Законы сохранения в механической картине мира

 Аддитивность Прибавление. Значение величины, соответствующей целому объекту равно сумме значений соответствующих его частям, каким бы образом он не был разбит. Например, объем тела равен сумме объемов его частей.

— значение интеграла движения для системы, состоящей из частей, равно сумме значений для каждой из частей в отдельности. Аддитивных интегралов три: энергия, импульс, момент импульса. Для замкнутых систем оказываются неизменными (сохраняющимися) три величины: энергия, импульс, момент импульса.

  В основе закона сохранения энергии лежит однородность времени, т.е. равнозначность всех моментов времени. Замена момента времени t1 моментом времени t2 без изменения значений координат и скоростей материальных точек не изменяет механические свойства систем.

 В основе закона сохранения импульса лежит однородность пространства, что означает одинаковость свойств пространства во всех точках, т.е. параллельный перенос замкнутой системы из одного места пространства без изменения взаимного расположения и скоростей материальных точек не изменяет механические свойства системы. Полный импульс замкнутой системы остается постоянным во времени.     

 В основе закона сохранения момента импульса лежит изотропность пространства, т.е. одинаковость свойств пространства во всех направлениях. Поворот системы как целого не отражается на её механических свойствах. Момент импульса замкнутой системы остается постоянным.

Принцип соответствия.

 Согласно принципу соответствия смена одной естественнонаучной теории другой обнаруживает не только их различие, но и преемственность между ними. Суть данного принципа означает, что каждая новая теория не отвергает начисто предшествующую, а включает ее в себя на правах частного случая. Так законы релятивистской механики переходят в законы классической механики Ньютона, если скорости тел существенно меньше скорости света, а законы квантовой механики приходят к тем же результатам, что и законы классической механики, если можно пренебречь величиной кванта действия.

 Всякая неклассическая теория в соответствующем предельном случае переходит в классическую.

Принцип суперпозиции.

Определяет результирующий эффект от положения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. Он справедлив для систем и полей, описываемых линейными уравнениями (механика, теория колебаний и волновая теория физических полей) — Девятый вал.

В квантовой механики принцип суперпозиции относят к волновым функциям.

Принцип неопределенности.

Впервые сформулировал Гейзенберг В. Суть его в невозможности одновременного точного измерения канонически сопряженных величин и устанавливает так называемое соотношение неопределенности. Например, характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (координата, импульс и т.д.) не могут одновременно принимать точные значения. Он выражает двойственную корпускулярно-волновую природу элементарных частиц и теоретико-вероятностное статистическое описание их взаимодействий.

Принцип дополнительности.

Согласно ему при экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные данные либо о его энергиях и импульсах, либо о поведение в пространстве и времени. Эти данные, полученные при взаимодействии с соответствующими измерительными приборами, «дополняют» друг друга, т.е. корпускулярная картина должна быть дополнена волновым (альтернативным) описанием.

 

Ле Шателье принцип — закон смещения термодинамического равновесия. Внешнее воздействие, выводящее систему из равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся в ней ослабить результаты этого воздействия.

 

3. Структурные уровни организации материи

3.1. Структурность и системность как важнейшие атрибуты материи

Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Поэтому в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход. Согласно ему любой объект материального мира будь то атом, планета, организм или галактика и Вселенная в целом рассмотрена как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке были выработаны понятия «система» и «системность».

Исходным пунктом всякого системного исследования является представление о целостности изучаемой системы.

Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее повышенными интегративными свойствами.

Свойства системы - это не только сумма свойств ее элементов, нечто новое, присущее только системе в целом, то есть это эмерджентность системы. Она определяется взаимодействием элементов системы.

Системность (целостность) - это внутренняя организация материи (Вселенной), обладающая саморазвитием и эмерджентными свойствам и функционирующая по принципу обратных связей.

Эмерджентными называются новые целостные свойства, присущие только данной системе и отсутствующие у отдельных ее элементов. Эти свойства возникают в результате взаимодействия элементов системы, т.е. являются их универсальным свойством.

