Раздел 2. Порядок и беспорядок в природе

Согласно закономерностям самоорганизации, возникновение диссипативной структуры всегда сопровождается скачкообразным ростом производства энтропии. Потому структура и называется «диссипативной», то есть «рассеивающей» энергию, переводящей энергию в менее качественные формы. Чтобы при этом обеспечить рост упорядоченности, то есть снижение энтропии системы, необходимо одновременно столь же резко ускорить вынос энтропии за пределы системы, в окружающую среду. Именно поэтому любое человеческое поселение непременно окружено кольцом свалок, постоянно и быстро растущих, пока это поселение существует и развивается.

Все квантовые теории – статистические, поскольку предсказывают лишь вероятность получить при измерении то или иное значение наблюдаемых физических величин. Дарвиновский механизм эволюции одной из трех необходимых составляющих имеет неопределенную (то есть случайную, непредсказуемую) изменчивость, и потому дарвинизм в принципе не предсказывает конкретного (и единственного) пути будущей эволюции. Молекулярно-кинетическая теория с момента своего создания Дж. Максвеллом ставила задачей не предсказание положения и скорости отдельной молекулы, а расчет вероятности того, что молекула имеет то или иное значение скорости и координаты.

В молекулярно-кинетической теории состояние системы задается … вероятностью того, что наугад выбранная молекула имеет заданную скорость

Динамические теории устанавливают взаимосвязи между значениями физических величин, характеризующих материальный объект. Статистические же теории позволяют вычислить лишь вероятность того, что та или иная физическая величина, характеризующая систему, примет заданное значение. Единственный вариант ответа, содержащий указание на вероятность, будет правильным.

Молекулярно-кинетическая теория с момента своего создания Дж. Максвеллом ставила задачей не предсказание положения и скорости отдельной молекулы, а расчет вероятности того, что молекула имеет то или иное значение скорости и координаты. Классические же механика, термодинамика и электродинамика видели своей задачей точный однозначный расчет и предсказание значений самих физических величин (координат и импульсов в механике, температуры, давления и объема в термодинамике, напряженности электрического и индукции магнитного полей в электродинамике).

На рисунках изображены траектории движения различных систем: с беспорядком, с динамическим хаосом и вполне детерминированных. Траектория системы с динамическим хаосом показана на рисунке …

Динамический хаос – не беспорядок. Если бы мы знали точно начальное состояние системы с динамическим хаосом, то смогли бы точно рассчитать, в каком состоянии она окажется спустя заданный период времени. С другой стороны, система с динамическим хаосом отличается от обычной детерминированной динамической системы вроде камня, брошенного под углом к горизонту, тем, что присущий ей порядок оказывается очень тонким и очень хрупким: стоит ошибиться в определении начального состояния на ничтожно малую величину, и вот ты уже попал на другую траекторию, которая спустя некоторое время уведет тебя в совершенно другое состояние. Таким образом, траектории системы с динамическим хаосом должны быть не слишком беспорядочными, но и не слишком простыми и гладкими.

Эффект бабочки – поэтическое обозначение динамического хаоса. Расписанию занятий и прочности автомобиля он не свойствен, это достаточно грубые системы. Расписание не рухнет полностью, даже если одновременно заболеют несколько преподавателей, и автомобиль наверняка не развалится не только под весом бабочки, но и под весом кирпича. А вот погоде динамический хаос свойствен, и проявляется он в том, что ошибки в определении начальных параметров атмосферы (за счет, например, погрешности приборов на метеостанциях) быстро нарастают. Правда, некоторое, небольшое, время они остаются в рамках разумного, и потому краткосрочным прогнозам погоды все-таки можно верить. А вот долгосрочный прогноз действительно может полностью переиначить взмах крыла бабочки в центре зарождающегося циклона.

Тема: Концепции квантовой механики А. Эйнштейн, один из отцов-основателей квантовой механики, так и не принял ее, поскольку не мог согласиться с вероятностным характером предсказаний квантовой механики. До конца жизни он пытался построить теорию «скрытых параметров», которые, по его мысли, надо учесть, чтобы сделать выводы квантовой механики точными и однозначными, как у механики классической. Уже после смерти А. Эйнштейна выяснилось, что само предположение о существовании таких параметров влечет за собой проверяемые следствия. Проверка показала, что никаких «скрытых параметров» существовать не может. Следовательно, квантовая механика описывает мир статистически не потому, что она ошибочна или неполна, а потому, что так устроен мир.

