Самоорганизация

Самоорганиза́ция — процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счёт внутренних факторов, без специфического внешнего воздействия, хотя внешние условия могут иметь как стимулирующий, так и подавляющий эффект. В ходе самоорганизации некоторая форма общего порядка возникает из локальных взаимодействий между частями изначально неупорядоченной системы. Процесс может быть спонтанным, когда имеется достаточное количество энергии, не требующей контроля со стороны внешнего агента.

Результат — появление единицы следующего качественного уровня. В зависимости от подхода к описанию самоорганизации в определение включают характеристики системы, тип внутреннего фактора, особенности процесса. Полученная в результате организация полностью децентрализована, распределена по всем компонентам системы. Как правило, организация устойчива и способна пережить или самостоятельно устранить существенные возмущения. Теория хаоса рассматривает самоорганизацию в терминах островов предсказуемости в море хаотической непредсказуемости. Самоорганизация происходит во многих физических, химических, биологических, роботизированных и когнитивных системах. Примеры самоорганизации включают кристаллизацию, тепловую конвекцию жидкостей, химические колебания, роение животных, нервные сети и теневую экономику.

Очень близким к явлению самоорганизации является явление самоупорядоченности систем (то есть более узким по отношению к самоорганизации понятием).

Самоорганизация используется как в физике неравновесных процессов, так и в химических реакциях, где она часто описывается как самосборка<ref>Glansdorff, P., Prigogine, I. (1971). Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations, Wiley-Interscience, London. ISBN 0-471-30280-5</ref>. В биологии эта концепция применяется от молекулярного до экосистемного уровня<ref name=":0">Camazine, Scott (2003). Self-organization in Biological Systems. Шаблон:Wayback Princeton studies in complexity (reprint ed.). Princeton University Press. ISBN 9780691116242.</ref>. Приведенные примеры самоорганизующегося поведения также встречаются в литературе многих других дисциплин, как в естественных, так и в социальных науках, таких как экономика или антропология. Самоорганизация также наблюдалась в математических системах, таких как клеточные автоматы<ref name=":1">Ilachinski, Andrew (2001). Cellular Automata: A Discrete Universe Шаблон:Wayback. World Scientific. p. 247. ISBN 9789812381835.</ref>. Самоорганизация связана с концепцией эмерджентности<ref>Feltz, Bernard; et al. (2006). Self-organization and Emergence in Life Sciences. p. 1. ISBN 978-1-402-03916-4.</ref>.

Файл:Nb3O7(OH) self-organization2.jpg

Самоорганизация в микронных кубиках Nb3O7(OH) при гидротермальной обработке при температуре 200 °C. Первоначально аморфные кубы постепенно превращаются в упорядоченные трехмерные сетки кристаллических нитевидных нанокристаллов<ref>Betzler, S. B.; Wisnet, A.; Breitbach, B.; Mitterbauer, C.; Weickert, J.; Schmidt-Mende, L.; Scheu, C. (2014). «Template-free synthesis of novel, highly-ordered 3D hierarchical Nb₃O₇(OH) superstructures with semiconductive and photoactive properties» (PDF). Journal of Materials Chemistry A. 2 (30): 12005.</ref>.

Самоорганизация опирается на четыре основных компонента:

• сильная динамическая нелинейность, часто, хотя и не обязательно включающая положительную и отрицательную обратную связь;
• баланс использования и исследования;
• множественные взаимодействия;
• наличие энергии (для преодоления естественной энтропии).

Принципы

Кибернетик Уильям Росс Эшби сформулировал оригинальный принцип самоорганизации в 1947 году. Он утверждает, что любая детерминированная динамическая система автоматически эволюционирует к состоянию равновесия, которое может быть описано в терминах аттрактора в бассейне окружающих состояний<ref>Ashby, W. R. (1962). «Principles of the self-organizing system Шаблон:Wayback», pp. 255-78 in Principles of Self-Organization. Heinz von Foerster and George W. Zopf, Jr. (eds.) U.S. Office of Naval Research.</ref>. Оказавшись там, дальнейшая эволюция системы вынуждена оставаться в аттракторе. Это ограничение подразумевает определенную форму взаимной зависимости или координации между составляющими её компонентами или подсистемами. В терминах Эшби, каждая подсистема адаптировалась к окружающей среде, сформированной всеми другими подсистемами<ref>Ashby, W. R. (1947). «Principles of the Self-Organizing Dynamic System». The Journal of General Psychology. 37 (2): 125-28.</ref>.

Кибернетик Хейнц фон Фёрстер сформулировал принцип «порядка из шума» в 1960 году. Он отмечает, что самоорганизации способствуют случайные возмущения («шум»), которые позволяют системе исследовать множество состояний в ее пространстве состояний. Это увеличивает вероятность того, что система попадет в бассейн «сильного» или «глубокого» аттрактора, из которого она затем быстро войдет в сам аттрактор. Биофизик Анри Атлан развил эту концепцию, предложив принцип «сложности от шума» (фр.le principe de complexité par le bruit)<ref>François, Charles, ed. (2011). International Encyclopedia of Systems and Cybernetics (2nd ed.). Berlin: Walter de Gruyter. p. 107. ISBN 978-3-1109-6801-9.</ref>. Термодинамик Илья Пригожин сформулировал аналогичный принцип как «порядок через флуктуации»<ref>Nicolis, G. and Prigogine, I. (1977). Self-organization in nonequilibrium systems: From dissipative structures to order through fluctuations. Wiley, New York.</ref> или «порядок из хаоса»<ref>Prigogine, I. and Stengers, I. (1984). Order out of chaos: Man’s new dialogue with nature. Bantam Books.</ref>. Он применяется в методе имитации отжига для решения задач и машинного обучения.

История

Идея о том, что динамика системы может привести к увеличению ее организации, имеет долгую историю. Древние атомисты, такие как Демокрит и Лукреций, считали, что проектирующий разум не нужен для создания порядка в природе, утверждая, что при достаточном количестве времени, пространства и материи порядок возникает сам по себе<ref>Palmer, Ada (October 2014). Reading Lucretius in the Renaissance Шаблон:Wayback. Harvard University Press. ISBN 978-0-674-72557-7.</ref>.

Гипотеза об упорядочении в системе за счёт её внутренней динамики высказывалась философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе». Позже он подробно разработал эту идею в так и не опубликованной книге «Le Monde».

Иммануил Кант использовал термин «самоорганизация» в своей «Критике способности суждения» 1790 года, где он утверждал, что телеология является значимым понятием только в том случае, если существует такая сущность, части или «органы» которой одновременно являются целью и средствами. Такая система органов должна быть способна вести себя так, как будто у нее есть собственный разум, то есть она способна управлять собой<ref>German Aesthetic. CUP Archive. pp. 64</ref>. И. Кант выдвинул небулярную гипотезу, согласно которой планеты образовались из туманности за счёт притяжения и отталкивания, внутренне присущих материи<ref>Кант И. Всеобщая естественная история и теория неба Шаблон:Wayback.</ref>.

Необходимо заметить, что представления о спонтанном возникновении порядка и самоорганизации нетождественны. Атомизм Демокрита или статистика Больцмана рассматривают возникновение порядка как случайность, причём категория порядка является субъективной, наличие порядка кажущееся.

Второй закон термодинамики, открытый Сади Карно и Рудольфом Клаузиусом в 19 веке, утверждает, что полная энтропия, иногда понимаемая как беспорядок, всегда будет увеличиваться с течением времени в изолированной системе. Это означает, что система не может самопроизвольно увеличивать свой порядок без внешней связи, которая уменьшает порядок в других частях системы (например, за счет потребления низкоэнтропийной энергии батареи и рассеивания высокоэнтропийного тепла)<ref>Carnot, S. (1824/1986). Reflections on the motive power of fire Шаблон:Wayback, Manchester University Press, Manchester UK, ISBN 0-7190-1741-6</ref><ref>Clausius, R. (July 1851). «On the Moving Force of Heat, and the Laws regarding the Nature of Heat itself which are deducible therefrom». London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4th. 2 (VIII): 1-21, 102-19.</ref>.

В 1947 году термин появился в научной публикации Уильяма Эшби (англ. Шаблон:Lang-en2) «Principles of the Self-Organizing Dynamic System»<ref>Ashby W. R. Principles of the Self-Organizing Dynamic System // Journal of General Psychology. — v. 37. — p. 125—128.</ref>. В 1960-е годы термин использовался в теории систем, а в 1970-е — 1980-е стал использоваться в физике сложных систем.

В 2008-09 гг. начала формироваться концепция управляемой самоорганизации. Этот подход направлен на регулирование самоорганизации для конкретных целей, чтобы динамическая система могла достичь определенных аттракторов или результатов. Регулирование ограничивает самоорганизующийся процесс внутри сложной системы, ограничивая локальные взаимодействия между компонентами системы, а не следуя явному механизму управления или глобальному плану проектирования. Желаемые результаты, такие как увеличение результирующей внутренней структуры и/или функциональности, достигаются путем объединения независимых от задач глобальных целей с зависящими от задач ограничениями на локальные взаимодействия<ref>Phys.org, Self-organizing robots: Robotic construction crew needs no foreman (w/ video) Шаблон:Wayback, February 13, 2014.</ref><ref>Science Daily, Robotic systems: How sensorimotor intelligence may develop… self-organized behaviors Шаблон:Wayback , October 27, 2015.</ref>.

Г. Хакен — основатель синергетики определил её как науку о самоорганизации. До XXI века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий выяснилось, что термин самоорганизация в области супрамолекулярной химии и эволюционной биологии определен иным образом, не как в синергетике. Кроме того, определение, данное в рамках синергетики, благодаря междисциплинарности этой науки, расплылось по разным дисциплинам, стало нечётким.

Физика

Файл:ConvectionCells.svg

Конвекционные ячейки в гравитационном поле.

Многие самоорганизующиеся явления в физике включают фазовые переходы и спонтанное нарушение симметрии, такие как спонтанное намагничивание и рост кристаллов в классической физике, а также лазеры<ref>Zeiger, H. J. and Kelley, P. L. (1991) «Lasers», pp. 614-19 in The Encyclopedia of Physics, Second Edition, edited by Lerner, R. and Trigg, G., VCH Publishers.</ref>, сверхпроводимость и конденсацию Бозе-Эйнштейна в квантовой физике. Их можно наблюдать в динамических системах, в трибологии, в спиновой пене и в петлевой квантовой гравитации<ref>Mohammad H. Ansari, Lee Smolin (2004). Self-organized theory in quantum gravity.</ref>, в речных бассейнах и дельтах, в дендритном затвердевании и в турбулентной структуре<ref name=":0" /><ref name=":1" />.

Химия

Самоорганизация в химии включает молекулярную самосборку<ref>Lehn, J.-M. (1988). «Perspectives in Supramolecular Chemistry-From Molecular Recognition towards Molecular Information Processing and Self-Organization». Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 27 (11): 89-121</ref>, реакционно-диффузионные системы и осциллирующие реакции<ref>Bray, William C. (1921). «A periodic reaction in homogeneous solution and its relation to catalysis Шаблон:Wayback». Journal of the American Chemical Society. 43 (6): 1262-67</ref>, автокаталитические сети<ref>Rego, J.A.; Harvey, Jamie A.A.; MacKinnon, Andrew L.; Gatdula, Elysse (January 2010). «Asymmetric synthesis of a highly soluble 'trimeric' analogue of the chiral nematic liquid crystal twist agent Merck S1011» (PDF). Liquid Crystals. 37 (1): 37-43.</ref>, жидкие кристаллы, сеточные комплексы, коллоидные кристаллы, самособирающиеся монослои<ref>Barlow, S.M.; Raval R.. (2003). «Complex organic molecules at metal surfaces: bonding, organisation and chirality». Surface Science Report. 50 (6-8): 201—341.</ref>, мицеллы, микрофазное разделение блоков сополимеров и пленки Ленгмюра-Блоджетта<ref>Ritu, Harneet (2016). «Large Area Fabrication of Semiconducting Phosphorene by Langmuir-Blodgett Assembly Шаблон:Wayback». Sci. Rep. 6: 34095.</ref>.

Биология

Самоорганизация в биологии<ref>Camazine, Deneubourg, Franks, Sneyd, Theraulaz, Bonabeau, Self-Organization in Biological Systems, Princeton University Press, 2003. ISBN 0-691-11624-5.</ref> может наблюдаться в спонтанном фолдинге белка и других биомакромолекул, образовании липидных бислойных мембран, формировании паттернов и морфогенезе в биологии развития, координации движений человека, социальном поведении насекомых (пчел, муравьев, термитов)<ref>Bonabeau, Eric; et al. (May 1997). «Self-organization in social insects» Шаблон:Wayback (PDF). Trends in Ecology & Evolution. 12 (5): 188-93.</ref> и млекопитающих, а также стайном поведении птиц и рыб<ref>Couzin, Iain D.; Krause, Jens (2003). «Self-Organization and Collective Behavior in Vertebrates» (PDF). Advances in the Study of Behavior. 32: 1-75.</ref>.

