Порядок и беспорядок в природе

4. Порядок и беспорядок в природе

Тема 2-04-01. Динамические и статистические закономерности в природе

 

Детерминизм (жёсткий) как идея полной предопределённости всех будущих событий

Критика концепции детерминизма Эпикуром, его учение о неустранимой случайности в движении атомов

Механи(сти)ческий детерминизм как:

- утверждение о единственно возможной траектории движения материальной точки при заданном начальном состоянии;

- лапласова концепция полной выводимости всего будущего (и прошлого) Вселенной из её современного состояния с помощью законов механики

Детерминистское описание мира: динамическая теория, которая однозначно связывает между собой значения физических величин, характеризующих состояние системы

Примеры динамических теорий:

- механика,

- электродинамика,

- термодинамика,

- теория относительности,

- эволюционная теория Ламарка,

- теория химического строения

Невозможность абсолютно точного задания начального состояния системы вследствие неизбежной погрешности измерений

Невозможность достаточно точного задания начального состояния систем с динамическим хаосом, для которых любая допущенная в измерениях или расчётах погрешность очень быстро нарастает с течением времени

Примеры систем с динамическим хаосом: погода и климат, турбулентность, фондовые рынки

Отличие хаоса (непредсказуемость возникает вследствие слишком сильной чувствительности поведения системы к начальным условиям) от беспорядка (поведение системы определяется постоянно действующими на неё неконтролируемыми факторами).

Описание систем с хаосом и беспорядком: статистическая теория, которая однозначно связывает между собой вероятности тех или иных значений физических величин

Основные понятия статистической теории:

- случайность (непредсказуемость)

- вероятность (числовая мера случайности)

- среднее значение величины

- флуктуация (случайное отклонение системы от среднего (наиболее вероятного) состояния)

Примеры статистических теорий:

- молекулярно-кинетическая теория (исторически первая статистическая теория),

- квантовая механика, другие квантовые теории

- эволюционная теория Дарвина,

- молекулярная генетика

Соответствие динамических и статистических теорий: их предсказания совпадают, когда можно пренебречь флуктуациями; в остальных случаях статистические теории дают более глубокое, детальное и точное описание реальности

Тема 2-04-02. Концепции квантовой механики

 

Корпускулярные свойства света: фотоэффект (выбивание электронов из вещества под воздействием света)

Волновые свойства частиц. Дифракция электронов

Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи (каждый материальный объект имеет как корпускулярные, так и волновые свойства)

Мысленный эксперимент «микроскоп Гейзенберга» (чтобы наблюдать микрочастицу, нужно на нее направить пучок света, при этом меняется ее импульс)

Соотношение неопределенностей координата-импульс (скорость) (чем точнее измеряется координата, тем менее точно измеряется импульс)

Соотношение неопределенностей энергия-время (чем меньше промежуток времени, в течение которого протекает процесс, тем больше неопределенность в значении энергии частицы ΔE*Δt≥t)

Принцип дополнительности как утверждение о том, что:

- невозможны невозмущающие измерения (измерение одной величины делает невозможным или неточным измерение другой, дополнительной к ней величины)

- полное понимание природы микрообъекта требует учёта как его корпускулярных, так и волновых свойств, хотя они не могут проявляться в одном и том же эксперименте

- (в широком смысле) для полного понимания любого предмета или процесса необходимы несовместимые, но взаимодополняющие точки зрения на него

Описание состояния в квантовой механике: волновая функция (характеризует вероятность нахождения электрона в данной области)

Статистический характер квантового описания природы (законы микромира являются статистическими, т.е. вероятностными)

Соответствие квантовой и классической механики: их предсказания совпадают для макроскопических объектов, для которых несущественны соотношения неопределённостей и корпускулярно-волновой дуализм

Тема 2-04-03. Принцип возрастания энтропии

Формы энергии: тепловая, химическая, механическая, электрическая

Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии при ее превращениях

Первый закон термодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя первого рода

Изолированные и открытые системы (открытые системы обмениваются с окружающей средой веществом и энергией)

Термодинамическое равновесие как состояние, к которому самопроизвольно стремится любая изолированная система

Признаки равновесного состояния:

- однородность

- отсутствие потоков вещества, энергии, заряда и т.п.

Второй закон термодинамики как принцип возрастания энтропии в изолированных системах

Энтропия как измеряемая физическая величина (приведенная теплота)

Изменение энтропии тел при теплообмене между ними

Второй закон термодинамики как принцип направленности теплообмена (от горячего к холодному)

Качество (ценность) энергии (качество энергии – это ее способность совершать работу; самая низкокачественная энергия – это тепловая энергия при наименьшей температуре)

Высококачественные формы энергии: механическая, электрическая

Низкокачественная форма энергии: теплота

Понижение качества тепловой энергии с понижением температуры

Энтропия как мера некачественности энергии

Второй закон термодинамики как принцип неизбежного понижения качества энергии

Второй закон термодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя второго рода

Энтропия как мера молекулярного беспорядка

Второй закон термодинамики как принцип нарастания беспорядка и разрушения структур

Закономерность эволюции на фоне всеобщего роста энтропии

Энтропия открытой системы: производство энтропии в системе, входящий и выходящий потоки энтропии

Термодинамика жизни: добывание упорядоченности из окружающей среды (живые организмы потребляют химическую энергию пищи (энергию упорядоченного движения) и рассеивают ее в виде тепловой энергии (энергии беспорядочного движения частиц))

Тема 2-04-04. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма

Синергетика — теория самоорганизации

Междисциплинарный характер синергетики

Самоорганизация в природных и социальных системах как самопроизвольное возникновение упорядоченных неравновесных структур в силу объективных законов природы и общества

Примеры самоорганизации в простейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара, реакция Белоусова-Жаботинского, спиральные волны

Необходимые условия самоорганизации: неравновесность и нелинейность системы

Признак неравновесности системы: протекание потоков вещества, энергии, заряда и т.д.

Диссипация (рассеяние) энергии в неравновесной системе (энергия упорядоченного движения рассеивается в виде энергии теплового движения)

Диссипативная структура — неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации (она существует только при непрерывном притоке и оттоке энергии)

Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации (при плавном изменении внешних условий свойства системы меняются скачкообразно)

Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости (критическое состояние системы, при котором она случайно выбирает один из возможных путей дальнейшего развития)

Рост флуктуаций по мере приближения к точке бифуркации (теоретическое положение и примеры)

Стабилизация флуктуаций за точкой бифуркации (порядок из хаоса)

Синхронизация частей системы в процессе самоорганизации

Понижение энтропии системы при самоорганизации

Повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации

Универсальный эволюционизм как научная программа современности, его принципы:

- всё существует в развитии;

- развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);

- законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;

- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

- устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления