49.Самоорганизация в живой и неживой природе. Синергетика как наука о самоорганизации систем.

Появлении синергетики в современном естествознании,инициировано подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин.Эту тенденцию сдерживала разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе.В классической науке (19века) господствовало убеждение,что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякою упорядоченности,стремление к исходному равновесию,что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность,т.е. хаос.Такой взгляд сформировался под воздействием - равновесной термодинамики.Эта наука занимается процессами взаимопревращения различных видов энергии.Ею установлено,что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны.Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами,а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно.Знаменитое второе начало термодинамики в формулировке немецкого физика Клаузиуса: теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему.

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) не запрещает такого перехода, лишь бы кол-во энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не происходит. Для отражения этого процесса было введено новое понятие – энтропия (мера беспорядка системы). При самопроизвольных процессах в системах,имеющих постоянную энергию,энтропия всегда возрастает.Необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах приведет к превращению всех видов энергии в тепловую,которая рассеется,т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что будет означать полный хаос,или термодинамическое равновесие (максимальная энтропия).

Наблюдается явная нестыковка законов живой и неживой природы.Ведь предполагаемый дарвиновской теорией процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением,живая природа стремилась прочь от термодинамического равновесия. Это многократно возросло после замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся.

Для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи не только разрушительной,но и созидательной тенденции.Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия,самоорганизовываться и самоусложняться.Возникла синергетика – теория самоорганизации. В настоящее время она развивается по нескольким направлениям: синергетика (Хакен),неравновесная термодинамика (Пригожин) и др.

Мировоззренческий сдвиг,произведенный синергетикой:

-процессы разрушения и созидания,деградации и эволюции во Вселенной равноправны;

-процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем,в которых они осуществляются.

Синергетика претендует на открытие универсального механизма самоорганизации как в живой,так и в неживой природе.

Самоорганизация – спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации.

Объектом синергетики могут быть только те,которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

-они должны быть открытыми,т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;

-они должны быть существенно неравновесными,т.е. находится в состоянии,далеком от термодинамического равновесия.

Современная физика полагает,что для вещественной Вселенной такой средой является вакуум.

Синергетика утверждает,что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности.В цикле развития такой системы 2 фазы:

1)период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями,подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.

2)выход из критического состояния одномоментно,скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен.

Формирование живого организма,динамика популяций,рыночная экономика,наконец,в которой хаотичные действия свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур – примеры самоорганизации систем различной природы.

3

Слово “естествознание” представляет собой сочетание двух слов — “естество” (“природа”) и “знание”. Оно может быть заменено менее употребительным словом-синонимом “природоведение”, которое происходит от общеславянского термина “веды” или “веда” - наука, знание. Мы и до сих пор говорим “ведать” в смысле знать. Но в настоящее время под естествознанием понимается прежде всего так называемое точное естествознание, т.е. уже вполне оформленное - часто в математических формулах - “точное” знание обо всем, что действительно есть (или, по крайней мере, возможно) во Вселенной, а “природоведение” (подобно пресловутому “обществоведению” или “науковедению”) обычно невольно ассоциируется с какими-то еще аморфными представлениями о предмете своего “ведения”Естественное стремление исследователей ко все большему охвату разнообразных природных объектов и ко все более глубокому проникновению в их детали привело к неудержимой дифференциации (разделению, расчленению, дроблению) соответствующих наукТенденция к дальнейшей непрерывной дифференциации естественных наук является первой и главной особенностью аналитической стадии исследования Природы. Эта тенденция остается и сегодня еще очень действеннойВ качестве второй особенности аналитической стадии выступает явное преобладание эмпирических (полученных путем опыта, эксперимента) знаний над теоретическимиТретьей особенностью этой стадии является опережающее - преимущественное - исследование предметов Природы по отношению к изучению процессовНаконец, еще одна - четвертая особенность аналитического периода развития естествознания состоит в том, что сама Природа вплоть до середины XIX века рассматривалась по преимуществу неизменной, окостенелой, вне эволюции.

