Концепции современного естествознания часть II человек и вселенная
|
Скачать 1.95 Mb.
|
5. Диалектическое противоречие«порядок – беспорядок» 5.1. Понятие порядка и беспорядка в современном естествознании Порядок – такое состояние окружающего мира, при котором происходит четкая смена событий, позволяющая однозначно предвидеть состояния в будущем и реконструировать ситуацию в прошлом. Движение планет, смена времени суток, времени года, функционирование сложных механизмов, радиоэлектронных и других устройств могут служить примерами порядка. До сих пор в хронологии событий, пользуются сведениями о лунных и солнечных затмениях, регулярность прохождения которых не вызывает сомнений. Порядок предполагает наличие строгой детерминации событий. Беспорядок, хаос отрицают историзм. Беспорядочно перемещение частиц в броуновском движении, а также движения молекул газа. Отношение в системе «порядок – беспорядок» глубоко диалектичны. Границы между хаосом и порядком неабсолютны, подвижны. Единство порядка и хаоса выступает как сила, преобразующая мир. 5.2. Виды беспорядка Можно отметить два вида порядка: равновесный и неравновесный. Равновесный порядок предполагает состояние динамического равновесия с окружающей средой. В Африке в республике Габон, в месте Окло найден объект, представляющий собой естественный реактор. Массив пород характеризовался низким содержанием U235 и повышенным содержание элементов, характерных продуктов реакции деления U235. Было высказано предположение, что сложившееся соотношение пород обусловлено протекавшей в давнее время ядерной реакцией. При этом в качестве замедлителя нейтронов выступала вода, которая протекала через расщелины пород к включениям урана, выполняя функцию замедлителя, при этом температура пород от выделения тепла в реакции возрастала. Давлением пара вода вытеснялась, реакция замедлялась, температура падала, после чего вода вновь подступала к породам. Таким образом, сформировался реактор с самоподдерживающейся реакцией. Если из кристалла каменной соли выточить шарик и подвесить его на проволоке в пламени спиртовки, то с течением времени на его поверхности начинают образовываться ребра и явно проявляется тенденция к восстановлению формы. Система – кристалл NaCl самопроизвольно стремится к форме равновесного кристалла, характеризующегося более высокой формой симметрии, для которой характерен минимум потенциальной энергии. К виду неравновесного порядка можно отнести устройства, в которых функции отдельных узлов и подсистем согласованы и подчинены общей цели. Равновесный хаос – это беспорядок со статическим характером поведения системы. Обычно он складывается с большим числом степеней свободы. К таким системам относится идеальный газ, броуновское движение частиц. Такая система находится в состоянии статистического равновесия, при котором средние статистические характеристики различных частей системы остаются неизменными. Такому хаосу, как и хаосу, вообще не свойственен характер историзма состояний, ибо он имеет флуктационную природу. Например, голубой цвет неба обусловлен рассеиванием света на множественных очаговых микронеоднородностях плотности, возникающих при флуктациях. Такой хаос описывается функцией статистического распределения, являющимся интегралом движения. Составляющие синтез частицы меняют свои состояния по закону случая, а физические величины – параметры, характеризующие синтез в целом остаются постоянными (давление, температура в газах). 5.3. Динамический хаос Впечатление о таком хаосе можно получить, наблюдая за горным потоком воды. Неизгладимое чарующее впечатление, такое же, как и от пляшущих языков пламени, оставляет игра крупномасштабных вихревых структур, исчезающих и генерируемых вновь, в совокупности образующих некоторую целостную картину направленного в среднем, но хаотичную в каждом ее отдельно взятом объеме. В такой системе законы случая обусловлены внутренними причинами. Неустойчивостями гидродинамического характера, подчиняющимися законам гидродинамики. Такое течение называют турбулентным. Турбулентный поток – система с конечным числом степеней свободы, движение которой описывается системой дифференциальных уравнений, решение которых предопределяет появление неустойчивости с возникновением развитой вихревой картины. Так принято отдыхать на берегу моря под тихий рокот набегающих на берег волн, представляющих собой процесс передачи энергии переноса субстанции (вещества). Монохроматическая волна не пригодна для передачи информации, если на нее не наложить соответствующее воздействие (произвести процесс ее модуляции). Сложный волновой сигнал, распространяющийся в пространстве на большие расстояния, представляет собой суперпозицию простых монохроматических волн. Чем короче такой волновой сигнал, тем больше членов будет содержать эта сумма. Если все простые компоненты волны перемещаются в среде с одинаковой скоростью, то волна сохраняет свою форму (такая волна не обладает дисперсией). Дисперсия разносит отдельные компоненты волны в окружающем пространстве, что обуславливает процесс размывания волнового пакета. В волнах может присутствовать эффект нелинейности, который математически описывается нелинейными алгебраическими либо нелинейными дифференциальными уравнениями. В нелинейных системах принцип суперпозиции не действует. В линейных средах не создается эффектов, приводящих к изменению частотных характеристик движущихся волн. В нелинейных средах, например в пьезокристаллах, диэлектрическая проницаемость среды зависит от частоты и амплитуды волны. В этом случае при распространении монохроматической волны может появиться луч с частотой, отличной от падающего. В таких колебательных движениях, носящих нелинейный характер, присутствуют диссипативные моменты в виде пластических деформаций. Нелинейными становятся уравнения гидродинамики, если учитывать наличие вязкости в средах. Со свойствами нелинейности связан интересный природный феномен – уединенная волна или солитон, обладающая уникальной устойчивостью по отношению к внешним воздействиям. Солитон – динамическая система многих монохроматических волн, обладающая высокой степенью устойчивости и обменивающихся между собой состояниями по закону случая. Уравнение, описывающее динамику такого явления, имеет достаточно простой вид, а формирующая система обладает структурой хаоса с элементами симметрии и гармонии. Это и есть структура динамического хаоса. Солитонные процессы имеют место в системах с различным фазовым состоянием. Структура реального кристалла существенно отличается от структуры идеального, наличием различного рода дефектов. Например, вакантные незаполненные узлы, атомы внедрения или цепочек нарушений, расположенных вдоль линии. Рассмотрим краевую дислокацию. Представим себе, что в часть кристалла внедрена лишняя атомная плоскость. Около края плоскости в этом случае появляется наибольшая концентрация микроискажений, а значит и микронапряжений в решетке. Под влиянием касательных, складывающих напряжений, дислокация приходит в движение и в процессе дрейфа она выносится на поверхность. Так формируется пластическая деформация. Движение такой дислокации имеет солитонный характер и может быть описано дифференциальным уравнением (5.1)  (5.1)которое называется уравнением «синус – Гордона». В нем  и  – константы, а  переменная, характеризующая процесс.5.4. Фазовое пространство. Аттракторы Рассмотрим возможности описания динамики частиц. Существует два подхода к решению такой задачи: механический и термодинамический. Эволюцию динамической системы можно анализировать в абстрактном пространстве состояний – фазовом пространстве, в котором можно ввести координаты, описывающие состояние системы, в частности фазу системы. Это понятие является обобщенным и широко используется в различных областях науки и даже нашей обычной жизни (фазовые состояния вещества, фазовый переход, фаза развития общества, фаза роста, фаза функции, фаза развития системы и т. д.). Для систем классической механики такими координатами является положение точек и их скорости в каждый момент времени. Совокупность последовательных положений системы в фазовом пространстве составляет фазовую траекторию. Выстраивая такую траекторию в фазовом пространстве, необходимо указывать направление перемещения системы по фазовой траектории во времени. Не останавливаясь далее на математической стороне дела, укажем, по крайней мере, на три полезных преимущества введения такого фазового пространства. Во-первых, можно проще провести анализ движения, если перейти из обычного координатного пространства в фазовое. Например, если равномерное движение на пространственно-временной диаграмме переменных х, t изображается прямой линией, а равнопеременное – параболой (кривой второго порядка), то на фазовой плоскости ν, x (где ν – скорость, x – координата) такие движения изображаются соответственно точкой и прямой (кривой первого порядка). Для пружинного маятника фазовой плоскостью, как следует из уравнения его движения, будет плоскость: координата – скорость и вместо зависимостей x{t) и v(t) можно рассматривать фазовую траекторию v(x). Во-вторых, в фазовом пространстве проще анализировать устойчивость решения задачи движения тела и исследовать проблему устойчивости – неустойчивости системы. В основу классификации движений и их моделей положено условие воспроизводства решений по заданным начальным условиям. Так, колебания маятников с различными энергиями на фазовой плоскости изображают эллипсами, которые не пересекаются, что соответствует идеальным собственным колебаниям в консервативной системе без потерь. Анализ динамики систем в таком предположении показывает, что с течением времени фазовые траектории из определенных областей пространства концентрируются вокруг некоторых точек – система как бы притягивается к этим точкам в процессе своего развития. Точки, притягивающие траекторию развивающейся динамической системы, получили название аттракторов (от английского attract – привлекать, притягивать). Кроме аттрактора типа «центр» и «узел» (рис. 5.1 а, в) могут быть такие точки типа «фокус» (рис. 5.1, б), аттрактор с потерей энергии, диссипацией ее и типа «седло» (рис. 5.2, е). Из этих рисунков видно, что траектории притягиваются, но не пересекаются. Такой анализ на ранней стадии позволяет прогнозировать поведение исследуемой системы. Из аттрактора типа «седло» следует – траектории могут расходиться. Такие точки с расходящимися траекториями получили название странных аттракторов (термин ввели математики Д. Рюэль и Ф. Такенс в 1971 г.). Странный аттрактор, по существу, математический образ сложного движения в нелинейных диссипативных динамических системах. Странность аттрактора заключается в том, что в отличие от обычного аттрактора, который характеризует устойчивость динамической системы, все траектории вокруг него динамически неустойчивы, а сама неустойчивость проявляется в перемешивании траекторий в фазовом пространстве. Отсюда появляется и третье преимущество фазового пространства, связанное с вышеизложенным: в нем можно анализировать не только линейные, но и нелинейные динамические системы. Примером аттрактора может быть поток быстротекущей воды в горных реках через камень. Струйки воды постоянно меняют траектории движения, но поток в целом устойчив на поверхности камня, не выходит за определенные пределы. Согласно теории об устойчивости движения можно судить по знаку производной функции, описывающей это движение вблизи стационарной точки. Если смена знака первой производной определяет характер устойчивости, то при одних значениях параметров система устойчива, а при других – может наступить переход от устойчивого характера движения к неустойчивому, в общем случае – от одного режима к другому.   а б в Рис. 5.1. Особые устойчивые точки: а – узел, б – фокус, в – центр.   с d е Рис. 5.2. Особые неустойчивые точки: c – узел, d – фокус, е – седло. Можно ввести величину критического порогового параметра, когда система переходит в другое состояние, меняет характер динамического поведения при изменении управляющего параметра, которым, по существу, является рассмотренная ранее бифуркация. Проблемой устойчивости решений уравнений динамики занимается раздел математики, называемый теорией катастроф, которая определяет скачкообразное изменение («катастрофу») параметров системы как ее внезапный ответ на плавные изменения внешних условий, что и ведет к потере устойчивости движения. 