Математический биолог Стюарт Кауфман и другие структуралисты предположили, что самоорганизация может играть роль наряду с естественным отбором в трех областях эволюционной биологии, а именно в популяционной динамике, молекулярной эволюции и морфогенезе. Однако при этом не учитывается существенная роль энергии в управлении биохимическими реакциями в клетках. Системы реакций в любой клетке являются самокатализирующимися, а не просто самоорганизующимися, поскольку они являются открытыми термодинамическими системами, зависящими от непрерывного получения энергии<ref>Fox, Ronald F. (December 1993). «Review of Stuart Kauffman, The Origins of Order: Self-Organization and Selection in Evolution» Шаблон:Wayback. Biophys. J. 65 (6): 2698-99.</ref><ref>Goodwin, Brian (2009). Ruse, Michael; Travis, Joseph (eds.). Beyond the Darwinian Paradigm: Understanding Biological Forms. Evolution: The First Four Billion Years. Harvard University Press.</ref>. Самоорганизация не является альтернативой естественному отбору, но она ограничивает то, что может сделать эволюция, и обеспечивает такие механизмы, как самосборка мембран, которые затем использует эволюция<ref>Johnson, Brian R.; Lam, Sheung Kwam (2010). «Self-organization, Natural Selection, and Evolution: Cellular Hardware and Genetic Software» Шаблон:Wayback. BioScience. 60 (11): 879-85.</ref>.

Информатика

Многие явления из математики и информатики, такие как клеточные автоматы, случайные графы и некоторые примеры эволюционного моделирования и искусственной жизни, проявляют черты самоорганизации. В роевой робототехнике самоорганизация используется для создания эмерджентного поведения. В частности, теория случайных графов была использована в качестве обоснования самоорганизации как общего принципа сложных систем. Проектирование мультиагентных систем, способных представлять самоорганизующееся поведение, является активной областью исследований<ref>Serugendo, Giovanna Di Marzo; et al. (June 2005). «Self-organization in multi-agent systems» Шаблон:Wayback. Knowledge Engineering Review. 20 (2): 165-89.</ref>. Оптимизационные алгоритмы можно считать самоорганизующимися, поскольку они направлены на поиск оптимального решения задачи. Если решение рассматривается как состояние итерационной системы, то оптимальным решением является сходящаяся структура системы<ref>Yang, X. S.; Deb, S.; Loomes, M.; Karamanoglu, M. (2013). «A framework for self-tuning optimization algorithm». Neural Computing and Applications. 23 (7-8): 2051-57</ref><ref>X. S. Yang (2014) Nature-Inspired Optimization Algorithms, Elsevier.</ref>. Самоорганизующиеся сети включают сети «Мир тесен»<ref>Watts, Duncan J.; Strogatz, Steven H. (June 1998). «Collective dynamics of 'small-world' networks». Nature. 393 (6684): 440-42.</ref>, самостабилизацию<ref name=":2">Dolev, Shlomi; Tzachar, Nir (2009). «Empire of colonies: Self-stabilizing and self-organizing distributed algorithm». Theorictial Computer Science. 410 (6-7): 514—532.</ref> и безмасштабные сети. Они возникают в результате взаимодействия снизу вверх, в отличие от нисходящих иерархических сетей внутри организаций, которые не являются самоорганизующимися<ref>Clauset, Aaron; Cosma Rohilla Shalizi; M. E. J Newman (2009). «Power-law distributions in empirical data». SIAM Review. 51 (4): 661—703.</ref>. Облачные вычислительные системы по своей сути самоорганизуются и обладают некоторой автономией<ref>Zhang, Q., Cheng, L., and Boutaba, R. (2010). «Cloud computing: state-of-the-art and research challenges» Шаблон:Wayback. Journal of Internet Services and Applications. 1 (1): 7-18.</ref>, но не являются самоуправляемыми, поскольку не преследуют цели снижения собственной сложности<ref>Lynn; et al. (2016). «Cloudlightning: A Framework for a Self-organising and Self-managing Heterogeneous Cloud» Шаблон:Wayback. Proceedings of the 6th International Conference on Cloud Computing and Services Science: 333—338. ISBN 978-989-758-182-3.</ref><ref>Marinescu, D. C.; Paya, A.; Morrison, J. P.; Healy, P. (2013). «An auction-driven self-organising cloud delivery model». arXiv:1312.2998.</ref>.

