2.4. Цунами и ваучеризация
По определению – цунами, это гигантские волны крупного размера, образующиеся вследствие сильного ударного воздействия (подземное или прибрежное землетрясение, извержение вулкана в океане). Средняя высота волн около 10–40 метров, скорость распространения до 900 км/час (почти сверхзвук). Чистая гидродинамика.
Последствия цунами.
Цунами широко известны. Многократно описаны. Это разрушение прибрежных конструкций, портов, гибель морей, зачастую – катастрофическое разрушение инфраструктуры с мультипликационными эффектами. Наиболее яркий пример – цунами, разрушившее АЭС Фукусима, Япония. Высота волн достигала 40 метров. Материальный ущерб составил несколько сотен млрд. долларов.
Прогнозирование цунами. Скорости распространения.
Долгосрочное прогнозирование заключается в оценке Рисков для определённых территорий. Вероятность возникновения, скорости и высоты волн.
Расчет параметров цунами. Оценочно для определения скорости распространения волны цунами пользуются формулой Лагранжа, с учетом глубины океана. При допущении, что дно океана горизонтально, формула дает величины скоростей, хорошо согласующиеся сданными наблюдений.
Для оценки воздействия волны типа цунами на прибрежную инфраструктуру разработаны различные рекомендации, основанные на гидродинамических подходах.9
Ваучеризация в России, и причём тут цунами.
Анализу процессов ваучеризации в России уделено столько внимания и публикаций, что мы не будем останавливаться на его обсуждении, тем более, что оценка этого радикального явления прямо противоположны.
Если кратко.
Апологеты считают, что ваучеризация позволила сформировать частные компании, круг собственников и запустить структурную перестройку экономики.
Организаторы процесса считали, чтобы изменения стали необратимыми, важно, как можно скорее приватизировать государственную собственность. Отсюда быстрота, и «ударный» подход.
Противники.
Ваучеризация не привела к образованию массового российского среднего класса, скорее наоборот – загубила его зачатие. Произошла радикальная деиндустриализация страны.
Тысячи крупных предприятий, в том числе нефтеперерабатывающие, металлургические, трубопроводные, шахты, морские пароходства «уходили с молотка» без учета бушевавшей инфляции (дикая турбулентность), т.е. недооцененные в десятки раз.
Приватизированные предприятия зачастую уничтожались: оборудование продавалось как лом, заводы (да и институты) превратились в склады, работников сокращали, хозяйственные связи рушились.
Оставим в стороне оценки и политику.
В рамках подхода теории турбулентности и хаоса нам интересно лишь проследить наличие возможных аналогий.
С точки зрения гидрогазодинамики «ваучеризация» сильно похожа на «цунами», разрушающую советскую промышленность, правда, с надеждой на последующую дехаотизацию и самоорганизацию новой социально-экономической структуры (почти по Колмогорову-Пригожину плюс знаменитый слоган «рынок все отрегулирует»).
Далее – аналогия ваучерзации с гидродинамикой цунами.
• Суперскорость ваучерной приватизации (скорость волны цунами достигает 900 км/час).
• Абсолютная неготовность государственных институтов и населения к адекватной и быстрой реализации на такие события. (И что это за штука – ваучер?)Это сейчас продвинутые россияне (особенно загран. туристы) хорошо знают, что ваучер – это документ, устанавливающий право туриста на получение услуг, входящих в состав оплаченного ваучера.
И снова о гидродинамике.
Так известно, что знаменитые уравнения Навье-Стокса (задача века) успешно используются для математического моделирования сложнейших технических задач и природных явлений: океанских течений, обтекания крыла, даже погоды.
Полагаю, что при адекватной постановке задачи эти методы могут использоваться и для моделирования аналогичных, правда, не технических, а социально-экономических явлений.
Глава 3. Трансформеры неравновесных турбулентных систем
3.1. Наука умеет много «Гитик
»
Трансформеры – любимые игрушки детей и современной молодежи.
В науке трансформеры – это модели преобразования и самоорганизации неравновесных систем.
