Курс лекций по "Концепции современного естествознания"

2. Химические: изменение концентрации, катализаторы.

3. Биологические: бактерии, вирусы и т.д.

4. Психологические: стресс, гипноз и т.д.

 

Представим графически устойчивость и стабильность:

 

 

 

 

 

x – внешние факторы;

y – любая, произвольная характеристика, например, качество жизни, эффективность, спрос.

 

«В мире нет стабильности»  Гераклит (др.-греч. ученый) – первый сформулировал этот принцип.

«Все течет, все изменяется».

Науке известно, что на устойчивость системы влияет ее разнообразие. Принцип максимального разнообразия: «Любая система устойчива на столько, на сколько она разнообразна» (Выведение морозоустойчивых с/х культур путем скрещивания нескольких сортов –-гибриды; устойчивость благосостояния отдельного человека зависит от разнообразия форм капитала (недвижимость, деньги, драгоценные металлы и т. д.)).

 

Энергетический  профиль различных систем, процессов

 

    Установим  причинно-следственную связь (ПСС) между характеристиками механического объекта и степенями его устойчивости.

    В качестве  объекта выберем объект  в форме тетрагональной призмы (например, книгу).

    Возьмем три  состояния объекта: устойчивое, менее  устойчивое, неустойчивое (все эти состояния последовательно сменяются при падении объекта слева направо).

 

 

 

 

1. Относительно устойчивое состояние (метастабильное).
2. Неустойчивое (лабильное).
3. Устойчивое.

Точки А, В, С – центры тяжести (центры масс) в разных положениях объекта, здесь они совпадают с центрами симметрии вследствие однородности материала объекта.

 

Согласно правилу механики (ПСС на уровне правила) любой механический статический (неподвижный) объект сохраняет свое исходное состояние, пока вектор силы тяжести пересекает площадь опоры. В нашем случае для всех трех позиций наблюдается  пересечение вектором силы тяжести площадей опоры. Выходит, что все позиции – устойчивые. Это правило механики не дает точную количественную информацию о том, насколько устойчива та или иная позиция.

    Видно, что положения отличаются по высоте. Высота входит в формулу потенциальной энергии:

E_{p =} mgh, отсюда можно сделать вывод о том, что положение 3 отличается низкой высотой, а, значит, низкой потенциальной энергией. Устанавливаем более точную ПСС на уровне закона.

Закон: «Любая механическая система сохраняет свое исходное состояние, т.е. устойчивость при минимальном уровне потенциальной энергии»

    С учетом того, что многие природные системы (не только механические) в устойчивом состоянии характеризуются минимальным уровнем энергии (например, вода, разлитая на полу собирается в ямках и т.д.) и что потенциальная энергия в устойчивых состояниях может, по большому счету, определяться как вся суммарная энергия системы (например, в ситуациях покоя, когда кинетическая энергия равна нулю), закон можно переформулировать в принцип (утверждение для всех систем).

   Принцип устойчивости: любая система устойчива при минимальном уровне энергии.

    Примечание. Все  системы стремятся понизить свой  уровень энергии (при первой возможности многие живые биологические системы стремятся занимать более удобное положение – лежа, обладающее самым низким уровнем энергии).

Принцип устойчивости согласуется с принципом наименьшего действия Мопертюи –Лагранжа (все природные процессы протекают в направлении  наименьших энергетических затрат). Например, луч света идет по прямой, если нет препятствий, электрический ток идет по пути наименьшего сопротивления и т. д.

При соединении центров масс А, В, С  получим график изменения энергии в разных критических положениях любых систем (энергетический профиль), характеризующийся двумя минимумами А, С и одним максимумом В.

Это универсальная кривая, на ней можно показать разные процессы – самоорганизации (переход от хаоса к порядку), процесс жизни, процесс перехода к смерти любых систем и т. д.

