Читайте также:
|
Вообще их круг довольно широк, но в настоящем параграфе мы ограничимся лишь рассмотрением принципов системности, направленности процессов, симметрии, периодичности и относительности. С принципом соответствия Вы уже встречались ранее, с принципами дополнительности, и неопределенности познакомитесь несколько позднее, когда будете изучать поведение микрочастиц.
· Принцип системности
По представлениям современной науки Мироздание является гигантской суперсистемой, в которую в качестве составных элементов (лат. elementum - первоначальное вещество, составная часть целого) или подсистем, следующих в определенном порядке и образующих иерархии, входят все существующие подсистемы, начиная от элементарных частиц и заканчивая Вселенной. Составляющие его элементы можно принимать в качестве самостоятельных до тех пор, пока их влияние на всю суперсистему пренебрежимо мало.
Любой предмет или объект являются системой - упорядоченным множеством взаимосвязанных элементов, которое проявляет себя как целостность. Отдельные элементы образуют систему, если это энергетически выгодно. Например, молекула образуется из атомов только в том случае, если потенциальная энергия такого образования будет меньше суммы потенциальных энергий ее элементов, существующих по отдельности.
Каждый элемент имеет свою структуру (строение) и выполняет в системе определенные функции (лат. functio - исполнение, осуществление, зависимость). Сам по себе он тоже является системой, только более низкого иерархического уровня. Изменение структуры системы может существенно изменить ее функции и, наоборот, необходимость изменить какие-то функции приводит к переструктуризации системы. Это достаточно хорошо иллюстрируется на примере биологической эволюции, когда необходимость адаптации организмов к изменяющимся условиям среды приводит к взаимосвязанным изменениям структуры и функций отдельных органов, органных систем или всего организма в целом. В этом отражается глубинная диалектическая связь структуры и функции.
Разноуровневые системы образуют иерархии, каждый член которых, с одной стороны, является элементом системы более высокого уровня, а с другой, состоит из совокупности взаимодействующих элементов более низкого уровня. Это свойство природы позволяет исследовать сложные системы, начиная от низкого уровня их организации и последовательно переходя к более высоким.
Прежде, чем понять систему как целостность и искать общие подходы к описанию ее функционирования, нужно изучить каждый элемент по отдельности, выделить те их свойства, которые наиболее существенны для изучаемой иерархии, выявить критерии (греч. kriterion - средство для суждения; признак, на основании которого производится оценка или определение; мерило оценки) или ведущие признаки, по которым объединяются элементы, их взаимосвязи, определяющие свойства целого. Одним из важнейших свойств иерархии является подобиеее уровней. Оно проявляется в сходстве строения составляющих ее элементов или характера их взаимодействия. Это свойство широко используется при моделировании объектов, явлений и процессов. Но подобие не означает полного сходства. Например, облака на небе, перья птиц или листья деревьев одной породы имеют схожую структуру, однако найти среди них абсолютно одинаковые невозможно. Для характеристики такого подобия математики ввели термин фрактал (англ. fractial - дробный). Если в случае геометрических фигур степень подобия - целое число, то схожесть фрактальных структур - число дробное.
Одни и те же элементы или системы могут входить в разные иерархии и по разному себя проявлять. Поэтому в зависимости от задач исследования одни и те же элементы можно выстраивать по-разному: по размерам (масштабный критерий) в порядке усложнения их структуры (структурный критерий), по функции элементов (функциональный), либо выбрать какой-то иной признак. Масштабный критерий позволяет подразделить системы на микро-, макро- и мегасистемы, структурный - простые и сложные, функциональный - выделить неживое - живое - социальное, информационный - позволяет выделить системы с разным уровнем информационного обмена - статические, простые динамические, авторегулирующиеся, самоорганизующиеся и другие. Выбор критерия определяет порядок следования одних и тех же элементов в иерархиях и моделях систем.
Любая деятельность, социальная система, наука, культура, технология, производство, армия или учреждение также являются иерархическими структурами.
Иерархичность и системность окружающего мира являются его фундаментальными свойствами.