Недоучет эмерджентности может привести к крупным просчетам при конструировании систем или при вмешательстве человека в функционирование, систем. Чем ниже коэффициент эмерджентности, тем ниже их способность к саморегулированию и устойчивости.

Система представляет собой совокупность элементов и связей между ними.

Понятие «элемент» означает минимальный, далее неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым только по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную систему.

Совокупность устойчивых и специфических связей и взаимодействий между элементами, благодаря которым возникают целостные свойства,

Согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованны системы.

 Связи элементов

Факт наличия взаимоотношений любого рода между частями рассматриваемой совокупности материальных образований назовется связью. Обычно связи подразделяются:

1) по характеру их материальной реализации: вещественных,
энергетические и т.д.;

2) по их месту в структуре: прямые обратные;

3) по характеру их проявления: вероятностные, хаотические,
непрерывные, случайные, регулярные, нерегулярные и т.д.

                                         Структура системы

Структура - это прочная, относительно устойчивая связь (отношение) и взаимодействие элементов, сторон, части предметов, явления, процесса как целого, то есть совокупность всех связей элементов образуют структуру системы. Структурность обеспечивает целостность системы и тождественность самой себе, то есть сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. Если рассматривать материю в целом, тол понятии «структура материи» будет охватывать всё бесконечное существующее многообразие целостных систем, тесно связанных между собой. Это бесконечное многообразие целостных систем, образующих структуру материи существует благодаря устойчивым связям, которые определяют упорядоченность систем. Существуют два типа связей между элементами - по «горизонтали» и по «вертикали».

Связи по «горизонтали это связи координации    между однопорядковыми элементами. Они имеют корректирующий характер: ни один элемент системы не может изменяться без того, чтобы не изменялись другие элементы.

Связь по «вертикали» - это связь субординации, то есть связи соподчинения элементов, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.

Иерархия - это структурная организация сложных систем, которая упорядочивает взаимодействия между уровнями в порядке от высшего к низшему, а в теории организации - это принцип управления.

3. Уровни строения материи

Физическая реальность состоит из трех несводимых друг с другом уровней строения и организации материи. В науке выделяют три уровня строения и организации материи:

1) Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта, пространственные величины выражаются в мм, см, км, а время в сек, мин, часах и годах.

2) Микромир - мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^{-16 см, а время жизни от бесконечности до 10-24}сек.

3) Мегамир (- мир огромных космических масштабов и скоростей,
расстояние в которых измеряется световыми годами, а время существования
миллионами и миллиардами лет.

Хотя на всех уровнях действуют свои специфические законы, микро, макро и мегамир теснейшим образом взаимосвязаны и между ними осуществляется постоянное взаимодействие.Нет четкой границы разделяющей микро- макро - и мегамиры.

3.2. Классы материальных систем

В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы - галактики, системы галактик - метагалактика и наша Вселенная.

В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня, клетки, многоклеточные организмы растительного и животного мира, надорганизменные структуры, включающие виды, популяции, биоценозы и биосферу в целом.

 

              4.Законы природы и их познание.

                                4.1.Основные понятия.

Закон — необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе и обществе. По Ф. Энгельсу — это «форма всеобщности, так он выражает общие отношения, связи, присущие всем явлениям данного рода, класса». Закон является одним из наиболее важных фундаментальных понятий или категорий.

Закон:

· Закон природы — существенная (прямая), необходимая (обратная) связь между элементами ее структуры, которая может находиться в трех состояния: устойчивом, трансформирующемся и повторяющемся.

· Закон — фактологически доказанное утверждение (в рамках теории, концепции, гипотезы), объясняющее объективные факты; либо некое явление, обладающее общностью и повторяемостью и зафиксированное и описанное.

· Закон — набор правил или норм поведения, который определяет отношения между людьми, организациями, государством/государствами.

· Закон — устойчивая повторяющаяся связь между явлениями, процессами и состояниями тел.

· Закон — необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями.

· Закон (лингвистика) — общая закономерность, присущая конкретному языку или человеческому языку вообще.

· Закон Божий — совокупность догматов веры, толкований.

Закономе́рность — необходимая, существенная, постоянно повторяющаяся взаимосвязь явлений реального мира, определяющая этапы и формы процесса становления, развития явлений природы, общества и духовной культуры

Закономерность — объективно существующая, повторяющаяся, существенная связь явлений, т.е. ещё наиболее общая категория.

Законами природы нельзя назвать что-то иное, кроме тех связей между явлениями природы (и событиями), которые мы можем установить эмпирически или средствами логического анализа. Только эти связи мы можем отождествлять с теми правилами, которые действуют в нашем мире и определяют процессы его самоорганизации. Н. Н. Моисеев.

Однако, если законы объективны и действуют помимо воли и сознания людей то не означает ли это, что человек бессилен перед природой. Это не так. Люди научились познавать объективные законы, объяснять и предсказывать сих помощью многообразные явления действительности, а также в какой-то мере подчинять их себе.

     Законы природы:

1. Носят необходимый характер, т.е. закономерные связи являются необходимыми.

2. Всеобщность.

3 Повторяемость.

Закон природы — это существенная связь, которая носит необходимый, всеобщий (повторяющийся) характер.

Законы науки являются отражением законов природы. Они открываются и формулируются учеными и по мере развития научного прогресса становятся все более адекватны законам природы.

Что такое законы природы и в чем их отличие от научного закона? Термин закон многогозначим.

Существует множество типов законов: юридические, природные и т.д.

Существует три основные группы законов:

1.Специфические или частичные (закон сложения скоростей в механики).

2.Законы общие для больших групп явлений (закон сохранения и превращения энергии, закон естественного отбора)

3.Всеобщие или универсальные (закон динамики)

Между общими и частичными законами существует взаимосвязь, общие законы действуют через частичные, а последние предусматривают собой проявление общих.

Законы носят объективный характер, существуют независимо от сознания людей. Познание законов составляет задачу науки, выступают основой людей, природы и общества.

   В природе существует множество связей, среди которых, исходя из системного подхода, есть такие, которые носят случайный, единственный и неустойчивый характер. Есть связи и другого типа: существенные, определяющие характер явлений, их поведение в

определенных условиях. Такие связи и носят название объективных законов или законов природы, например, закон обращения Земли, вокруг Солнца.

  В зависимости от формы связи изучаемых явлений закономерности и законы делятся на функциональные и вероятностные.

  Функциональные законы применимы для простых систем, например закон Ома.

      Вероятностные охватывают те явления, зависящие от ряда факторов. Например, урожайность зерновых культур.

  Q=f (ест. плодородие + осадки + агротехника + организационные причины). Это корреляционные законы.

Законы можно также разделить на динамические и статические (вероятностные).

Динамические законы — это законы, отображающие объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выраженных количественно. Например, законы классической механики Ньютона, т.е. законы, применимые для простых систем. (Земля на орбите характеризуется тремя координатами: время, скорость, положение на орбите — можно рассчитать, что было раньше, что будет в будущем - «демон Лапласа»).

Эти законы являются основой механического детерминизма как составной части детерминизма — учения о причинной материальной обусловленности и определяемости всех происходящих в мире природных, социальных и психологических явлений и процессов со стороны Бога (теологический детерминизм или учение о предопределении), или только явлений природы (космологический детерминизм), или специально человеческой воли (антропологическо-этический детерминизм), для свободы которой, как и для ответственности, не оставалось бы тогда места. Под определяемостью здесь подразумевается философское утверждение, что каждое произошедшее событие, включая и человеческие поступки, и поведение, однозначно определяется множеством причин, непосредственно предшествующих данному событию. Все в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин.

В дальнейшем оказалось, что динамические законы не универсальны и не единственны. Более глубокими законами природы являются не динамические, а статистические — предсказание которых является не определенными, только вероятными. Название получили от характера той информации, которая была использована для их формулировки. Они охватывают и описывают системы, состоящие из большого числа элементов, и характеризуют не столько поведение отдельных элементов, сколько системы в целом.

Заключения, сделанные на них не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными: эволюционная теория Дарвина, квантовая механика.

Например: в 0,5 литровой банке содержится 10 24 молекул воздуха. В принципе, можно рассчитать все их траектории, но всех материальных ресурсов не хватит сделать это до конца «смерти Земли» - 5 млрд. лет, хотя известно, что скорость движения молекул будет зависеть от температуры. Из других можно назвать законы термодинамики, закономерность, объясняющая среднюю продолжительность жизни, рождение мальчиков и девочек и т.п.

Или: наше пробуждение подчиняется суточному движению Земли — это динамический закон, а наша посадка в троллейбус — статистический.

 Динамические и статистические законы наиболее объективны и определяют устойчивость и динамическое и гармоническое функционирование природы. Они указывают, что поведение природы и развитие в целом упорядоченно, а не хаотично.

Изучение динамических и статистических законов позволяет сделать вывод о том, какое значение имеет существование стабильности, повторяемости, порядка в природе для человечества, науки и практической деятельности людей, т.е. не имея ориентиров для познания, для практики человек не будет знать заранее поведение вещей и планомерно организовывать свою собственную деятельность. В таком хаотическом мире была бы невозможна биологическая эволюция, вообще жизнь, не говоря о человеческом обществе.

4.2. Детерминизм и причинность в современной науке.

 

Одной из наиболее актуальных проблем современного естествознания и в частности физики является вопрос о природе причинности и причинных отношений в мире. В физике этот вопрос формулируется в проблеме соотношения динамических и статистических законов с объективными закономерностями.

Два направления: детерминизм и индетерминизм.

Сущностью детерминизма является идея, что все в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин.

Индетерминизм отрицает объективную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.

Для решения проблемы причинности важное значение имеет деление законов и теорий на динамические и статистические (вероятностные).

Если динамические законы имеют в своей сути достоверный и однозначный характер, то предсказания, полученные при применении статистических законов имеют неопределенный, вероятностный характер, но они тоже объективны.

Детерминизм и причинность присутствуют и в тех и в других законах, но в статистических законах он более глубокий, вероятностный. Т.к. статистические законы отражают более объективные связи природы, то и вероятностная причинность является более общей, а динамическая лишь ее частным случаем.

 

            

               4.3. Порядок и хаос. Детерминированный хаос.

Изучение взаимосвязи порядка и хаоса в развитии природы и общества является одной из сложнейших задач современной науки, в том числе и естествознания. Эта проблема присутствует в культуре и науке многих цивилизаций, в том числе и древнейших (Библия, античные древнегреческие мифы и т.д.).

В классической науке, которая изучала механические (закрытые равновесные) системы поведение таких систем можно было представить однозначно точно..Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики, в основе которой лежит закон сохранения и превращение энергии — первое начало (закон) термодинамики.

 Здесь во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. В замкнутых системах перераспределение энергии одностороннее, однонаправленное, проще говоря, от горячего к холодному, к самому простому состоянию (термодинамическому или энергетическому равновесию), то-есть, к хаосу. Для обозначения меры беспорядка системы было введено понятие энтропия (Клаузиус). Поэтому, второе начало термодинамики формулируется так: при самопроизвольных процессах в системах имеющих постоянную энергию энтропия всегда возрастает. Это значит, что система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц, т.е. к самому простому состоянию или хаосу или термодинамическому равновесию. В первую очередь, это относится к механическим системам, в которых энтропия всегда будет возрастать  

  В настоящее время установлено, что хаос может возникнуть в большинстве известных систем (физических, химических, биологических и социальных). Обусловлено это неустойчивостью движения (развития) систем, т.к. практически все реальные системы являются открытыми (незамкнутыми) и диссипативными.

Система называется диссипативной, если в ней происходят процессы перехода упорядоченного движения в неупорядоченное и наоборот.

Открытость системы означает ее взаимодействие с окружающим миром, диссипативность означает рассеивание энергии. Если же имеется приток энергии и вещества извне, то наоборот возникает порядок из хаоса. Состояние, когда в упорядоченной системе появляется хаос получило название детерминированного хаоса». Такая система может разными путями переходить из одного состояния в другое или выбирать разные траектории движения. