Структурная неустойчивость природы

Саночкин В.В.

Аннотация.  ⇓ 

Структурная неустойчивость природы возникает из-за действия принципиально положительной обратной связи по количеству информации. В статье рассмотрена модель такой неустойчивости и выведены её общие проявления, которые можно наблюдать на всех уровнях иерархии природы. Показано, что конкуренция и кооперация в условиях нарастающей специализации образуют диалектическое единство, в котором каждая приводит к возникновению противоположной на новом уровне организации. Приведённые факты и соображения подтверждают реальность и фундаментальность упомянутой обратной связи и обусловленной ей неустойчивости.

СС №4 (5) 2012 300 

Это адаптированная для сайта версия статьи:

Саночкин В.В. Структурная неустойчивость природы // Эволюция, №6, 2009, с.4-8. 

Исходную статью можно посмотреть в pdf-копии бумажного издания журнала "Эволюция" №6, выложенной на сайте здесь.

  

Содержание.  ⇑ 

  1. Введение.
  2. Модель структурной неустойчивости.
  3. Реальные проявления структурной неустойчивости.
  4. Практическое значение.
  5. Заключение.
  6. Литература.   

1. Введение.  ⇑ 

В [1] и ранее в работах [2-4] показано, что универсальной причиной развития является отбор структур по критерию устойчивости образованных ими систем или, иначе, положительная обратная связь* по количеству информации в системах. Свойства этой обратной связи уникальны: она всегда положительна; она избирательна по отношению к проверенной информации; она может действовать относительно систем любых видов, на всех этапах развития и уровнях иерархии природы. Из теории известно, что системы, охваченные положительной обратной связью, неустойчивы. В данном случае можно говорить о структурной или информационной неустойчивости природы и составляющих её структур. Чтобы подтвердить реальность и универсальность такой неустойчивости, рассмотрим её механизм, выявим её проявления и убедимся, что они наблюдаются в природе повсеместно, на всех уровнях её иерархии, подтверждая также универсальность действия упомянутой обратной связи.

Отметим, что обсуждаемый процесс является проявлением законов диалектики, ибо структурная неустойчивость есть результат конкуренции и отбора систем по критерию устойчивости.

 

* обратная связь – это влияние текущего результата процесса на дальнейшее протекание того же процесса, положительной её называют, когда этот результат способствует процессу.  

2. Модель структурной неустойчивости.  ⇑  

Представим себе некую совокупность систем, которые могут воспринимать и производить информацию. Примерами такой совокупности могут служить биосфера или общество. Допустим, что внешние условия не ограничивают усвоение и производство информации в системах. Тогда темп этих процессов в каждой системе определяется только её собственным состоянием. Покажем, что в этих условиях изменения количества и состава информации в системах неограниченно растут, благодаря действию положительной обратной связи.

Как известно, восприятие информации зависит от знаний, то есть от информации, которую система уже усвоила. Обладатели более глубоких и разносторонних знаний могут усваивать и производить информацию, которую менее развитые системы усвоить не могут. Эта информация пополняет их знания и увеличивает возможности для усвоения и производства новой информации, то есть это процесс с положительной обратной связью. Напротив, системы, усвоившие мало информации, обладающие небольшими знаниями, не могут усвоить многое из того, что усваивают другие – их знания растут медленнее. Значит, чем совершеннее система, чем большим объемом информации она располагает, тем больше информации она может усвоить, увеличивая свой отрыв в развитии. Таким образом, информация всё больше собирается в наиболее развитых системах, и неоднородность распределения информации между системами или в пространстве нарастает.

Вместе с информацией концентрируются и её носители, так как для обеспечения эффективности обмена информацией нужно снижать издержки на её передачу, на прокладку и поддержание линий связи, а это достигается, в частности, укорочением линий. Правда, развитие средств и способов передачи информации смягчает эту тенденцию, увеличивая приемлемую длину коммуникаций.

Следует подчеркнуть, что в системах накапливается не любая, а лишь проверенная информация. Дело в том, что информация нужна не просто так, а чтобы на её основе действовать. Именно действия замыкают контур обратной связи и делают её селективной. Действия на основе неверной информации часто приводят её обладателя к неприятностям или даже к гибели. В результате либо обладатель отказывается от неверной информации, либо она отсеивается вместе с обладателем, а отбирается и накапливается информация, верность которой проверена на практике.

Это же можно выразить и на языке структур. Системы, обладающие более совершенными структурами, могут быстрее и эффективнее усложняться, генерируя в себе новые структуры или воспринимая и преобразуя структуры из окружения. Результат этих действий автоматически проверяется. Если добавленная в систему структура делает её неустойчивой при взаимодействиях, то она отсеивается путем реструктуризации системы или даже её уничтожения, ибо неустойчивость – это и есть неспособность системы сохранять свою структуру при взаимодействиях. Таким образом, сохраняются и накапливаются структуры, проверенные реальными взаимодействиями.

