Дидактическая единица № 4. Порядок и беспорядок в природе

Темы:

1. Динамические и статистические закономерности в природе.

2. Концепции квантовой физики.

3. Принцип возрастания энтропии.

4. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма (коэволюции).

Задание 1. Динамические законы – основа физики на протяжении почти 300 лет. Их суть состоит в том, что динамические законы выражаются математическими уравнениями, поэтому эти законы считаются точными. Однако против точности этих законов говорит и опыт, и логика. Познакомьтесь с пояснительными текстами для выполнения задания.
Идея жёсткого детерминизма существовала в культуре во все времена. Она основывается на естественном желании людей знать, что будущее предсказуемо и его можно «организовать» сейчас. В древности для предопределения использовались магические ритуалы, в эпоху мировых религий – обращения к богу. В настоящее время человек стремится предсказать будущее или детерминировать его другими способами. Детерминизм основан на причинно-следственной связи. Создавая причины, люди надеются на определённое (детерминированное) будущее. Своё математическое и физическое выражение детерминизм нашёл в динамике И. Ньютона (см. текст справа). Его физическая суть состоит в том, что будущее системы можно рассчитать, если известны её параметры и координаты сейчас	Основные представления ньютоновской теории заключаются в следующем. Пространство и время рассматриваются как абсолютные и первичные. Абсолютное пространство однородно и изотропно. Это означает, что все его точки, как и все направления в нем, равноправны. Параллельные линии не сходятся и не расходятся, а это означает, что рассматривается евклидово пространство, свойства которого полностью описываются евклидовой геометрией. На поведение тел влияет лишь их относительное расположение, а, следовательно, их абсолютное расположение в пространстве не играет никакой роли. Любым подходящим твердым телом определяется «система отсчета», а положение и движение других тел описываются относительно системы координат, связанной с этим выбранным телом. Если система отсчета покоится или находится в состоянии равномерного прямолинейного движения по отношению к абсолютному пространству, то она называется инерциальной, галилеевской или ньютоновской. В любой инерциальной системе отсчета законы механики имеют одну и ту же форму, в чем и выражается принцип относительности Галилея
1. Найдите определение категории детерминизма в любых учебниках и справочниках 2. Противоположностью детерминизма является индетерминизм. Приведите его определение и краткую характеристику 3. Найдите определение динамических теорий. Приведите его в своём ответе вместе с краткой характеристикой этих теорий.

Задание 2.В конце 19-го века изучение газов и жидкостей привело учёных к мысли о невозможности чёткого предсказания будущего состояния системы. Так возникла идея статистических закономерностей (вместо точных законов) и вероятности (вместо жёсткого детерминизма). Ниже приведено задание, в котором требуется воспроизвести определения и краткие описания некоторых базовых положений статистических теорий.
Броуновское движение частиц	Рисунки слева показывают броуновское движение частиц в среде. Для наблюдателя в этом движении нет никакой жёсткой закономерности, а только непредсказуемость траектории частицы в пространстве. Броуновское движение молекул жидкости или газа, частиц пыли в воздухе, движения насекомого, манёвров хищника в поисках жертвы стало иллюстрацией многих положений статистических теорий неклассической физики
1. Приведите определение категории хаоса и кратко опишите его с физической точки зрения 2. Приведите определения вероятности и случайности. Объясните их различия и сходства. 3. Дайте определение понятиям флуктуации и бифуркации. В пояснении приведите свои подтверждения тому, что эти явления реальны и имеют решающее значение для современной теории.