Кибернетика

Норберт Винер рассматривал автоматическую последовательную идентификацию черного ящика и его последующее воспроизведение как самоорганизацию в кибернетике<ref>Wiener, Norbert (1962) «The mathematics of self-organising systems». Recent developments in information and decision processes, Macmillan, N. Y. and Chapter X in Cybernetics, or control and communication in the animal and the machine, The MIT Press.</ref>. Важность фазовой блокировки или «притяжения частот», как он это называл, обсуждается во 2-м издании его книги «Кибернетика: управление и связь в животном и машине»<ref>Cybernetics, or control and communication in the animal and the machine, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts and Wiley, NY, 1948. 2nd Edition 1962 "Chapter X «Brain Waves and Self-Organizing Systems» pp. 201-02.</ref>. Эрик Дрекслер рассматривает саморепликацию как ключевой шаг в наноассемблере. В 1970-х годах Стаффорд Бир рассматривал самоорганизацию как необходимую для автономии в живых системах. Он применил свою модель жизнеспособной системы в менеджменте. Данная модель состоит из пяти частей: мониторинг эффективности процессов выживания (1), управление ими путем рекурсивного применения регуляции (2), гомеостатический операционный контроль (3) и развитие (4), которые производят поддержание идентичности (5) в условиях возмущения окружающей среды<ref>«Brain of the Firm» Alan Lane (1972); see also Viable System Model in «Beyond Dispute», and Stafford Beer (1994) «Redundancy of Potential Command» pp. 157-58.</ref>. Особое внимание уделяется тревожной обратной связи «альгедоновой петли»: чувствительности как к боли, так и к удовольствию, вызванной недостаточной или чрезмерной производительностью по сравнению со стандартной способностью.

В обществе

Файл:CIA Map of International illegal drug connections.gif

Социальная самоорганизация на международных путях наркотрафика

Самоорганизующееся поведение социальных животных и самоорганизация простых математических структур предполагают, что самоорганизация должна быть и в человеческом обществе. Основными признаками самоорганизации обычно являются статистические свойства, общие для самоорганизующихся физических систем. Например, такие, как критическая масса, стадное поведение, групповое мышление и другие, изобилуют в социологии, экономике, поведенческих финансах и антропологии.

В социальной теории понятие самореферентности было введено Никласом Луманом как социологическое применение теории самоорганизации. Для Лумана элементы социальной системы являются самопроизводящими коммуникациями, то есть коммуникация производит дальнейшие коммуникации, и, следовательно, социальная система может воспроизводить себя, пока существует динамическая коммуникация. В теории Лумана люди — это сенсоры в системной среде. Луман разработал эволюционную теорию общества и его подсистем, используя функциональный анализ и теорию систем<ref>Luhmann, Niklas (1995) Social Systems. Stanford, California: Stanford University Press. ISBN 0804726256.</ref>.

В экономике

В экономической науке рыночную экономику иногда называют самоорганизующейся. Пол Кругман писал о роли рыночной самоорганизации в деловом цикле в своей книге «Самоорганизующаяся экономика»<ref>Krugman, P. (1995) The Self Organizing Economy. Blackwell Publishers. ISBN 1557866996.</ref>. Фридрих Хайек ввел термин «каталлактика» для описания «самоорганизующейся системы добровольного сотрудничества» в отношении спонтанного порядка свободной рыночной экономики<ref>Hayek, F. (1976) Law, Legislation and Liberty, Volume 2: The Mirage of Social Justice. University of Chicago Press.</ref>. Неоклассические экономисты считают, что навязывание централизованного планирования обычно делает самоорганизующуюся экономическую систему менее эффективной. С другой стороны, экономисты считают, что провалы рынка настолько значительны, что самоорганизация приводит к плохим результатам и что государство должно направлять производство и ценообразование. Большинство экономистов занимают промежуточную позицию и рекомендуют сочетание характеристик рыночной и командной экономики, называемое смешанной экономикой.

