ИТОГ-КСЕ-ДО в PDF раздача 2015.pdf

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

Мы отмечали, что законы термодинамики были разработаны для закрытых систем – идеальных абстрактных математических моделей, которые не существуют в реальности. Возникает вопрос: «Действуют ли эти законы для реаль-

ных открытых систем?».

Посмотрев на природу, общество можно увидеть большое количество открытых систем, которые находятся в более упорядоченном состоянии, чем вещество, из которого они созданы (машина более упорядочена, чем набор деталей; человеческий организм более упорядочен, чем набор живых клеток, из которых он состоит). С чем это связано? Закрытая система закрыта от поступления энергии извне, именно поэтому она неизбежно остывает и переходит в состояние хаоса. При изучении открытых систем второй закон термодинамики необходимо дополнить пониманием того, что возможно поступление энергии извне, из окружающей среды. Открытые системы рассеивают, отдают энергию, но также они эту энергию могут получать и использовать для поддержания своей стабильности (порядка).

Таким образом, можно утверждать, что порядок и хаос это два взаимосвязанных явления, переходящие друг в друга. Если представление о разрушении систем и переходе их из порядка в хаос становится понятно из второго закона термодинамики, то обратный процесс (самоорганизация (построение порядка из хаоса)) мы рассмотрим далее.

Самоорганизация в системах Самоорганизация – это природные скачкообразные процессы, переводя-

щие открытую неравновесную систему, достигшую точки бифуркации, в новое устойчивое состояние. Это направленный процесс от хаоса к порядку. Его направленность связана с внутренними свойствами системы. При этом поведение элементов системы характеризуется случайностью.

Результатом самоорганизации становится возникновение новых структур, систем, более сложных, чем элементы (объекты) среды, из которых они возникают.

В понятии самоорганизации отражается общая тенденция развития Природы: от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи.

Система способна к самоорганизации если:

!состоит из достаточного количества элементов;

!находится в состоянии, далеком от равновесия;

!использует обратные связи;

!открыта, т.е. обменивается веществом или энергией с внешней средой;

!испытывает флуктуации (случайные ненаправленные воздействия).

Идеи самоорганизации развиваются в науке в нескольких направлениях:

синергетика (Герман Хакен) и неравновесная термодинамика (Илья Пригожин).

57

"различные элементы начинают действовать в

58

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

Развивая идеи синергетики, чтобы объяснить поведение систем, далеких от равновесия, Илья Пригожин сформулировал теорию диссипативных структур (Нобелевская премия 1977 года). Иными словами, диссипативные структуры

– это устойчивые состояния, возникающее в неравновесной среде при условии рассеивания энергии, которая поступает извне. Примерами таких структур могут служить автоколебания, возникающие, например, в тонком горизонтальном слое масла при его подогреве снизу (ячейки Бенара (см. ниже)).

Возникающая в процессе развития неустойчивость создает возможность скачкообразного перехода системы в новое состояние. Скачок можно рассматривать как реакцию системы на возмущение с целью его компенсации, только система возвращается не в старое состояние, а переходит в новое, т.е. «развитие через неустойчивость» обеспечивает устойчивость на более высоком уровне.

Примеры самоорганизации:

а) формирование циклонов и антициклонов в атмосфере; б) замерзание воды (переход из жидкого (менее упорядоченного) в твердое

(более упорядоченное) состояние; в) лазер, создающий высокоорганизованное оптическое излучение (лазер –

«усиление света посредством вынужденного излучения»;

г) реакция Белоусова–Жаботинского – это автоколебательные процессы при окислении–восстановлении солей церия: Се3+, Се4+. На стадии окисления жидкость становится красной, при восстановлении – синей. Окраска раствора постоянно периодически изменяется.

д) эффект Бенара – классический пример диссипативной самоорганизующейся структуры. При нагревании силиконового масла на его поверхности возникает динамическая упорядоченная структура, напоминающая кристалл в виде сеточки с ячейками шестигранной формы (ячейки Бенара).

е) в биологии: мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга, образование колоний амебами рода Dictyostelium (1), самоорганизация термитов в колониях (2), самоорганизация муравьев (3).

1) Амебы Dictyostelium discoideum при не-

достаточном количестве пищи способны концентрироваться вокруг спонтанно возникшего центра, образуя многоклеточное образование,

59

ведущее себя как отдельный организм. Сигналом к коллективному поведению служит генерируемое амебами химическое вещество, а центром сползания является клетка, первой начавшая его испускать. Образовавшийся сгусток амеб перемещается в среде, пока не достигнет участка с достаточной концентрацией пищи.

2)Закладка основы термитника также является процессом самоорганизации. На первой стадии закладки основания гнезда термиты на выбранное место приносят и беспорядочно разбрасывают комочки земли. Каждый комочек пропитан гормоном, привлекающим других термитов. Случайное скопление комочков, возникающее в какой–либо точке, создает центр концентрации гормона, вокруг которого и начинает расти термитник.

3)Любопытным является пример самоорганизации у муравьев–ткачей. Особенно это проявляется в процессе «сшивания листа». Первая стадия сшивания листа у муравьев–ткачей заключается в сворачивании листа пополам. Выбор места приложения усилий на кромке заворачиваемого листа происходит следующим образом. Первоначально муравьи беспорядочно хватаются за случайно выбранные места кромки листа и пытаются загнуть их. Те участки кромки, которые удается загнуть, более других привлекают к себе менее удачливых работников. В результате этого муравьи перераспределяются, оказываются в конечном итоге у какого–либо одного участка листа и вместе заворачивают его. Толчком для сворачивания листа служит случайный успех одного или нескольких муравьев, оказавшихся рядом.

