THẾ NÀO LÀ SYNERGETICS
Nhiều lĩnh vực khoa học (vật lý thống kê, lý thuyết động học khí, vật lý plasma, vật lý laze, lý thuyết cấu trúc tiêu tán, lý thuyết động lực học phi tuyến,v.v…) có mục đích nghiên cứu các hệ thống phức tạp, gồm một số lớn các hệ con, các thành phần, các yếu tố tương tác với nhau. Một trong những đặc trưng kỳ diệu của những hệ phức tạp ấy là khả năng tự tạo ra những cấu trúc không - thời gian. Những ví dụ về các cấu trúc tương tự: trong thế giới vô cơ là những thiên hà hình xoắn ốc, Vết Đỏ Lớn trên Sao Mộc tính kết hợp của nhiều nguyên tử trong laze, sự hình thành sóng và những ô sáu cạnh trong chất lỏng có độ nhớt khi bị đun lên, những đường mây bên ngoài cửa sổ máy bay, các phản ứng hóa học có chu kỳ không tạo kết tủa hay thoát khí mà có sự đổi màu của dung dịch phản ứng hoặc tạo thành các xoắn ốc và vành nhẫn trong các lớp mỏng của dung dịch. Còn trong thế giới hữu sinh là sự hình thành các hình thái thực vật và động vật, sự phát triển các mô đặc biệt của một cơ thể phức tạp từ tế bào được thụ tinh, các cấu trúc không thời gian thể hiện trong hoạt động điện và từ của quả tim và bộ não sự phối hợp trong chuyển động.
Và trong xã hội con người, đó là những cơn bão khủng hoảng tài chính, là sự cạnh tranh và đối tác trong kinh doanh, tình trạng ùn tắc giao thông, sự hình thành công luận và nhiều hiện tượng xã hội khác.
Ý tưởng táo bạo nhằm phát hiện những sự tương tự và các quy luật tổng quát trong việc hình thành các cấu trúc vốn rất đa dạng về hình thức cũng như bản khác nhau về chất của các hệ có vẻ hấp dẫn đối với giáo sư Hermann Haken (sinh năm 1927), của Đại học Stuttgart (Đức), một người nổi tiếng là một chuyên gia có uy tín trong lĩnh vực laze và quang học phi tuyến.
Năm 1973, H. Haken đọc một bản báo cáo tại hội thảo đầu tiên về các vấn đề tự tổ chức (nghĩa là vấn đề về sự phát sinh tự thân của các cấu trúc trong những hệ phức tạp). Haken đã gọi phương hướng nghiên cứu tìm tòi khoa học của ông là synergetics (từ nguyên tiếng Hy Lạp: syn = cùng, ergos= hành động). Khi dùng chữ synergetics, Haken hàm ý muốn nhấn mạnh rằng, phương hướng mới này nhằm nghiên cứu các quá trình tự tổ chức, xảy ra trong các hệ phức tạp như là hệ quả của quá trình tương tác tự hợp, hay nói cách khác quá trình cộng tác giữa những thành phần cấu thành hệ (Trong các từ điển sinh học của ta, tính từ syner - getic được dịch là: phối hợp, hợp lực, hiệp trợ, hiệp đồng, đồng vận). Năm 1975 một phương án mới mở rộng có sửa chữa của bản báo cáo dưới đầu đề “Các hiện tượng cộng tác trong các hệ phi cân bằng và phi vật lý” được công bố trong tạp chí “Review of Modern Physics”.
Một số ví dụ của chuyển động tự hợp của chất lỏng có độ nhớt khi bị hun nóng từ bên dưới: dưới sự hình thành các sóng đối lưu.
