Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

Если движение состоит из наложения двух колебаний  разных частот, то фазовая траектория навивается на тор в фазовом пространстве трех измерений. Это движение устойчиво, а две фазовые траектории, начинающиеся рядом, будут навиваться на тор, не уходя друг от друга. Ситуация соответствует устойчивому установившемуся движению, к которому сама стремится.

В случае хаотического движения фазовые траектории с близкими начальными параметрами быстро расходятся, а потом хаотически перемешиваются, так как они могут удаляться только до какого-то предела из-за ограниченности области изменений координат и импульсов. Поэтому фазовые траектории создают складки внутри фазового пространства и оказываются достаточно близко друг к другу. Так возникает область фазового пространства, заполненная хаотическими траекториями, называемая странным аттрактором. На рис 3 изображен такой аттрактор, полученный Э. Лоренцом на ЭВМ. Видно, что система (изображаемая точкой) совершает быстрые нерегулярные колебания в одной области фазового пространства, а затем случайно перескакивает в другую область, через некоторое время — обратно. Так динамический хаос обращается с фазовым пространством. При этом образование складок возможно только при размерностях больших трех (только в 3-ем измерении начинают складываться плоские траектории). От этих хаотичностей нельзя избавиться. Они внутренне присущи системам со странными аттракторами. Хаотические движения в фазовом пространстве порождают случайность, которая связана с появлением сложных траекторий в результате растяжения и складывания в фазовом пространстве.

 

Рис 3. Аттрактор  Лоренца.

Важнейшим свойством  странных аттракторов является фрактальность Фракталы — это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число деталей. Их начали активно исследовать с появлением мощных ЭВМ. Известно, что прямые и окружности — объекты элементарной геометрии — природе не свойственны. Структура вещества чаще принимает замысловато ветвящиеся формы, напоминающие обтрепанные края ткани. Примеров подобных структур много это и коллоиды, и отложения металла при электролизе, и клеточные популяции.

4. Причины хаоса.

 

Идеи Брюссельской школы, существенно опирающиеся на работы Пригожина, образуют новую, всеобъемлющую теорию изменений.

 В сильно  упрощенном виде суть этой  теории сводится к следующему. Некоторые части Вселенной действительно  могут действовать как механизмы.  Таковы замкнутые системы, но они в лучшем случае составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, представляющих для нас интерес, открыты - они обмениваются энергией или веществом ( можно было бы добавить: и информацией) с окружающей средой. К числу открытых систем, без сомнения, принадлежат биологические и социальные системы, а это означает, что любая попытка понять их в рамках механической модели заведомо обречена на провал.

Кроме того, открытый характер подавляющего большинства  систем во Вселенной наводит на мысль о том, что реальность отнюдь не является ареной, на которой господствует порядок, стабильность и равновесие: главенствующую роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.

Если воспользоваться  терминологией Пригожина, то можно сказать, что все системы содержат подсистемы, которые непрестанно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или комбинация флуктуацией может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдержит и разрушится. В этот переломный момент (который авторы книги называют особой точкой или точкой бифуркаци ) принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и более высокий уровень упорядоченности или организации, который авторы называют диссипативной структурой. (Физические или химические структуры такого рода получили название диссипативных потому, что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят).

Один из ключевых моментов в острых дисскусиях, развернувшихся вокруг понятия диссипативной структуры, связан с тем, что Пригожин подчеркивает возможность спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Обобщая, мы можем  утверждать, что в состояниях, далеких  от равновесия, очень слабые возмущения, или флуктуации, могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру, а это проливает свет на всевозможные процессы качественного или резкого ( не постепенного, не эволюционного) изменения. Факты, обнаруженные и понятые в результате изучения сильно неравновесных состояний и нелинейных процессов, в сочетании с достаточно сложными системами, наделенными обратными связями, привели к созданию совершенно нового подхода, позволяющего установить связь фундаментальных наук с “переферийными” науками о жизни и, возможно, даже понять некоторые социальные процессы.

5. Роль энтропии  как меры хаоса.

 

Знаменитое  второе начало (закон) термодинамики  в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота  не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему".

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 это никогда не происходит. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики.

Для отражения  этого процесса в термодинамику  было введено новое понятие - "энтропия". Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает.

Физический  смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

Однако, исходя из теории изменений Пригожина, энтропия - не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации. При определенных условиях энтропия становится прародительницей порядка.

Список использованной литературы.

 

1. Барвинский А.О., Каменщик А.Ю., Пономарёв В.Н. Фундаментальные проблемы интерпретации квантовой механики. Современный подход – М.: Изд-во МГПИ, 1988
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.1, Механика – М.: Наука, 1988
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.3, Квантовая механика. Нерелятивистская теория – М.: Наука, 1990
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.5, Статистическая физика. Часть 1 – М.: Наука, 1988
5. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант – М.: Прогресс, 1994
6. Эйнштейн А. Собрание сочинений в четырёх томах, т.3 – ст. Испускание и поглощение излучения по квантовой теории – М.: Наука, 1966

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 

Вариант № 1

 

        1.Естествознание как область современного научного знания.