6. Симметрия-асимметрия в физических проявлениях 6.1. Общие представления о симметрии Понятия симметрии и противоположного ей объективного свойства природы – асимметрии являются одними из фундаментальных в современном естествознании. Поэтому научные исследования общеглобального характера в значительной степени основываются на анализе указанных понятий. Негласный лозунг физиков-теоретиков: «правильная теория должна быть красивой» – находит свое место в построении новых теоретических моделей и связан зачастую с симметрийными представлениями, а эстетический фактор играет при этом не последнеe значение. Симметрия является одним из фундаментальных свойств природы, представление о ней складывалось в течение в течение жизни десятков сотен и тысяч поколений людей. Как говорил наш известный кристаллограф А. В. Шубников (1887–1970), посвятивший изучению симметрии всю свою жизнь, «изучение археологических памятников показывает, что человечество на заре своей культуры уже имело представление о симметрии и осуществляло ее в рисунке и в предметах быта. Надо полагать, что применение симметрии в первобытном производстве определялось не только эстетическими мотивами, но в известной мере и уверенностью человека в большей пригодности для практики правильных форм». Быть прекрасным, говорил Платон, «значит быть симметричным и соразмерным». Интуитивно симметрия в своих простых формах понятна любому человеку, и часто мы выделяем ее как элемент прекрасного и совершенного. В известной мере симметрия отражает степень упорядоченности системы. Например, окружность, ограничивающая каплю на плоскости, более упорядочена, чем размытое пятно на этой же площади, и, следовательно, более симметрична. Поэтому можно связать изменение энтропии как характеристики упорядочения с симметрией: чем более организовано вещество, тем выше симметрия и тем меньше энтропия. Одно из определений понятия симметрии и асимметрии дал В. Готт: симметрия – понятие отражающее, существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, т. е., если хотите, некий элемент гармонии. Другое определение дал Г. Вейль: «Симметричным является предмет, с которым можно сделать нечто, не изменяя этого предмета». Асимметрия – понятие противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия, что связано с изменением, развитием системы. Из соображений симметрии – асимметрии приходят к выводу, что развивающаяся динамическая система должна быть неравновесной и несимметричной. В ряде случаев симметрия является достаточно очевидным фактом. Например, для определенных геометрических фигур не трудно увидеть эту симметрию и показать ее путем соответствующих преобразований, в результате которых фигура не изменит своего вида. Симметрия проявляется не только в понимании геометрического строения тел в природе, но и в ряде областей человеческой деятельности. Симметрия существует в музыке, хореографии (например, в болеро Равеля многие народные песни и танцы построены симметрично), в зеркальной симметрии текста (любопытно, что при горизонтальной оси симметрии буквы зеркально отражаются и «читаются», а при вертикальной оси симметрии – нет), в начертании знаков языка (например, в китайской письменности имеется иероглиф, означающий истинную середину), архитектуре, живописи, математике, логике, строении живых организмов и растенийи др. В. И. Вернадский справедливо отмечал: «Новым в науке явилось не выявление принципа симметрии, а выявление его всеобщности». Для живых организмов симметричное расположение частей органов тела помогает сохранять им равновесие при передвижении и функционировании, обеспечивает их жизнестойкость и лучшее приспособление к окружающему миру, что справедливо и в растительном мире. Например, ствол ели или сосны чаще всего прям и ветви равномерно расположены относительно ствола. Так дерево, развиваясь в условиях действия силы тяжести, достигает устойчивого положения. К вершине дерева ветви его становятся меньше в размерах – оно приобретает форму конуса, поскольку на нижние ветви, как и на верхние, должен падать свет. Кроме того, центр тяжести должен быть как можно ниже, от этого зависит устойчивость дерева. Законы естественного отбора и всемирного тяготения способствовали тому, что дерево не только эстетически красиво, но устроено целесообразно. Получается, что симметрия живых организмов связана с симметрией законов природы. На житейском уровне, когда мы видим проявление симметрии в живой и неживой природе, то невольно испытываем чувство удовлетворения тем всеобщим, как нам кажется, порядком, который царит в природе. Однако понятие симметрии гораздо шире и ее можно понимать как неизменность (инвариантность) каких-либо свойств объекта по отношению к преобразованиям, операциям, выполняемым над этим объектом. Причем это может быть не только материальный объект, но и закон, математическая формула или уравнения, в том числе и нелинейные, которые играют большую