NIE Img6В рамках нашей модели обратная связь по количеству информации в каждой системе описывается дифференциальным уравнением dI/dt = k·I(t), где t – время, I(t) – текущее количество информации в системе, k=∆I/(I·∆t) – коэффициент прироста информации в единицу времени. Решением этого уравнения является экспонента I(t) = In exp(kt), где In – начальное количество информации в n‑ой системе. При k >0 система прогрессирует, накапливая информацию, при k<0 система деградирует. Равенство условий для всех систем во все моменты времени выражается одинаковым для всех и постоянным значением k. Решения при k >0 изображены на рисунке сплошными экспонентами: более развитая 1‑я система быстрее собирает в себе информацию и увеличивает отрыв в развитии. При k <0 (пунктирные экспоненты) системы теряют информацию, и различия между ними стираются.

Распределение информации по системам меняется при развитии не только количественно, но и качественно – по составу. Это обусловлено смысловой избирательностью, то есть тем, что быстрее и легче усваивается информация, подходящая по смыслу к уже усвоенной. Например, математик лучше усваивает информацию по математике, чем, скажем, по биологии, а биолог, наоборот. Поэтому, если какая-то система наполнена информацией некоторого вида I1 больше, по сравнению с информацией вида I2, то она и далее будет пополняться преимущественно информацией вида I1, причём в нарастающем темпе, в силу положительной обратной связи. В результате, развивающаяся система невольно специализируется, и информация, соответствующая её специализации, собирается в ней, увеличивая свою долю в системе. Этот процесс изображается уже приведенным выше рисунком, только теперь индекс при экспонентах надо относить не к разным системам, а к типам информации в данной системе. Пример избирательного сбора информации являет любой специалист, который, обладая большим объёмом информации по своей специальности (I1), по сравнению со сведениями из других областей (I2), усваивает информацию в своей области быстрее и легче, чем остальную. Если в другой системе, наоборот, чуть больше информации вида I2, то в ней точно так же начнётся избирательное накопление соответствующей информации. Таким образом, в условиях нашей модели особенности состава информации в развивающихся системах нарастают, углубляя спонтанную специализацию систем и избирательно собирая в них информацию по смыслу.

На некотором этапе специализации системы уже не могут достаточно эффективно выполнять все функции, необходимые для обеспечения своей устойчивости. Поэтому конкуренция либо отсеивает слишком специализированные системы, либо заставляет взаимодополняющие друг друга системы кооперироваться, повышая их совместную устойчивость. В результате исходные системы получают возможность углублять специализацию, и организуется новый уровень иерархии – кооперативные системы.

На новом уровне всё повторяется – увеличивается количество кооперативных систем, обостряется конкуренция за ресурсы, идёт специализация, которая увеличивает разнообразие систем и снова приводит к кооперации с образованием очередного уровня иерархии.

Как видим, обратная связь по количеству информации, специализируя системы, делает необходимой их кооперацию, а следствием этого становится конкуренция и отбор на новом уровне, что снова ведёт к кооперации специализирующихся систем. Таким образом, конкуренция и кооперация образуют диалектическое единство, в котором каждая способствует возникновению противоположной.

В итоге, анализ нашей модели показывает, что структурная неустойчивость, вызванная обратной связью по количеству информации, должна проявляться во взаимосвязанных изменениях следующих величин:

  • количества информации в системах (сложности систем),
  • неоднородности распределения информации между системами по количеству и составу,
  • неоднородности распределения носителей информации,
  • глубины специализации систем,
  • разнообразия систем,
  • числа уровней иерархии систем,
  • диапазона темпов развития систем.

Рост этих параметров соответствует прогрессивному развитию, убыль – деградации.  

3. Реальные проявления структурной неустойчивости.  ⇑  

Поскольку наблюдаемая Вселенная, включая Землю, биосферу и общество, в целом, прогрессирует, то должны преобладать описанные тенденции к нарастанию неоднородности в распределении информации и её носителей, к специализации систем и объединению в них информации по смыслу, к созданию новых уровней иерархии и увеличению диапазона темпов развития. На многочисленных примерах можно убедиться, что описанные проявления структурной неустойчивости действительно наблюдаются повсеместно и на всех уровнях иерархии природы.