К концу 1993 г. понял: самолеты, помидоры, металлы, кофе – купля продажа, фантастические и зачастую нереализованные организационно-финансовые схемы сделок – все это не мое.
И куда бросаться в этой турбулентной «болтанке»?
Но, как говорится, «Наука умеет много гитик», а в ней – базовое и комфортное для меня направление – «неравновесная газотермодинамика» и математическое моделирование в формате трансдисциплинарности (синергетики).
Концептуально подходы синергетики используются в близких мне областях науки: неравновесная газотермодинамика, нелинейный математический анализ, теория Хаоса и др.
Апологеты полагают, что синергетика не образ мира, но стиль, образ мышления о нем.
Для моих задач синергетика – направление науки, объясняющее образование и самоорганизацию моделей и структур в открытых нелинейных системах, далеких от термодинамического равновесия.
Основные принципы синергетики, используемые в данном исследовании.
• Неравновесность является необходимым условием появ-ления нового порядка, т.е. – развития;
• Общее для всех эволюционирующих систем: неравновесность, спонтанное образование новых микроструктур, возникновение новых свойств системы, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы;
• Развивающиеся системы всегда открыты и обмениваются энергией вещества с внешней средой, за счет чего и происходят процессы локальной упорядоченности и самоорганизации. В этом случае используется понятие – диссипативные структуры;
• Образование новых типов структур указывает на переход от хаоса и беспорядка к организации и порядку.
Эти подходы декларируются и в знаменитой монографии И. Пригожина11, И. Стенгерс. «Порядок из Хаоса. Новый диалог человека с природой», М., Прогресс, 1986 г.
Поскольку «Наука умеет много Гитик» используем этот «мэм» (точнее «великую стратегию» GT) для анализа и применимости научно-технических явлений как полезных аналогий радикальных социогуманитарных процессов самоорганизации неравновесных систем эпохи бурной турбулентности последнего 30-летия (1991–2021).
3.2. Встреча со «странным» аттрактором
Мои первые соприкосновения с аттрактором – этой странной ипостасью непостижимой турбулентности произошли почти 50 лет назад.
Именно тогда я впервые услышал поразившее меня словосочетание «странный аттрактор». (Ассоциативно – слышится и «очарованный странник», и вообще – романтика математики). Пытаюсь выяснить у коллег – что же это такое – и не понимаю. Сейчас в 20-х XXI века, ясно, что это было только самое начало, зарождение новой удивительной науки – теории Хаоса, самоорганизации в неравновесных системах.
1977 год. Очередная школа молодых ученых, в основном – продвинутых мехматовцев. Все молодые (до 40 лет), активные, амбициозные. Будущие знаменитости (например, мои друзья – Роберт Нигматулин – будущий академик, Василий Фомин – тоже будущий академик, Юрий Буевич – будущий профессор Стенфордского университета и др.)
«Гуру» этой школы – (для меня – небожитель) – знаменитый академик А. Самарский. Именно он предвидел радикальное развитие математического моделирования, в том числе и в областях гуманитарных.
Самое удивительное для меня, что именно он как руководитель государственной программы по развитию математического моделирования в отраслях народного хозяйства [16] продвинул и реализовал идею создания системы Главных математиков в ведущих отраслях СССР.
И опять же зигзаги истории – первым Главным математиком в отрасли энергомашиностроения по его предложению был определен Г.А. Салтанов, а ВНИИАМ – головным институтом отрасли по внедрению математического моделирования и САПР в отрасли. Далее, формирование и развитие межотраслевого проекта АН СССР, ВНИИАМ, ВНИИАЭС (еще десятки НИИ, АЭС и заводов) на базе гос. программы «Атомэнергомашэксперт». Руководители – акад. Самарский А.А., Институт прикладной математики РАН (ИПМ), Г.А. Салтанов, д.т.н., профессор, зам. директора – Главный математик ВНИИ Атомного энергомашиностроения СССР. И это спустя 10 лет после школы на Енисее!
3.3. О неслучайных совпадениях
1977 г. События.
