных самоорганизующихся систем в биологии, физике, химии, астрономии. При этом основной вопрос, которому синергетика уделяет особое внимание — это вопрос о поиске общих закономерностей, отвечающих за возникновение самоорганизующихся систем, их структуру и функции. Самоорганизующуюся систему Г. Хакен определяет следующим образом [3, 6]: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие».

К основным свойствам самоорганизующихся систем относятся свойства открытости, нелинейности и диссипативности. Таким образом, теория самоорганизации занимается изучением открытых, нелинейных диссипативных систем, далеких от равновесия. Здесь сразу полезно напомнить, что закрытые системы (системы, не обменивающиеся со средой веществом, энергией и информацией) представляют собой объект изучения классической термодинамики, в которой центральным понятием выступает понятие энтропии (свойственно закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии и характеризуемым некоторой температурой T).

Открытые системы поддерживаются в определенном (в частности, устойчивом) состоянии за счет постоянных притоков извне и (или) стоков во внешнюю среду вещества, энергии или информации. При этом притоку и стоку обычно свойственен объемный характер, т.е. происходящий в каждой точке конкретной системы. Такой постоянный обмен веществом, энергией и информацией есть необходимое условие существования неравновесных, неустойчивых состояний, которое отличает их от замкнутых систем со свойственным им стремлением к однородному равновесному состоянию [5]. Открытые системы являются необратимыми, в них важен фактор времени.

Практически все системы, наблюдаемые во Вселенной, носят открытый характер, именно поэтому ей свойственны развитие, эволюция и самоорганизация. Это в свою очередь означает, что Вселенная характеризуется не стабильностью и равновесием, а, напротив, неустойчивостью и неравновесностью. Стабильность и равновесность систем делает их не способными к самоорганизации.

Приведем некоторые примеры самоорганизации. Хорошо известны явления образования своеобразного рельефа песка (рис. 1) или снега под действием ветра (рельеф, похожий на волны), образования периодических ступенек в горных реках и водосливах плотин (рис. 2). Цунами (упорядоченная волна при хаотических процессах, сопровождающих землетрясение) и шаровая молния (устойчивое образование, возникающее при некоторых грозах), также являются примерами самоорганизации (рис. 3, 4). Согласованное поведение большого числа элементов среды демонстрируют смерчи в воздухе (рис. 5), косяки рыб (рис. 6), стаи птиц, конвективные ячейки (гранулы) на Солнце (рис. 7), течения в океане и циклоны в атмосфере. Спиральные рукава галактик — еще один яркий пример самоорганизации (рис. 8).

Рисунок 1. Волнообразные структуры на песке — проявление самоорганизации

Рисунок 2. Периодические ступеньки в горных реках

Рисунок 3. Цунами. Высота уединенной волны у берега может достигать 50 м., а скорость 200 м/с

Рисунок 4. Шаровая молния

Рисунок 5. Ураган Изабель (фото из космоса). Источник: http://www.borrowedculture.com/wp-content/uploads/2011/08/

Рисунок 6. Пример самоорганизации: косяки рыб

Рисунок 7. Пример самоорганизации: косяки рыб

Рисунок 8. Солнечная грануляция

Рисунок 9. Спиральная галактика М 31 (Туманность Андромеды)

Знакомый всем процесс конденсации водяного пара при его охлаждении также является процессом самоорганизации (рис. 9). Молекулы водяного пара при высоких температурах движутся свободно, и не оказывают существенного воздействия друг на друга (другими словами, их движение слабо коррелированно). Понижение температуры ведет к образованию капли жидкости, в ней характерные расстояния между молекулами уже вполне определены и с высокой степенью неизменны, а значит, их движение сильно скоррелированно. При дальнейшем понижении температуры и достижении точки замерзания вода превращается в кристаллы льда, в которых молекулы опять-таки расположены в определенном порядке.

Рисунок 10. Конденсация водяного пара на стенку сосуда

Согласованное поведение, возникающее самопроизвольно, можно наблюдать и среди клеток организмов в процессе морфогенеза (отвечает за организацию пространственного распределения клеток), среди элементов биоценозов (например, существование рангов в стаях, стадах, колониях), и т.д.

Избирательность неравновесных систем к внешним воздействиям среды позволяет им улавливать различия во внешней среде и учитывать их в своем функционировании. При этом некоторые слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы [5]. Это означает, что к нелинейным системам нельзя применять принцип суперпозиции: эффект от совместного действия двух причин может не иметь ничего общего с результатами воздействия каждой из причин по отдельности.

Выше было отмечено, что наблюдающиеся в нелинейных системах процессы таковы, что очень часто при плавном изменении внешних условий поведение системы может изменяться скачком, — фактически, процессы носят пороговый характер. При этом разрушение сложившейся структуры системы происходит в состояниях, далеких от равновесия, — здесь очень слабые возмущения в процессе эволюции системы настолько усиливаются, что это приводит ее к кардинальному качественному изменению. Для каждой системы существует так называемый оптимальный «коридор нелинейности», способствующий ее структурообразованию: очень слабая нелинейность, как и очень сильная, несовместима с образованием локальных структур. Именно в интервалах этого «коридора нелинейности» рост нелинейности способствует увеличению количества вариантов образования и форм новых локальных структур, что означает множественность вариантов эволюции системы.

Открытые нелинейные неравновесные системы сами создают и поддерживают неоднородности в среде. При этом между средой и системой может наблюдаться положительная обратная связь, посредством которой система оказывает некоторое влияние на среду таким образом, что в последней возникают условия для начала изменений и перестроений в самой системе.

Открытым неравновесным системам, активно взаимодействующим с внешней средой, также свойственна диссипативность — особое динамическое состояние, связанное со своеобразным макроскопическим проявлением процессов, протекающих на микроуровне.

Диссипация как процесс рассеяния энергии и информации, играет конструктивную роль в образовании новых структур в открытых системах. Спонтанное формирование новых типов структур, переходы от хаотических (беспорядочных) режимов функционирования к порядку и организованной структуре в неравновесных системах, возникновение новых динамических состояний материи — все это возможно именно благодаря диссипативности.

Список литературы

Завершение формирования электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»

Создание электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»

Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.

Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.

Источник

Основные принципы синергетики

Оглавление
Введение
1. Терминология
2. Предмет синергетики
3. Основные понятия
4. Ключевые положения синергетики по Герману Хакену
5. Философия синергетики
6. Школы синергетики
7. Заслуги синергетики и её заблуждения
8. Приложения синергетики
9. Синергетика естественнонаучных систем

Введение
Определение термина «синергетика», близкое к современному пониманию, ввёл немецкий физик-теоретик Герман Хакен в 1977 году в своей книге «Синергетика». Синергетика возникла в конце XX столетия и в настоящее время стала весьма популярной наукой. Её принципы и понятия проникли в научные направления широкого спектра: в биологию и физику, в историю и экономику [1]. Становление синергетической парадигмы в современном естествознании по всем критериям может быть оценено как становление новой картины мира. В настоящее время уже предприняты попытки создания универсальной концептуальной модели мирового процесса самоорганизации.
Одно из открытий, сыгравшее большую роль в создании синергетики, сделал в 1900 году французский физик Анри Бенар. Он нагревал снизу жидкое масло. Нижние слои, более горячие, поднимались вверх. Однако вязкость масла создавала им препятствие, и при небольшой разности температур верхнего и нижнего слоёв теплообмен обеспечивала только теплопроводность. Но когда различие температур достигло критического значения, появился конвективный поток. Он имел вид ячеек, напоминающих пчелиные соты, внутри которых жидкость стремилась вверх, а по краям опускалась вниз. Тьма молекул вела себя согласованно!

2. Предмет и методы синергетики
Область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания. Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций.
Математический аппарат синергетики скомбинирован из разных отраслей теоретической физики: нелинейной неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп, тензорного анализа, дифференциальной топологии, неравновесной статистической физики.

3. Основные понятия
• Равновесные и неравновесные процессы
В равновесном состоянии для системы возможен лишь один вариант развития, предполагающий, что состояние системы в момент времени Tn обусловлено её состоянием в момент времени Tn-1 и, в свою очередь, обусловливает состояние Tn+1
Если равновесие системы нарушено, переход системы из состояния, соответствующего моменту Tn, в состояние, соответствующее Tn+1, рассматривается уже не как результат однозначной причинно-следственной связи, а как итог пересечения различных тенденций, которые зависят от исходного состояния системы и от случайных факторов и флуктуаций. В рамках анализа неравновесных систем именно случайные флуктуации оказываются одним из решающих факторов развития [4].
• Точка бифуркации. Момент достижения порога устойчивости называется точкой бифуркации (англ. fork – вилка). Это означает, что система может иметь несколько устойчивых стационарных состояний. В точке бифуркации происходит резкая смена характера процесса, смена пространственно-временной организации системы, её качественное изменение.
Точка бифуркации выступает одновременно и в качестве точки максимальной чувствительности системы как ко внешним, так и ко внутренним импульсам. Вблизи бифуркационной точки сильно неравновесная система оказывается особо чувствительной и к незначительным флуктуациям того или иного параметра процесса.
• Усиления флуктуации. В случае неравновесных процессов имеет место феномен так называемого «усиления флуктуации». В российской школе синергетических исследований данный феномен получает название «разрастания малого». Полёт мухи в Кембридже может привести к общему изменению климата в Индии. Синергетика постулирует фундаментальный статус в этом процессе феномена случайности: макроскопическое управление не в состоянии предсказать, по какой траектории пойдёт эволюция системы. Не помогает и обращение к микроскопическому описанию. Перед нами – случайные явления, аналогичные бросанию игральной кости».
• Аттрактор. Среди возможных ветвей эволюции системы далеко не все являются вероятными, у неё есть «влечения» по отношению к некоторым состояниям – аттракторам. Аттрактор определяется как состояние, к которому тяготеет система. Это устойчивый фокус, к которому сходятся все траектории динамики систем – своего рода «стабильное состояние порядка».
• Порядок и беспорядок оказываются тесно связанными – один включает в себя другой. Сегодня мы знаем, что увеличение энтропии не сводится к увеличению беспорядка, ибо порядок и беспорядок возникают и существуют одновременно.
• Двойственная природа хаоса. «В процессах самоорганизации открытых нелинейных систем явным образом обнаруживается … двойственная природа хаоса. Он то конструктивен, то разрушителен. Хаос выступает как двуликий Янус». Порядок возникает благодаря хаосу и из него, хаос лежит в основе выхода на одну из тенденций самоструктурирования сложной системы.

4. Ключевые положения синергетики по Герману Хакену
1. Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.
2. Эти системы являются нелинейными.
3. При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идёт об открытых системах, далёких от теплового равновесия.
4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.
5. Системы могут стать нестабильными.
6. Происходят качественные изменения.
7. В этих системах обнаруживаются эмерджентные новые качества.
8. Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.
9. Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими.
10. Во многих случаях возможна математизация.

6. Школы синергетики
Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход.
1. Школа нелинейной оптики, квантовой механики и статистической физики Германа Хакена, с 1960 года профессора Института теоретической физики в Штутгарте. В 1973 году он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет 69 томов с широким спектром теоретических, прикладных и научно-популярных работ, основанных на методологии синергетики: от физики твёрдого тела и лазерной техники и до биофизики и проблем искусственного интеллекта.
2. Физико-химическая и математико-физическая Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой формулировались первые теоремы (1947 г.), разрабатывалась математическая теория поведения диссипативных структур (термин Пригожина), раскрывались исторические предпосылки и провозглашались мировоззренческие основания теории самоорганизации, как парадигмы универсального эволюционизма. Эта школа, основные представители которой работают теперь в США, не пользуется термином «синергетика», а предпочитает называть разработанную ими методологию «теорией диссипативных структур» или просто «неравновесной термодинамикой», подчёркивая преемственность своей школы пионерским работам Ларса Онзагера в области необратимых химических реакций (1931 г.).

