Естествознание. Базовый уровень. 10 класс - Сергей Титов

Поэтому существует даже такое определение системы:

«Система есть то, что рассматривается как система».

Нужно обратить внимание на одно важное обстоятельство. Часто словом «система» обозначают два различных понятия. Существуют, например, системы, созданные для классификации каких-либо объектов. Типичным примером является классификация живого мира, предложенная Карлом Линнеем и в общих чертах сохранившаяся до нашего времени. Точно так же можно создать систематику минералов, небесных тел или чего-либо ещё. Такие системы создаются человеком для того, чтобы ему было удобно ориентироваться в природных явлениях. Реально в природе они не существуют. Представители одного отряда животных могут обитать на разных континентах, никогда не вступая во взаимодействие. Поэтому такие системы часто называют внешними, так как создающий их человек является по отношению к ним внешним фактором.

Другие системы реально существуют в природе, независимо от точки зрения наблюдателя. К ним относятся организмы, природные сообщества или государства. Такие системы называют внутренними, потому что они организуются самостоятельно. Важно, что если во внешних системах элементы выбираются по принципу сходства, то во внутренних, наоборот, необходимо их разнообразие, потому что каждый элемент занимает особое место и выполняет специфическую роль при взаимодействии с другими элементами. В действительности, однако, существует много систем, сочетающих в себе признаки внешних и внутренних. Например, биологический вид может служить элементом внешней системы, если его представители обитают на разных территориях и не взаимодействуют, либо элементом внутренней системы, если принадлежащие к нему организмы живут вместе и образуют популяцию.

Приблизительно в то же время, что и теория систем Берталанфи, т. е. в 40-х гг. ХХ в., возникла родственная ей наука, которая в математическом виде исследовала общие принципы управления. Она получила название кибернетика (от греч. hypernetike – искусство управления[22]). Кибернетика – это наука об общих закономерностях процессов управления в различных системах, включая машины, живые организмы или общество. Само название было предложено в 1948 г. американским математиком Норбертом Винером (1894–1964) (рис. 192), которого называют отцом кибернетики. От общей теории систем кибернетика отличается большей математической и технической направленностью, её главными задачами являются математическое моделирование регуляторных процессов и создание автоматов, имитирующих работу живых организмов вплоть до искусственного интеллекта. Кибернетика изучает различные виды управляющих систем. Для того чтобы система могла чем– либо управлять, она должна быть, во-первых, достаточно сложной, а во-вторых, динамической, т. е. способной к постоянному изменению. Поэтому говорят, что предметом кибернетики является исследование сложных динамических систем. При этом кибернетику не интересуют конкретные физические, химические или биологические основы протекающих процессов – одни и те же приёмы и методы используются для описания закономерностей, которые обнаруживаются в механизмах, живой клетке, мозгу или в обществе.

Рис. 192. Норберт Винер

Для решения поставленных кибернетикой задач требовался огромный объём математических вычислений. Поэтому развитие кибернетики сопряжено с появлением и бурным развитием электронно-вычислительной техники, которая одновременно и использовала достижения этой науки, и способствовала решению её новых задач. Появление и усовершенствование электронно-вычислительных машин сделало возможным практическое применение системного подхода и основанного на нём системного анализа сложных природных и социальных объектов. Кибернетика, так же как и теория систем, тесно связана с относительно новыми науками – теорией информации и синергетикой, с которыми вы познакомитесь позже.

1. Что означают понятия редукционизма и холизма?

2. На каких принципах строится системный подход?

3. Что такое «внешние» и «внутренние» системы?

4. Что означает слово «кибернетика»? Что является предметом исследований в кибернетике?

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Приведите пример какой-либо природной или искусственной системы. Опишите входящие в неё элементы, их взаимодействие и свойства этой системы как целого.

§ 71 Методы исследования систем

Методы исследования систем зависят от величины систем, их сложности и степени точности установления связей между элементами системы. В простейшем случае, если система состоит из небольшого числа элементов, между каждой их парой могут быть установлены связи. Если такая связь существует, то это значит, что между элементами существуют какие-то отношения. Представим себе систему из трёх девушек, которых зовут Даша, Маша и Катя. При этом Даша знакома и с Машей, и с Катей, а Маша и Катя между собой не знакомы. Изобразим эту систему (рис. 193).

То, что представлено на рисунке, называют графом. Граф – это фигура, состоящая из точек и линий, соединяющих некоторые точки.

Рис. 193. Граф, иллюстрирующий взаимоотношения между Машей, Катей и Дашей

Точки называют вершинами графа, а линии – рёбрами. Если между всеми элементами системы установлены связи, то каждая вершина соединена рёбрами с любой другой. Такой граф называют полным. В нашей группе из трёх девушек полный граф получится, если Маша познакомится с Катей. Если же, напротив, Даша куда-нибудь уедет и перестанет общаться как с Машей, так и с Катей, то в графе не останется ни одного ребра, и он станет пустым.

Пока мы установили только наличие отношений между девушками, но не выяснили, какие это отношения. Предположим, что все три девушки знакомы между собой, но Даша дружит и с Машей, и с Катей, однако при этом Маша Катю недолюбливает. Чтобы изобразить эти отношения в виде графа, надо сделать так, чтобы рёбра имели положительный или отрицательный смысл. Для этого можно поставить над ними знак «+» или «-» или, как это часто делается, положительную связь изобразить в виде сплошной линии, а отрицательную – в виде пунктира.

Таким способом мы определили характер отношений между членами группы, однако в некоторых случаях этого бывает недостаточно. Иногда требуется выяснить не только наличие и знак связи, но и направление, в котором один элемент системы влияет на другой. Можно найти много примеров, когда один из элементов влияет на состояние другого, но тот не оказывает никакого действия на первый. Учитель может научить школьника химии, но ученик вряд ли что-нибудь добавит к знаниям учителя по этому предмету. Погода влияет на урожай свёклы, но урожай свёклы никак не влияет на погоду. В этом случае мы изобразим рёбра графа не просто чёрточками, а стрелками, показывающими, в каком направлении оказывается влияние. Такой граф называют организованным графом или сокращенно орграфом. В этом случае влияние также может быть положительным или отрицательным, что обозначается знаками около стрелок или типом линии, с помощью которой они изображаются.

Во многих случаях элементы в каждой паре оказывают взаимное влияние друг на друга. Такое отношение называют обратной связью и изображают на графе двумя противоположно направленными стрелками. В зависимости от характера воздействия, т. е. от знаков, которые приписываются этим стрелкам, можно выделить три типа обратных связей.

Отрицательная обратная связь, или плюс-минус взаимодействие, обеспечивает стабильность системы, невозможность выхода её состояния за определённые пределы. Мы уже рассматривали пример отрицательной обратной связи в § 9, где говорили об экологических моделях. Представьте себе систему из двух элементов A и B, которые связаны таким образом, что A усиливает B, а B ослабляет A. Что будет, если состояние одного из элементов немного изменится? Допустим, что величина A увеличилась. За этим тотчас же последует увеличение B. Но это увеличение вызовет снижение A, и в результате система останется в прежнем состоянии или, как в случае лис и зайцев, будет совершать колебания около некоего среднего значения. Поэтому такой тип взаимодействия называют также стабилизирующей обратной связью. Отрицательная обратная связь часто встречается в природных биологических процессах и широко применяется в разнообразных технических приспособлениях. Простым известным примером может быть устройство сливного бачка, где поступающая вода поднимает поплавок, который прекращает дальнейшее поступление воды.