· Принцип направленности процессов
Универсум (Вселенная) является динамической, изменяющейся во времени суперсистемой. Все изменения в ней происходят за счет внутренних причин и в рамках законов, присущих всей суперсистеме. Это аксиома, принятая наукой. О возможности существования внешних по отношению к Универсуму причин науке ничего неизвестно, ибо это лежит за пределами ее возможностей. Эта аксиома лежит в основе следующей посылки: Универсум является самоорганизующейся системой. Все подсистемы Универсума взаимодействуют между собой. Их изменение обусловлено не только их внутренними причинами, но и воздействиями со стороны других подсистем. Они являются открытыми и функционируют в некотором едином ритме.
Окружающий нас мир изменчив, в нем все наполнено движением, он процессуален. Процессы могут протекать в двух направлениях: либо в сторону самоорганизации, упорядочения и усложнения систем (эволюции), либо в сторону хаотизации, деградации (инволюции) и разрушения. В представлениях науки это положение оформилось в виде принципа направленности развития природных процессов. Первоначально он был сформулирован применительно к закрытым термодинамическим газовым системам. Однако в реальности закрытых систем не существует; закрытая система есть лишь удобная модель для исследования каких-то частных особенностей того или иного явления.
Закрытая термодинамическая система обладает одним замечательным свойством. Благодаря явлениям теплопереноса, диффузии, внутреннего трения внутри самой системы она самопроизвольно и необратимо стремится к макросостоянию с наименьшей энергией (к состоянию динамического равновесия). В этом состоянии все макропараметры системы в разных точках занимаемого ею объема - давление, температура, плотность, концентрация - выравниваются. Но равновесное состояние не есть состояние покоя. В газе продолжается беспорядочное хаотическое движение молекул, система пребывает в состоянии динамического хаоса. Поэтому каждое мгновение в результате столкновений изменяются энергии и скорости отдельно взятых молекул, а значит изменяются и микропараметры системы. То есть, одному макросостоянию соответствует целый набор или, как говорят, ансамбль микросостояний. Условие существования такого ансамбля - постоянство средних значений макропараметров системы. Число способов реализации макросостояния через микросостояния называют статистическим весом W (или термодинамической вероятностью). Вследствие хаотичности движения молекул макропараметры с течением времени колеблются около некоторого своего среднего значения, т.е. флуктуируют. В системах с большим числом частиц флуктуации малы и классическая термодинамика их не учитывает. Например, при количественном определении эффективности работы тепловой машины достаточно знать средние температуры нагревателя и холодильника. Однако флуктуации очень часто себя проявляют. В частности, флуктуациями объясняется броуновское движение, голубой цвет неба, появление «шумов» в каналах связи. Они определяют предел чувствительности электронной аппаратуры. В определенных условиях флуктуации могут стать толчком к упорядочиванию структур.
Термодинамические процессы, протекающие в закрытых системах, необратимы. Необратимость характерна и для многих природных процессов. Например, колебания маятника из-за потерь энергии, которая идет на нагревание окружающей среды, затухают. Но сколько бы мы ни нагревали окружающую среду, маятник от этого не начнет колебаться. Разбитая ваза сама собой не соберется из кусочков, нагретая наковальня не заставит подпрыгивать молот, более холодное тело не будет самопроизвольно передавать свое тепло более нагретому.
Если к газу при температуре Т подвести некоторое количество теплоты DQ, то его энтропия S получает приращение DS = DQ/Т. Значение этого приращения зависит от обратимости процесса. Если процесс обратимый (процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, повторяя все промежуточные состояния прямого процесса), то приращение энтропии в ходе такого процесса равно нулю. Примером может служить колебание маятника в отсутствии сил сопротивления среды. В случае необратимых процессов в замкнутых системах энтропия возрастает, т.е. DS>0. Р.Клаузиус сформулировал положение, которое получило название второго начала термодинамики (первое начало, как известно, отражает закон сохранения энергии):
- в замкнутых системах энтропия со временем не убывает, т.е. DS³0;
- в случае открытых систем энтропия может вести себя как угодно.