7. Заслуги синергетики и её заблуждения
Главной заслугой синергетики является открытие ею процессов самоорганизации. Безусловно, это шаг вперёд в нашем познании мира. В дальнейшем синергетика была распространена практически на все уровни иерархии Вселенной. Вместе с тем анализ показывает, что самоорганизация – это не кооперация под воздействием случайных факторов в состоянии неустойчивости, а процессы, причины которых заложены в природе. Эти процессы происходят на всех уровнях иерархии Вселенной и обеспечиваются всеми действующими в ней законами и силами.
Одно из заблуждений многих синергетиков – случайность играет главенствующую роль в эволюционном процессе. На самом же деле, от бифуркации до очередной бифуркации главенствует детерминистическое описание», а путь аттрактора предопределён.

8. Приложения синергетики
• Теория динамического хаоса исследует сверхсложную, скрытую упорядоченность поведения наблюдаемой системы (напр. явление турбулентности);
• Теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации. Сам процесс самоорганизации также может быть фрактальным.
• Теория катастроф исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркация, аттрактор, неустойчивость.
• Лингвистическая синергетика и прогностика.
• Семантическая синергетика.
К социальным наукам синергетический подход, в целом, неправомерен.

9. Синергетика естественнонаучных систем
Виды открытых нелинейных систем разных уровней организации: динамически стабильные, адаптивные, эволюционирующие системы.
1. Необходимые условия развития систем: неравновесность, открытость.
2. Свойства систем в неравновесном состоянии:
— системы начинают воспринимать те факторы воздействия извне, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии;
— независимое поведение элементов трансформируется в корпоративное поведение.
— идёт процесс накопление флуктуаций;
— начинают действовать бифуркационные механизмы.
3. Характерные признаки развивающихся систем:
спонтанное образование новых микроскопических образований, изменения на макроскопическом уровне, возникновение новых свойств системы, преобладание на определённом этапе ПОС над ООС, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы.
4. Объединение нелинейных динамических систем есть система другой организацией или иного уровня.
5. Математическое описание развивающихся систем. При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все развивающиеся системы могут быть описаны одним и тем же обобщённым математическим аппаратом синергетики.

Источник

Ответы на тесты по теме Естевствознание

Междисциплинарное направление научных исследований, основная задача которого – установление общих закономерностей и принципов процессов самоорганизации в системах разной природы: физических, химических, биологических, технических, экономических, социальных, — носит название …

В процессах самоорганизации определяющую роль во взаимодействии системы со средой играет …

положительная обратная связь

.У самоорганизующейся системы отсутствует такая характеристика как…

—> Особенностью процессов самоорганизации не является следующая …

Система стремится к состоянию устойчивого равновесия благодаря наличию отрицательной обратной связи между системой и средой

В теории самоорганизации установлено:

открытые неравновесные системы спонтанно переходят от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным

К числу необходимых условий самоорганизации в системах относятся …(возможен множественный выбор)

неравновесность системы; нелинейность системы

Самоорганизующиеся системы – открытые, могут обмениваться веществом, энергией и/или информацией с окружающей средой

В теории самоорганизации установлено

открытые неравновесные системы спонтанно переходят от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным

Особенностью процессов самоорганизации является …

Эволюционная обратная связь между средой и системой

Для самоорганизующейся системы не характерно: …

Процессы самоорганизации в открытых системах изучает…

Одной из закономерностей процесса самоорганизации в открытых системах является …

возрастание неустойчивости системы перед формированием диссипативной структуры

Упорядоченная структура, возникшая в неравновесной системе в результате самоорганизации называется

—>
И.Р. Пригожин открыл самоорганизацию макросистем в виде:

Класс систем, способных к самоорганизации – это

открытые нелинейные системы

Что обнаруживается в процессе самоорганизации открытых нелинейных систем

двойственная природа хаоса

Для протекания процессов самоорганизации необходимы следующие условия: система должна

содержать множество элементов с вероятностными связями между ними, быть открытой; устойчивой, но неравновесной

процесс самопроизвольного перехода системы на качественно новый уровень

Во второй половине XX века в научном мировоззрении появилась идея самоорганизации материи. Найдите определения, соответствующие понятию «самоорганизация»:

взаимосвязанные процессы превращения хаоса в порядок и порядка в хаос, самопроизвольный переход от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи и обратно

Источник