Trong cuộc phỏng vấn, nhân 25 năm kỉ niệm synergetics (mà những người đối lập cho rằng synertics sẽ sớm cáo chung), Haken đã nêu ra sau đây những nét chung của các hệ synergetic. Các hệ này:
1) Gồm những thành phần giống nhau hoặc khác nhau, chúng tương tác với nhau;
2) Là những hệ phi tuyến;
3) Là những hệ mở (có nghĩa là có khả năng trao đổi hoặc năng lượng hoặc vật chất, hoặc cả năng lượng lẫn vật chất với môi trường xung quanh) và nằm ở trạng thái xa trạng thái cân bằng nhiệt (đó có thể là những hệ vật lý, hóa học và sinh học);
4) Hoạt động nhờ những dao động nội tại hoặc ngoại tại;
5) Là những hệ có khả năng mất tính ổn định và rơi vào trạng thái không bền vững trong quá trình tiến hóa. Các hệ chịu những biến đổi về chất lượng:
- Trong quá trình tiến hóa các hệ này có thể thu được những tính chất vĩ mô mới.
- Trong chúng tự phát hình thành những cấu trúc vĩ mô về không gian, thời gian, không - thời gian và chức năng. Các cấu trúc hình thành có thể là đều đặn (có nghĩa là có trật tự) có thể là hỗn độn (có nghĩa là không có trật tự).
Các nghiên cứu synergetics phải bắt đầu bằng việc mô tả trạng thái của hệ - nói cách khác là xác định các tham số và biến số của hệ. Một tập hợp đầy đủ các số tham số và biến đó xác định đơn trị trạng thái của hệ. Ví dụ một lớp mỏng chất lỏng có độ nhớt khi được đun từ phía dưới sẽ được mô tả đầy đủ bằng cách liệt kê tọa độ và vận tốc của tất cả các hạt. Song sự thu nhận và xử lý các thông tin này là không thể thực hiện được, cho nên người ta phân chia tưởng tượng - khối chất lỏng thành những vùng nhỏ và lấy chẳng hạn, tọa độ trọng tâm của các vùng đó và vận tốc trung bình của các hạt cấu thành các vùng đó làm các tham số mô tả trạng thái.
Các ô Bénard
Trong một lớp mỏng dầu silicon được đun từ phía dưới, phát sinh các dòng đối lưu. Các dòng này phân mặt chất lỏng thành những đa giác sáu cạnh đều. Một chỗ lõm nhỏ ở đấy gây nên sự phá vỡ cấu trúc.
Trị số của các tham số mô tả trạng thái và do đó của bản thân hệ phụ thuộc vào những tham số gọi là tham số điều khiển. Trong ví dụ xét trên tham số điều khiển là građient, hay nói cách khác là hiệu số của nhiệt độ ở đáy và bề mặt tự do. Nếu như gradien nhiệt độ thấp hơn trị số tới hạn thì quá trình trao đổi nhiệt trong chất lỏng thực hiện nhờ chuyển động hỗn độn của các hạt và chất lỏng có tính đồng nhất. Nếu như građien nhiệt độ có trị số lớn hơn tới hạn thì bắt đầu xảy ra hiện tượng đối lưu nhiệt: trong chất lỏng hình thành những con sóng. Như vậy sự chuyển động vĩ mô của nó được điều khiển bởi tham số điều khiển (nếu tham số điều khiển tiếp tục tăng lên thì trong chất lỏng sẽ xảy ra chế độ phức tạp gọi là chuyển động rối).
Khi nói về trạng thái của hệ không thể nào không nói đến các biến cố ngẫu nhiên. Các biến cố này được phân thành hai loại: biến cố ngẫu nhiên đối với mọi trình độ hiểu biết của chúng ta (ví dụ về nguyên tắc chúng ta không thể nào tiên đoán được lúc nào sẽ xảy ra sự phân rã của nguyên tử phóng xạ) và biến cố mà tính ngẫu nhiên của nó gắn liền với mức độ đầy đủ của sự hiểu biết của chúng ta nghĩa là gắn liền với trình độ mô tả (ví dụ sự thăng giáng mật độ trong chất lỏng, chất khí, chất rắn hoặc sự thăng giáng của dòng điện trong kim loại và trong bán dẫn).