Внутренняя сущность II начала термодинамики была вскрыта одним из глубочайших исследователей XIX века Л.Больцманом, который показал, что энтропия является функцией вероятности пребывания термодинамической системы в том или ином состоянии. Чем больше состояний доступно системе, тем выше ее энтропия, тем больше в ней хаоса, отождествляемого с представлением о хаотичности теплового движения совокупности молекул газа. Все самопроизвольные процессы в закрытой системе протекают в сторону установления термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.
Понятие энтропии, также как и понятие температуры, имеет смысл лишь применительно к коллективу частиц, занимающих некоторый объем. С ее увеличением возрастает и степень беспорядка системы, поэтому говорят, что энтропия есть мера свободы системы или мера беспорядка.
Складывается впечатление, что преобладающей тенденцией природных процессов является стремление к разрушению упорядоченностей, случайно возникших в результате маловероятных флуктуаций. На основе этого вывода в конце XIX века была выдвинута гипотеза «тепловой смерти» Вселенной. Смысл ее заключался в следующем: если Вселенная является закрытой системой, то рано или поздно она придет к тепловому равновесию, все упорядоченные системы разрушатся, и она перейдет в состояние исходного хаоса, что равносильно ее смерти как упорядоченной системы.
Однако уже к началу XIX века имелось множество фактов, подтверждающих, что противоположная тенденция - самоупорядочения (самоорганизации) и самоусложнения систем также закономерный процесс. Современная наука считает, что большинство существующих систем благодаря обменным процессам с окружающей средой, находится в состоянии, далеком от термодинамического равновесия, а их развитие происходит в направлении возрастающей упорядоченности. Порядок и Хаос - это две стороны процесса развития систем.
· Принцип периодичности
Замечено, что чередование фаз в поведении систем разной природы - космологических, физических, химических, биологических, социальных и других - наблюдается с определенной периодичностью. Ежедневно всходит и заходит Солнце, небесные светила через известные промежутки времени занимают определенные места на небосводе. Планеты совершают периодические движения вокруг собственной оси и центрального светила, звездные системы вращаются вокруг центра Галактики. Периодичность наблюдается в процессах, протекающих в недрах звезд и планет. Например, в изменении солнечной активности наблюдают 11, 22, 600-летние циклы. Ритмы космоса оказывают глобальное воздействие на био- и геосферу Земли. Сложное взаимодействие периодических процессов рождает как случайные, так и закономерные изменения циркуляции масс в атмосфере и гидросфере, что в глобальном масштабе ведет к изменению климатических условий или локальных изменений погоды. Это существенным образом влияет на живые организмы (урожайность культур, изменение численности популяций, распространение эпидемий и эпизоотий, периодичность в этногенезе и т.д.).
Периодичность - качество, характерное для состояния химических систем. Это, прежде всего, периодичность свойств химических элементов, связанная с периодичностью их электронного строения. Это свойство было заложено Д.И.Менделеевым (1834-1907) в основание периодической системы, носящей его имя. Наблюдается колебание реагентов в так называемых автокаталитических реакциях (реакции Белоусова и Жаботинского). Они при определенных условиях могут длиться бесконечно долго, и интересны для понимания процессов добиологической и биологической самоорганизации и эволюции материи. Комплекс подобных реакций в живом организме поддерживает ритмичность деятельности сердца, мозга и других органов и организма в целом.
Спиралеобразный вид многих галактик, спиральные вихри циклонов, спиральные формы раковин улитки и моллюска, рогов некоторых животных - все это проявление периодичности. Периодичность присуща структуре сложных биохимических молекул (белки, нуклеиновые кислоты). Периодически повторяется элементарная ячейка в кристаллической решетке. С определенной периодичностью наблюдается чередование фаз в развитии экономических систем: подъем-процветание-спад-застой-подъем (циклы Кондратьева). Ритмично работает двигатель любой машины. Красота музыки и поэзии ощущается человеком через их ритм. Периодические колебания маятника, пружины или струны, напряжения и силы переменного тока, векторов электрической напряженности и магнитной индукции электромагнитной волны, периодичность функционирования отдельных подсистем живых организмов (клеток, тканей, органов) и организма в целом - это явления одного порядка.