           Естествознание – обозначение традиционной совокупности наук о природе, ориентированной на исследование пространственно-временной структуры природных объектов, закономерностей их бытия и развития. Естествознание на ряду с науками об обществе и о мышлении является важнейшей составляющей человеческого знания. Естествознание – теоретическая основа техники и технологии промышленного и сельскохозяйственного производства, медицины. Становление естествознания как области научного знания произошло в эпоху Возрождения и было связано с использованием экспериментального метода исследования явлений природы, осуществлением многих географических открытий, представивших исследователям обширный материал по явлениям живой и неживой природы различных стран и континентов. Собирание и систематизация факторов механического, физического, химического и биологического характера послужило основой для зарождения соответствующих естественных наук. Для классической философской традиции характерно сближение естествознания с гуманитарным познанием, рассмотрение их в едином ряду целостного постижения единого мира. В неклассической философии вопрос о специфике естествознания остро ставится в связи с осмыслением специфики гуманитарного познания, эксплицируясь в философии Дильтея в рамках дистанцирования им «наук о природе» и «наук о духе». В рамках Баденской школы неокантианства вопрос о специфике естествознания также артикулировался в связи  с осмыслением специфики гуманитарного и естественнонаучного видов познания. В развитии естествознания могут быть прослежены глубинные закономерности смены парадигмальных установок. В своей исторической динамике естествознание выдвигает вперед ту или иную свою область в качестве лидирующей и оказывающей влияние на другие науки и на все естествознание в целом.

 

 

2.Структурные уровни  природного мира

 

В современной  науке в основе представлений  о строении материального мира лежит  системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.

 

Система представляет собой совокупность элементов и  связей между ними. Понятие "элемент" означает минимальный, далее уже  неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым  лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную систему. Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы. Существуют два типа связей между элементами системы – по "горизонтали" и по "вертикали". Связи по "горизонтали" – это связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части. Связи по "вертикали" – это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.

 

Исходным пунктом  всякого системного исследования является представление о целостности изучаемой системы. Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами. Свойства системы – не просто сумма свойств ее элементов, а нечто новое, присущее только системе в целом. Рассмотрим для примера молекулу воды Н2O. Сам по себе водород, два атома которого образуют данную систему, горит, а кислород (в систему входит один атом) поддерживает горение. Система, образованная из этих элементов, вызвала к жизни совсем иное, интегративное свойство: вода гасит огонь. Наличие свойств, присущих системе в целом, но не ее частям, определяется взаимодействием элементов.

 

Таким образом, на каждом структурном уровне материи  существуют особые (эмерджентные) свойства, отсутствующие на других уровнях. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации, например, молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот. Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает, по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы низшего порядка может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней формы материи.

 

В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой  природы и системы живой природы. В неживой природе структурными уровнями организации материи являются:

 

·         вакуум (поля с минимальной энергией);

 

·         поля и элементарные частицы;

 

·         атомы;

 

·         молекулы;

 

·         макроскопические тела;

 

·         планеты и планетные системы;

 

·         звезды и звездные системы;

 

·         галактики;

 

·         метагалактика (наблюдаемая часть Вселенной);

 

·         Вселенная.

 

В живой природе  выделяют два важнейших структурных  уровня организации материи –  биологический и социальный. Биологический  уровень включает:

 

·         доклеточный уровень (белки и  нуклеиновые кислоты);

 

·         клетку как "кирпичик" живого и  одноклеточные организмы;

 

·         многоклеточный организм, его органы и ткани;

 

·         популяцию – совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других групп своего вида;

 

·         биоценоз – совокупность популяций, при которой продукты жизнедеятельности  одних являются условиями существования  других организмов, населяющих определенный участок суши или воды;

 

·         биосферу – живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов, включая человека).

 

На определенном этапе развития жизни на Земле  возник разум, благодаря которому появился социальный структурный уровень  материи. На этом уровне выделяются: индивид, семья, коллектив, социальная группа, класс и нация, государство, цивилизация, человечество в целом.

 

По другому  критерию – масштабам представления  – в естествознании выделяют три  основных структурных уровня материи:

 

·         микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 секунды;

 

·         макромир – мир макрообъектов, соизмеримых  с человеком и его опытом. Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах (10-6–107 см), а время – в секундах, минутах, часах, годах, веках;

 

·         мегамир – мир огромных космических  масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются астрономическими единицами, световыми годами и парсеками (до 1028 см), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.