Задание 3.Законы классической механики носят универсальный характер. В 20-м веке появились другие законы: их предсказания не являются однозначными. Их называют вероятностными закономерностями. Поведение элементарных частиц показало, что неопределённость коренится в самом фундаменте материи, то есть непредсказуемость – это природа любого объекта в природе.
Примеры статистических процессов, иллюстрирующие неопределённость будущего состояния системы. Неопределённость требует статистического (вероятностного) подход к описанию поведения некоторых объектов природы	Решающий вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был внесен во второй половине 19 в. трудами ученых Дж.К.Максвелла и Л.Больцмана, которые заложили основы статистического (вероятностного) описания свойств веществ (главным образом, газов), состоящих из огромного числа хаотически движущихся молекул. Статистический подход был обобщен (по отношению к любым состояниям вещества) в начале 20 в. в трудах американского ученого Дж.Гиббса, который считается одним из основоположников статистической механики или статистической физики. Наконец, в первые десятилетия 20 в. физики поняли, что поведение атомов и молекул подчиняется законам не классической, а квантовой механики. Это дало мощный импульс развитию статистической физики и позволило описать целый ряд физических явлений, которые ранее не поддавались объяснению в рамках обычных представлений классической механики.
Корпускулярно-волновой дуализм (см. задание 4 в дидактической единице № 2) сейчас считается всеобщим свойством материи, но наиболее чётко проявляется на уровне микромира. Подтверждением тому стал принцип Вернера Гейзенберга. Приведите формулировку этого принципа. Новый подход к описанию реальных объектов следует из другого статистического принципа. Его суть в том, что поведение и характеристики строения объекта невозможны без учёта внешних обстоятельств его существования. Учтите это и приведите формулировку принципа дополнительности Нильса Бора Современное естествознания окончательно отказалось от лаплсовского (механистического) детерминизма и декларирует свою приверженность вероятностному детерминизму. Приведите определение и краткую характеристику вероятностному детерминизму.
Задание 4.В конце 19-го векапоявилась новая наука – термодинамика. Ниже приведены два основных закона (принципа) термодинамики и их краткая характеристика. Используйте эти сведения для выполнения задания.
Первое начало термодинамики — один из двух основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.	Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая невозможность перехода всей внутренней энергии системы в полезную работу. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.
1. Приведите определение термодинамики и дайте краткую характеристику её основных положений. 2. Возникновение термодинамики связано с открытием и описанием необратимых процессов (в частности, при распространении тепла). Дайте определение необратимым процессам, приведите их признаки и другие краткие характеристики. 3. Термодинамика оперирует понятием энтропии. Что оно означает? Какое значение имеет для открытых и изолированных систем? 3.1. Энтропия: 3.2. Открытые системы и энтропия: 3.3. Изолированные системы и энтропия:

Задание 5.Живые организмы сохраняют свой гомеостаз, «вымывая» энтропию и сохраняя упорядоченность своих структур. Этот факт объясняет многое в тех биологических теориях, которые были созданы до начала 20-го века. Ниже приведен пояснительный текст, а также задание, которое поможет выявить некоторые особенности взаимоотношений живого и беспорядка (энтропии).
Организмы способны противостоять стремлению к хаосу, противополагая ему умение использовать энергию и другие компоненты внешней среды для поддержания своих структур и функций, то есть, в конечном счете для, сохранения себя во времени. Негэнтропия противоположна энтропии и имеет отношение к живым системам — к тому, что более упорядочено и более определённо в сравнении с системами косной материи. Жизнь, как полагают, является негэнтропичной, потому что потребляет то, что имеет меньшую упорядоченность (мёртвая пища) и превращает это в то, что имеет большую упорядоченность (клетки в теле, тканях и органах). При этом возрастает температура. Внешняя сторона живой системы, или кожа организма, всегда имеет максимальную энтропию в теле, потому что она удаляет тепло. Негэнтропия, основанная на идеях, противоположных идеям энтропии, имеет отношение не к системам косной материи, а к живым системам. Клифф Джослин (Cliff Joslyn) предложил ряд способов измерения негэнтропии, отличных от измерения тепла, исходящего от тела. Живые существа, ищущие с целью выживания эти способы, создают модели, которые более упорядочены, чем то, что измеряется, эти модели объединяются, обдумываются, возникающая в итоге наука негэнтропична как любая часть жизни. Организмы, однако, представляют собой сложные системы, далекие от максимума энтропии. Они энтропийно напряжены. Механизмы гомеостаза не являются совершенными, поэтому ни один индивидуальный организм не может избежать термодинамического равновесия, то есть смерти. Организмы слишком сложны, слишком маловероятны, чтобы долго выдерживать давление энтропии. Простые атомы и молекулы существуют почти столько же, сколько существует Вселенная, а жизнь индивидуального организма конечна.	Стремление энтропии превратить всё в исходное хаотическое состояние особенно беспокоят человека, создающего всё более сложную среду обитания, насыщенную небывалым числом различных составляющих. «Вымыть» энтропию становится трудно. Для этого приходится использовать всё более мощный поток энергии, который и очищает антропогенные системы от лишней неорганизованности и сохраняет структурную чёткость среды обитания человека. В связи с этим роль энергии и энергетических потоков становится ценностью цивилизации
1. Эволюция – это постоянное усложнение организации живого вопреки требованию Второго принципа (закона) термодинамики. Как «вымывается» энтропия в процессе эволюции, каковы механизмы сопротивления живого стремлению хаоса уничтожить сложные структуры? (В ответе используйте приведённый выше пояснительный текст) Разрушение сред своего существования считается «термодинамикой жизни». Приведите примеры разрушения живым среды своего существования. Живое считается воплощением неравновесности системы. Воспользуйтесь рекомендованной литературой и дайте характеристику понятию неравновесности применительно к живым организмам.

