КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ СИНЕРГЕТИКА СИММЕТРИЯ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ СИНЕРГЕТИКА СИММЕТРИЯ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Понятие простой и сложной системы n n Простые: 1) в них входит небольшое число независимых переменных, т. е. величин, меняющих свое значение; 2) взаимоотношения между ними поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам. число элементов порядка 2 -104; число связей хотя и больше, но примерно того же порядка

Понятие сложной системы n n состоят из большого числа независимых переменных и большого количества связей между ними (число элементов порядка 104 -109); чем сложнее система, тем больше у нее эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы.

СИСТЕМЫ УСТОЙЧИВЫЕ (РАВНОВЕСНЫЕ) И НЕУСТОЙЧИВЫЕ (НЕРАВНОВЕСНЫЕ). n n n Отличия неравновесной структуры от равновесной заключаются в следующем: S система реагирует на внешние условия (гравитаци онное поле и т. н. ); поведение случайно и не зависит от начальных усло вий, но зависит от предыстории;

СИСТЕМЫ УСТОЙЧИВЫЕ (РАВНОВЕСНЫЕ) И НЕУСТОЙЧИВЫЕ (НЕРАВНОВЕСНЫЕ). n n n Отличия неравновесной структуры от равновесной заключаются в следующем: приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, ее энтропия (мера неоднородности распределения энергии) уменьшается; наличие бифуркации — переломной точки в развитии системы;

СИСТЕМЫ УСТОЙЧИВЫЕ (РАВНОВЕСНЫЕ) И НЕУСТОЙЧИВЫЕ (НЕРАВНОВЕСНЫЕ). n n КОГЕРЕНТНОСТЬ: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил. Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия короткодействующие (действуют на расстояниях порядка 10 8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИмера беспорядка системы n n Закон возрастания энтропии в закрытых системах. В классической науке (XIX в. ) господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (равновесная термодинамика).

ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИмера беспорядка системы n n n Закон возрастания энтропии в закрытых системах. Равновесная термодинамика занимается процессами взаимопревращения различных видов энергии. Взаимные превращения тепла и работы неравнозначны. Работа может полностью превратиться в тепло, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно.

ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИмера беспорядка системы n n Закон возрастания энтропии в закрытых системах. Второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему» .

ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИмера беспорядка системы n n Закон возрастания энтропии в закрытых системах. Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не происходит.

ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИмера беспорядка системы n n Односторонность однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие — ЭНТРОПИЯ.

ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИмера беспорядка системы n n n Под энтропией стали понимать, меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопрольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, ЭНТРОПИЯ ВСЕГДА ВОЗРАСТАЕТ» . Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Закрытые и открытые системы n n К равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых.

ОТ ХАОСА К ПОРЯДКУ n Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.

ХАОС n ХАОТИЧЕСКИМИ называют все системы, которые нельзя описать однозначно детерминистично, т. е. зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий.

ХАОС n Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне.

СИНЕРГЕТИКА n n Определение термина «синергетика» , близкое к современному пониманию, ввёл Герман Хакен в 1977 году в своей книге «Синергетика» . Брюссельская школа Ильи Пригожина ( «Порядок из хаоса» ) раскрыла исторические предпосылки и мировоззренческие основания теории самоорганизации. Школа Г. Хакена, профессора Института синергетики и теоретической физики в Штутгарте. Математический аппарат теории катастроф разработан российским математиком В. И. Арнольдом и французским математиком Рене Тома.

СИНЕРГЕТИКА n n n Классическая термодинамика XIX в. изучала механическое действие теплоты в закрытых системах, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика XX в. изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление и получило название СИНЕРГЕТИКИ (ОТ «СИНЕРГИЯ» — СОТРУДНИЧЕСТВО, совместное действие).

СИНЕРГЕТИКА n n Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. В физику проник эволюционный подход. Введена случайность на макроскопический уровень. Подтверден вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объяснено образование вещества.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ НОВЫХ СТРУКТУР n n открытость системы; ее нахождение вдали от равновесия; наличие флуктуации. Флуктуация (от лат. fluctuatio - колебание), случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений ( происходят у любых величин, зависящих от случайных факторов).

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ НОВЫХ СТРУКТУР n n n Чем сложнее система, тем более многочисленны тины флуктуации, угрожающих ее устойчивости. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечива ющейся связью, и неустойчивостью из за флуктуации зависит порог устойчивости системы. ПЕРЕЙДЯ ЭТОТ ПОРОГ, СИСТЕМА ПОПАДАЕТ В КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ, НАЗЫВАЕМОЕ ТОЧКОЙ БИФУРКАЦИИ.

БИФУРКАЦИЯ n n 1. Система становится неустойчивой относительно флуктуации и может перейти к новой области устойчивости, т. е. к образованию нового объекта. 2. Система колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции.

БИФУРКАЦИЯ n n 3. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в новом направлении, который резко изменит все ее поведение. 4. В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации.

БИФУРКАЦИЯ n n В точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, БОЛЕЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫЙ И ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ УПОРЯДОЧЕННОСТИ, КОТОРЫЙ НАЗВАЛИ ДИССИПАТИВНОЙ СТРУКТУРОЙ.

ДИССИПАТИВНАЯ СТРУКТУРА n n n Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят. Диссипатнвные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. ИЗ ЭНЕРГИИ ВОЗНИКАЕТ ПОРЯДОК С УВЕЛИЧЕНИЕМ ОБЩЕЙ ЭНТРОПИИ.

ОБЩЕНАУЧНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ СОХРАНЕНИЯ существуют на каждом уровне 1. На физическом уровне это закон сохранения и превращения полной энергии. 2. На биологическом: сохранение и передача генетической информации. 3. На социокультурном уровне: трансляция от поколения к поколению норм, обычаев, традиций, языков и пр.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ К самым важным законам сохранения, справедливым для любых изолированных систем, относятся: 1. законы сохранения энергии, 2. импульса (количества движения), 3. момента импульса (момента количества движения), 4. электрического заряда.

ЭВРИСТИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ При изучении β распада нейтрона, обнаружили, что ЭНЕРГИЯ ВОЗНИКАЮЩИХ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАСПАДА ПРОТОНА И ЭЛЕКТРОНА МЕНЬШЕ, ЧЕМ ЭНЕРГИЯ НЕЙТРОНА ДО РАСПАДА: часть энергии как бы исчезала. ПРОБЛЕМА: законы сохранения нарушаются ? ? ?

ЭВРИСТИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ В. Паули выдвинул гипотезу, что при распаде нейтрона образуется еще одна частица: ее то и характеризует недостающая энергия. Такая гипотетическая частица не имеет электрический заряд и массу покоя. Сразу после рождения она со скоростью света покидает свою "колыбель" и поэтому не фиксируется в экспериментах.

ЭВРИСТИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ Подобная частица была обнаружена лишь в 1956 г. , спустя 25 лет после того, как была предсказана. Э. Ферми назвал ее "нейтрино". Она имеет свою античастицу – антинейтрино.

СИММЕТРИЯ (от греч. symmetria соразмерность): в широком понимании – инвариантность формы, структуры, свойств объекта относительно его преобразований (т. е. изменения определенных условий).

ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ СИММЕТРИЯ характеризует такие свойства объектов и процессов, как порядок, соразмерность, однородность, гармоничность. АСИММЕТРИЯ противоположна симметрии; ей соответствует беспорядок, дисгармоничность и т. п. СИММЕТРИЯ опирается на тождественность вещей (процессов), в то время как АСИММЕТРИЯ связана с их различиями.

СИММЕТРИЯ В МИКРОМИРЕ Транляционная и ротационная симметрия пространства Сохранение заряда и барионного числа Слабое + + Электромагнитное + + Сильное + + + Очень сильное + + + Взаимодейсвия Сохранение изотопическ четности странности ого спина SU(6) симметрия + Чем слабее взаимодействие, тем большее число симметрий нарушается. Чем слабее взаимодействие, тем оно более универсально.

СИММЕТРИЯ В МИКРОМИРЕ Слабое взаимодействие элементарных частиц, следующее наименьшему числу законов сохранения, можно считать наиболее «простым» из известных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие является более «сложным» . Самым «сложным» можно признать сильное взаимодействие, которое подчиняется наибольшему числу законов сохранения.