В начале XX века было установлено, что многие объекты микромира в одних экспериментах ведут себя подобно частице (материальной точке), движущейся по определенной траектории, а в других – подобно волне, занимающей протяженную область. Обобщением этой наблюдаемой двойственности (дуализма) свойств микрообъектов стала концепция корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой вообще любой материальный объект обладает и свойствами частицы (группы частиц), и свойствами волны; а какие из них он проявит, зависит от ситуации, в которую он поставлен. Волновые и корпускулярные свойства объекта не могут проявляться одновременно, в одном и том же эксперименте.

Если электрон находится в атоме, его координата известна с погрешностью не хуже поперечника атома:   Тогда, согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, соответствующая компонента импульса может быть определена с погрешностью не менее   Для электрона (масса  ) это означает невозможность сделать погрешность определения его скорости меньше 

Соотношение неопределенностей В. Гейзенберга гласит, что произведение погрешностей одновременного измерения координаты и импульса материального объекта не может быть меньше некоторой конечной величины порядка постоянной Планка.

5. Опыт, схема и результат которого изображены на рисунке, позволяет продемонстрировать …

Свет в данном опыте не используется, изображение на фотопластинке формируется падающими на нее электронами. Следовательно, фотоэффект здесь ни при чем. Интерференция электронных пучков тоже отпадает, поскольку пучок тут только один. Остается дифракция и наведенная радиоактивность. По определению, дифракция – это явления отклонения волны от прямолинейного распространения вследствие взаимодействия с препятствием. На фотопластинке именно это и изображено. Помимо центрального светлого пятна, образованного электронами, прошедшими фольгу напрямую, не отклонившись от первоначальной траектории, видно еще несколько светлых колец, которые, очевидно, объясняются электронами, отклонившимися от первоначального направления распространения на определенный угол, то есть испытавшими дифракцию. Препятствием в данном случае служат атомы в фольге: расстояния между ними в подобных опытах соизмеримы с длиной волны электронов в пучке, что создает наилучшие условия для возникновения четкой дифракционной картины.

Тема: Принцип возрастания энтропии Начала термодинамики

Классическая термодинамика — это физическая наука, занимающаяся изучением взаимопревращения различных видов энергии. Энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

Класс. термодинамика основывается на трех основных постулатах, или началах.

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина — энергия — сохраняется неизменной в изолированной системе. Когда мы говорим о сохранении энергии, то имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергию, т.е. энергию, зависящую лишь от термодинамического состояния системы. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других видов энергий, связанных с состоянием электронов в атомах и молекулах.

Согласно этому закону, в изолированной системе энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что горячий чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.

Науке сегодня неизвестна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению данного закона. Иначе можно было бы построить вечный двигатель, создающий энергию из ничего. Поэтому первый закон термодинамики более известен в другой редакции: нельзя построить вечный двигатель первого рода, т.е. такую машину, которая совершала бы работу больше подводимой к ней извне энергии.

Закон сохранения и превращения энергии - общий закон природы, согласно которому:

- Энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной.

- Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы.

- Для незамкнутой системы увеличение/уменьшение ее энергии равно убыли/возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей.

Во время путешествия в Ост-Индию Юлиус Роберт Майер (1814-1878) обнаружил, что кровь больных в тропиках краснее, чем в Европе, и объяснил это более высоким содержанием кислорода в крови. Это обусловлено, как полагал Майер, тем, что при высоких температурах в организм человека требует меньше тепла, получаемого за счет питания. Поэтому в венозной крови остается больше кислорода. Т.о., Майер высказал мысль, что химическая энергия содержащаяся в пище, превращается в теплоту (подобно тому, как механическая энергия мышц превращается в теплоту). В своих работах М. показал, что химич, тепл и мех-ская энергии могут превращаться друг в друга.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889); Независимо Джоуль показал, что теплоту можно создавать с помощью мех энергии, а животная теплота возникает в результате хим превращений.

Людвиг Фердинанд Гельгольц (1821-1894); также как и Майер врач пришел от физиологии к закону сохранения энергии. Увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя.

Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало идею единства, взаимосвязанности материального мира. Вся природа стала выглядеть как непрерывный процесс превращения универсального движения материи из одной формы в другую.