Задание 6.В мире физики и химии нарастание энтропии означает нарастание беспорядка системы. Воспользуйтесь пояснительным текстом и другими источниками информации для выполнения задания.
Нарастание энтропии в неживых системах происходит по более простым схемам, чем в живых. Так, при химических и физических превращениях минимальное количество энтропии наблюдается в твёрдых телах, особенно – в кристаллах (см. рис. справа). Изменение фазового состояния вещества (от кристаллического до жидкого) приводит к возрастанию беспорядка и нарастанию энтропии. Максимальной становится энтропия вещества, находящегося в состоянии газа. Сходные зависимости существуют и между энтропией и температурой. Нарастание температуры всегда сопровождается разрушением структур и нарастанием энтропии	Пример природного кристаллического вещества, образующего тело (снежинку)
Как меняется энтропия при таянии льда и дальнейшем процессе испарения воды? Ниже приведены несколько процессов, которые носят характер фазовых преобразований веществ или химических процессов. Выделите те, где в результате происходит нарастание энтропии (в скобках приведены обозначения для фазового состояния: «т» - твёрдое, «ж» - жидкое и «г» - газообразное состояние) а) О2 (г)+ 2Н2(г) = 2Н2О(ж) б) I2(т) → I2 (г) в) 2СаО(т) + Н2О(ж) = 2СаОН(т) г) Н2SO4(ж) + Fe(OH)2(ж) = FeSO4(т) + 2H2O(ж)

Задание 7. Синергетика – наука второй половины 20-го века – ставит своей основной целью изучение механизмов самоорганизации систем из исходного хаоса. В задании приведите некоторые основополагающие определения синергетических процессов. Воспользуйтесь для этого пояснительным текстом и другими источниками информации.
''Синергетика» — (от греч. synergetikos — совместный, согласованный, действующий), научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (биологических, физико–химических и других) благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. Проще говоря, синергетика – это наука о самоорганизации систем. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности, т. е. уменьшается энтропия. Основа синергетики — термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн''. Через многие разночтения просматривается фундаментальная проблема — проблема связи и соотношения понятий синергетики, самоорганизации, системы, развития и эволюции. То, что синергетика понимается многими исследователями, включая и ее основоположника Г.Хакена, как учение о самоорганизации, является непреложным фактом. В отношении самоорганизации Г. Хакен пишет: ''Полезно иметь какое–нибудь подходящее определение самоорганизации. Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую–то пространственную, временную и функциональную структуру. Под специфическим воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизации система испытывает неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки''. Сказанное можно дополнить, например, следующим определением: ''Самоорганизация, целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы''.	Рис.1. Пример технической системы, поддерживающей свою целостность за счёт энергетического потока извне Рис.2 Пример биологической самоорганизации (формирование эмбриона) Самоорганизация происходит как в неживой (рис. 1), так и в живой (рис. 2)природе
1. Приведите 1-2 определения синэнергетики, воспользовавшись словарями и энциклопедиями:   1. 2. 2. Дайте определение самоорганизации: 3. В приведённых выше определениях есть несколько понятий, требующих пояснения. Приведите эти пояснения. 1. Неравновесность: 2. Диссипация и диссипативные структуры: 3. Точка бифуркации:

Задание 8.Одним из простейших случаев такой спонтанной самоорганизации является так называемая неустойчивость Бенара. Если мы будем постепенно нагревать снизу не слишком толстый слой вязкой жидкости, то до определенного момента отвод тепла от нижнего слоя жидкости к верхнему обеспечивается одной лишь теплопроводностью, без конвекции. Однако когда разница температур нижнего и верхнего слоев достигает некоторого порогового значения, система выходит из равновесия и происходит поразительная вещь. В нашей жидкости возникает конвекция, при которой ансамбли из миллионов молекул внезапно, как по команде, приходят в согласованное движение, образуя конвективные ячейки в форме правильных шестиугольников. Это означает, что большинство молекул начинают двигаться с почти одинаковыми скоростями, что противоречит и положениям молекулярно-кинетической теории, и принципу порядка Больцмана из классической термодинамики. Если в классической термодинамике тепловой поток считается источником потерь (диссипации), то в ячейках Бенара он становится источником порядка.
На рисунке приведены примеры ячеек (вихрей) Бенара	Бельгийский учёный И.Р.Пригожин (Ilya Prigogine. 1917 – 2003) характеризует возникшую ситуацию как гигантскую флуктуацию, стабилизируемую путем обмена энергией с внешним миром. Еще более удивительны явления самоорганизации, происходящие в неравновесных химических системах (например, в так называемых химических часах). Если в ячейках Бенара речь шла о согласованных механических движениях молекул, то здесь мы имеем дело со столь же согласованными, "как по команде", их химическими превращениями. Предположим, что у нас имеется сосуд с молекулами двух сортов - "синими" и "красными". Движение молекул хаотично, поэтому в любой из частей сосуда концентрация "синих" и "красных" молекул будет несколько отклоняться от средней то в одну, то в другую сторону, а общий цвет реакционной смеси должен быть фиолетовым с бесконечными переходами в сторону синего и красного. А вот в химических часах мы увидим нечто совершенно иное: цвет всей реакционной смеси будет чисто-синий, затем он резко изменится на чисто-красный, потом опять на синий, и т.д. Как отмечает Пригожин, "столь высокая упорядоченность, основанная на согласованном поведении миллиардов молекул, кажется неправдоподобной, и если бы химические часы нельзя было наблюдать "во плоти", вряд ли кто- нибудь поверил бы, что такой процесс возможен". (По поводу последнего следует заметить, что первооткрывателю этого типа реакций Белоусову П.Б. пришлось на протяжении многих лет доказывать, что демонстрируемые им - причем именно "во плоти"! - химические часы не являются просто фокусом.). Однако для того, чтобы в некой системе начались процессы самоорганизации, она должна быть, как минимум, выведена из стабильного, равновесного состояния. В ячейках Бенара неустойчивость имеет простое механическое происхождение. Нижний слой жидкости в результате нагрева становится все менее плотным, и центр тяжести смещается все дальше наверх; по достижении же критической точки система "опрокидывается" и возникает конвекция. В химических системах ситуация сложнее. Здесь стационарное состояние системы представляет собой ту стадию ее развития, когда прямая и обратная химические реакции взаимно уравновешиваются, и изменения концентрации реагентов прекращаются.
1. Приведите признаки неравновесности системы. 2. Каково значение термодинамических процессов для явлений самоорганизации (приведите несколько примеров) 1. 2. 3.   3. На рис. в задании 7 приведена фотография эмбриона. Какие структуры обеспечивают процесс согласованной самоорганизации тела ребёнка (приведите пару примеров таких структур)

Задание 9.Принципы глобального (универсального) эволюционизма (список принципов см. ниже) позволяют единообразно описать огромное разнообразие процессов, протекающих в неживой природе, живом веществе, обществе. Эта концепция базируется на определенной совокупности знаний, полученных в рамках конкретных научных дисциплин, и вместе с тем включает в свой состав ряд мировоззренческих установок. Универсальный (глобальный) эволюционизм часто характеризуется как принцип, обеспечивающий экстраполяцию эволюционных идей, получивших обоснование в биологии, а также в астрономии и геологии, на все сферы действительности и рассмотрение неживой, живой и социальной материи как единого универсального эволюционного процесса. Это действительно очень важный аспект в понимании глобального эволюционизма. Но он не исчерпывает содержания данного принципа. Возникновение в 40-50-х годах нашего столетия общей теории систем и становление системного подхода внесло принципиально новое содержание в концепции эволюционизма. Системное рассмотрение объекта предполагает, прежде всего, выявление целостности исследуемой системы, ее взаимосвязей с окружающей средой, анализ в рамках целостной системы свойств составляющих ее элементов и их взаимосвязей между собой.
1. Рассмотрение объекта деятельности (теоретической и практической) как системы, т.е. как ограниченного множества взаимодействующих элементов. 2. Определение состава, структуры и организации элементов и частей системы, обнаружения главных связей между ними. 3. Выявление внешних связей системы, выделения из них главных. 4. Определение функции системы и ее роли среди других систем. 5. Анализ диалектики структуры и функции системы. 6. Обнаружение на этой основе закономерностей и тенденций развития системы.	Понятие мира как целостной системы пока не представлено в науке в виде единой теории. Поэтому глобальный эволюционизм – гипотетический вариант картины мира будущего
1. В классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики. Найдите в учебной литературе подтверждение этому и кратко изложите найденные сведения. 2. Ниже приведены универсальные свойства сложных систем. Дайте им определение или краткую характеристику. 1. Нелинейность: 2. Непредсказуемость: 3. Негэнтропийность: 4. Невечность: 3. Найдите в любых источниках формулировки законов (принципов) существования и эволюции сложных систем. Приведите их краткие определения или краткое содержание. 1. Закон необходимого разнообразия: 2. Закон минимума диссипации: 3. Закон Онсагера: 4. Закон историчности (Эффект «чеширского кота»):

Дата добавления: 2015-05-07