Song hãy trở về với đối tượng về lớp mỏng chất lỏng có độ nhớt khi bị đun từ phía dưới. Bước nghiên cứu ban đầu là bước nghiên cứu hệ ở trạng thái cao hơn ngưỡng bền một ít. Lúc này trong hệ có thể xảy ra những chuyển động tập thể khác nhau (tụ hợp hay synergetic): một số cấu hình phát sinh vì những thăng giáng nào đó lại được tăng cường trong lúc một số cấu hình khác lại lịm dần đi. Biên độ của cấu hình móc trở nên quan trọng: cấu trúc vĩ mô phụ thuộc vào biên độ này, ví dụ dạng các sóng đối lưu. Biên độ các cấu hình đang lớn dần ở giai đoạn đầu có trị số nhỏ và điều này cho phép chúng ta theo dõi tiến trình của từng biên độ riêng lẻ. Sau đó các cấu hình bắt đầu có ảnh hưởng lẫn nhau và cạnh tranh với nhau và không loại trừ trường hợp một trong các biên độ lấn át những biên độ còn lại hoặc trường hợp các biên độ trở nên ổn định. Các biên độ của những cấu hình tăng lên gọi là các tham số bậc: chính những tham số này mô tả bậc vĩ mô của hệ tức cấu trúc vĩ mô của hệ.
Nếu như hệ bao gồm một số lượng lớn các thành phần thì số cấu hình cũng lớn và để mô tả một hệ như thế đòi hỏi nhiều thông tin. Trong cơ học thống kê người ta khắc phục điều này bằng cách xét những số đặc trưng trung bình thay vì các đặc trưng của những thành phần riêng lẻ (ví dụ thay vì xét xung lượng của một số lượng lớn các hạt của chất khí người ta xét số đặc trung trung bình là áp suất sinh ra). Do đó không tránh khỏi sự mất mát một phần thông tin. Trong synergetics vấn đề này được giải quyết một cách khác - nhờ nguyên lý lệ thuộc, định lý cơ bản của synergetics: trạng thái không thời gian của hệ (tức tất cả tham số mô tả trạng thái) hoàn toàn được xác định bởi các tham số bậc hay nói cách khác lệ thuộc vào các tham số bậc. Song vì số tham số bậc nhỏ hơn số tham số trạng thái cho nên khi chuyển từ các tham số sau về các tham số trước, người ta đạt được sự nén thông tin và không phải mất mát điều gì. Theo Haken, “các tham số bậc đã hoạt động như những nghệ sĩ rối điều khiển các con rối”. Song ông cũng nhận xét rằng giữa hình tượng đơn giản ví các tham số bậc với các nghệ sĩ rối và thực tế có một điều khác biệt quan trọng. Khi thực hiện những tác động tập thể thì các thành phần riêng lẻ hay ''các con rối'' lại tác động ngược lại vào các tham số bậc nghĩa là tới ''các nghệ sĩ rối''. Như thế, một mặt các nghệ sĩ rối (tham số bậc) điều khiển chuyển động các phần khác nhau của hệ nhưng mặt khác, các phần khác nhau của hệ lại định trở lại tác động của những tham số bậc. Hiện tượng này có tên là hiện tượng nhân quả vòng tròn. Cũng cần phải nhấn mạnh các tham số bậc có ý nghĩa quyết định không những đối với các cấu trúc đều mà còn đối với những cấu trúc hỗn độn.
Synergetics là một phương hướng khoa học đa lĩnh vực (liên ngành), đầy hứa hẹn, được hình thành trong 30 năm gần đây nhờ công sức của H. Haken và cộng sự. Phương hướng này không những làm giàu khoa học nhờ nhiều ý tưởng mới trong các lĩnh vực cơ bản mà còn đạt được nhiều kết quả thực tiễn: Chính trên cơ sở của nó người ta đã xây dựng nên những công nghệ cho phép thu được những sản phẩm không phải trong các chế độ tĩnh học truyền thống mà trong các chế độ động lực học hữu hiệu hơn nhiều, người ta đã tìm ra những cách tiếp cận chưa từng biết để nhận dạng các mẫu, tìm ra chiến lược điều trị bằng dược liệu và chẩn đoán bệnh chế tạo máy tính synegetic và nhiều điều kỳ lạ khác. Trong tương lai môn synergetics sẽ còn phát triển hơn nữa.