С математической точки зрения все перечисленные процессы можно описать с помощью единой модели - линейного гармонического осциллятора (лат. oscillo - качаюсь; механическая система, состоящая как минимум из двух тел, колеблющихся относительно общего центра тяжести), описывающей динамическое состояние системы в любой момент времени с помощью линейного дифференциального уравнения второго порядка
х’’ + qх = 0,
где х - какие-то характеристики процесса или системы (координата, заряд, напряженность, количество чего-то и т.д.);
х’’ - скорость изменения скорости процесса (ускорение);
q - внутренний параметр системы.
Например, для тела, колеблющегося на пружине - q есть отношение жесткости пружины к массе груза, в колебательном контуре, это величина, зависящая от индуктивности и емкости. Этот параметр определяет собственную частоту колебательной системы. Когда отсутствуют потери энергии, система может находиться в колебательном состоянии бесконечно долго. Для таких систем характерны жесткие причинно-следственные связи, это системы равновесные. Если амплитуда колебаний невелика, колебания называют гармоническими, т.е. изменяющимися по закону синуса или косинуса. Если амплитуды колебаний велики, колебания становятся ангармоничными, и их математическое описание можно осуществить с помощью системы нелинейных уравнений.
Похоже, что периодичность является фундаментальным свойством природы, важнейшим условием постоянства структур и функционирования систем. Однако в окружающей нас жизни также часто встречаются и апериодические, затухающие процессы. Как правило, они связаны с сильным рассеянием энергии. Если нет ее поступлений извне, любой процесс в конце концов останавливается (например, затухание колебаний маятника) или вообще система полностью разрушается.
Периодичность и апериодичность являются неотъемлемыми свойствами любой развивающейся системы. Периодичность характеризует некоторую устойчивость системы; ее нарушение приводит к появлению неустойчивости, которая может привести либо к разрушению, либо при благоприятных внешних условиях стать шансом для перехода системы в новое, более высокое качественное состояние.
· Принцип симметрии
Симметрия (греч. symmetria - соразмерность, пропорция, соответствие, порядок, гармония) является всеобщим свойством природы и широко представлена в творчестве человека и созданных его руками вещах. В своих размышлениях над картиной Мироздания человек выделял симметрию как некое магическое качество природы, ее красоту, совершенство и целесообразность и старался отразить это ее качество в архитектуре, скульптуре, поэзии, музыке. Музыкальная гармония и пропорции музыкальной гаммы, ритм стиха и стихотворные метры - ямб, хорей, амфибрахий - это тоже симметрия.
Выявленная современной наукой иерархия симметрий отражает свойства иерархии уровней структурной организации материи. В связи с этим выделяют разные формы (лат. forma - внутренняя организация содержания целого) симметрии: пространственно-временные, калибровочные и другие. Все виды симметрий можно разделить на внешние и внутренние. Внешняя симметрия наглядна и наблюдаема. Внутреннюю симметрию визуально наблюдать невозможно, она глубоко скрыта в математических уравнениях описывающих состояние системы. В качестве примера можно привести симметрию уравнений Максвелла, описывающих свойства электромагнитного поля, которая отражает внутреннюю глубинную связь между его электрической и магнитной составляющими.
Внешняя симметрия - пространственная или геометрическая - широко представлена в окружающем мире. Это симметрия молекул, кристаллов, живых организмов, зданий, сооружений, планетарных систем и многих космических образований. У любого симметричного объекта всегда есть какой-либо элемент симметрии - ось, центр, плоскость или их комбинация. При операциях симметрии - поворотах и отражениях - симметричные структуры совпадают сами с собой.
Как возникла симметрия этих объектов и для чего она нужна? Симметрия живых организмов возникла в процессе эволюции жизни. Первоначально зародившиеся в мировом океане живые организмы обладали самой идеальной формой - сферической. Распространение видов в другие среды потребовало приспособленности к жизни и к перемещениям в иных условиях, к специфичности проявления в них законов природы. Например, конусообразная форма ели, имеющая вертикальную ось симметрии, связана с необходимостью доступа солнечного света к нижним ветвям и устойчивости дерева. Такая форма приобреталась постепенно в процессе эволюции вида и адаптации к условиям произрастания, немаловажное значение при этом имеет закон всемирного тяготения. Внешняя симметрия насекомых и животных связана с необходимостью держать равновесие при перемещении, извлекать больше энергии из окружающей среды и эффективнее ее тратить. Еще более глубокий смысл приобретает симметрия в физических и химических системах. Наиболее устойчивыми являются молекулы, обладающие высокой симметрией. Симметрия электронной оболочки у инертных газов предопределяет их поведение в химических реакциях. Симметрия молекул обуславливает характер молекулярных спектров. Симметрией обладают все кристаллы, представляющие собой периодическое повторение элементарной ячейки.
Но и асимметрия в мире достаточно широко распространена. Высокоорганизованные животные, внешне симметричные, оказываются асимметричными при учете их внутреннего строения (сердце - слева, печень - справа и т.д.). И при зеркальном отражении уже не совпадают сами с собой. Ей обязаны своим существованием зеркально асимметричные молекулы стереоизомеров. Молекула ДНК также асимметрична, причем ее спираль всегда закручивается вправо. Если в неживой природе левые и правые молекулы встречаются почти одинаково часто, то в живых организмах встречается только один тип. В.И.Вернадский (1863-1945) - русский ученый, основатель гео- и биогеохимии, сделавший многое в развитии учения о биосфере, предполагал, что именно здесь проходит граница между химией живого и неживого. И более того, живые организмы в процессе жизнедеятельности извлекают из окружающей среды большей частью химические соединения, молекулы которых симметричны, и превращают их в асимметричные соединения - сахара¢, крахмал и т.д. Примером функционально асимметричной структуры является мозг человека.
Негеометрические симметрии отражают инвариантность законов механики и электродинамики относительно преобразований симметрии, симметрию микромира (понятие четности, наличие пар частица-античастица). Все известные типы взаимодействий можно описать с помощью калибровочныхсимметрий - специальных преобразований для которых математики разработали аппарат теории групп. Используя специфический язык - элементы симметрии, операции симметрии, матрицы преобразований, точечные группы, можно описать любую систему. Идеи симметрии лежат в основе попыток объединить все типы взаимодействий в единую теорию.
Асимметрия и симметрия, являясь фундаментальными свойствами природы, образуют диалектическое единство, тесно связаны с состояниями устойчивости и неустойчивости, порядка и беспорядка, организации и дезорганизации.
· Принцип относительности
Принцип относительности впервые был сформулирован Г.Галилеем (1564-1642) для механического движения: никакими опытами нельзя обнаружить покоится система отсчета или движется равномерно и прямолинейно. Все подобные системы называют инерциальными (ИСО). ИСО - это упрощенная модель, ибо все имеющие место системы отсчета строго говоря неинерциальны. Однако в ряде случаев эффекты, связанные с неинерциальностью систем невелики и ими можно пренебречь.
С учетом законов Ньютона принцип относительности можно сформулировать следующим образом: в инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую форму. Позднее, в конце XIX века французский математик и физик А.Пуанкаре (1854-1912) распространил этот принцип на все электромагнитные явления. Еще более обобщенный вид он принял в теории относительности, разработанной А.Эйнштейном (1879-1955): законы природы инвариантны относительно ИСО.
Новые понятия и термины: ансамбль,инерциальный, критерий, осциллятор, принцип, подобие, периодичность, равновесное состояние, симметрия, система, статистический вес, фрактал, функция, элемент.
Ведущая идея:
- фундаментальные принципы естествознания как отражение всеобщих законов, которые проявляются на всех уровнях организации материи.
Дата добавления: 2015-07-12; просмотров: 239 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Фундаментальные законы природы | | | Классификация раздельных пунктов. |