מערכת מורכבת

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

מערכת מורכבת הינה מערכת המכילה מספר גדול של מרכיבים אשר משפיעים זה על זה. מערכות מורכבות מופיעות בתחומים רבים כולל פיזיקה (מרמת האטום עד מערכות כוכבים וגלקסיות), סוציולוגיה (חברה של בני אדם, מדינות), כלכלה (שוק ההון), ביולוגיה (גוף האדם), פסיכולוגיה, טכנולוגיה, מטאורולוגיה, ניהול (ארגונים גדולים) ועוד.

למרות קיומן של מערכות מורכבות בתחומים רבים השונים זה מזה, מתפתחים מאפיינים התנהגותיים ומבניים דומים במערכות אלה, ומטרת הענף המדעי של חקר המערכות המורכבות היא לחקור תבניות (Patterns) אלה, לנסות להגדירם בצורה פורמלית בעזרת כלים הנלקחים מענפים שונים של המתמטיקה, ועל ידי-כך להבין בצורה טובה יותר את המערכות אשר מסביבנו, ולשפר את היכולת לחזות את התנהגותן. 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.

מחקר המערכות המורכבות נודע בעבר גם בשם תאוריית מערכות, אם כי כיום משתמשים פחות בכינוי זה.

הגדרה פורמלית[עריכת קוד מקור | עריכה]

אין כיום הסכמה גורפת על הגדרה פורמלית של מערכת מורכבת, אולם ההגדרה הנפוצה היא הגדרת מערכת מורכבת כמערכת המכילה מספר גדול של מרכיבים אשר משפיעים זה על זה.

שני הגורמים המרכזיים המבדילים בין מערכות מורכבות למערכות פשוטות הם קיומם של מסלולים מעגליים בתוך המערכת דבר המוביל להיווצרות משובים חיובים ושליליים, והעובדה שבמקרים רבים חלקי המערכת הם מערכות מורכבות בעצמם. גורמים אלה מובילים להתנהגות לא לינארית של המערכת, ולכן המערכת אינה עונה על עקרון הסופרפוזיציה (כלומר התנהגות המערכת אינה סכום של התנהגויות כל אחד מחלקיה בנפרד). דבר זה מוביל לכך שקשה מאוד לחזות את התנהגות המערכת בצורה מדויקת, ובמקרים מסוימים עשוי אף להוביל להתנהגות כאוטית.

התנהגות של מערכות מורכבות[עריכת קוד מקור | עריכה]

מערכות מורכבות עשויות, מעצם הגדרתן, להציג התנהגות מורכבת ומאוד לא-סדירה, שבה קשה לחזות מה מרכיב מסוים יעשה במשך הזמן, אם כי בפרקי זמן מסוימים מערכת מורכבת עשויה גם להציג התנהגות פשוטה יחסית. חלק גדול מהמחקר במערכות מורכבות עוסק בניסיון להתחקות אחר התבניות שמתארות בצורה פשוטה יותר (אם כי מקורבת בלבד) את ההתנהגות של המערכות מורכבות. התבניות עשויות להתפתח מקומית באזורים מסוימים של המערכת או במערכת כולה. גם כאשר מתפתחת תבנית דומיננטית במערכת, קיימות לרוב תבניות משניות נוספות, אשר בסופו של דבר מוציאות את המערכת מהתבנית אשר התפתחה. שלוש התבניות הבסיסיות הן:

  • תבנית לינארית – אף על פי שמערכת מורכבת אינה לינארית מטבעה, עשויה להתפתח התנהגות לינארית בחלקים של המערכת. התנהגות זו נוצרת בדרך כלל מהיווצרות שיווי משקל זמני במערכת, אשר מופר בהמשך.
  • תבנית מתבדרת – תבנית זו נוצרת כאשר קיים משוב חיובי דומיננטי במערכת. במידה והתבנית מתפתחת ואינה נבלמת על ידי משובים שליליים בשלב מוקדם, היא עשויה לגרום לשינויים מהותיים במערכת. דוגמה לתבנית מתבדרת אשר מתפתחת (ונבלמת בשלב מאוחר) היא היווצרות בועה כלכלית בשוק ההון. בתכנון מערכות מורכבות הנבנות על ידי בני אדם, קיימת מודעות להיווצרות של תבניות כאלה במערכת, ולכן נהוג להכניס למערכת משובים שליליים אשר ימנעו היווצרות תבנית מתבדרת (אשר עשויה אף להוביל להרס המערכת).
  • תבנית מתכנסת (הקרויה גם Goal Seeking) – תבנית זו נוצרת כאשר יש מושך (Attractor) פשוט במערכת, והמערכת מתכנסת אליו.

תבניות מורכבות יותר אשר עשויות להתפתח הינן תבנית מחזורית, תבנית S (המכונה S-curve), תבנית מדרגות, חשל (היסטרזיס), תבניות כאוטיות (המבוססות על מושכים לא פשוטים) ועוד.

יישומים של תאוריית המערכות המורכבות[עריכת קוד מקור | עריכה]

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, מטאורולוגיה, פיזיקה, מדעי המחשב, בינה ‎מלאכותית, מיחשוב אבולוציוני, כלכלה, ניהול (ארגונים גדולים ובינוניים), 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).

