ИТОГ-КСЕ-ДО в PDF раздача 2015.pdf

Представим себе, что мы посветили в нашем мысленном лифте Эйнштейна фонариком. Луч света вылетел из одной стенки лифта, из точки 0 и полетел параллельно полу в сторону противоположной стенки. Покуда лифт стоит на месте, логично предположить, что луч света ударится в противоположную стенку аккурат напротив начальной точки 0, т.е. прилетит в точку 1. Лучи света же по прямой линии распространяются, в школу все ходили.

Несложно догадаться, что если лифт поехал вверх, то за время покуда луч летел по кабине, она успеет сместиться чуточку вверх.

И если лифт будет двигаться с ускорением, то луч попадет на стенку в точке 2), то есть при взгляде со стороны будет казаться, что свет двигался как бы по параболе.

Ну, понято, что на самом деле никакой параболы нет. Луч как летел прямо, так и летит. Просто покуда он летел по своей прямой, лифт успел уехать чуточку наверх, вот нам и кажется, что луч по параболе двигался.

Эйнштейн сказал – раз «гравитация и ускорение эквивалентны» (еще раз повторю, он не совсем так сказал, я сознательно утрирую и упрощаю), значит в присутствии поля гравитации (например, около планеты Земля) свет тоже полетит не по прямой, а по кривой. Гравитация искривит луч света.

НО: любой крестьянин должен знать, что фотоны – частицы без массы. Значит свет ничего «не весит». А потому свет не должен «притягиваться» Землей, как притягиваются камни, мячики и горы. Если кто помнит формулу Ньютона, гравитация обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами и прямо пропорциональна их массам. Если у луча света нет массы (а ее у света действительно нет), значит, никакого притяжения быть не должно! Тут современники начали коситься на Эйнштейна с подозрением.

А он говорит – не будем ломать крестьянам голову. Давайте предположим, что само пространство вокруг Земли (и любого тела, обладающего массой) гнется. Т.е. свет как летел по прямой, так и летит. Только эта прямая теперь нарисована не на плоскости, а лежит на как–бы скомканном полотенце. Да еще и в 3D. А комкает это полотенце как раз близкое присутствие массы.

Излучение Хокинга на пальцах

Постулат – каждую секунду, каждую милли–милли–миллисекунду в вакууме, в абсолютно пустом вакууме без всяких частиц и фотонов, т.е. в полностью пустом пространстве возникают и тут же исчезают из нашего мира обратно в небытие куча всякого рода частиц.

На первый взгляд (точнее в этом случае – слух) звучит как ересь. Такое ощущение, что ученые сами все это выдумали, лишь бы гранты научные было на что тратить, да коллайдеры строить. Ведь посудите сами – по логике этих ученых, возникать и тут же пропадать данные частицы обязаны очень–очень быстро. Настолько быстро, что их невозможно обнаружить. Можно сказать, что они прячутся под пологом неопределенности Гейзенберга, на таких коротких промежутках расстояния и времени, что нельзя вообще уверенно заявить, случилось ли это событие рождения–смерти этих частиц, или его и не было вовсе. Звучит как поиски черного кота в темной комнате, не так ли, и подспудно возникает вопрос – а был ли кот?

Но это все в пустом, так сказать ненапряженном вакууме. Когда в вакууме присутствует какое–нибудь напряжение, начинают твориться даже более загадочные вещи, чем рождение– пропадание виртуальных частиц. А, ну да, забыл сказать – частицы эти называют виртуальными, ибо время их жизни, так сказать – «короче неопределенности Гейзенберга».

Так вот, если в пространстве существует некое напряжение, присутствуют некоторые силы, эти виртуальные частицы можно успеть растащить в стороны до тех пор, покуда они не успели исчезнуть. Для этого, кстати, даже черных дыр не нужно, подобные опыты успешно проделывают наши ученые на своих синхрофазотронах. Но на растаскивание виртуальных частиц в стороны придется совершить некую работу, а значит приложить некую энергию.