 

Тема 3. Рациональные модели отображения реальности

(научные картины мира)

I. Консервативная модель (XVII-XVIII в.в.) Модель прошлого	II. Диссипативная модель (XIX-XX в.в.) Модель настоящего	III. Антропная модель (2 половина XX в.в. - ?) Модель будущего
1. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ НАЗВАНИЯ  ЭТИХ МОДЕЛЕЙ
1. Консервативная (потому что основана  на законах сохранения ( to conserve – сохранять) 2. Классическая модель. 3. Механическая (механистическая) модель. 4. Классическая естественно-научная  стратегия (система) мышления (мировоззрения) (КЕНСМ). Названия 2, 3, 4 данной модели в силу того обстоятельства, что она основана на законах классической механики.	1. Диссипативная (от слова «диссипация» – рассеивание, распределение, потеря., например, растраченная энергия – диссипативная энергия (из  термодинамики)). 2. Неоклассическая модель; 3. Современная эволюционная модель – эта модель основана на 3х концепциях (системный подход, самоорганизация; глобальный эволюционизм).	1. От греч. antropous (человек)     -
2. ИСТОРИЧЕСКИЙ ПЕРИОД  ФОРМИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ. ТВОРЦЫ.
(XVII-XVIII в.в.) А) Исаак Ньютон – англ. ученый: законы движения; закон всемирного тяготения, дисперсия света. Б) Николай Коперник – (XV-XVI) в.в: гелиоцентрическая модель (Солнце в центре). В) Галилео Галилей – спутники Юпитера, принцип относительности, телескоп, микроскоп. Г) П. Лаплас – основы теории вероятности, железный (механический) детерминизм.	(XIX-XX в.в.) Системный подход: А) М.В.Ломоносов – Молекулярно-кинетическая теория (все тела состоят из молекул, атомов) Б) Д.И.Менделеев В) Клаузиус – физик, формула энтропии. Г) Л..Больцман – формула энтропии Д) Гей –Люссак Концепция самоорганизации Е) Г.Хакен –.диссипативные структуры Ж) И. Пригожин, Белоусов – Жаботинский Глобальный эволюционизм И) В.И. Вернадский– русский космист; К) К Э.Циолковский и т.д.	Вторая половина XX века- …. В. Кузнецов, Идлис пришли к выводу о взаимосвязанности и неслучайности на основе анализа универсальных физический констант. Р. Дикке, Б. Картер, сформулировали антропный принцип.

 

3. ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ  И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Данная модель смотрит на все объекты, как на материальные точки (это тело размерами и формой, которого можно пренебречь, но которое характеризуется m, скоростью, ускорением и положением в пространстве.). Такой взгляд на объекты является в некоторых ситуациях не очень правильным. Не видит разницу между живым  и неживым веществом.	Данная модель смотрит на объекты  исследования, как на системы, она учитывает, то же что и консервативная, но и учитывает настроение, цвет волос, глаза, форму тела, размер, давление, Получается более точное описание реальности. Объясняет разницу между живым и неживым веществом.	Сохраняется системный подход по всем характеристикам, добавляется такое понятие, как душа в системе – человек. Самая точная модель. Должна объяснить что такое жизнь и ее происхождение.
4. ЗАКОНЫ И ПРИНЦИПЫ, НА КОТОРЫХ ОСНОВЫВАЮТСЯ МОДЕЛИ
- законы классической механики; - законы всемирного тяготения; - принцип относительности; - законы сохранения (принцип сохранения).	- принцип сохранения; - законы термодинамики (принцип возрастания энтропии или рассеяния энергии); -законы ядерной физики; электромагнетизма, биологические, химические  законы и принципы.	принцип сохранения; принцип возрастания  энтропии; антропный принцип: (связывает законы развития эволюции Вселенной и появление человека разумного): (Слабый) «Во Вселенной все едино и неслучайно». (Сильный) «Т.к. во Вселенной все едино и неслучайно, то в ней существует наблюдатель (третий разум), который ответственен за «тонкую подстройку» Вселенной. (Финалистический) «Когда человечество познает само себя в совершенстве, то наступит финал человечества». Этот принцип не является строго физическим, многие ученые его не принимают. Он противоречит теории Дарвина.

 

 

 

Тема 4. Механистическая (консервативная) модель отображения реальности.

Основные законы и принципы

 

Законы сохранения и принцип сохранения

Принцип сохранения: «Любая сущность в замкнутых системах не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одного качественного состояния в другое состояние в эквивалентных количествах»

Замкнутые или изолированные  системы – системы, которые не обмениваются энергией и веществом с окружающей средой.