В обучении

Предоставление другим возможности «научиться учиться» часто понимается как указание им, как подчиняться тому, чтобы их учили<ref>Thomas L.F. & Augstein E.S. (1994) Self-Organised Learning: Foundations of a conversational science for psychology. Routledge (2nd Ed.)</ref><ref>Thomas L.F. & Augstein E.S. (2013) Learning: Foundations of a conversational science for psychology. Routledge (Psy. Revivals)</ref>. Самоорганизованное обучение отрицает, что «эксперт знает лучше» или что существует «один лучший метод»<ref>Harri-Augstein E. S. and Thomas L. F. (2013) Learning Conversations: The S-O-L way to personal and organizational growth. Routledge (2nd Ed.)</ref>, настаивая вместо этого на «построении личностно значимого, релевантного и жизнеспособного смысла», который должен быть проверен учеником опытным путем<ref>Harri-Augstein E. S. (2000) The University of Learning in transformation.</ref>. Оно рассматривается как процесс на протяжении всей жизни, не ограниченный конкретной средой обучения (дом, школа, университет) или находящийся под контролем таких авторитетов, как родители и преподаватели<ref>Thomas L.F. and Harri-Augstein S. (1993) «On Becoming a Learning Organisation» in Report of a 7 year Action Research Project with the Royal Mail Business. CSHL Monograph.</ref>. Полученные знания необходимо тестировать и периодически пересматривать через личный опыт. Фритьоф Капра утверждал, что самоорганизация плохо признается в научной сфере психологии и системе образования<ref>Capra F (1989) Uncommon Wisdom Flamingo Paperbacks. London.</ref>. Она может иметь форму учебной беседы, диалога между учащимися или мысленного диалога у одного ученика<ref>Conversational Science Thomas L.F. and Harri-Augstein E.S. (1985)</ref>.

Дорожное движение

Файл:I-80 Eastshore Fwy.jpg

Синхронный транспортный поток

Самоорганизующееся поведение водителей в транспортном потоке определяет практически все пространственно-временные характеристики движения, такие как срыв движения на узком месте автомагистрали, пропускная способность магистрали и возникновение пробок. В 1996—2002 гг. эти сложные самоорганизующиеся эффекты были объяснены теорией трехфазного движения Бориса Кернера<ref>Kerner, Boris S. (1998). «Experimental Features of Self-Organization in Traffic Flow Шаблон:Wayback». Physical Review Letters. 81 (17): 3797-3800.</ref>.

В лингвистике

Порядок возникает спонтанно в эволюции языка по мере того, как индивидуальное и популяционное поведение взаимодействует с биологической эволюцией<ref>De Boer, Bart (2011). Gibson, Kathleen R.; Tallerman, Maggie (eds.). Self-organization and language evolution. The Oxford Handbook of Language Evolution. Oxford.</ref>.

Финансирование научных исследований

Самоорганизованное распределение финансирования (SOFA) — это метод распределения финансирования научных исследований. В этой системе каждому исследователю выделяется равный объем финансирования, и он обязан анонимно выделять часть своих средств на исследования других. Сторонники SOFA утверждают, что это приведет к такому же распределению финансирования, как в действующей системе грантов, но с меньшими накладными расходами<ref>Шаблон:Статья</ref>. В 2016 году в Нидерландах началось тестирование проекта SOFA<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Файл:DNA nanostructures.png

Структура ДНК, показанная слева, самособирается в структуру справа<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

Файл:Sort sol ved Ørnsø 2007.jpg

Стаи птиц — пример самоорганизации в биологии.

Диссипативная самоорганизация (синергетический подход)

Определение, данное Г. Хакеном в 1980-е гг. в рамках синергетики:

«Самоорганизация — процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих».

Файл:Самоорганизация систем.jpg

Характеристики системы:

• открытая (наличие обмена энергией/веществом с окружающей средой);
• содержит неограниченно большое число элементов (подсистем);
• имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

Характеристики процесса:

• интенсивный обмен энергией/веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе);
• макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами — параметром порядка и управляющими параметрами (исчезает информационная перегруженность системы);
• имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии/вещества), при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию);
• новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне;
• новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии/вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.