47

Легко догадаться, даже без всяких расчетов и формул, что энергия эта примерно равна суммарной массе данных частиц. Ибо как бы нам этого не хотелось, вне пределов неопределенности Гейзенберга закон сохранения энергии все же работает. И если мы из ничего, из вакуума получили две реальные (переставшие быть виртуальными) частицы, с массой, зарядом, спином и прочей ерундой, на этот процесс необходимо потратить энергии как минимум не меньше, чем масса этих частиц, следуя всем известному уравнению E0=mc2.

Итого резюмируя. Приложили энергию – получили частицы из ниоткуда. Из вакуума, из пустоты.

Примерно то же самое происходит и на границе горизонта событий, т.е. очень условно говоря – на поверхности черной дыры. Если эти виртуальные частицы появились прямо на горизонте событий, но одна хоть и на милли-милли-милли-(еще 30 милли-)метр под ним, то она упадет в сингулярность, другого пути у нее нет. И этим, кстати(!), увеличит общую массу черной дыры. Другая же, которая родилась над горизонтом, может покинуть черную дыру и улететь в бесконечность. Получается, как будто бы черная дыра родила эту частицу.

Если сложить 2 плюс 2 и учесть все массы и энергии до рождения этой виртуальной пары и после, даже включая ту частицу, что упала на сингулярность и добавила массы черной дыре – окажется, что на весь процесс, была затрачена энергия, равная массе улетевшей частицы.

Откуда взялась эта энергия? Да из массы самой черной дыры конечно, больше ей и взяться не откуда! Значит, в конечном итоге, черная дыра похудела на массу этой частицы.

Если закрыть глаза на процесс, и посмотреть только его начало и конец, вообще может показаться, что черная дыра сама выпустила из себя частицу, и похудела на ее массу. Но это не верный вывод, из черной дыры ничего не может выбраться. Просто происходит очень хитрый и замороченный процесс.

Это как если человеку зашить все отверстия, он все равно сможет умудриться терять в весе. Через пот. Хоть это не совсем годная аналогия, но зато живописная.

Так же не забываем, что процесс виртуального выпаривания частиц черной дырой очень медленный и слабовыраженный. Нормальной черной дыре звездного размера (а это черная дыра диаметром в пару километров и массой около 10 солнечных), чтобы полностью испариться придется подождать несколько триллионов лет. На нее сейчас всякого космического мусора в тысячи раз больше падает. Но вот через триллионы лет…

48

МОДУЛЬ 2.

СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МИРОЗДАНИЯ

И СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ

ВВЕДЕНИЕ В УЕ 2.1.–2.2.

Концепции системности, самоорганизации и эволюционизма

Цель изучения

1.Познакомиться с концепциями системности, самоорганизации и эволюционизма;

2.Выяснить что такое система и каковы особенности ее функционирования, связанные с обменом веществом, энергией и информацией;

3.Выяснить механизмы самоорганизации систем и основные элементы концепции универсального эволюционизма, примеры самоорганизации;

Что Вы должны знать и уметь перед началом изучения

▪ иметь общие о термодинамике на уровне школьной физики.

В результате изучения Вы будете знать

▪что такое системы, классификацию систем, их состав и особенности функционирования;

▪2 закона термодинамики, понятие энтропия и причины, вызывающие хаос в системах;

▪что такое синергетика и как происходит упорядочивание систем (самоорганизация);

▪основные принципы универсального эволюционизма.

Ход изучения

1.Прочитайте теоретическую часть УЕ 2.1.–2.2.

2.Рассмотрите приведенные примеры (где приведены).

3.По ходу изучения отвечайте на вопросы (самоконтроль):

а) Дайте определение, что такое система и перечислите основные свойства систем?

б) Рассмотрите классификацию систем и еще раз укажите на отличия между парами систем в каждой классификации.

в) Сформулируйте смысл I и II законов термодинамики и укажите их значение для понимания происходящих в системах процессов.

г) Перечислите причины, приводящие системы к хаосу?

д) Укажите механизмы самоорганизации и приведи свои примеры в живой и неживой природе.

49

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ УЕ 2.1.–2.2. Концепции системности, самоорганизации и эволюционизма

▪1 закон термодинамики – энергия не возникает и не исчезает бесследно,

апереходит из одного вида в другой.

▪2 закон термодинамики – тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым; энтропия закрытой системы не может убывать.

▪Диссипативные структуры – это устойчивые состояния, возникающее в неравновесной среде при условии рассеивания энергии, которая поступает извне.

▪Обратная связь – отклик, ответная реакция системы на какое–либо воздействие.

▪Самоорганизация – это природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую точки бифуркации, в новое устойчивое состояние.

▪Синергетика − наука о самоорганизации сложных систем, о превращении хаоса в порядок.

▪Система – комплекс элементов, находящихся во взаимодействии и обладающих общими свойствами, характеризующими их как целое

▪Термодинамика – наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел

▪Точки бифуркации – переломные (критические) точки в развитии системы, точки максимального хаоса.

▪Универсальный эволюционизм − это убеждение о том, что, как Вселенная в целом, так и ее отдельные элементы не могут существовать, не развиваясь.

▪Энтропия – мера рассеяния энергии, мера хаоса, мера беспорядка.

50

М

A +

воды

и

.

не

и-

51

М2. УЕ 2.1–2.2. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

Б. По характеру обмена со средой:

В. По реакции на внешние воздействия:

Необходимо отметить, что указанные типы систем не существуют изолированно. Как правило, один тип систем одновременно является и другим. Например, сложная система может быть одновременно открытой и т.д. Как правило, современной науке приходится иметь дело со сложными открытыми неравновесными системами. Основные свойства таких систем это – необра-

тимость процессов, вероятность и случайность.

Процессы, происходящие в открытых и закрытых системах, рассматриваются на основании законов термодинамики. Термодинамика – наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел.

Все тепловые явления связаны с превращением энергии, например, превращение тепловой энергии в механическую и т.д. (при трении механическая энергия переходит в тепловую). В основе термодинамики лежат два закона – I и II законы термодинамики, которые были разработаны в XVIII веке при изучении закрытых систем (напомним, что реально таких систем не существует).

53

Положения I закона термодинамики (закон сохранения энергии):

1.Энергия не возникает и не исчезает бесследно, а переходит из одного вида в другой.

2.Внутренняя энергия изолированной системы есть величина постоянная.

3.Нельзя построить периодически действующую машину (вечный двигатель), которая бы совершала работу больше подводимой к ней извне энергии.

Экспериментальные исследования показывают, что в отличие от механического движения все тепловые процессы необратимы, т.е. реализация любого обратного термодинамического процесса, при котором предполагается осуществление ранее пройденных тепловых состояний, но уже в обратном направлении, практически невозможна. Все тепловые процессы необратимы.

II закон термодинамики − один из основных термодинамических законов, устанавливающий необратимость реальных термодинамических процессов.

Формулировки второго начала термодинамики:

1. Тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым.

Ни один вид энергии нельзя перевести полностью в другой вид. При любом превращении присутствует неупорядоченная тепловая энергия. Тепловая энергия равномерно распределяется между всеми телами, и всякие тепловые процессы в любой системе полностью прекращаются. Наступает состояние равновесия.

Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия. Энтропия

– мера рассеяния энергии, мера хаоса, мера беспорядка.

Понятие энтропия сегодня может применять значительно шире, чем только для описания процессов в физических системах. Например, её можно использовать при оценке хаотичности текста. Выберите фрагмент, в котором энтропия (хаос) больше всего:

а) АБВГДЕЁЖЗИКЛМНОПРСТ б) ААГГГГ ЖЖККК МММЛЛ

в) ЪДЕЩТОЩРТУЬЗЕНЫ ЛН

2. Энтропия закрытой системы не может убывать.

Это означает, что все системы разрушаются, хаос (беспорядок) в них всегда растет и в состоянии равновесия достигает своего максимума. Всякая система стремится к состоянию термодинамического равновесия.

Представим себе запаянный сосуд, разделенный перегородкой, в одной половине которого находится газ, а в другой – вакуум. Если мы уберем перегородку, то газ относительно равномерно распределится по сосуду, т.к. он стремиться к состоянию неупорядоченности или хаоса, с которым мы, как правило, и связываем газ. Очевидно, что представить себе ситуацию, когда бы газ остался в одой половине сосуда очень трудно. Таким образом, молекулы газа перешли в наиболее вероятное для себя положение.

54

М2. УЕ 2.1–2.2. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

Отметим, что с усложнением системы (увеличение количества элементов), увеличением некоторых физических параметров (например, температуры) – энтропия возрастает.

