CC BY
0
УДК 167 EDN AWGIVF
DOI 10.29003/m4186.0514-7468.2023_46_3/311-317
О РАЗВИТИИ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОСТИ В НАУКЕ
О.П. Иванов*
Дан краткий анализ современных междисциплинарных направлений в науке, как основы её дальнейшего развития. Отмечено интенсивное развитие теории самоорганизации, синергетики, теории фракталов, теории сложных систем и в особенности - современное развитие нанонауки и нанотехнологий. Показана общность и различие этих направлений науки и их перспективы.
Ключевые слова: фракталы, устойчивость, нанонаука, синергетика, сложные системы, синтез.
Ссылка для цитирования: Иванов О.П. О развитии междисциплинарности в науке // Жизнь Земли. 2024. Т. 46, № 3. С. 311-317. DOI: 10.29003/m4186.0514-7468.2023_46_3/311-317.
Поступила 30.05.2024 /Принята к публикации 28.08.2024
ON THE DEVELOPMENT OF INTERDISCIPLINARITY IN SCIENCE
O.P. Ivanov, PhD
Lomonosov Moscow State University, Earth Science Museum
A brief analysis of modern interdisciplinary directions in science as the basis for its further development is given. The intense development of the theory of self-organization, synergetics, fractal theory, and the theory of complex systems and especially the modern development of nanoscience and nanotechnologies are noted. The commonality and difference of these scientific directions and their prospects are shown.
Keywords: fractals, stability, nanoscience, synergetics, complex systems, synthesis.
For citation: Ivanov, O.P., "On the development of interdisciplinarity in science", Zhizn Zemli [Life of the Earth] 46, no 3, 311-317 (2024) (in Russ., abstr. in Engl.). DOI: 10.29003/m4186.0514-7468.2023_46_3/311-317.
Введение. До середины ХХ века наука шла по пути углублённого исследования законов устройства и становления мира. За этот длительный период накоплено множество данных, порою противоречивых. Мир оказался настолько сложен, что ни одна отрасль науки не смогла предложить приемлемый общий сценарий миропонимания. Выход из этого кризиса наметился за счёт идеи междисциплинарного синтеза научных достижений. В сравнительно короткие по историческим меркам сроки возникли и стали успешно развиваться различные научные центры междисциплинарных исследований. В основе большинства научных направлений таких центров лежали идеи эволюции природы за счёт процессов самоорганизации [1, 6].
Это - промежуточный период перехода от классического механистического мышления, от учёных-энциклопедистов и узких специалистов к нелинейным представлениям мира и нелинейному мышлению, к глобальным проблемам и попыткам осознать суть искусственного интеллекта. Такой переход необходим для правильной формулировки задач будущего. Он включает создание универсального научного языка, обобщённый синтез знаний и формулировку ряда новых научных проблем с широких междисциплинарных позиций. Именно поэтому весь ХХ век был посвящён разработке ряда ме-
* Иванов Олег Петрович - к.г.-м.н., вед.н.с., Музей землеведения МГУ ivanovop2007@yandex.ru. Жизнь Земли 46(3) 2024 311-317 311
ждисциплинарных направлений как способа перехода на новое нелинейное мышление [1, 6]. В итоге возникла нелинейная динамика. Но было бы неправильным свести всё к нелинейной динамике. Важную роль в этом переходе сыграли все междисциплинарные направления, возникшие к концу ХХ века. Они помогли осознать, что такое порядок и хаос, в чём суть сложного мира и глобальной эволюции Вселенной, особенности механизмов эволюции для всех подсистем [6].
Основные междисциплинарные направления. Первым из этих направлений можно назвать «теорию саморазвития открытых каталитических систем», предложенную А.П. Руденко в 1964-1969 гг., которая рассматривала два типа самоорганизации- континуальную, для индивидуальных микросистем, и когерентную - аналог Хакеновской самоорганизации для макросистем. К этим направлениям следует отнести и теории особенностей гладких отображений Уитни, бифуркаций Тома (1959) и катастроф В.И. Арнольда (1990).
К следующему междисциплинарному направлению можно отнести «теорию синергетики» Германа Хакена (1963). Суть в разработке теории когерентной самоорганизации на базе параметров порядка. «Теория катастроф» относится к междисциплинарному направлению, начало которого идёт от теории бифуркаций динамических систем Пуанкаре и Андронова. Междисциплинарное направление, связанное с «теорией самоорганизации гиперциклов», предложенное М. Эйгеном и П. Шустером в 1982 г., рассматривает концепцию формирования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного ансамбля на основе матричной репродукции и естественного отбора.
Междисциплинарное направление «искусственная жизнь» связано с созданием игровых и самовоспроизводящихся автоматов. Это направление науки позволило впервые описать самоорганизацию генного арсенала и пути его развития в рамках эволюции живого организма. Оно послужило прологом к новому пониманию теории эволюции. Направление «Аутопоезис» (Матурана, 1995, Франсиско Варела, 1995 и Рикард Урибе, 2001) рассматривает обобщённый организационно-замкнутый процесс деятельности живых организмов как эволюцию динамической автономии, т. е. как процесс самовоспроизводства элементов, составляющих данную сеть.
«Теория фракталов» также может рассматриваться как одно из междисциплинарных направлений. Понятие фрактала, нашедшее широкое применение в современной науке, было введено французским математиком Бенуа Мандельбротом в 1975 г. для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур.
К следующему междисциплинарному направлению можно отнести и «Теорию мезомеханики» [7]. Идея многомасштабности явлений в твёрдых телах при их пластической деформации и разрушении была сформулирована в томской школе физики твёрдого тела в 80-х гг. как концепция структурных уровней деформации твёрдых тел. Для понимания механизмов пластической деформации и разрушения необходимы были физические подходы на микромасштабном уровне. Прорыв физиков в микромир деформируемого твёрдого тела произошёл в пятидесятые годы XX столетия, когда для исследования тонкой структуры кристаллов была использована электронная микроскопия. Последующие полвека физика пластичности и прочности занималась интенсивным изучением закономерностей возникновения, движения и самоорганизации основного типа деформационных дефектов - дислокаций.
«Фрактальный анализ реакции природных сред на сейсмические воздействия» и «кумулятивно-диссипативный подход» могут также рассматриваться как представители междисциплинарных направлений. 312
Особенностью междисциплинарного направления, связанного с развитием «нанона-уки и 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 [10]. Решение проблемы потребовало объединения на базе термодинамики наноситем (супрамоле-кулярной термодинамики) новых междисциплинарных направлений: синергетики, являющейся теорией самоорганизующихся систем, теории фракталов, контролирующей нарушение инвариантности трансляционной симметрии, физической мезомеханики, определяющей масштабно-инвариантные преобразования фрактальных структур в процессе эволюции системы.
Мы видим общность описания ряда междисциплинарных направлений. Она состоит в том, что в теории фракталов, нанонауке и мезомеханике ярко выражены три основные аспекта синергетики и кумулятивно-диссипативной парадигмы:
1) наличие кумулятивных и диссипативных структур и систем самоорганизации в пространственно-временном масштабе;
2) наличие фрактальных структур как результат процессов взаимодействий систем или иерархической эволюции, свойственных динамическому хаосу и проявляемых даже в суперупаковках наномасштаба (самоорганизация в фазовых пространствах или пространствах состояний систем);
3) многообразие сценариев эволюции, свидетельствующее о сложности структур всех масштабов (самоорганизация в пространстве стратегий, предпочтений, решающих правил).
«Геоэкология» также может рассматриваться как одно из междисциплинарных направлений. Геоэкология - это современная междисциплинарная наука, изучающая состав, структуру, закономерности функционирования, эволюцию естественных (природных) и антропогенно преобразованных экосистем высоких уровней организации. В настоящее время геоэкология стала наукой о взаимодействии географических, экологических и социально производственных территориальных сложных систем.
Наконец, последнее из обсуждаемых в статье междисциплинарных направлений касается «теории эволюции сложных систем» (ТЭСС). Теория базируется на кумулятив-но-диссипативной парадигме, органически включающей в себя формы и устойчивые состояния в экстремальных ситуациях, т. е. кумулятивные потоки энергии, вещества и информации, фрактально самоорганизованные в целях наилучшей адаптации во времени и пространстве [1]. Такая парадигма возвращает диалектическое единство двух основных противоположностей: накопления и диссипации, обладающих симметричными процессами эволюции. Объединение подходов позволяет определять адаптивность систем к внешним воздействиям экспериментальным путём и устанавливать критические параметры адаптивности систем к внешним воздействиям.
В 80-е гг. сложилась специальная научная дисциплина, названная «наукой о сложных нелинейных процессах» (Nonlinear Science, Science of complexity, Science of Chaos). Проблемы сложных нелинейных систем, в т. ч. биологических, в настоящее время изучаются во всех крупных университетах Европы и Америки: Институт Санта-Фе в Нью-Мексико (1984), Центр изучения сложных систем в университете штата Иллинойс (1986). Последний возглавил Стивен Вольфрам, автор бестселлера «A new kind of science» («Наука нового типа»). Это два крупнейших центра, профессионально занимающихся междисциплинарными исследованиями сложных систем с участием специалистов
разных специальностей - экономистов, биологов, физиков и математиков. Центр в Лос-Аламосе насчитывает около 2000 исследователей.
Российские исследователи также получили базовые результаты в этой области [1]. Достаточно вспомнить открытие химической реакции Белоусова-Жаботинского (МГУ и Пущинский научный центр РАН), исследования Арнольда (МГУ) по математической теории катастроф и сценариев перехода к хаосу, работы Кринского и Иваницкого (Институт биофизики РАН в Пущино) по исследованию автоволновых режимов в нервном волокне сердечной мышцы, модели процессов морфогенеза и внутриклеточного движения профессоров МГУ Чернавского и Романовского, исследования по контролируемой термоядерной реакции в Институте прикладной математики (акад. А.А. Самарский, чл.-корр. С.П. Курдюмов) и др. В 1995 г. в МГУ им. М.В. Ломоносова создан Институт математических исследований сложных систем (ИМИСС МГУ) (почётный президент -лауреат Нобелевской премии проф. И.Р. Пригожин, директор (президент) - академик РАН, ректор МГУ проф. В.А. Садовничий).
Основной областью исследований в ИМИСС МГУ, проводимых в сотрудничестве с Институтом им. Сольвея (Брюссель) и рядом других европейских научных центров, является развитие идей профессора И.Р. Пригожина по созданию теории неравновесных систем. Ведётся разработка математического аппарата (спектральная теория операторов) для описания динамики сложных систем. Кроме того, ведутся работы по проекту создания эффективных методов распознавания образов и процессов управления нелинейными динамическими системами. Проводятся исследования по применению математических методов управления и контроля сложных систем в биологии (совместно с С1АММ, Мексика). В институте действует лекторий «Время, хаос и математические проблемы» и семинар по моделированию динамики и информационных процессов в живых системах, главная задача которых состоит в разработке современных методов описания сложных систем в природе и обществе. В лектории и семинаре участвуют ведущие российские и зарубежные учёные.
11-й съезд биофизиков России, состоявшийся в Москве в 1999 г., включал семь заседаний по темам: «Молекулярно-кинетические системы», «Самоорганизация в биосистемах», «Свойства нелинейных динамических систем», «Физико-математические подходы к анализу сложных систем», «Клеточно-тканевые системы», «Сенсомоторные системы», «Экспериментальные исследования сложных систем». В 2003 г. в Москве состоялась IX научная конференция «Проблемы управления безопасностью сложных систем». На ней было показано, что в пространстве возможных состояний исследуемой сложной системы (прогноз поведения которой нас интересует) интуитивно или сознательно выделяются области, в которых состояние объекта характеризуется несколькими ведущими переменными, связь между которыми описывается некоторой детерминированной системой (системой дифференциальных уравнений, отображением, конечным автоматом, логической схемой), и в которых горизонт прогноза не слишком мал. Такие области названы руслами. В пределах русел ситуация может быть «просчитана», может быть дан достоверный прогноз. Но наряду с руслами в пространстве состояний существуют «области джокера», где ситуация меняется очень быстро, принимаются ключевые решения и на первый план выходят игровые, вероятностные, субъективные факторы (Г.Г. Малинецкий). Здесь ожидания, опыт экспертов, культурный климат, смыслы и ценности лиц, принимающих решения, могут оказаться решающими.
В настоящее время проектирование сложных систем - не только информационных, но имеющих совершенно разную природу - выделяется в отдельную инженерную дисци-314
плину. В США главным центром, изучающим проблемы проектирования сложных систем, является Отделение технических систем Массачусетского технологического института.
Путь к пониманию сложности возникновения и эволюции нашего мира складывался и продолжает развиваться на базе междисциплинарности [1, 6]. Уже в начале 80-х гг. реальным стало осознание общности ряда исследовательских программ. Начался переход от различных динамических теорий и идей самоорганизации к началу формирования концепции самоорганизации в рамках комплексных научных направлений. Фактически это период кластеризации идей самоорганизации. Возникло несколько достаточно близких друг к другу, но ориентированных 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) и наиболее общее направление - синергетика [1, 6]. Почти одновременно возникают такие направления, как теория фракталов, неожиданно нашедшая широкое 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 подклассом кумуля-тивно-диссипативных процессов, являющим собой системы с высокими плотностями энергии, опять же возвращает нас к пониманию 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 [4]. Конец XX и начало XXI века ознаменовались переходом к нанотехнологиям. Этот термин впервые предложил японский физик Норио Танигучи в 1974 г., работавший в Токийском университете, для обозначения процессов разделения, сборки и изменения материалов путём воздействия на них на атомном или молекулярном уровнях. В 1991 г. в США начала работу первая нанотех-нологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьёзная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.
Предполагается, что использование нанотехнологий позволит развить физические, химические, технические, медицинские и материаловедческие науки, что будет способствовать междисциплинарной кооперации в науке и производстве [4]. Принята следующая трактовка предмета, определяющего развитие нанотехнологий: «... возникновение областей нанонауки и наноинженерии, т. е. возможности работать на молекулярном уровне, атом к атому, для создания больших структур с принципиально новой молекулярной организацией, ведущей к беспрецендентному пониманию и контролю над фундаментальными строительными блоками для всех физических объектов» [10].
Решение проблем, связанных с развитием нанотехнологий, требует междисциплинарного подхода. В связи с этим акцентируется внимание на необходимости введения обобщённой симметрии, т. к. в наномире не всегда реализуются законы классической кристаллографии, базирующейся на трансляционной инвариантности. Квантовое состояние наносистемы определяет большое разнообразие структур в виде одномерных, двумерных, трёхмерных фракталов и их комбинаций.
Изучение особенностей самоорганизации фрактальных структур в наносистемах является ключевым в объединении подходов синергетики и теории фракталов для анализа нелинейной динамики наносистем. Развитие нанонауки предполагает использование универсальных закономерностей самоорганизации атомных кластеров в наносистемах. Решение проблемы требует объединения на базе термодинамики наноситем (супрамолекулярной термодинамики [3]) новых междисциплинарных направлений: синергетики [9], теории фракталов [2, 11] с адаптацией систем к внешним возмущениям [8] и физической мезомеханики [7].
Заключение. Представляемая статья имеет целью описание путей, которые в будущем, по мнению автора, могут составить основу объединённого междисциплинарного направления, учитывающего особенности структурообразования в микро-, мезо- и макросистемах, контролируемое наноуровнем. Это направление будет опираться на достижения в новых направлениях науки.
Синергетика успешно овладела основами самоорганизации диссипативных структур. Особенно хорошо освещены достижения школы российских синергетиков в области математического моделирования процессов теплопроводности и процессов по типу реакция-диффузия. Уже реализуются перспективы расширения подходов синергетики за счёт учёта кумулятивно-диссипативных процессов. Данный подкласс процессов имеет широкое распространение в природе, связан с опасными природными процессами и широко исследуется в лабораторных условиях с целью получения экстремальных плотностей энергии и вещества. Это означает более полный переход к освоению процессов моделирования на основе теорий конвекции, дрейф-диффузии, амбиполярного дрейфа, теории турбулентности и вихревых движений, включая концентрированные вихри.
Выявлены широкие возможности мезомеханики в области исследований упругих сред различного масштаба: от микро до мегапроцессов, связанных с упруго-пластическими и хрупкими деформациями в литосфере Земли, включая процессы сейсмичности.
И наконец, впервые продемонстрирована общность описанных выше междисциплинарных направлений. Она выражена в трёх основных аспектах синергетики, присущих также теории фракталов, нанонауке и мезомеханике: наличие в природе диссипативных структур (самоорганизация в пространственно-временном масштабе), присутствие фрактальных структур, свойственных динамическому хаосу и проявляемых в суперупаковках наномасштаба (самоорганизация в фазовых пространствах или пространствах состояний систем) и многообразие сценариев эволюции систем, свидетельствующее о сложности структур всех масштабов (самоорганизация в пространстве стратегий, предпочтений, решающих правил).