роль в самоорганизующихся процессах. Дать более конкретное определение симметрии, чем у Готта, в общем случае затруднительно еще и потому, что она принимает свою форму в каждой сфере человеческой деятельности. В искусстве симметрия может проявиться в соразмерности и взаимосвязанности, гармонизации отдельных частей в целом произведении. В математических построениях также имеют мест симметричные многочлены, которые можно использовать для существенного упрощения решения алгебраических и дифференциальных уравнений. Особенно полезным оказалось использование симметрийных представлений в теории групп с введением инварианта, т. е. такого преобразования, когда соотношения между переменными не изменяются. Отражением связи пространства, симметрии и законов сохранения может служить мысль великого французского математика А. Пуанкаре: «Пространство – это группа». Наиболее наглядное и непосредственное применение идей симметрии имеет место в кристаллографии и физике твердого тела, изучающих физические свойства кристаллов в зависимости от их строения. Даже непосвященному человеку хорошо видна здесь ассоциация с неким совершенством, порядком и гармонией. Идеи симметрии являются для мира кристаллов естественной базой их физической сущности. Один из создателей современной физики твердого тела Дж. Займен считал, что вся теория твердых тел основана на трансляционной симметрии. Симметрия проявляется при совмещении геометрических тел, например правильных многогранников, при повороте их в пространстве на соответствующие углы, а также при перемещениях в атомной решетке на определенные величины векторов трансляции, кратных периоду решетки. |
Похожие:
 |
Карпенков С. Х. К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр и доп. – 639 с |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Список литературы из фондов научной библиотеки рггу по состоянию на март 2008 Гуго (1877-1946). Доисторический человек : с 39 табл., 4 к и 404 рис в тексте / Обермайер Гуго. Спб. [Тип. Ао брокгауз-Ефрон], [1913].... |
|
Методика № дифференциально диагностический опросник (ддо; Е. А. Климов) Шкалы Шкалы: типы профессий человек-человек, человек-техника, человек-знаковая система, человек-художественный образ, человек-природа Назначение... |
|
Тематическое планирование уроков химии 8класс Химия как часть естествознания. Химия-наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях |
|
Григорий Чхартишвили Предисловие Часть первая. Человек и самоубийство... Эдипов комплекс в истории суицидентов X. и Г. Опыт патологоанатомического психоанализа |
|
Кокин А. В. Концепции соврем естествознания: уч пособие / А. В. Кокин Дубнищева Т. Я., А. Ю. Современное естествознание: уч пособие / Т. Я. Дубнищева, А. Ю. Пигарев. – 2–е изд. – М.: Ивц «Маркетинг»»,... |
|
Программы В программе: Формы и приемы обучения современного урока по физической культуре. Календарно-тематическое планирование современного... |
|
Техническое задание 643. 05246295. 00059-01 тз 01 Концепции развития телемедицинских технологий в Российской Федерации, утверждённой приказом Минздрава РФ и рамн от 27. 08. 2001 г.... |
|
Общие методологические основы организации образования : вопросы системного... Учет материалов концепции развития техносферы дополнительного образования детей на среднесрочную перспективу, рекомендаций межрегиональных... |
|
Задание Определение маркетинговой концепции организаций ... |
|
Неповторимый Чеснок (часть 1) Ваша маленькая команда добавлена в командный режим выживания (обычный), случайно сгенерированное число участников: 6 человек] |
|
Информация о нарушениях, выявленных Государственной инспекцией труда... Года составила 695,4 тысяч человек (уменьшилась по сравнению с 2010 годом на 2,8 тысяч человек). Численность населения трудоспособного... |
|
В. М. Жуков Глава Механизмы в популяционной генетике Вселенная – это цепь или лестница, спускающаяся от подножья божественного трона на небе до ничтожнейшего творения на земле |
|
Которая в последнее время становится очень актуальной в нашем обществе.... Сегодня компьютеры стремительно внедрились в жизнь современного человека. Уже стало привычным видеть, что человек взаимодействует... |
|
Вводная часть Человек в процессе жизнедеятельности непрерывно взаимодействует со средой обитания, со всем многообразием факторов, многие из которых... |