Рассматривать и изучать явления, связанные с состояниями порядка и беспорядка в природе начали достаточно давно, однако только разработка и апробация их физических моделей сделали возможным сформулировать некоторые определенные количественные законы.
С 1970-х годов стала интенсивно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Среди таких систем особый интерес вызывают открытые самоорганизующиеся биологические и социальные системы. Результаты исследований в области математического моделирования сложных открытых систем постепенно привели к возникновению нового научного направления — синергетики, которая ориентирована на исследование принципов построения системы, ее организации, возникновения, развития и самоусложнения.
В синергетике изучаются диссипативные структуры, способные самопроизвольно возникать и развиваться в активных диссипативных средах в состояниях, далеких от термодинамического равновесия; механизмы спонтанного образования и эволюция сложных систем, находящихся в состоянии неустойчивого равновесия со средой. Таким структурам свойственно то, что в состояниях неустойчивости они могут оказаться чувствительными к малейшим случайным отклонениям в среде.
Таким образом, объектом изучения синергетики являются нелинейные, открытые системы, находящиеся в состоянии нестабильности (неравновесное состояние, состояние вдали от положения равновесия), состоящие из множества элементов и подсистем, взаимодействие между которыми может быть подвержено лишь малым флуктуациям или незначительным случайным изменениям. В таких состояниях они способны образовывать особые упорядоченные формы с меньшей энтропией. Поэтому такие системы характеризуются сложностью, уровневой организацией, наличием взаимодействия отдельных элементов (подсистем), существованием обратных связей, обеспечивающих целостность системы [2, 3].
Основной идеей синергетики является идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка (организации) из беспорядка и хаоса в результате процессов самоорганизации [1]. Нестабильное хаотическое состояние системы рассматривается как созидательный фактор, аккумулирующий в себе множество возможных сценариев развития этой системы. Хаос выступает как способ обновления сложной организации не только в природе, но и в человеческом разуме (как известно, в линейных системах хаос неизбежно приводит ее к деградации). При этом существенную роль играет возникновение положительной обратной связи между системой и окружающей средой: под влиянием внешней среды внутри системы возникают изменения, которые, постепенно накапливаясь, в некоторый момент кардинально меняют всю систему, превращая ее в более сложную и высокоорганизованную.
Идеи самоорганизации порождают новый стиль мышления, новое миропонимание. В сферу внимания попадают нелинейные эффекты эволюции систем любого типа, кризисы и бифуркации — неустойчивые фазы существования, предполагающие множественность сценариев дальнейшего развития. Небольшие флуктуации в окрестности точек бифуркации имеют при этом ключевую роль и могут сильно повлиять на дальнейшую эволюцию системы. Последнее означает, что две одинаковые системы путем незначительного изменения начальных условий через некоторый интервал времени удается перевести в совершенно разные состояния. Такая сильная зависимость от исходных или начальных условий получила название «эффекта бабочки».
Нелинейный мир — это мир с иными закономерностями, где нелинейность, являющаяся внутренним свойством объектов и процессов, выступает как универсальное и фундаментальное его свойство, изначально присущее природе. Таким образом, образование Вселенной, рождение, жизнь и смерть звезд (и их систем) — все это примеры нелинейных процессов. Нелинейными также являются процессы на Солнце (например, вспышки, протуберанцы), планетах (например, явления в атмосферах), в мире живой природы. Большинство процессов, происходящих на Земле, в ее внутренних и внешних оболочках — также нелинейны: землетрясения, цунами, вулканизм, образования в атмосфере и океане (вихри, течения), процессы в ионосфере и магнитосфере, процессы горообразования, разряды молний, падения метеоритов, комет и астероидов (рис. 1 — 8).
Процессы, отвечающие за формирование погоды и климата, катастрофические явления природы, катастрофы, вызванные человеческим фактором (например, ядерный взрыв), обычно также нелинейны (см. рис. 11, 12).
Современные компьютерные модели взрывов сверхновых звезд подтверждают факт несимметричности формы взрыва, который объясняется тем, что во время взрыва распределение материи и энергии происходит неравномерно. Так, на рис. 13 представлена фотография сверхновой звезды 1987A расположенной в Большом Магеллановом Облаке и впервые открытой в 1987 году. На фото отчетливо прослеживается несимметричность картины взрыва.
Именно нелинейность и асимметричность на ранних этапах эволюции Вселенной привела ко всему многообразию окружающего нас мира. На рис. 14 представлен снимок центральной черной дыры Центавра А с выбрасывающимся из нее массивным энергетическим джетом [4].
Синергетика, выступающая в роли «нелинейной науки», призвана сегодня охватить все существующее в природе разнообразие нелинейных процессов, явлений и нелинейных систем. В современном мире совершенствуются научные исследования, соответствующие «нелинейные» тенденции отмечаются в сфере образования. Например, с 2003 г. в России стал выпускаться журнал «Нелинейный мир», освещающий различные нелинейные процессы. В Саратовском государственном университете еще в 1994 г. основан факультет нелинейных процессов, появилась университетская специальность «Физика открытых нелинейных систем». В Сан-Диего (США) в составе университета Калифорнии функционирует институт нелинейных исследований. Проявлением универсальных фундаментальных свойств природы является такое проявление нелинейного мира, как солитон, — нелинейная уединенная волна (например, на воде — это волна цунами (рис. 15)). Важнейшей особенностью солитона, отличающей его от других волн, является неизменность его профиля в процессе распространения, связанная, как правило, с притоком энергии извне. Поэтому такая волна имеет место в открытых системах. Солитоны возникают в случае значительных выделений энергии в литосфере (при землетрясениях, извержениях вулканов), атмосфере (мощных взрывах, полетах ракет), ионосфере и магнитосфере. Ярким представителем солитона является огибающая семейства из семнадцати уединенных волн, образующих так называемый «девятый вал» во время шторма в океане (самая мощная из этих волн — центральная, девятая). Солитоноподобные объекты открыты сегодня повсеместно: это и образования в атмосфере Юпитера (Большое красное пятно, — см. рис. 2), и спиральные рукава галактик (рис. 16), и черные дыры. Встречаются они и в мире живой природы (например, нервные импульсы), а также в современном обществе (некоторые социально-экономические процессы).
Таким образом, в центре внимания современной науки оказываются сложные нелинейные системы с присущей им нетривиальностью и демонстрирующие различные хаотические режимы в процессе самоорганизации. При этом универсальными фундаментальными понятиями становятся самоорганизация и хаос.