Дельфис

Главным достижением науки наступившего века можно считать осознание сложности мира и стремление его понять. Путь к пониманию сложности складывался и продолжает развиваться на базе междисциплинарности. Уже в начале 1980-х годов реальным стало понимание общности ряда исследовательских программ. На этой основе стало формироваться теоретическое ядро концепции самоорганизации, или, если пользоваться терминологией И. Лакатоса, новая исследовательская программа. Начался переход от различных динамических теорий и идей самоорганизации к началу формирования концепции самоорганизации в рамках комплексных научных направлений. Возникло несколько достаточно близких друг к другу, но нацеленных на различные сферы приложения, комплексных направлений. Например, подходы по изучению сложности жизни, ориентированные на компьютерное и физическое моделирование (теории клеточных автоматов и нейросетей, теория самоорганизованной критичности, теория жизни на кромке хаоса и др.); теория аутопоэзиса (понимания взаимодействия социальных систем со средой и внутри себя), а также наиболее общее направление – синергетика.

Почти одновременно возникают такие направления, как теория фракталов, неожиданно нашедшая широчайшее применение в различных областях знаний, теория мезомеханики, позволившая создать переходный теоретический мост в области самоорганизации сплошных сред различного масштаба, и, наконец, теория наномира и нанотехнологий. Все эти направления роднит общее стремление понять суть самоорганизации природы. И даже понимание того, что класс диссипативных процессов обязательно должен быть дополнен классом аккумулятивных и кумулятивных процессов, включая кумулятивно-диссипативные процессы с высокими плотностями энергии, опять же возвращает нас к стремлению понимания сути самоорганизации в природе на всех пространственно-временных и энергоинформационных уровнях. Фактически мы стоим перед проблемой ещё более крупного междисциплинарного синтеза в науке и технике.

Попробуем пояснить это, начиная с наиболее модного сейчас научно-технологического направления в области нанотехнологий. Конец XX и начало ХXI века ознаменовались переходом к нанотехнологиям. Предполагается, что использование нанотехнологий позволит развить физические, химические, технические, медицинские и материаловедческие науки, что будет способствовать междисциплинарной кооперации в науке и производстве.

Переход к нанонауке и нанотехнологиям требует перестройки мышления для осмысления самой концепции нанонауки, базирующейся на квантово-механических свойствах наномира, не свойственных макромиру¹. Существование наномира означает, что наноразмерные объекты обладают специфической структурой и свойствами, присущими только объектам наномира. Особенностью нанотехнологий является широкое использование процессов самоорганизации, самосборки и темплатного синтеза, которые могут в сложно организованной системе привести к формированию необходимых упорядоченных структур (наноструктур), проявляющих требуемые практически важные (функциональные) свойства. Естественным способом получения наноматералов могут являться самосборка и самоорганизация. Интенсивность процессов самоорганизации в определённом участке среды существенно зависит от многовариантности поведения составляющих компонентов.

Решение проблемы требует междисциплинарного подхода. В связи с этим акцентируется внимание на необходимости введения обобщённой симметрии, так как в наномире не всегда реализуются законы классической кристаллографии, базирующейся на трансляционной инвариантности. Квантовое состояние наносистемы определяет большое разнообразие структур в виде одномерных, двумерных, трёхмерных фрактальных структур и их комбинаций. Это связано с тем, что в наносистемах сетки, образованные координациоными полиэдрами, могут деформироваться и образовывать цилиндрические, конусные и сферические поверхности. При этом самостабилизированные атомные кластеры неорганических веществ в своей структуре могут содержать отличные от макромира структуры. Также, необходимо при этом учитывать, что разделение наноструктуры на фрагменты характеризуется нерегулярностью, то есть фрактальностью.

Наиболее ярко явления самоорганизации проявлены при образовании таких образований, как нанокластер, наноструктура. Выделение таких понятий и связанных с ними явлений привело к появлению новой дисциплины – физико-химии и соответствующего исследовательского инструментария. Изучение особенностей самоорганизации фрактальных структур в наносистемах является ключевой в объединении подходов синергетики и теории фракталов для анализа нелинейной динамики наносистем.

Решение проблемы требует объединения на базе термодинамики наноситем (супрамолекулярной термодинамики) новых междисциплинарных направлений: синергетики, являющейся теорией самоорганизующихся систем, теории фракталов, увязанной с фрактальной симметрией (контролирующей нарушение инвариантности трансляционной симметрии) и свойствами среды самоорганизации фракталов, адаптирующих систему к внешним возмущениям, физической мезомеханики, определяющей масштабно-инвариантные преобразования фрактальных структур в процессе эволюции системы.

С одной стороны, междисциплинарность ставит своей целью найти пути, которые в будущем могут составить основу объединённого междисциплинарного направления, учитывающего особенности структурообразования в микро-, мезо- и макросистемах, контролируемое наноуровнем. С другой стороны, междисциплинарность исследований в различных научных направлениях вытекает из современной ренормгрупповой теории фазовых переходов, в основе которой лежит подход, базирующийся на гипотезе скейлинга, или масштабной инвариантности. Речь идёт о новом применение теории фракталов, теории детерминированного хаоса, теории дифференциальных уравнений с дробной мерой и скейлинговых инвариантов в задачах повышения информативности устройств различного назначения.

Здесь важна общность ряда описываемых междисциплинарных направлений. Она состоит в том, что в теории фракталов, нанонауке и мезомеханике ярко выражены три основные аспекта синергетики: реальность диссипативных структур (самоорганизация в пространственно-временнóм масштабе), наличие фрактальных структур, свойственных динамическому хаосу и проявляемых в суперупаковках наномасштаба (самоорганизация в фазовых пространствах или пространствах состояний систем) и разнообразие сценариев эволюции, свидетельствующее о сложности структур всех масштабов (самоорганизация в пространстве стратегий, предпочтений, решающих правил).

Сейчас общество вступило в эру создания ещё более комплексного и универсального междисциплинарного направления, которое явится основой для анализа аккумулятивно-диссипативных процессов взаимодействующих сложных открытых систем в процессе эволюции со всеми масштабными уровнями устойчивой фрактальной адаптации (от нано- до макроуровня), и позволяющее адекватно теоретически моделировать и инструментально контролировать и управлять всеми стадиями эволюции взаимодействующих систем. Это будущая теория эволюции сложных систем. Такое направление будет обладать ценнейшими особенностями – прогнозируемостью и управляемостью, что крайне важно для стратегии будущего. Скорее всего, – это будущее за аккумулятивно-диссипативной парадигмой, органически включающей в себе формы экстремальных, то есть кумулятивных потоков энергии, вещества и информации, фрактально организованные в целях наилучшей адаптации во времени и пространстве.

Именно объединение подходов позволяет определять степень адаптивности систем ко внешним воздействиям экспериментальным путём и устанавливать критические параметры адаптивности систем к внешним воздействиям. Это основа новой науки.

О.П. Иванов, кандидат геолого-минералогических наук; М.А.Винник, кандидат педагогических наук; МГУ им. М.В.Ломоносова

ivanovop2007@yandex.ru