Под сущностью можно понимать энергию, импульс, момент импульса (для диссипативной модели в качестве сущности добавляется масса вещества и заряд )

1. Энергия – это нечто, за счет чего совершается работа.
2. Энергия – общая количественная мера движения.

Энергия (механическая, электрическая, магнитная и т. д.) состоит из двух видов:

1. Кинетическая E_k;
2. Потенциальная E_p;

E_к = (mV²)/2 ;

E_p = mgh;

Самая низкокачественная энергия  – тепловая.

Единицы измерения энергии, работы, количества теплоты:

[E, А, Q] = Дж, кал, эрг, эВ (калория – количество теплоты, которую необходимо передать одному грамму воды, чтобы нагреть ее на 1 градус).

Энергия – величина аддитивная (суммарная энергия всей системы, равняется сумме всех энергий этих элементов). Аддитивными также считаются: работа, сила, объем, масса, благосостояние.

Таковыми не являются температура, плотность.

 

3. Импульс (количество движения) – физическая величина, равная произведению массы на скорость.
4. Момент импульса – физическая величина, равная произведению импульса на радиус кривизны.

Закон(ы) сохранения: Суммарная(ый) энергия (импульс , момент импульса ) замкнутой системы остается постоянной(ым) при любых изменениях в ней:

, , ,

где i – порядковый номер тела,

n – количество тел в системе,

E_ki – кинетическая энергия i-ого тела,

E_pi – потенциальная энергия i-ого тела,

m – масса тела,

v – скорость тела,

r – радиус кривизны (радиус-вектор, определяется как кратчайшее расстояние между осью вращения и точкой приложения силы (или крайней точкой тела).

 

Устойчивость материальной точки в механистической картине мира

 

Устойчивость материальной точки  связана с инерцией.

Инерция – способность  материальной точки сохранять скорость постоянной и по значению, и по направлению, т.е. сохранять прямолинейное и равномерное движение.

Скорость может быть постоянной при компенсации внешних сил или при их отсутствии.

Масса – количественная мера инерции: чем больше масса, тем больше инерция (инертность), следовательно, устойчивость.

С инерцией связаны I закон Ньютона (закон инерции или принцип инерции) и принцип относительности Галилео Галилея:

I закон Ньютона: «Существует такие системы отсчета, в которых все тела движутся с постоянной скоростью (прямолинейно и равномерно) при отсутствии внешних сил или их компенсации, и такие системы называются инерциальными».

Инерциальные системы  отсчета обозначим сокращенно через  ИСО. Вообще, системы отсчета представляют собой  систему координат и часы;

 

Принцип относительности  Галилео Галилея:

формулировка №1: «Если тело находится в одной ИСО в состоянии покоя, то в другой ИСО она может находиться в состоянии  движения» (мы сидим и находимся в покое относительно стола или стула, а также всех предметов, жестко связанных с Землей, и одновременно относительно движущихся объектов мы движемся);

формулировка №2: «Все механические процессы во всех ИСО при одних и тех же условиях протекают однанаково».

 

Тема 5. Эволюционная (диссипативная) картина мира.

Основные положения 

 

Данная модель смотрит на объекты исследования, как на системы.

Система – это совокупность объектов, или процессов, функционально связанных между собой, мысленно или реально выделенных из окружающей среды в одно целое.

Целостность – главное свойство системы, отражающее согласованность всех её элементов. Если нарушается целостность – снижается степень устойчивости системы (человек теряет ногу – снижается физическая, финансовая, моральная устойчивость).

Иерархичность (дискретность) – свойство, характеризующее способность системы структурно подразделяться на подуровни (слои). Многоуровневой структурой обычно характеризуются сложные, например, биологические системы (так, человека можно разложить структурно  на органы, далее –  на ткани, далее – на клетки и т. д.).

Аддитивность – свойство системы, выражающееся в том, что определенное качество системы численно определяется как сумма подобных качеств всех ее составных элементов(суммарная энергия всей системы равна сумме энергий всех ее элементов).

Интегративность – свойство системы, заключающееся в появлении качественно новых качеств, отличных от качеств ее структурных элементов (например, свойства воды отличаются от свойств составляющих ее атомов водорода и кислорода).

 

1. Классификация систем