Для однозначности определения термина, его связи с характеристиками системы и процесса, как правило, делается ссылка на один из трёх стандартных примеров самоорганизации:

• лазер — пространственное упорядочение;
• ячейки Рэлея — Бенара — пространственное упорядочение;
• реакция Белоусова — Жаботинского — пространственно-временное упорядочение;

Нобелевский лауреат Илья Пригожин создал нелинейную модель реакции Белоусова — Жаботинского, так называемый брюсселятор. Так как для возникновения упорядочения в таких системах необходим приток энергии или отток энтропии, её диссипация, Пригожин назвал эти системы диссипативными. Вследствие нелинейности, наличия более одного устойчивого состояния в этих системах, в них не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии. Однако существуют примеры пространственно-временных диссипативных структур — автоволны ламинарного горения и тепловые волны (автоволны) в слое неподвижного катализатора, для которых полное производство энтропии в системе является функционалом автоволнового решения задачи (термодинамической функцией Ляпунова). А его минимум соответствует физически содержательному решению задачи<ref>Gerasev A.P. // J. Non-Equilib. Thermodyn, 2011, 36, P. 55-73. Герасев А. П. // Успехи физических наук, 2004, 174, № 10. С. 1061—1087</ref>.

По аналогии описания самоорганизующихся систем с фазовыми переходами диссипативная самоорганизация получила название фазового перехода в неравновесной системе.

Методы синергетики были использованы практически во всех научных дисциплинах: от физики и химии до социологии и филологии. Градообразование и нейронные сети описаны как диссипативные структуры. В последнее время практически исчезло использование первоначально необходимого математического аппарата нелинейных уравнений. Это привело к тому, что любая система естественного происхождения, не принадлежащая компетенции равновесной термодинамики, стала рассматриваться как самоорганизованная.

Консервативная самоорганизация (супрамолекулярная химия и фазовые переходы)

Изучение вещества в наносостоянии, образование сложной структуры в процессе кристаллизации без внешнего воздействия также потребовало описания этих явлений как самоорганизации. Но, в отличие от синергетического подхода, эти явления происходят в условиях, близких к термодинамическому равновесию.

Таким образом, равновесные фазовые переходы, такие как кристаллизация, также оказались самоорганизацией. Для устранения путаницы, феномен упорядочения в равновесных условиях часто определяют как консервативная самоорганизация.

Континуальная самоорганизация (концепция эволюционного катализа)

Концепция эволюционного катализа, разработанная А. П. Руденко, является альтернативной концепцией самоорганизации для биологических систем. В отличие от когерентной самоорганизации в диссипативных системах с большим числом элементов (макросистем), рассматривается континуальная самоорганизация для индивидуальных (микро-) систем. В рамках данного подхода определяется, что самоорганизация как саморазвитие системы происходит за счёт внутренней полезной работы против равновесия. Прогрессивная эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.

Некоторые макроэффекты

• Эффект «текучего клина»
• Столбчатая отдельность базальтов
• Реакция Белоусова — Жаботинского

См. также

• Аттрактор
• Автоволны
• Гомеостаз
• Самоорганизующаяся система
• Синергетика
• Теория динамических систем
• Эволюционная химия

Ссылки

Шаблон:Родственный проект{{#if:||}}{{#if: самоорганизация || {{#ifeq: Самоорганизация | самоорганизация | | }} }}

• Методы оценки самоорганизации.
• Самоорганизация и синергетика: идеи, подходы и перспективы.
• Третьяков Ю. Д. Процессы самоорганизации в химии материалов.
• Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия.
• Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. — М.: Изд-во МГУ, 1969. — 276 с.
• Руденко А. П. Самоорганизация и синергетика.
• Сальников В. Н., Арефьев К. П., Завёрткин С. Д. Самоорганизация физико-химических процессов в диэлектрических природно-техногенных средах. Томск: STT. 2006. — 524 с.
• Сальников В. Н., Потылицына Е. С. Геология и самоорганизация жизни на Земле. Томск, STT, 2008. — 430 с.
• Щербаков А. С. Самоорганизация материи в неживой природе (Философские аспекты синергетики). — М.: Изд-во МГУ, 1990. — 110 с.
• Мельник Л. Г. Теория развития систем : монография / Л. Г. Мельник. — Сумы: Университетская книга, 2016. — 416 с.