באופן מסורתי, ההנדסה ניסתה לשמור על הלינאריות של המערכות שלה, מכיוון שכך קל יותר לבנות אותן ולחזות את התנהגותן. אולם מצד אחד מערכות פיזיקליות רבות (לדוגמה לייזרים) הן מערכות מורכבות ומצד שני גם מערכות הנדסיות פשוטות עשויות להפוך להיות מורכבות, אם בני אדם מעורבים בעבודת המערכת והם עשויים להשפיע עליה, ולכן בתכנון מערכת הנדסית יש להתחשב גם בהיבטים של חקר המערכות המורכבות.

הגדרות חילופיות של מערכות מורכבות[עריכת קוד מקור | עריכה]

הוצעו מספר הגדרות חילופיות של מערכות מורכבות. מהדורה מיוחדת של כתב העת Science 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.

תכונות של מערכות מורכבות טבעיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

מערכות מקוננות (nested)[עריכת קוד מקור | עריכה]

החלקים של המערכת המורכבת עשויים להיות בעצמם מערכות מורכבות (לדוגמה מדינה אשר היא מערכת מורכבת, המכילה בתוכה מבנים חברתיים אשר הינם מערכות מורכבות, ואשר מורכבים מבני אדם שהינם מערכות מורכבות).

משובים חיוביים ושליליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

קיומם של מסלולים מעגליים בתוך מערכת מורכבת (מערכת א משפיעה על מערכת ב, אשר משפיעה על מערכת ג, אשר בתורה משפיעה על מערכת א), מוביל להיווצרות משובים חיוביים (אשר עשויים להוביל להתבדרות של המערכת) ושליליים (אשר בולמים שינויים אשר מתפתחים במערכת). קיומם של משובים אלה הוא הגורם המרכזי להיווצרות התבניות במערכת.

יחסים לא-לינאריים[עריכת קוד מקור | עריכה]

שינויים קטנים יכולים לגרום להשפעה גדולה על המערכת (אפקט הפרפר), השפעה דומה בגודלה, או לא להשפיע בכלל.

מערכות פתוחות[עריכת קוד מקור | עריכה]

מערכות מורכבות הינן לרוב מערכות פתוחות ומושפעות מהסביבה בה הן נמצאות. דבר זה מקשה על היכולת לחקור את המערכת, ולכן אחד השלבים הראשונים בניתוח מערכת מורכבת הוא להגדיר בצורה ברורה את גבולות המערכת בתוך הסביבה בצורה בה ניתן יהיה לקרב את המערכת למערכת סגורה.

התפתחות תבניות[עריכת קוד מקור | עריכה]

למרות חוסר הלינאריות של המערכת המורכבת והעובדה שהיא מערכת פתוחה, ניתן להבחין במספר תבניות אופייניות המתפתחות במערכות מורכבות. חשוב להדגיש שגם כאשר מתפתחת תבנית המערכת אין הדבר אומר שהמערכת נמצאת בשיווי משקל (מערכות מורכבות כמעט לעולם אינן מגיעות לשיווי משקל יציב).לרוב מדובר בתבנית דומיננטית אשר מתפתחת במערכת, כאשר במקביל מתפתחות מספר תבניות משניות, אשר עשויות להפוך לדומיננטיות (או לחלופין להעלם) בהמשך.

זיכרון[עריכת קוד מקור | עריכה]

העבר של מערכת מורכבת משפיע על התנהגותה, ולכן הכנסת קלטים זהים מהסביבה למערכת עשויה לגרום לתוצאות שונות, בהתאם להיסטוריה של המערכת. דבר זה מקשה על היכולת לשלוט בהתנהגות המערכת מבחוץ.

רשת דינמית[עריכת קוד מקור | עריכה]

רשת הקשרים במערכת מורכבת הינה רשת דינמית, וקשרים בין חלקי המערכת עשויים להיווצר, להעלם או להשתנות.

ארגון-עצמי (Self-organizing)[עריכת קוד מקור | עריכה]

מערכות מורכבות נוטות לפתח התנהגות חדשה (emergent behavior) ברמות הגבוהות כתוצאה מדינמיקה פנימית ברמות הנמוכות יותר ולא כתוצאה מהכוונה חיצונית. תכונה זו נקראת ארגון-עצמי, והיא נושא מחקרי מרכזי בתחום של מערכות מורכבות, בעיקר מכיוון שבמקרים מסוימים מרכיבים וקשרים מאוד פשוטים ברמה הנמוכה עשויה להוביל להתנהגות חדשה מורכבת ברמה הגבוהה. דוגמאות ידועות למקרים כאלה הם רשתות עצביות ותל נמלים.

העדר שליטה[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשל רגישותה לתנאים ההתחליים לא ניתן לשלוט במערכת מורכבת. יכולת הלמידה העצמית של המערכת תניב תוצאות שונות לשינויים קלים ואפילו זהים שניצור בה.

יכולת ניבוי[עריכת קוד מקור | עריכה]

לא ניתן לנבא כיצד תגיב מערכת מורכבת לשינוי ולו הקטן ביותר.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]