Естественно - научные концепции развития процессов в природе

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет)

Факультет «Экономика и управление»

Кафедра «Экономическая теория и мировая экономика»

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА  
ПО КУРСУ «Концепция современного естествознания»

  Тема: Естественно - научные концепции развития процессов в природе

 

                                         Выполнил: Галиева Валентина

                     Студент группы: 216

                                                   Проверил: Никифоров Сергей Алексеевич

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск 2014

 

Оглавление:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Представления о самоорганизации процессов в природе.

Cинергетика - это возникшее в  последние десятилетие междисциплинарное  научное направление, изучающее  процессы самоорганизации сложных (диссипативных) систем. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным.

Наряду с равновесными структурами, которые хорошо описываются в рамках равновесной термодинамики (например, кристалл),существуют такие упорядоченные структуры, как вихри в потоке воды, объекты живой природы, а также антропогенные объекты самого различного характера - от лазеров до поселков и городов.

"Старое не разрушается, но исчезает, расплывается благодаря созданию нового, и часть этого нового оказывается сущею в старом, хотя она и не была в нем видна" В. И. Вернадский

Синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями подводит в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию, выход из которого происходит одномоментно, скачком и система переходит в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и  упорядоченности. Достигая критических параметров, система в результате флуктуаций приходит в состояние неустойчивости (точка  бифуркации), а затем переходит в одно из многих возможных, новых для нее устойчивых состояний. В этой точке эволюционный путь системы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана - решает случай! В точках бифуркаций (катастроф) шумовая окружающая среда, увеличивая информационную избыточность системы, определяет ее "выбор". После того как "выбор" сделан,  система перешла в качественно новое устойчивое состояние. Этот процесс необратим. А отсюда следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но какой именно будет выбран - однозначно спрогнозировать нельзя.

Самоорганизующаяся система.

Существуют общие качественные процессы самоорганизации (дарвинская триада):

1) изменчивость (мутации, стохастичность);

2) отбор;

3) наследственность (гены, память, культура).

  Синергетика охватывает физику, химию, биологию, социологию, языкознание, лингвистику и т. д. и ищет общие  аналогии и закономерности. Она  изучает вопросы самоорганизации  и поэтому стремится дать картину развития и самоорганизации сложных систем, чтобы применять эти знания в практике управления. Синергетика, пытаясь формально описать явления самоорганизации, не раскрывает их механизма. В точках бифуркации действуют неизвестные процессы, силы, поля. Пока этой реальности не придать статус физической сущности, подлежащей научной интерпретации, она будет лишь предметом веры. Мерой, характеризующей степень самоорганизации, по Ю. Л. Климонтовичу, может служить отношение  к

|S-S0|/S0, где S - значение энтропии с уже развитыми структурами, S0 - значение энтропии системы, когда структур еще нет. При образовании одного килограмма льда изменение энтропии S = 1,23*10^3 Дж/К, изменение энтропии в предшествующем фазовом переходе (конденсации) воды S0 = 0,6*10^4 Дж/К. Вышеупомянутое отношение составляет 0,8. Эта мера самоорганизации применима  к любым диссипативным структурам.

Синергетика претендует на универсальное математическое описание процессов самоорганизации в неживой, живой природе и социуме. Объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые отвечают определенным условиям появления структур и процессов самоорганизации: взаимодействие системы с окружающей средой (обмен энергией, информацией), т. е. система должна быть термодинамически открытой; существенное отклонение от равновесного состояния, т. е. от термодинамической ветви; микроскопические процессы происходят согласованно.

Таким образом, наряду с адаптационными процессами происходят резкие изменения, приводящие к разрушению старых систем и к появлению новых. Моменты или условия гибели старого можно предсказать, но процессы образования нового не представляется возможным описать в рамках как динамических, так и статистических закономерностей.

Глава 2. Естественно-научная концепции развития и эволюции Вселенной.

В последние десятилетия развивается представление о том, что материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию все более сложных и упорядоченных систем разного уровня. Представление о разрушительной тенденции материи сформировалось в результате развития двух отраслей классической физики – статистической механики и термодинамики, – которые описывают поведение изолированных (замкнутых) систем, т. е. систем не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию – термодинамическому равновесию, которое эквивалентно хаосу, когда отсутствует какая-либо упорядоченность и все виды энергии переходят в тепловую, в среднем равномерно распределенную между всеми элементами системы. В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной, которая полагалась замкнутой системой. Из этого следовал вывод о деградации Вселенной – ее тепловой смерти.

Известно, что все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми, т. е. Они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В таких системах возможно образование нарастающей упорядоченности. На данной основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем. Самоорганизацией принято называть природные 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. Критическое состояние характеризуется крайней неустойчивостью, которой завершается плавное эволюционное развитие открытой неравновесной системы.

В последние десятилетия исследования процессов самоорганизации производятся в трех направлениях: синергетика, термодинамика неравновесных процессов и математическая теория катастроф.

Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) структуры, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень упорядоченности, т. е. уменьшается энтропия. Основа синергетики – термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн. Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять трем условиям: открытость, существенная неравновесность и скачкообразный выход из критического состояния.

Открытость означает незамкнутость системы, для которой возможен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности. Примером самоорганизующейся системы может служить оптический квантовый генератор – лазер. При его работе соблюдаются три перечисленные условия: открытость системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение.

«Повсюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивости. Интересно отметить что такая картина наблюдается на всех уровнях – в области элементарных частиц, в биологии, в астрофизике», – так считает один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, лауреат Нобелевской премии 1977 г. бельгийский физик и физикохимик И.Л. Пригожий.

Сложная неравновесная система может перейти из неустойчивого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход – дело случая. В системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, при одной из которых инициируется скачок в конкретное устойчивое состояние. Процесс скачка однообразный и необратимый. Критическое значение параметров системы, при которых возможен переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.

Самоорганизация включает случайное и закономерное в развитии любых систем, в котором можно выделить две фазы: плавную эволюцию, ход которой достаточно закономерен и детерминирован, и скачок в точке бифуркации, протекающий случайно и поэтому случайно определяющий последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в точке бифуркации. Прямое отношение к концепции самоорганизации имеет математическая теория катастроф, описывающая различные скачкообразные переходы, спонтанные качественные изменения и т. п. В теории катастроф применяется довольно сложный математический аппарат – топологическая теория динамических систем.

Концепция развития процессов в природе включает три положения: системность, динамизм и самоорганизацию.

Системность заключается в упорядоченной, структурной организации материи, при которой Вселенная – самая крупная из известных науке систем, на определенных этапах развития которой образуются разномасштабные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравновесностью. Внешней средой для любой подсистемы служит материальная подсистема более крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и веществом. Предполагается, что внешней средой для Вселенной служит физический вакуум. Любая подсистема Вселенной, например, галактика, Солнечная система, планета, биосфера, человек и т. д. представляет собой целостное материальное образование, обладающее определенной автономией и собственным путем развития, но остающаяся неотъемлемой составной частью целого.

Для системы любого масштаба характерен динамизм, означающий ее развитие, движение. Без развития, без движения невозможно существование реальной системы, вне зависимости от степени ее упорядоченности.

В процессе развития присущая материальным системам способность к усложнению приводит к образованию упорядоченных структур, т. е. происходит самоорганизация систем. В усложнении систем различают два взаимосвязанных механизма: объединение частей и разделение (фракционирование) систем. Такие механизмы характерны для всех уровней сложности и упорядоченности, начиная с микромира и кончая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях сложности системы в основе развития лежат силы, казалось бы, разной природы, но в конечном счете сводящиеся к четырем фундаментальным взаимодействиям. Так, на ядерном уровне организации материи сильное взаимодействие выступает в роли ядерных сил, объединяющих нуклоны в ядра, а слабое взаимодействие – в роли их радиоактивного распада. На атомном уровне функции объединения и фракционирования выполняет электромагнитное взаимодействие в форме притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов. На молекулярном уровне электромагнитное взаимодействие обеспечивает химическую связь. В основе объединения и фракционирования структур Вселенной лежат гравитационные и электромагнитные силы.

Поиск истоков самоорганизации требует более глубокого, чем сегодня, проникновения вглубь строения вещества.

Для направленного развития любая система должна обладать способностью накапливать, хранить и использовать информацию, а это означает, что неотъемлемой частью самоорганизации является ее информативность. В этом вопросе пока много неясного. В то же время на сегодняшний день удалось выяснить принцип решения природой хранения и передачи информации лишь на одном примере – на примере генного механизма, управляющего структурой и направлением развития живых систем.

В концепции развития решается вопрос соотношения случайного и закономерного. Эволюционные этапы развития вполне детерминированы. При эволюционном развитии поведение системы предсказуемо и даже управляемо при наличии необходимых средств управления. В критических точках – точках бифуркации, – достигаемых на завершающей стадии эволюции, господствует случайность. Точку бифуркации можно образно представить в виде перекрестка с несколькими ответвлениями пути, и на нем, как в сказке, выбор пути означает и выбор судьбы.

Следует подчеркнуть особую роль случайности в процессе самоорганизации на завершающей стадии эволюционного развития. Именно случайность определяет возможность перехода системы в более упорядоченное состояние. Можно привести множество примеров, когда подобного рода случайные переходы хотя в принципе и возможны, т. е. вероятность их не равна нулю, но в реальном случае вероятность настолько мала, что их достижение с большой степенью достоверности можно считать практически не реализуемым. Можно считать, например, что вероятность процесса сборки часов из случайно разбросанных деталей отлична от нуля, но при этом трудно представить, что из деталей без вмешательства человека случайно образуется упорядоченная структура – часы. В этой связи полезно помнить, что концепция самоорганизации и синергетический подход, как и многие другие концепции, идеи и даже фундаментальные законы, имеют вполне определенную область применения. Судя по возрастающему потоку публикаций, можно заключить, что идеи самоорганизации и синергетики пытаются внедрить во многие отрасли науки и распространить их на многие объекты, начиная со Вселенной, кончая обществом и человеком. Конечно же, такая тенденция не может не привести к ошибочным результатам, что, естественно, сдерживает процесс поступательного развития естествознания и науки в целом.

Глава 3. Этапы образования и развития Вселенной.

В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границе наблюдаемой Вселенной, были обнаружены удивительные объекты, получившие название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечник их составляет около нескольких световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозного количества энергии, все еще остается неясным. Но все же достигнуты некоторые успехи в решении другого вопроса: какое место занимают квазары в ряду других объектов Вселенной? Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и ядрами некоторых галактик, проявляющими особенно высокую активность. Как уже отмечалось, квазары -– весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем. Это связано с конечной скоростью распространения света. Хотя она и составляет около 300 тыс. км/с, даже при такой огромной скорости для преодоления космических расстояний необходимы десятки, сотни и даже миллиарды лет. Так что, глядя на небо, мы видим объекты Вселенной – Солнце, планеты, звезды, галактики – в прошлом. Причем различные объекты – в разном прошлом. Например, Полярную звезду – такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием на 2 млн. лет.