Контрольная работа по «Концепция современного естествознания»

     Принцип суперпозиции представляет собой единство двух моментов: изоляции и наложения. По отношению к методам научного познания и мышления принцип суперпозиции является одной из форм применения аналитического метода в физике. Аналитический метод, как известно, включает в себя не только расчленение целого на части и раскрытие связей между этими частями, но и установление порядка и последовательности этих связей. Свойства целого в анализе определяются в результате сложения, наложения его частей. Когда установлены связи между частями целого и найден принцип построения этих связей, то становится возможной дедукция из этого принципа различных свойств целого, рассматриваемого как сумма, как результат наложения своих частей.

     Все эти особенности аналитического метода выражены в принципе суперпозиции. Объективные основы аналитического метода и принципа суперпозиции одинаково лежат в особенностях внешних проявлений взаимодействия явлений мира. Поэтому принцип суперпозиции и является конкретной формой применения аналитического метода в физике. Отсюда, далее, вытекает, что ограниченность принципа суперпозиции неотделима от ограниченности, присущей аналитическому методу познания мира. Поскольку принцип суперпозиции дает первую приближенную картину взаимодействия, то в качестве именно первого приближения, он применим к изучению всех видов физических взаимодействий явлений мира. Уже в теории строения атомов Н. Бора, в качестве одной из ее методологических предпосылок, выступает признание независимости .атомов друг от друга, т. е. один из моментов принципа суперпозиции. В квантовой механике применение принципа суперпозиции состоит в объединении его с принципом неделимости (прерывности) атомных процессов. И в таком своем сочетании принцип суперпозиции является одной из основ квантовой механики.

     Поскольку квантовые объекты обладают корпускулярными и волновыми свойствами, то и квантовая суперпозиция отражает (путем наложения прерывных и непрерывных изменений) эту особенность внешних взаимодействий в микромире. Так как единство корпускулярных и волновых свойств движения микрообъектов в квантовой механике выражается принципом неопределенности Гейзенберга, то понятно, что принцип суперпозиции в квантовой механике, применяется на основе последнего. В квантовой суперпозиции, как и в классической суперпозиции, рассматриваются взаимодействия отдельных состояний, но с учетом того обстоятельства, что эти состояния обладают и корпускулярными, и волновыми свойствами, т. е. с учетом принципа неопределенности Гейзенберга. Учет этого обстоятельства объясняет, что и вполне определенные суперпозированные состояния необходимо обнаруживают в отношении своих сопряженных параметров объективно необходимую неопределенность»[1,c. 128 -130]

     Блок 5. Концепция необратимости  в термодинамике 

     «Молекулярно-кинетическая теория вещества опирается на три основных принципа:

     11) любое вещество — газообразное, жидкое или твердое — состоит из мельчайших частиц, называемых молекулами;

     2) молекулы любого вещества находятся  в постоянном хаотическом, беспорядочном  движении. Именно на этом основании  теплоту часто определяют как форму беспорядочного движения молекул вещества;

     3) интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества.» [7, C. 144]

     Основываясь на этих принципах и используя  соответствующие идеализации и  допущения, молекулярно-кинетическая теория строит свои модели для объяснения структур и свойств газов, жидкостей и твердых тел. Там, где это возможно, в частности при описании простых систем и процессов, он может быть заменен термодинамическим методом.

     «Классическая термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.

     Вместе  с тем путем точных экспериментов  было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента теплоты впервые установил английский ученый Дж.П. Джоуль, который высказал предположение, что соответствующие эквивалентные отношения должны существовать при превращении других форм энергии в теплоту. В первой половине XIX в. были открыты явления превращения энергии химических реакций в электричество, а позднее — электромагнитной энергии в теплоту. При этом оказывалось, что во всех этих превращениях одна форма энергии переходила в другую в строго определенных количествах.

     Все многочисленные эмпирические факты передачи и превращения тепловой энергии нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики.

     Первый  закон термодинамики, который называют также первым ее началом, утверждает, что во всех тепловых превращениях энергия не возникает из ничего и не исчезает никуда, а остается постоянной. Этот принцип сохранения энергии имеет важнейшее значение для объяснения многочисленных конкретных случаев передачи и преобразования тепловых процессов. В более точном виде его можно сформулировать так:

     Если  к системе подводится тепло ΔQ, то оно идет на приращение ее внутренней энергии ΔU и на совершение работы системой ΔW:

     ΔQ=ΔU + ΔW.

     В целом формула показывает, что  тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы. Из закона сохранения энергии следует невозможность существования вечного двигателя первого рода, который мог бы совершать работу без внешнего источника энергии. Поскольку часть энергии внешнего источника расходуется на тепловые потери, постольку невозможно полностью затратить его энергию на получение работы. Точно так же в природе невозможен процесс, единственным результатом которого было бы изъятие тепла из резервуара при постоянной температуре. Этот факт является иллюстрацией второго закона, или начала, термодинамики:

     Невозможно  получить работу за счет энергии тел, находящихся в  термодинамическом  равновесии.

     Этот  закон термодинамики можно сформулировать проще, как впервые это сделал французский ученый Н. Карно (1796—1832): невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре.

     Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного резервуара при установившейся постоянной температуре.

     Иногда  этот закон выражают в еще более простой форме: тепло не может самопроизвольно перетечь от холодного тела к горячему.

     В дальнейшем немецкий физик Р. Клаузиус (1822— 1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии как особой функции состояния системы, по изменению которой можно судить о направлении термодинамических процессов.

     Энтропия  замкнутой термодинамической  системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, возрастает и достигает максимума в точке термодинамического равновесия.

     В обратимых процессах, какими являются механические явления, энтропия считается  неизменной, потому что механика отвлекается  от реальных изменений, происходящих в движущейся системе. Например, планеты, вращаясь по своим орбитам, с такой точки зрения остаются совершенно неизменными.

     Во  всех необратимых процессах она  возрастает или, по крайней мере, не убывает. Сам Клаузиус ввел понятие энтропии для количественной формулировки второго начала термодинамики, которое определяет направление тепловых процессов. Энтропия характеризует степень вырождения, или обесценения, тепловой энергии или меру необратимости самопроизвольного перехода энергии.

     Впоследствии  австрийский физик Л. Больцман (1844—1906) стал рассматривать тепловые процессы с точки зрения молекулярно-кине-тической теории как хаотическое движение огромного числа молекул. Поскольку с увеличением температуры системы эта хаотичность возрастает, то Больцман стал истолковывать энтропию как рост беспорядка и дезорганизации системы.

     Применив  статистический метод описания, он стал интерпретировать энтропию в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них энтропии, беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным. Больцман установил также связь между энтропией и вероятностью достижения системой такого состояния:- где S обозначает энтропию, а Р — вероятность достижения системой состояния термодинамического равновесия. Если Клаузиус рассматривал энтропию как меру обесценения энергии, то Больцман стал ее интерпретировать как меру дезорганизации системы.

     Об  изменении состояния систем классическая термодинамика могла судить, таким  образом, по увеличению их энтропии. Поэтому  она и выступает в качестве своеобразной стрелы времени, которая показывает, в каком направлении совершается процесс. Сам этот термин впервые ввел в науку английский астрофизик А. Эддингтон для образного представления течения времени. В механических системах о направлении времени говорить не приходится. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, а тем более в реальных природных процессах, которые являются необратимыми.

     Поэтому достижение классической термодинамики  состоит в том, что она впервые  ввела в физику понятие времени, правда, в своеобразной форме, а именно в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток она прошла в своей эволюции. Но и в термодинамике понятие времени существенно отличается от того, как оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющие свою историю. В них понятие времени ассоциируется не только с ростом энтропии и беспорядка, но и с увеличением порядка, организации и совершенствования систем.

     Это противоречие оставалось неразрешенным  почти столетие, вплоть до 60-х гг. XX в., пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается не только на понятие о необратимых процессах, но и на возможность возникновения порядка за счет энергии и вещества из окружающей среды.» [1, с.253 -262] 

     Блок 6. Синергетика и  теория самоорганизации

     Классическое  и неклассическое естествознание объединяет одна общая черта: их предмет познания — это простые (замкнутые, изолированные, обратимые во времени) системы. Однако такое понимание предмета познания является сильной абстракцией. Вселенная представляет собой множество систем. Но лишь некоторые из них могут трактоваться как замкнутые системы, т.е. как «механизмы». Во Вселенной таких «закрытых» простых систем меньшая часть. Подавляющее большинство реальных систем открытые и сложные. Это значит, что они обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

     Среди сложных систем особый интерес вызывают самоорганизующиеся системы. К такого рода сложным открытым самоорганизующимся системам относятся биологические и социальные системы, которые более всего значимы для человека.

     «В 1970-е гг. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании — синергетики. Как и кибернетика, синергетика — это некоторый междисциплинарный подход. Но если в кибернетике акцент делается на процессах управления и обмена информацией, то синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п.

     Методами  синергетики осуществлено моделирование  многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики — существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.» [4, с.633]

  Характеристики самоорганизующихся систем

     Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: