Динамические и статистические закономерности в природе.

Эволюция механической системы рассматривается как детерминированное изменение ее начального состояния. Закономерности эволюции называют динамическими, поскольку они однозначно определяются силами, действующими на систему.

Естествознание вынуждено использовать вероятностный подход и изучать вспомогательные статистические закономерности. Появление статистических закономерностей связали прежде всего со сложностью изучаемых систем, но во второй половине 20 века было установлено, что в простых системах, считавшихся детерминированными, возможны принципиально неустранимые случайные явления. Динамические и статистические закономерности различаются содержанием понятия состояния системы. В динамических теориях состояние системы определяется параметрами состояния, в статистических - вероятностями принятия некоторых значений параметрами состояния.

30.СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ. МИКРО- И МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СЛОЖНОЙ СИСТЕМЫ. МИКРО- И МАКРОСОСТОЯНИЯ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ЭНТРОПИЯ. ПРИНЦИП ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ. «СТРЕЛА» ВРЕМЕНИ. НЕРАВНОПРАВИЕ ПОРЯДКА И БЕСПОРЯДКА В ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМАХ.

Многие объекты Природы являются сложными системами. Элементами сложных систем являются частицы (атомы, молекулы, организмы) Сложной физической системой является идеальный газ. Его описывают на макро- и микроскопическом уровнях, используя макро - и микроскопические наборы параметров состояния. Микроскопическое описание требует знания параметров состояния всех элементов системы в любой момент времени. Сложность такого описания очевидна, поскольку:

· оно будет громоздким, требующим составления и анализа огромного числа уравнений движения, задания множества начальных условий и громоздких вычислений

· оно не всегда раскроет особенности поведения системы как целого, так как свойства и функции системы и ее элементов могут быть различными

· подробное описание систем с большим числом произвольных элементов просто невозможно

Исследования идеального газа показали:

· состояние отдельной частицы является случайным - ее микропараметры (координаты и импульс) непредсказуемы из-за непрерывного и хаотического изменения

· индивидуальные свойства отдельных частиц макроскопической системы теряют свою значимость из-за неразличимости частиц

· у совокупности частиц появляются свойства, отсутствующие у отдельных частиц

Микроскопическое описание должно использовать статистические закономерности и газ должен рассматриваться как вероятностная система, состояние которой определяется вероятностями попадания координат и импульсов частиц в определенный малый интервал значений. Макроскопическое описание значительно проще, поскольку требует знания небольшого числа параметров и позволяет рассматривать газ как детерминированную динамическую систему.

Два описания одной системы привели к проблеме поиска взаимосвязи микро- и макропараметров системы. В результате был разработан статистический подход, являющийся своеобразным компромиссом. Он позволил рассматривать средние значения микропараметров и связать их с макропараметрами, установив более глубокий физический смысл феноменологически введенных характеристик и объяснив природу связывающих их закономерностей. Представляется весьма вероятным, что статистический подход может быть плодотворным при описании состояния и эволюции сложных химических, биологических, социальных и экономических систем.

Термодинамические системы. Энтропия. Принцип возрастания энтропии. «Стрела» времени. Неравноправие порядка и беспорядка в замкнутых системах.

Первой теорией эволюции физических систем явилась классическая термодинамика, изучающая равновесные состояния макросистем и равновесные процессы. Термодинамика опиралась на принципы или начала, из которых с помощью логики и математики выводятся основные соотношения между параметрами системы. Эти принципы универсальны, поскольку не учитывают структуру систем и не зависят от нее. Основное содержание термодинамики определяют два принципа, основанные на использовании двух функций состояния системы: внутренней энергии U и энтропии S. Первое начало термодинамики описывает изменение внутренней энергии системы и фактически является законом сохранения. Оно выполняет функцию запрета: все процессы противоречащие первому началу запрещены и не могут быть реализованы. Первое начало термодинамики не определяет направления протекания процессов и, поэтому, не описывает эволюцию систем. Принцип, определяющий направление протекания процессов, установлен Клаузиусом и Кельвином. Принцип, названый вторым началом термодинамики, потребовал введения новой функции состояния системы - энтропии Больцман раскрыл смысл второго начала термодинамики, установив связь энтропии и термодинамической вероятностью: S = k × ln W.