5

Так, пифагорейцы в VI в. до п. э. создали первую модель — и виде системы из восьми концентрических сфер, несущих на себе пять известных тогда планет, Солнце, Луну и звезды. В «музыке сфер», возникающей якобы от этого движения, должна была, по их мнению, проявляться «гармония мира».В IV вв. до н. э. аналогичные механические модели разрабатывали Евдокс, Каллип, Аристотель. Но у последнего они имели уже не столь грубо материальный вид. Первую эволюционную материалистическую модельмира, как возникшего из космического вихря (также геоцентрическую) выдвинул в V в. до н. э. великий древнегреческий мыслитель Анаксагор). Идею бесконечнойцикличности, мирового процесса попеременного соединения и разделения основных элементов — огня, воздуха,воды и земли — развивал в том же веке под влияниемпифагорейцев Эмпедокл. В древнегреческой философииэтих веков сформировалось и само понятие «космоса»,что буквально означает «порядок», «красота», упорядоченная, закономерная Вселенная. За пределами Космоса,по мнению одних, не было ничего. Другие, в том числе Анаксагор, допускали существование бесконечного числатаких «космосов» — вселенных. (Идея эта неоднократно возрождалась позднее и вновь становится злободневно в наши дни. Таким образом, на протяжении веков до Аристотеля в моделях мира хотя и преобладала идея геоцентризма, но лишь ввиду ее кажущейся очевидности. Наряду с нею равноправно существовали и противоположные модели,, предполагавшие подвижность Земли, идеи ее вращения, идеи эволюции Вселенной в целом

6 Вклад Аристотеля в естествознание Спустя несколько месяцев после побега, Аристотель скончается, оставив после себя огромный вклад с будущую науку. На момент смерти Аристотелю было 62 года.До нас дошло достаточно много его трудов: «Физика», «Этика», «О душе», «Риторика» и др. Все работы Аристотеля можно разделить на несколько групп: физически группы, логические, этические, политические и биологические трактаты. Кроме того, его труды повлияли на становление мусульманской философии.Средневековые ученые, боготворя Аристотеля, в своих поисках всегда «оглядывались» на труды этого философа. Есть у Аристотеля и более радикальные труды, затрагивающие второстепенную роль в обществе для женщин, а также естественность рабства. Начиная с 18-го века, интерес в личности Аристотеля уменьшился, но его достижения в понимание мира и философии не забыты до сих пор. 

7 .    Гелиоцентризм -- система мира (от греч. — Солнце), представление о том, что центр. телом Солнечной системы является Солнце; Вселенная в совр. понимании центра не имеет. Идея Г. возникла ещё в античности, но как система мира, способная противостоять геоцентризму, развита в кн. Коперника «Об обращении небесных сфер» (1543). В перво-нач. виде система Коперника сохраняла некоторые пережитки геоцентризма, напр. представления о равномерном круговом движении планет и о наличии у Вселенной единого центра (Солнце), которые были преодолены Бруно, И. Кеплером, Галилеем и др. Г. окончательно восторжествовал в результате трудов Ньютона: закон всемирного тяготения и законы механики объясняли все особенности планетных движений. Были открыты также и убедит. наблюдат. доказательства вращения Земли (маятник Фуко идр.) и её движения по орбите (параллаксы звёзд идр.). Спор геоцентризма и Г. был также мировоззренческим и идеологическим: ка-толич. церковь увидела в Г. отрицание христ. космоло-гич. предпосылок; книга Коперника была запрещена церк. цензурой более двух столетий (1616—1822). Г. открыл новую эпоху в развитии астрономии, науч. мысли вообще, нанёс удар господствовавшим недиалек-тич. представлениям о том, что подлинные свойства предмета доступны непосредств. наблюдению и восприятию(наивный реализм, метафизич. материализм), подготовил почву для открытия диалектики сущности и явления.

Механическая научная картина мира складывалась постепенно, в ходе научной революции 17-18 веков. Развитие ее строилось на основании работ Г. Галилея и П. Гассенди. Ученые восстановили атомизм, отраженный в трудах древних философов, на основании исследований Ньютона и Декарта. Последние сформулировали основные принципы, идеи и понятия, которые легли в основы механической картины мира, завершив при этом построение новой картины мира.Основой механической картины мира явился атомизм. Он превратил понимание мира и самого человека в совокупность огромного числа неделимых частиц, называемых атомами, которые перемещаются в пространстве и времени.Основным понятием механической картины мира Ньютона стало понятие движения. Законы движения Ньютон утвердил как фундаментальные законы всего мироздания. По его теории все тела имеют внутреннее врожденное свойство равномерного и прямолинейного движения. Любые отклонения от этого движения имеют причиной действие на тело инерции - внешней силы. Масса является мерой инертности, другого, очень важного понятия механики классической.Ньютон предложил принцип дальнодействия, который возник в результате решения проблемы взаимодействия тел. В основе этого принципа лежит взаимодействие между телами, которое происходит мгновенно при разном расстоянии и при отсутствии материальных посредников.Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. В рамках механической картины мира Ньютон предложил концепцию абсолютного времени и пространства. Пространство при этом представлялось неким «черным ящиком», который вмещает тела всего мира. Исчезни все тела, пространство все равно продолжало бы существовать. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и время, также существующее абсолютно независимо от материи.Механическая научная картина мира породила законы механики, которые жестко предопределяли любые события. Из них совершенно исключалась случайность. Присутствие человека в действующем мире ничего не меняло. Согласно теории механической картины мира Ньютона, исчезновение человека с лица земли никак не повлияло бы на существование мира: он продолжил бы свое существование, как прежде. Такая теория стала приниматься как универсальная.

8 Солнечно-земные связи, реакция Земли (её внешних оболочек, включая биосферу) на изменение солнечной активности. Уровень солнечной активности (число активных областей и солнечных пятен, количество и мощность солнечных вспышек и т.д.) изменяется с периодом около 11 лет. Существуют также слабые колебания величины максимумов 11-летнего цикла с периодом около 90 лет. На Земле 11-летний цикл прослеживается на целом ряде явлений органической и неорганической природы (возмущения магнитного поля, полярные сияния, возмущения ионосферы, изменение скорости роста деревьев с периодом 11 лет, установленным по чередованию толщины годовых колец, и т.д.). На земные процессы оказывают также воздействие отдельные активные области на Солнце и происходящие в них кратковременные, но иногда очень мощные вспышки. Время существования отдельной активной области на Солнце может достигать 1 года. Вызываемые этой областью возмущения в магнитосфере и верхней атмосфере Земли повторяются через 27сут (с наблюдаемым с Земли периодом вращения Солнца). Наиболее мощные проявления солнечной активности — солнечные (хромосферные) вспышки — происходят нерегулярно (чаще вблизи периодов максимальной активности), длительность их составляет 5—40 мин, редко несколько часов. Энергия хромосферной вспышки может достигать ~10³² эрг (~10²⁵ дж), из выделяющейся при вспышке энергии лишь 1—10% приходится на электромагнитное излучение в оптическом диапазоне. По сравнению с полным излучением Солнца в оптическом диапазоне энергия вспышки невелика (~10^–5—10^–6), но коротковолновое излучение вспышки и генерируемые при вспышке быстрые электроны, а иногда солнечные космические лучимогут дать заметный вклад в рентгеновское и корпускулярное излучение Солнца. В периоды повышения активности Солнца его рентгеновское излучение увеличивается в диапазоне 30—10 нм в 2 раза, в диапазоне 10—1 нм в 3—5 раз, в диапазоне 1—0,2 нм более чем в 100 раз. По мере уменьшения длины волны излучения вклад активных областей в полное излучение Солнца увеличивается, и в последнем из указанных диапазонов практически всё излучение обусловлено активными областями. Жёсткое рентгеновское излучение с длиной волны l<0,2 нм появляется в спектре Солнца лишь на короткое время после вспышек.

9  Научная деятельность Максвелла охватывает проблемы электромагнетизма, кинетической теории газов, оптики, теории упругости и многое другое. Свою первую работу "О черчении овалов и об овалах со многими фокусами" Максвелл выполнил, когда ему ещё не было 15 лет. Одними из первых его исследований были работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72). В 1861 Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное от одновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов, доказав этим справедливость трёхкомпонентной теории цветного зрения и одновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первых приборов для количественного измерения цвета, получившего название диска Максвелла. В своей докторской диссертации (1875) Лоренц рассмотрел отражение и преломление света с позиций электромагнитной теории Дж. Максвелла и показал, что на границе 2 сред возникают 4 условия (а не 6, как требовала механическая теория света). Это послужило доказательством электромагнитной теории света. Герц  (1857 – 1894) Немецкий физик, один из основателей электродинамики исходя из уравнений Максвелла, Герц в 1886-89 гг. экспериментально доказал существование электромагнитных волн и исследовал их свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах и т.д.). 

11.

ТЯГОТЕНИЕ или гравитация, свойство материи, которое состоит в том, что между любыми двумя частицами существуют силы притяжения. Тяготение - универсальное взаимодействие, охватывающее всю доступную наблюдению Вселенную и потому называемое всемирным. Как мы увидим из дальнейшего, тяготение играет первостепенную роль в определении структуры всех астрономических тел во Вселенной, кроме мельчайших. Оно организует астрономические тела в системы, подобные нашей Солнечной системе или Млечному Пути, и лежит в основе структуры самой Вселенной. Под "силой тяжести" принято понимать силу, создаваемую тяготением массивного тела, а под "ускорением силы тяжести" - ускорение, создаваемое этой силой. (Слово "массивное" употребляется здесь в смысле "обладающее массой", но рассматриваемое тело не обязательно должно обладать очень большой массой.) В еще более узком смысле под ускорением силы тяжести понимают ускорение тела, свободно падающего (без учета сопротивления воздуха) на поверхность Земли.

пространство – это отношения взаимоположения объектов, сосуществующих в некоторый момент времени (при измерении пространственных размеров, обратим внимание, измеряемый объект совмещается с эталоном); - время – это отношения последовательности объектов, сосуществующих в некоторой точке пространства (сравнение временных параметров разноместных событий, обратим внимание, требует синхронизации часов, что связано с комплексов не столь уж тривиальных допущений и процедур). Следствия из определений пространства и времени: 1. пространство и время объективны; 2. пространство и время неразрывно связаны друг с другом  и с движением материи. Более того, пространство и время – это стороны движения. В самом деле: поскольку пространство – это отношения сосуществующих в некоторый момент времени объектов, постольку оно есть то, что остается от движения, когда мы отвлекаемся от времени; поскольку время – это отношения объектов, сосуществующих в некоторой точке пространства, постольку оно есть то, что остается от движения, когда мы отвлекаемся от пространства. Таким образом, пространство и время не существуют вне движения материи, как и оно – вне пространства и времени.

12

Самый известный – парадокс близнецов обычно формулируется так. Пусть брат-близнец А отправляется в космический полет на звезду Х, находящуюся от нас на расстоянии, скажем, 20 световых лет. Скорость звездолета близка к скорости света: v = 0,9с. Долетев до звезды примерно за 22,3 года (по своим часам), корабль разворачивается и летит обратно. Таким образом, по часам брата А, совершившего этот полет, прошло примерно T = 44,6 года. Второй брат-близнец Б дожидался возвращения брата А на Земле. У трапа звездолета брата А встретил дряхлый старец, которому пришлось ждать встречи более 100 лет.Собственно, здесь еще нет парадокса. Действительно, при движении со скоростью v = 0,9c лоренц-фактор равен g » 2,3 и вследствие эффекта замедления времени по часам земного наблюдателя прошло время, равное gT » 103 года.Самый известный – парадокс близнецов обычно формулируется так. Пусть брат-близнец А отправляется в космический полет на звезду Х, находящуюся от нас на расстоянии, скажем, 20 световых лет. Скорость звездолета близка к скорости света: v = 0,9с. Долетев до звезды примерно за 22,3 года (по своим часам), корабль разворачивается и летит обратно. Таким образом, по часам брата А, совершившего этот полет, прошло примерно T = 44,6 года. Второй брат-близнец Б дожидался возвращения брата А на Земле. У трапа звездолета брата А встретил дряхлый старец, которому пришлось ждать встречи более 100 лет.Собственно, здесь еще нет парадокса. Действительно, при движении со скоростью v = 0,9c лоренц-фактор равен g » 2,3 и вследствие эффекта замедления времени по часам земного наблюдателя прошло время, равное gT » 103 года.

13

Система отсчёта   в механике, совокупность системы координат и часов, связанных с телом, по отношению к которому изучается движение (или равновесие) каких-нибудь других материальных точек или тел. Любое движение является относительным, и движение тела следует рассматривать лишь по отношению к какому-либо другому телу (телу отсчёта) или системе тел. Нельзя указать, например, как движется Луна воооще, можно лишь определить её движение по отношению к Земле или Солнцу и звёздам и т. д.

Симметрия непонятным образом связана с так называемым "золотым сечением" или  "божественным сечением": это неравное отношение двух частей отрезка, каждый из которых  может быть приближенно отображен числами 1,618 и 0,618. Этому отношению  удовлетворяет, например, отношение отрезков в пятиконечной звезде, которая обладает  поворотной симметрией пятого порядка. Соотношения эти описывают универсальный закон  гармонии и отражают в нашем сознании красоту. Примеры: расстояния планет от Солнца,  морфометрические пропорции человеческого тела. Цветы, нежнейшие создания природы, обладают не только привлекательной  окраской, но и поворотной симметрией. В архитектуре преобладает симметрия четвертого  порядка. Поворотная симметрия пятого порядка наиболее часто встречается в органическом  мире. Наиболее известными образцами кристаллов с симметрией шестого порядка являются  снежинки. Леонардо да Винчи систематически занимался вопросом об определении  возможных видов симметрии для центрального здания, а также, каким образом следует  производить пристройку к ним часовен и ниш, не нарушая симметрии архитектурного  ансамбля. Не менее важны нарушения симметрии: это проявляется небольшими различиями  правого и левого для человеческого тела (правой и левой рук, правого и левого полушарий  мозга). Наиболее ярким проявлением асимметрии является отличие живого вещества от  неживого. Особенность живого вещества или продуктов его жизнедеятельности проявляется  в оптической активности. Это означает, что его молекулы обладают общей асимметрией,  определяющей способность живого вещества к поляризации света, который через него  проходит.