• Школа математиков на Енисее. Мое личное знакомство с великим академиком А.А. Самарским, а также со «странным аттрактором»;
• Защита докторской диссертации Салтанова Г.А. по на-правлению «Нестационарные волновые процессы в газодинамике неравновесных двухфазных сред». Главный оппонент и мой защитник – д.т.н. Роберт Нигматулин (будущий академик РАН);
• Илья Пригожин (Бельгийский виконт русского проис-хождения) получает Нобелевскую премию за работы в области термодинамики необратимых и неравновесных процессов и диссипативных систем.
1979 год. Прорывы, формирование направления
• Салтанов Г.А. «Неравновесные и нестационарные про-цессы в газодинамике однофазных и двухфазных сред. М., Наука, 1979г.;
• Николс Г., Пригожин И. «Самоорганизация в неравно-весных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации». М., Мир, 1979 г.;
• Моисеев Н.Н. «Математика ставит эксперимент». М., Наука, 1979 г.
1979 год.
• Крупнейшая авария на АЭС Три-Майл-Айленд, США.
Моя встреча с доктором Джексоном (Лос-Аламос, США) на международном Конгрессе в Югославии. Джексон в то время главный специалист по анализу и расчетам аварий на АЭС. Триггер моего осознания актуальности и приоритета математического моделирования вычислительного эксперимента при анализе гидродинамических процессов на АЭС.
Вот такое удивительное и вряд ли случайное совпадение встреч, интересов, увлеченностей и направлений. Как будто что-то вызревало и прорвалось.
Итак, для меня лично 1977–1979 годы – момент крутой бифуркации. Ветвление и выбор нового направления «математическое моделирование и вычислительные исследования сложных неравновесных систем».
3.4. Бифуркации и другие полезные понятия
Интересно посмотреть на события турбулентных 90-х годов новой России с позиции неравновесной газотермодинамики, бифуркаций и самоорганизации в неравновесных системах.
Приведем несколько базовых и удивительных характерных терминов неравновесной термогазодинамики и теории Хаоса, которыми произвольно или в качестве речевых оборотов часто пользуются люди как в повседневной жизни, так и при кризисных событиях.
Бифуркация – раздвоение. В теории динамических систем – качественная перестройка системы. В синергетике – это точки неустойчивого равновесия, точки «выбора» дальнейшего развития системы. Предтеча некоего фазового перехода.
Принципы бифуркации удивительно разнообразны: от точки выбора «куда пойти учиться» после школы до выбора принципиально другой системы жизни.
Распад СССР, пожалуй, самая значимая точка бифуркации глобальной неравновесной турбулентной системы мира. В синергетике и теории Хаоса точка бифуркации представлена как критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций. Возникает неопределенность: станет ли состояние хаотичным или система перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности.
Флуктуации. В точке бифуркации большое значение имеют флуктуации, когда их случайное «вторжение» в неравновесную систему может резко нарушить баланс метастабильности.
В неравновесной газодинамике роль флуктуации проявляется наиболее ярко в процессах спонтанной конденсации перенасыщенности пара. [14]
Теория флуктуации (Д. Гиббс), их экспоненциального роста, расчета скорости образования центров конденсации, разработанные Френкелем и Зельдовичем, активно использованы в работах автора.
Диссипативные структуры.
Одно из основных понятий теории самоорганизации. Диссипативная структура – это открытая динамическая система, оперирующая вдали от термодинамического равновесия и связанная с рассеянием (диссипацией) энергии, вещества или информации.
По И. Пригожину – «динамические системы образуются как энергетически более экономные, выгодные образования в сильно неравновесных системах, условиях. При этом производство энтропии (неупорядоченности) и диссипация (рассеяние) энергии – минимальное.
Образование новых типов структур указывается на переход от хаоса и беспорядка к организации и порядку. Эти диссипативные динамические микроструктуры являются прообразами будущих состояний системы, так называемых фракталов.
3.5. Фракталы и аттракторы
И опять – математическое моделирование.
Фрактал – математическое множество, обладающее свойством самоподобия. Фрактальное моделирование, на основе развития компьютерных технологий – ключ к эффективной визуализации этих структур, их исследования, анализа и использования. Классический образец визуализированного фрактала – Множество Мандельброта (Рис. 3-1).