Чем больше энтропия, тем больше неупорядоченность системы. Изменение энтропии не зависит от способа перехода системы из одного состояния в другое, поэтому неупорядоченность макросистемы не зависит от ее эволюции и является ее внутренним свойством системы. Второе начало утверждает: энтропия замкнутой системы не убывает, она сохраняется при обратимых процессах и возрастает при необратимых. Поскольку реальные процессы необратимы, то все реальные макроскопические процессы в замкнутых системах направлены в сторону роста энтропии. Полная энтропия таких систем всегда увеличивается, хотя энтропия отдельных частей системы может при этом уменьшаться. Э волюция замкнутых систем направлена в сторону увеличения Хаоса: Рост хаотичности сопровождается дезорганизацией и разрушением структуры системы. Наиболее хаотичным и наиболее вероятным состоянием замкнутых систем является состояние термодинамического равновесия, которому соответствует максимальная энтропия. В равновесном состоянии параметры частей системы одинаковы, в неравновесном – различны. Необратимость эволюции позволяет обосновать направленность или "стрелу" времени. Состояние системы с меньшим значением энтропии предшествует во времени состоянию с большим значением; чем больше изменение энтропии, тем больше время эволюции системы. Существование "стрелы" времени свидетельствует о фундаментальной асимметрии Природы. "Стрела" времени существует только для сложных систем. В системах с малым числом элементов могут наблюдаться флуктуации и энтропия замкнутой "малой" системы может убывать на определенных промежутках времени. Вероятностная трактовка "стрелы" времени утверждает существование множества способов внесения Хаоса в упорядоченную сложную систему. выделение направления времени связано с тем, что в сложных системах трудно найти способ перевода системы в заданное единственно возможное состояние. Существование "стрелы" времени изменило концепцию времени. В современной концепции время является внутренней переменной, присущей системе.

31.УПОРЯДОЧЕННОСТЬ СТРОЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИРОДЫ. ПЕРЕХОДЫ ИЗ УПОРЯДОЧЕННОГО СОСТОЯНИЯ И НАОБОРОТ. ПОНЯТИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И САМООРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ. БИФУРКАЦИИ.. ХАОС. ПОРЯДОК ИЗ ХАОСА: САМООРГАНИЗАЦИЯ С ЛОЖНЫХ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМАХ ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ. СИНЕРГЕТИКА.\

Любая сложная система есть многоуровневая конструкция взаимодействующих элементов, объединенных в подсистемы различных структурных уровней. Сложная система возникает благодаря многочисленным и качественно разнообразным связям и взаимодействиям большого количества качественно различных компонентов. общие закономерности образования и эволюции систем:

1. никакая система не может сформироваться из абсолютно идентичных элементов, качественное различие элементов является необходимым условием образования системы.

2. Достаточным условием является наличие взаимодействия элементов, объединяющего их в единое целое.

3. Всякое объединение не случайно и имеет объективные причины.

4. элементы объединяются в системы в необходимом и достаточном количестве, хотя в некоторых случаях наблюдается избыточность элементов. Избыточность обеспечивает устойчивость существования системы заменой разрушившихся элементов и создает возможности для качественного усовершенствования системы. Количество вариантов объединения элементов ограничено фундаментальными законами и принципами Природы.

В переходах порядка в хаос и хаоса в порядок есть своя специфика и есть общие закономерности. Переходы от порядка к хаосу могут протекать под влиянием внешних воздействий на систему. Достаточно сильное воздействие может любую систему, более слабые воздействия изменить количественный и качественный состав элементов системы и ее структуру при этом в системе может возрастать как порядок так и хаос.

Замкнутая системы не обменивается с внешней средой веществом, энергией, информационное состояние такой системы устойчиво, если малые внешние воздействия не могут увести систему от начального состояния. Замкнутая система самопроизвольно стремится к наибольшему устойчивому состоянию. Открытые системы обмениваются со средой веществом, энергией и информацией, как правило такие системы удалены от состояния равновесия. При некоторых условиях такие системы эволюционируют в сторону возрастающей упорядоченности, если упорядоченность таких систем возрастает самопроизвольно, то в системе протекают процессы самоорганизации. Системы, способные к самоорганизации, назвали самоорганизующимися. Самоорганизацией системы называют возникновение упорядоченных структур и форм движения из первоначально неупорядоченных, нерегулярных форм без специальных упорядочивающих внешних воздействий на систему.

Самоорганизация материи есть переход от Беспорядка к Порядку.

Самоорганизация материи проявляется в живой и неживой Природе. Самоорганизация происходит путем перестройки компонентов системы и образования новых связей между ними. процессы самоорганизации возможны лишь в открытых системах, обменивающихся веществом, энергией и информацией с внешней средой. Самоорганизующаяся система способна последовательно изменять свои свойства на основании оценки воздействий внешней среды. Результатом является переход системы к некоторому устойчивому состоянию, в котором воздействия внешней среды окажутся допустимыми. Эти устойчивые состояния могут быть равновесными и неравновесными. Неравновесность состояния системы является причиной ее самоорганизации. Самоорганизацией системы называют скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Самоорганизация системы начинается с потери устойчивости критического состояния системы. Она проявляется в форме гигантской коллективной флуктуации, охватывающей всю систему, и завершается переходом системы в более упорядоченное состояние. Общей закономерностью самоорганизации является согласованность поведения компонентов системы в критическом состоянии, достигаемым открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода эволюционного развития. Самоорганизующиеся системы обретают новые структуры без внешних воздействий. Рост упорядоченности системы обусловлен рождением коллективных типов поведения компонентов системы под воздействием флуктуаций, конкуренцией типов поведения и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции.

Дата добавления: 2015-12-08