Чем больше в учебном классе детей, тем сложнее учителю с ними управляться.

В периодической системе элементов Менделеева номер элемента соответствует количеству электронов – чем больше номер элемента, тем больше его энтропия.

Если температура системы стремится к нулю, то и энтропия уменьшается.

ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ. Не прибегая к вычислениям, укажите, в каких процессах энтропия возрастает / а где уменьшается:

До XX века Вселенную рассматривали как закрытую систему, и с точки зрения второго закона термодинамики энтропия или хаос такой Вселенной будет постоянно увеличиваться, теплота будет равномерно рассеиваться по пространству и в итоге нашу Вселенную ждет неминуемая смерть. Такую гипотезу о тепловой смерти Вселенной предложил в XVIII веке Рудольф Клаузиус. «Если бы мир был гигантской машиной, то такая машина неизбежно должна была бы остановиться, т.к. запас полезной энергии рано или поздно был бы исчерпан».

(

Все,(что(мы(видим(вокруг,(пожрет(ненасытное(время;(

Все(низвергает(во(прах;(краток(предел(бытия.(

Сохнут(потоки,(мелеют(моря,(от(брегов(отступая,(

Рухнут(утесы,(падет(горных(хребтов(крутизна.(

Что(говорю(я(о(малом?(Прекрасную(сень(небосвода,(

Вспыхнув(внезапно,(сожжет(свой(же(небесный(огонь.(

Все(пожирается(смертью;(ведь(гибель(–(закон,(а(не(каI

ра.(

Сроки(наступят(–(и(мир(этот(погибнет(навек.(

Сенека$«Эпиграммы»$

В современной естественнонаучной картине мире законы термодинамики широко применяются не только в физике и химии, но и в биологии, психологии, социологии и других. Отдельного внимания заслуживает рассмотрение такого явления, как порядок и хаос в системах. Термодинамика впервые ввела меру хаоса – энтропию.

55

Порядок и хаос

Хаос в переводе с греческого означает бесформенное состояние мира, бесконечное пространство. Хаос – это начало и конец бытия, из него все появляется и в него все возвращается. В древней Греции хаос связывали с культом бога виноделия Дионисом. О нем говорили, что он бог бесчисленных возможностей, бесконечно появляющихся во всей своей полноте и через миг исчезающих для новой смены.

Представления о хаосе мы находим в древних культурах многих народов: а) в мифах и легендах о происхождении мира мы находим упоминание о

хаосе, из которого все произошло; б) в Египте (Книга Мертвых): бог Атон – я разрушу все, что я создал и

верну мир в хаос, к началу; в) Библейских мифах: начало всего Бог, создавший порядок из первичного

хаоса; г) в Китае: хаос место рождения порядка, хаос бесформен, все смешано. В

хаосе зарождается Дао (путь).

Николай Бердяев писал: «Два противоположных начала легли в основу русской души – природная, дионисическая, языческая стихия и аскетически– монашеское православие».

Такое частое упоминание хаоса в народной культуре и философии подтверждает мысль, что хаос – это универсальное явление природы. В реальной жизни мы встречаем хаос повсеместно: клубы сигаретного дыма, водный след за судном, сбои в компьютерах, революции, восстания и т.д.

Причины, вызывающие хаос:

1.Шумы, внешние помехи – случайные факторы.

2.Сложная организация системы (чем сложнее прибор, тем больше у него шансов сломаться).

3.Чувствительность системы. Многие нелинейные системы очень чувствительны к начальным условиям, поэтому могут быстро менять траекторию своего развития (мушка, летающая возле носа короля, принимающего важные решения, может вызвать изменения в целом государстве).

В соответствие со вторым законом термодинамики, самопроизвольно

идущие процессы приводят систему к хаосу, к состоянию равновесия как наиболее вероятному. Из этого следует, что возможность возникновения хаоса из порядка является реальной для абсолютного большинства систем (физических, химических, биологических и социальных). Это связано с неустойчивостью движения систем, т.к. практически все реальные системы являются открытыми, сложными и неравновесными.

Пример, зерна кофе из разбитой банки рассыпаются по столу и трудно себе представить ситуацию, чтобы они сохранили форму банки в отсутствие стекла.

56