Примеров визуализации самых разнообразных фрактальных форм – великое множество. См., например, фрактал «Кочан капусты сорта Романенко» (Рис. 3-2), фрактал «Вязаные кружева» (Рис. 3-3) и др.
Рис. 3-1. Множество Мандельброта.12
Рис. 3-2. «Кочан капусты сорта Романеско».13
Рис. 3-3. Вязаные кружева.14
Фрактальные структуры отмечаются во многих областях реального мира. Ветви дерева, структура легких, графики данных о продаже акций, облака, снежинки, система кровообращения (Рис. 3-4) – все они обладают самопохожестью.
Рис. 3-4. Лист дерева.15
Фракталы – это структуры, состоящие из частей, которые в каком-то смысле подобны целому (самоподобные). Это означает, что небольшая часть фрактала содержит информацию о фрактале.
Инвариантность фрактала. В любом масштабе мы всегда видим одно и тоже, или нечто подобное. По идеологии создателя фрактальной геометрии Б. Мандельброта «Фрактальное мышление позволяет обнаружить закономерность в хаосе».
Создав фрактальную структуру объекта, мы можем с высокой точностью прогнозировать поведение реального прототипа, проводя компьютерный эксперимент с фракталами.
И здесь Б. Мандельброт однозначен: «Для природы характерен именно фрактальный способ самоорганизации».
Фрактальное моделирование позволяет исследовать и репрезентовать поведение динамических систем.
Компьютерные эксперименты с фрактальными моделями позволяют воспроизводить явления и процессы, невозможные в реальном мире.
Фрактальные модели позволяют обнаружить отдельные закономерности и упорядоченность даже в таких системах, в которых на первый взгляд присутствует только беспорядок и хаос.
Генерируемые компьютерными программами искусственные изображения фракталов зачастую настолько схожи с естественными природными объектами или явлениями, что их очень сложно отличить друг от друга. Примеры фрактального моделирования (фрактальная геометрия) картография – при изучении форм береговых линий (Рис. 3-5), русел рек. Биология – при анализе строения кровеносной и нервной системы, бронхиального дерева также. Отмечаются также попытки фрактального моделирования социальных и политических процессов.
Рис. 3-5. Береговые линии.16
Таким образом, нелинейность и фрактальность наблюдается во всех системах и органах человека. При этом выдвигаются смелые предположения, что и как сам человек, так и любой процесс (продукт) взаимодействия людей может демонстрировать фрактальную природу.
В ходе дехаотизации турбулентности системы большинство фракталов либо разрушаются, либо частично остаются как архаичные остатки прошлого (фрактал 1-го типа). При благоприятных условиях новая структура (фрактал 2-го типа) «выживает», разрастается и преобразуется в новую макроструктуру – аттрактор.
Характерным примером фрактала 1-го типа является создание моего первого частого предприятия ИЧП «Магеал» в декабре 1992 г. Фирма успешно существовала в течение 2-х лет, а затем разрушилась в условиях роста турбулентности «дикого» рынка новой России (Рис. 3-6).
Рис. 3-6. ИЧП «МАГЕАЛ». 17
Примером фрактала 2-го типа может служить созданная в 1992 г. первая в новой России иновационно-ориентированная фирма «Эврика» (Рис. 3-7). Успешно существовала 2 года, затем была заморожена. Возродилась в 1998 г. в форме кафедры «Инновационная и инвестиционная деятельность в энергетике» возрожденного ВИПКэнерго. Развилась в устойчивый аттрактор «Инновационный менеджмент в энергетике» как развитоAе фрактальное множество (см. гл. 5).
Аттракторы (attract – привлекать, притягивать)
Стояние системы, которое как бы притягивает к себе множество траекторий развития и структур, возможных после точки бифуркации. Аттрактор можно сравнить с воронкой (и здесь турбулентность, вихрь), обращенной своей широкой
Рис. 3-7. Фирма «Эврика». 18
частью к точке бифуркации (ветвления), а узкой – к конечному результату, т.е. к упорядоченной структуре.