Отметим в заключение, что процессы самоорганизации имеют единый алгоритм независимо от природы, специфики и характера систем, в которых они осуществляются, т.е. они характерны для всей природы. Развитие систем носит нелинейный характер, т.е. всегда существует несколько возможных вариантов развития.

Абсолютно устойчивая система к развитию не способна.

Период зарождения новой системы характеризуется увеличением диссипации (рассеяния энергии).

60

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

II. КОНЦЕПЦИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО ЭВОЛЮЦИОНИЗМА

Универсальный эволюционизм − это убеждение о том, что, как Вселенная в целом, так и ее отдельные элементы не могут существовать, не развиваясь. При этом считается, что развитие идет по одному алгоритму − от простого к сложному путем самоорганизации.

Концепция эволюции берет свое начало в XVIII – XIX веках в период 3–й научной революции. Идеи эволюции космоса (И. Кант), Земли (Ч. Лайель), живой природы (Ч. Дарвин) активно обсуждали в научном сообществе того времени. Казалось единственными областями, где мир был равновесен, неподвижен и неизменен, были физика и химия. Но уже к XX веку ситуация изменилась: получены данные об эволюции Вселенной (расширение Вселенной), сформулированы теории эволюции химических систем, расширена и дополнена знаниями генетики и биохимии современная теория эволюции живой природы, утвердилась концепция дрейфа континентов в геологии. Особое значение приобрели открытия в области изучения систем, информатики, и особенно синергетики.

Идеи о том, что природа изменяется под влиянием многочисленных случайных факторов путем рассеяния энергии через точки бифуркации, прочно утвердилась в современном естествознании. Далее были сформулированы ос-

новные принципы универсального эволюционизма:

!все существует в развитии;

!развитие происходит в чередовании медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);

!природа «отбирает» допустимые состояний из всех возможных;

!развитие непредсказуемо и случайно (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

!природные системы относительно устойчивы и надежны из–за постоянного их обновления.

61

ВВЕДЕНИЕ В УЕ 2.3. Концепция симметрии

Цель изучения

1.Узнать, что такое симметрия и каковы ее виды;

2.Выяснить особенности проявления симметрии в неживой и живой природе.

Что Вы должны знать и уметь перед началом изучения

▪иметь общие знания по физике в объеме школьной программы;

▪иметь представления о геометрии.

В результате изучения Вы будете знать

▪что такое симметрия;

▪виды симметрии в неживой природе (геометрическая, пространственно– временная и внутренняя);

▪как проявляется асимметрия на микро– и макроуровнях живой природы.

Ход изучения

1.Прочитайте теоретическую часть УЕ 2.3.

2.Рассмотрите приведенные примеры (где приведены).

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

а) В чем состоит отличие обыденного представления о симметрии от научного?

б) Почему однородность пространства и изотропность являются примерами симметрии?

в) Опишите как выглядит пространственно–временная и внутренняя симметрии?

г) Как проявляется асимметрия на микроуровне живой материи? д) Приведите примеры симметрии–асимметрии в неживой, живой природе, в культуре.

62

63

ходящей через их центр.

Древние греки считали симметрию равновесием и покоем, как весы: стоит добавить дополнительный груз на одну из чаш весов, как они придут в движение – нарушено равновесие, исчезла симметрия. С 30–х годов XIX века симметрия вошла в обиход с наукой кристаллографией.

Несколько примеров симметрии:

а) в архитектуре. Большинство зданий зеркально симметричны. Это связано с их функциональной природой – одна часть фасада уравновешивается симметричной ей другой. Древнегреческий Акрополь, египетские пирамиды, узоры в орнаментах арабских храмов.

б) в природе симметрия встречается в изобилии – снежинка обладает гексагональной симметрией, кристаллы обладают определенной геометрической формой, падающая дождевая капля имеет вид правильной сферы и, замерзая, превращается в ледяной шарик – градину – все это геометрическая симмет-

рия (А).

Разновидность геометрической симметрии – зеркальная симметрия. Человеческое тело приближенно обладает зеркальной симметрией относительно вертикальной оси. Симметрия это одна из фундаментальных концепций современного устройства мира. К примеру, принцип симметрии побудил Аристотеля, представляющего Землю симметричной, предсказать наличие «неизвестной южной земли» (современная Антарктида) в противовес континенту на севере.

К геометрическим симметриям относят также, однородность простран-

ства (А1) и его изотропность (А2).

А1. Сдвиг точки отсчета пространственных координат не изменяет физических законов. Все точки пространства равноправны, и пространство одно-

родно (см. УЕ 1.3.). С однородностью пространства связан закон сохранения импульса9 и закон сохранения энергии.

Закон сохранения импульса (закон сохранения количества движения) –

сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.

В 1918 г. немецкий математик Амалия Эмми Нётер доказала фундаментальную теорему, устанавливающую связь между свойствами симметрии и законами сохранения. Теорема утверждает, что каждому виду симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения. Исходя из вышесказанного можно говорить о предсказательной силе данной теоремы: если какой– то предполагаемый процесс разрешен всеми законами сохранения, то он может всегда с той или иной вероятностью произойти реально.

А2. Поворот системы отсчета пространственных координат также сохраняет физические законы неизменными – значит, пространство изотропно (свой-

9 Импульс – количество движения.

64

М.3.

. рисунок

Y

поворот

65