Яркие иллюстрации описанных тенденций даёт биологическое развитие. Так, первоначально независимые структуры – одноклеточные организмы – эволюция привела к кооперации, образовав следующий уровень иерархии – многоклеточные организмы, и специализировала как сами организмы (хищники и травоядные, сухопутные и подводные), так и группы клеток в них (органы и системы организмов). Развитие образовало также и следующие иерархические уровни: популяции, биоценозы, биосферу, – с соответствующей специализацией и кооперацией составляющих. Примером нарастающей неравномерности развития является то, что наиболее совершенный из биологических видов – человек – наиболее быстро и развивается.

Описанные тенденции реализуются и в технике. Например, тенденции к накоплению информации, к концентрации информации и её носителей реализуются в усложнении и миниатюризации устройств, в усложнении и концентрации производств. Технические устройства и человеко-машинные системы, подобно биологическим, специализированы и образуют иерархические структуры. Например, память ЭВМ делится на постоянную и оперативную, каждая из которых имеет несколько уровней иерархии. Промышленность и её отрасли: энергетика, транспорт, станкостроение и другие, – и их внутренняя структура также результат специализации, концентрации, кооперации и иерархической организации технических устройств и их производств.

Эти же процессы ясно прослеживаются и в обществе. Наблюдается образование и специализация всевозможных информационных и структурных центров: правительств, министерств, штабов, институтов, школ, элит, населённых пунктов и так далее, – в которых информация концентрируется и объединяется по смыслу. Все эти образования входят в иерархические структуры, участвуют в процессах конкуренции и кооперации. Разделение труда, углубляющееся в ходе развития общества – это яркий пример специализации и необходимой после этого кооперации. Само общество – результат конкуренции, специализации, кооперации и иерархической организации. В рамках этих закономерностей прогресс ведет к объединению Европы и глобализации, то есть к возникновению новых уровней иерархии вследствие кооперации ранее независимых структур. Наоборот, деградация «Социалистического лагеря» выразилась в нарушении кооперации между этими странами, в развале межгосударственного уровня организации (СЭВ, Варшавский договор), частично нарушила их специализацию. Политическая и экономическая деградация развалила и некоторые из социалистических стран (СССР, Чехословакия, Югославия). На выделившихся территориях для выживания в новых условиях пришлось отказываться от прежней специализации и расширять спектр производственных, образовательных и других структур.

Избирательность при концентрации информации проявляется в компактности зон распространения языков, религий, наук, культур относительно каналов коммуникации.

В неживой природе структурная или информационная неустойчивость также проявляется повсеместно, приводя к иерархической организации материи и образуя на каждом уровне компактные специализированные системы. В космических масштабах это реализуется с помощью гравитации, которая структурирует вещество, собирая его в планеты, звезды, галактики, группы галактик, то есть в компактные в соответствующих масштабах иерархически организованные системы. Примером специализации космических систем могут служить звезды, являющиеся поставщиками лучистой энергии и фабриками синтеза атомных ядер. Причем, производя из простых атомных ядер более сложные и проверяя их устойчивость на практике, звёзды также подтверждают указанные нами тенденции. То, что звёзды, атомные ядра и другие материальные объекты являются местами скопления не только вещества и энергии, но и информации, ясно хотя бы из того, что именно из них ученые извлекают большую часть информации о свойствах материи. Например, исследуя звезду, не наводят телескоп в пустое пространство, поскольку информация о звезде сосредоточена в ней, а не вокруг, то есть, распределена неравномерно и объединена по смыслу (о звезде!).

На микроуровне материя так же собрана в компактные микросистемы, которые образуют иерархические уровни, причем чем позднее возник уровень, тем сложнее микросистемы, то есть, в них больше информации. Так, на основе элементарных частиц организованы атомные ядра и атомы, которые, в свою очередь, составляют неорганические молекулы. Последние объединяются в более сложные органические молекулы. Системы каждого уровня специализированы. Одни микрочастицы электроотрицательны, другие электроположительны, третьи электронейтральны. Одни атомы являются окислителями, другие – восстановителями, третьи – инертны. Неорганические молекулы различаются по валентности, делятся на кислоты, основания, соли. Органические молекулы образуют множество видов: кислоты, основания, ферменты, жиры, углеводы, белки и другие. Благодаря функциональной специализации и кооперации микрочастиц разных видов в природе существуют самоподдерживающиеся циклы ядерных и химических реакций, которые причастны к появлению и поддержанию жизни и уровней иерархии неживой природы. Все эти виды систем прошли отбор на устойчивость, и этот отбор продолжается. Несметное количество атомов и молекул каждую секунду распадается, то есть, по-своему гибнет, и собирается из компонентов вновь, доказывая устойчивость вида. Причем те же компоненты могут образовывать и неустойчивые структуры, которые снова и снова отсеиваются. В результате, частицы в атоме, атомы в молекуле, молекулы в телах и сами тела образуют организованные системы из подходящих друг другу элементов с помощью характерных для них взаимодействий, что соответствует концентрации согласованной по смыслу информации, грубо говоря: о ядерных связях – в ядрах, о химических связях – в молекулах. Примерами смысловой избирательности, то есть избирательности в установлении связей, являются валентность у молекул или способность зарядов взаимодействовать только с зарядами, а масс – только с массами.

