מערכת מורכבת
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
תופעות טבעיות רבות קרויות "מערכות מורכבות", ומדע המורכבות מאופיין ברב תחומיות. דוגמאות למערכות מורכבות הן תלי נמלים, הנמלים עצמן, כלכלות, מערכות עצבים, תאים וכדומה, וכן בני אדם - הפסיכולוגיה, הרגשות, הגוף והאינטראקציות ביניהם.
מעבר לעובדה שדברים אלה הם כולם רשתות מסוגים שונים, ושהם מורכבים, יתכן כי נדמה שאין ביניהם הרבה מן המשותף, ושלכן המושג "מערכת מורכבת" הוא חסר משמעות. אולם, למערכות מורכבות יש מאפיינים התנהגותיים ומבניים משותפים, שמאחדים את כולן כתופעות. הדברים דומים גם מבחינה תיאורטית, מכיוון שאפשר לייצג את כל המערכות האלו באופן מוצלח (פחות או יותר) על ידי סוג מסוים של מתמטיקה, ולכן אפשרי לקבוע באופן מדוייק ופורמלי יחסית את המאפיינים המשותפים לכל המערכות האלו.
מחקר המערכות המורבות ידוע גם כתאוריית מערכות, אם כי כיום משתמשים פחות בכינוי זה.
תוכן עניינים |
[עריכה] הגדרה פורמלית
המושג מערכת מורכבת באופן פורמלי מתייחס למערכת בעלת חלקים רבים שמחוברים ביניהם באופן לא לינארי. מערכת כזו עשוייה להיות דיסקרטית (בדידה) או רציפה. מכיוון שהן לא-לינאריות, מערכות מורכבות הן יותר מהסך של כל חלקיהן, מכיוון שמערכת לינארית עונה לעיקרון של סופרפוזיציה, ולכן היא הסך של כל חלקיה, ואילו מערכות לא-לינאריות אינן כאלה. כלומר: יחס לינארי הוא כזה שהגרף שלו הוא קו ישר, כך שהשינוי בגורם אחד מביא לשינוי פרופורציונלי באחר. חיבור לא-לינארי פירושו ששינוי בצד אחד אינו פורפורציוני לשינוי באחר. כאשר יש מרכיבים לא-לינאריים רבים במערכת, ההתנהגות שלה עשויה להיות בלתי ניתנת לחיזוי. מדע המערכות המורכבות חוקר התנהגות כזו.
רוב המערכות הביולוגיות הן מערכות מורכבות במשמעות הזו, ואילו רוב המערכות הבנויות בידי אדם אינן כאלה. מדע המערכות המורכבות חופף עם מחקר הדינמיקה הלא-לינארית, אך מערכות מורכבות כוללות מספר גדול של חלקים דינאמיים שפועלים בתוכן. המצאת המחשב אפשרה לחקור את נושא המערכות המורכבות ונתנה דחיפה עצומה לחקר התחום כולו. חוקרים מתחומי מחקר רבים מתעניינים בענף זה של מחקר מתמטי ומחקרם מתפתח בד בבד עם שכלול הטכנולוגיה המאפשרת אותו.
[עריכה] התנהגות של מערכות מורכבות
מערכות מורכבות עשויות, מעצם הגדרתן, להציג התנהגות מורכבת ומאוד לא-סדירה, שבה קשה לחזות מה מרכיב מסוים יעשה במשך הזמן. אולם, מערכות מורכבות עשויות גם להציג התנהגות פשוטה יחסית, בדומה למערכות לינאריות. אמנם, שלא כמו מערכות לינאריות (גם המסובכות ביותר), מערכות מורכבות לא-לינאריות גמישות מאוד בהצגת התנהגות שונה מבחינה איכותית בזמנים שונים. במערכות מורכבות, שינוי כזה ידוע כביפורקציה. חלק מהמחקר במערכות מורכבות עוסק בנסיון להתחקות אחר חוקים שמתארים את ההתנהגות של הפשוטה של מערכות מורכבות.
[עריכה] יישומים של תאוריית המערכות המורכבות
מחקר המערכות המורכבות מפיח חיים חדשים בתחומים רבים של המדע, שהאסטרטגיה הרדוקציוניסטית לא הצליחה להסביר אותם. לפיכך, מדע זה עוזר לפתור בעיות רבות בתחומים שונים כמו ניורולוגיה, מטארולוגיה, פיזיקה, מדעי המחשב, חיים מלאכותיים, מיחשוב אבולוציוני, כלכלה, חיזוי רעידות אדמה, סינקרוניזציה של תאי לב, מערכות חיסוניות, אפילפסיה ועוד. במחקרים אלה, המדענים מנסים בדרך כלל להבין את החוקים הלא-לינאריים הפשוטים שגורמים לתופעות המורכבות (ולא לתאר את התופעות האלה). חברות אנוש (וכנראה גם מוחות בני האדם) הם מערכות מורכבות שגם המרכיבים שלהן וגם הקשרים ביניהם אינם פשוטים. אף על פי כן, יש להן את התכונות של מערכת מורכבת.
באופן מסורתי, ההנדסה ניסתה לשמור על הלינאריות של המערכות שלה, מכיוון שכך קל יותר לבנות אותן ולחזות את התנהגותן. אולם, מערכות פיזיקליות רבות (לדוגמה לייזרים) הן מערכות מורכבות על פי ההגדרה שהצגנו, ולכן על ההנדסה לכלול גם מרכיבים של מחקר המערכות המורכבות.
[עריכה] הגדרה לא פורמלית של מערכות מורכבות
הוצעו תיאורים לא פורמליים שונים של מערכות מורכבות. מהדורה מיוחדת של כתב העת Nature על מערכות מורכבות (כרך 284, מספר 5411 (1999)) הציגה כמה מהם:
- מערכת מובנית מאד, בעלת מבנה עם ווריאציות.
- כזו שההתפתחות שלה רגישה מאוד לתנאים הראשוניים או לשינויים קטנים, כזו שמספר המרכיבים הפועלים זה על זה הם רבים, או כזו שיש לה אפשרויות רבות מאוד להתפתחות.
- כזו שבשל עיצובה או הפעולות שלה, או שניהם, קשה מאוד להבין או לבדוק אותה.
- מערכת שנמצאת בעיצומו של תהליך, שגורם לה להשתנות ולהתפתח במשך הזמן.
[עריכה] תכונות של מערכות מורכבות טבעיות
[עריכה] היחסים בתוך המערכת אינם לינאריים
למעשה, פירוש הדבר הוא ששינוי קל יכול ליצור השפעה רחבה (ראה אפקט הפרפר), השפעה דומה בגודלה, או שום השפעה בכלל. בניגוד לכך, במערכות לינאריות, להשפעה תמיד יש יחס ישיר לגורם.
[עריכה] היחסים בתוך המערכת כוללים לולאות היזון חוזר
היזון חוזר שלילי וחיובי מצויים פעמים רבות במערכות מורכבות. ההשפעות של ההתנהגות של מרכיב במערכת מוזנים חזרה כך שהמרכיב עצמו משתנה.
[עריכה] מערכות מורכבות הן פתוחות
ההיסטוריה של מערכת מורכבת עשויה להיות חשובה. מכיוון שמערכות מורכבות הן דינאמיות הן משתנות במשך הזמן, ולמצבים הקודמים שלהן עשויה להיות השפעה על המצב העכשווי שלהן. השפעת ההיסטוריה של המערכת על פעולת המערכת גורמת לכך שעצם פעולתה משנה את טיבה, וכך גם אם היה ניתן ליצור במערכת את אותו שינוי מבוקר בדיוק, בפעמים שונות, ייתכן שהיא תגיב אליו אחרת בפעם השנייה משום שהפעם הראשונה בה נוצר השינוי שינה את אופן הפעולה של המערכת.
[עריכה] מערכות מורכבות כוללות בתוכן מערכות נוספות
המרכיבים של מערכת מורכבת עשויים להיות גם הם מערכת מורכבת. לדוגמה, הכלכלה מורכבת מארגונים, שמורכבים מאנשים, שמורכבים מתאים - כולם מערכות מורכבות.
[עריכה] קשה להגדיר גבולות
לפעמים קשה להגדיר את הגבול של מערכת מורכבת. ההחלטה נעשית לבסוף על ידי הצופה.
[עריכה] הרשת הדינאמית
הדינאמיות של רשת החיבורים המשמשת את המערכת המורכבת גם היא חשובה. במערכות מורכבות רבות יש רשתות בעלות חיבורים מקומיים רבים ומעט חיבורים בין אזוריים. לדוגמה, בקורטקס של המוח האנושי אנו רואים חיבוריות מקומית רבה ומעט אקסונים ארוכים המחברים בין אזורים בתוך הקורטקס לבין אזורים אחרים.