Ну и кратко о вовлёкшем меня в математику – знаменитом «странном аттракторе».
Феномен странного аттрактора в том, что устойчивость новой системы обеспечивается новыми механизмами подержания жизнедеятельности и достигается на более высоком уровне устойчивого неравновесия со средой.
Странный аттрактор – это аттрактор хаотической системы, которому свойственна фрактальность. Все известные «странные аттракторы» представляют собой фрактальные множества.
Практический пример самоорганизации неравновесной турбулентной системы и создания аттрактора (почти странного) – трансформация научно-проектного комплекса (НПК) РАО «ЕЭС России» в процессе реформирования электроэнергетики.
3.6. К теории Хаоса и самоорганизации неравновесных систем
Изучает структуры нелинейных динамических систем, которые выглядят беспорядочными, хаотичными. При этом теория Хаоса помогает построить модель такой системы, не ставя задачу точного ее поведения в будущем. Короче – «найти скрытый порядок в беспорядке».
Примеры таких систем: атмосфера, турбулентные потоки, аритмия сердца, общество как система коммуникаций и его подсистемы: экономические, политические, социальные.
Центральный принцип теории Хаоса – «Порядок может быть причиной хаоса, а хаос может привести к новому порядку». (Пригожин, Стенгерс. «Порядок из хаоса. Новый диалог с природой». М., Прогресс 1986.)
В плане данной работы парадигма Пригожина особенно интересна тем, что она акцентирует внимание на аспектах реальности, наиболее характерных для современной стадии сверхускоренных технологических и социальных изменений, неустойчивости, неравновесности, в которых малый сигнал на выходе может вызвать очень сильный отклик на выходе (см. знаменитый «эффект бабочки» Лоренца (Рис. 1)). По его теории взмах крыльев бабочки в Бразилии может вызвать торнадо в Калифорнии. Примеров такого типа много.
Не претендуя на глобализм Э. Лоренца, можно привести свой личный пример трансформера, типа «Порядок из Хаоса».
Случайная встреча в Минэнерго России Х.А. Бекова, В. Рандина, Г.А. Салтанова привела к неслучайному созданию странного аттрактора по имени «Возрождение ВИПКэнерго» (см. 4.3).
База теории Хаоса
Математический аппарат, описывающий поведение некоторых нелинейных динамических систем, подверженных при определенных условиях явлению, которое характеризуется сильной чувствительностью поведения системы к начальным условиям.
Поведение таких систем кажется случайным, даже если модель, ее описывающая является детерминированной (определяемой).
Для разделения понятий бытового хаоса от исследуемого Хаоса принято использовать термин «динамический (или детерминированный) Хаос».
В последнее время для сопровождения теории динамического хаоса расширяется использование методов математического моделирования.
Схемы самоорганизации неравновесной системы.
На основе известных исследований переход неравновесной системы (хаоса) на новый уровень устойчивой диссипативной структуры (т.н. процесс естественной самоорганизации) может быть представлен в виде следующей цепочки событий:
1. Открытая неравновесная Система № 1;
2. Накопление флуктуаций в Системе 1;
3. Рост степени неустойчивости Системы 1;
4. Достижение точки бифуркации – ветвления. Проблема выбора дальнейшего развития;
4.1. Кризис Системы, усиление степени нестабильности и нестационарности;
4.2. Переход на новый уровень стабильности (Система 2).
Эта схема почти прямой аналог процессов спонтанной конденсации в сверхзвуковых потоках перенасыщенного водяного пара (см. гл.6):
1. Расширение пара в сопле и достижение критического уровня перенасыщения (переохлаждения) – точки бифуркации;
2. Резкий фазовый переход (т.н. «скачок конденсации»);
3. Альтернативное развитие дальнейшего процесса;
3.1. Достижение нового равновесного состояния. Стационарный процесс дальнейшего расширения в сопле;
3.2. Разрушение системы с образованием кризисного (неустойчивого, нестационарного) течения с интенсивными пульсациями параметров потока. [15]