По мнению автора, общество вступило в эру создания ещё более комплексного и универсального междисциплинарного направления, которое будет служить основой анализа аккумулятивно-диссипативных процессов во взаимодействующих сложных открытых системах в процессе их эволюции со всеми масштабными уровнями устойчивой фрактальной адаптации (от нано- до макроуровня). Это направление науки позволит адекватно теоретически моделировать и инструментально контролировать и управлять всеми стадиями эволюции взаимодействующих систем. Такое направление будет обладать самой главной чертой - прогнозируемостью, что крайне важно для стратегии будущего и нанонауки. Скорее всего, это будущее за аккумулятивно-диссипативной парадигмой, органически включающей в себя формы экстремальных, т. е. кумулятивных потоков энергии, вещества и информации, фрактально организованные в целях наилучшей адаптации во времени и пространстве. Такая парадигма возвращает питательные кор-316
ни диссипации в синергетике (вместо бесплотной негэнтропии или отрицательной энтропии), ибо нельзя диссипировать энергию, не накопив её. Более того, мы должны понимать, что это диалектическое единство двух противоположностей: накопления и диссипации, обладающих симметричными процессами кумуляции [1, 5, 6, 9].
Именно объединение подходов позволяет определять адаптивность систем к внешним воздействиям экспериментальным путём и устанавливать критические параметры адаптивности систем к внешним воздействиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Буданов В.Г. Синергетика и теория сложности: междисциплинарный подход. Ч. 1. Принципы, методология, образование. Курск: ЗАО «Университетская книга», 2016. 180 с.
2. Встовский Г.В. Элементы информационной физики. М.: МГИУ, 2002. 237 с.
3. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика - ключ к осознанию явления жизни. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. 135 с.
4. Иванова В.С. Введение в междисциплинарное наноматериаловедение. М.: САЙНС-ЭКСПРЕСС, 2005. 205 с.
5. Иванов О.П., Высикайло Ф.И. Кумулятивно-диссипативные процессы и структуры (новое в синергетике) // Синергетика геосистем. М., 2007. С. 36-42.
6. Иванов О.П., Винник М.А. Междисциплинарность в науке и образовании. Ч. 1. Истоки и ранний этап развития междисциплинарности // История и педагогика естествознания. 2015. № 2. С. 46-51.
7. Панин В.Е., Панин Л.Е. Масштабные уровни гомеостаза в деформируемом твёрдом теле // Физическая мезомеханика, 2004. Т. 67, № 4.
8. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. М.: ЛОГОС, 2002. 664 с.
9. Пригожин И.Р. Конец определённости. Время, хаос и новые законы природы // Регулярная и хаотическая динамика. Ижевск, 1999. 215 с.
10. Шевченко В.Я., Шудегов В.Е. Доктрина развития работ в Российской Федерации в области нанотехнологий // Наноиндустрия. 2007. № 3. С. 4-11.
11. MandelbrotB.B. The Fractal Geometry of Nature. Freeman: San-Francisco, 1982.
REFERENCES
1. Budanov, V.G., Synergetics and complexity theory: an interdisciplinary approach. Part 1. Principles, methodology, education (Kursk: Universitetskaya Kniga, 2016) (in Russian).
2. Vstovsky, G.V., Elements of information physics (Moscow: MGIU, 2002) (in Russian).
3. Gladyshev, G.P., Supramolecular thermodynamics - the key to understanding the phenomenon of life (Moscow-Izhevsk: Institute for Computer Research, 2002) (in Russian).
4. Ivanova, V.S., Introduction to interdisciplinary nanomaterials science (Moscow: SCIENCE-EXPRESS, 2005) (in Russian).
5. Ivanov, O.P., Vysikaylo, F.I., "Cumulative-dissipative processes and structures (news in synergetics", Synergetics of Geosystems (Moscow, 2007) (in Russian).
6. Ivanov, O.P., Vinnik, M.A., "Interdisciplinarity in science and education. Part 1. Origins and early stage of the development of interdisciplinarity", Istoriya i pedagogika estestvosnaniya 2, 46-51 (2015) (in Russian).
7. Panin, V.E., Panin, L.E., "Large-scale levels of homeostasis in a deformable solid", Physicheskaya mesomechanica 67 (4) (2004) (in Russian).
8. Potapov, A.A., Fractals in radiophysics and radar (Moscow: LOGOS, 2002) (in Russian).
9. Prigogine I., Stengers I., "The end of certainty. TIME, CHAOS and the NEW LAWS of NATURE", (Simon and Schuster, 1997).
10. Shevchenko, V.Ya., Shudegov, V.E., "Doctrine of the development of works in the Russian Federation in the field of nanotechnology", Nanoindustriya 3, 4-11 (2007) (in Russian).
11. Mandelbrot, B.B., The Fractal Geometry of Nature (Freeman: San-Francisco, 1982).