Итак, выведенные из нашей модели проявления обратной связи по количеству информации наблюдаются в природе повсеместно.  

4. Практическое значение.  ⇑  

Нет сомнений, что в реальности экспоненциальное развитие, обусловленное положительной обратной связью, сталкивается с естественными ограничениями в необходимых ресурсах: пространстве, веществе, энергии и так далее. Кроме того, развитие каждой системы происходит в условиях конкуренции за ресурсы и, поэтому, зависит от развития других систем. В приведённых уравнениях всё это должно отразиться появлением зависимости коэффициентов k от количества потребляемых системами ресурсов и взаимозависимостью между k для разных систем. То есть, чтобы приблизить нашу модель к реальности, надо независимые линейные уравнения преобразовать в систему нелинейных уравнений. Но это уже детализация, а надо помнить, что общая модель просто обязана игнорировать несущественные на данном уровне обобщения детали.

В результате, несмотря на все неучтённые в нашей идеализированной модели обстоятельства, маскирующие обсуждаемую обратную связь, выведенные из модели следствия легко просматриваются в самых различных реальных системах, в чем мы только что убедились. Примеры можно множить и множить. Это подтверждает адекватность модели и подчёркивает фундаментальность причины, приводящей к одним и тем же результатам вопреки массе дополнительных факторов.

Знание об универсальности обратной связи по количеству информации и о том, как она влияет на развитие самых разных систем, даёт новую основу для понимания и прогнозирования развития, для осознания возможностей и пределов управления им.

Например, один из маститых специалистов по градостроительству, выступая по телевидению, отметил, что в течение последних полутора веков в каждом крупном городе планеты каждые 10-15 лет издавались постановления с целью предотвратить неограниченный рост и скученность населения города, но ни одно из них не было выполнено. В контексте наших рассуждений становится понятно, что власти городов пытаются бороться с фундаментальной закономерностью природы, а такие попытки не могут быть успешными. Чтобы прекратить концентрацию информации и её носителей в городе, есть только один эффективный способ – организовать его деградацию, например, запретить ремонтные работы, торговлю, финансирование, или просто разрушать коммуникации и жилье. Нет сомнений, что информация и население тут же начнут утекать из города. А пока город прогрессирует, отменить концентрацию населения невозможно. Можно лишь смягчить проблему скученности, изобретая и строя дешевые и быстрые коммуникации, увеличивающие экономически и психологически приемлемую дистанцию оперативного взаимодействия.

В этом же контексте ясно, что «утечка мозгов» из российской науки – это явный признак её деградации из-за резко ужесточившихся условий отбора. И обратная связь проявится в том, что отток, как пишут, миллиона лучших и наиболее активных специалистов, к сожалению, ещё больше затормозит развитие науки в России и, наоборот, ускорит в центрах сосредоточения научных кадров, где питающих науку ресурсов больше и, поэтому, отбор менее жесткий – ученым и научным идеям выживать легче. Остается слабая надежда на то, что жесткий отбор приведёт в России к созданию более эффективных форм научной организации, которые в стратегической перспективе дадут преимущества в темпах развития. Обнадёживает и смягчающее отбор до разумного уровня направление ресурсов в отрасли, называемые инновационными. Только качественные, структурные изменения смогут удержать Россию на передовых рубежах науки. Согласно изложенному, одним из признаков прогресса в российской науке станет возвращение научных кадров, и это ускорит прогресс.  

5. Заключение.  ⇑  

На основе концепции «информация-струк­тура» сформулированы общие следствия обратной связи по количеству информации и показано, что они ясно проявляются на всех уровнях иерархии природы, приводя к схожим результатам развития. Это подтверждает реальность действия обсуждаемой обратной связи, как фундаментальной причины развития. Представления о ней и знание её следствий дает новую рациональную основу для понимания процессов развития и управления ими.   

Литература.  ⇑  

  1. Саночкин В.В. Почему и как развивается природа. // на этом сайте здесь.  

  2. Саночкин В.В. Почему и как развивается природа. // Эволюция, 2008, №4, стр.7-12.  

  3. Саночкин В.В. «Универсальная причина развития». // Философские исследования, 2001, №3, с.198-203. (на этом сайте здесь).  

  4. Саночкин В.В. Природа информации и развития. Сборник статей. – М.: 2004. – 76 с. (на этом сайте здесь).

 

 _⇑_ 

Для добавления комментариев, пожалуйста, войдите на сайт.