СИММЕТРИЯ СРТ (теорема СРТ): 1. Процессы в природе не меняются (симметричны) при одновременном проведении трех преобразований: а) переходе от частиц к античастицам (зарядовое сопряжение, C), б) зеркальном отражении (пространственная инверсия, P), в) замене времени t на t (обращение времени, T). ЭТО СЛЕДУЕТ ИЗ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ.

ТИП СИММЕТРИИ СОПРЯЖЕН С ОПРЕДЕЛЕННЫМ ЗАКОНОМ СОХРАНЕНИЯ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ вытекает из симметрии природных процессов относительно сдвигов во времени и связан с его однородностью (теорема Нетер).

ТИП СИММЕТРИИ СОПРЯЖЕН С ОПРЕДЕЛЕННЫМ ЗАКОНОМ СОХРАНЕНИЯ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ (ИЛИ ИМПУЛЬСА, т. е. произведения массы на скорость) следует из симметрии относительно сдвигов в пространстве и связан с его однородностью.

ТИП СИММЕТРИИ СОПРЯЖЕН С ОПРЕДЕЛЕННЫМ ЗАКОНОМ СОХРАНЕНИЯ. МОМЕНТА КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ связан с изотропностью пространства Данный закон характеризует принцип ракетного двигателя. Полное количество движения остается неизменным. Поэтому импульс самой ракеты увеличивается на величину импульса вылетающих из нее газов.

ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ И АСИММЕТРИИ НА БИОЛОГИЧЕСКОМ УРОВНЕ В ходе эволюционного развития строение растений и животных (человек не исключение) приобрело определенные симметричные формы. Симметричны, например, органы передвижения у животных, органы зрения, слуха и пр

ЗАКОНОМЕРНОСТЬ (НЕОБХОДИМОСТЬ) Связана с фундаментальными как внутренними, так и внешними факторами и причинами, характеризующими развитие данного объекта.

ЗАКОНОМЕРНОСТЬ (НЕОБХОДИМОСТЬ) 1. Закономерно то, что происходит обязательно или с очень большой степенью вероятности. 2. Закономерное не абсолютно, а относительно закономерно. 3. Любая закономерность имеет какие-то ограничения.

СЛУЧАЙНОСТЬ Связана с чисто внешними причинами или функциональными связями. Мерой случайности выступает ВЕРОЯТНОСТЬ.

СЛУЧАЙНОСТЬ Случайно то, что происходит с очень малой вероятностью и могло не произойти совсем. Случайность не абсолютна, а относительна. Случайность зависит от

СЛУЧАЙНОСТЬ 1. Многие случайности возникают на взаимном пересечении «путей» определенных закономерностей. 2. Какие то события в одном отношении случайны, а в другом – закономерны. 3. И случайность, и закономерность следует рассматривать эволюционно: то, что со временем становится закономерным, могло когда то

ТИПЫ СЛУЧАЙНОСТЕЙ «ЧИСТАЯ» СЛУЧАЙНОСТЬ. Это бессодержательное, совершенно формальное совпадение. Секретаря убитого американского президента Линкольна звали Кеннеди, а секретаря президента Кеннеди – Линкольн. Сверх того, президент Кеннеди был убит в автомобиле «линкольн» …

ТИПЫ СЛУЧАЙНОСТЕЙ ПОИСКОВАЯ (КОМБИНАТОРНАЯ) СЛУЧАЙНОСТЬ. Это редкое (или даже единичное) проявление нарождающейся закономерности. Поисковая роль случайности особенно возрастает в неравновесных, неустойчивых состояниях развивающейся системы.

ТИПЫ СЛУЧАЙНОСТЕЙ КАЖУЩАЯСЯ СЛУЧАЙНОСТЬ. Она полностью порождена нашим незнанием или непониманием некой закономерности. Ученые пока не разгадали сложные закономерности, характеризующие землетрясения, цунами, смерчи, и они кажутся происходящими совершенно спонтанно.

ТИПЫ СЛУЧАЙНОСТЕЙ ПЛОДОТВОРНЫЕ (КОНСТРУКТИВНЫЕ) ПОИСКОВЫЕ СЛУЧАЙНОСТИ МОГУТ ПОРОДИТЬ ТЕНДЕНЦИИ, ТЕНДЕНЦИИ МОГУТ ПОРОДИТЬ ЗАКОНОМЕРНОСТИ, А ЗАКОНОМЕРНОСТИ – ЗАКОНЫ.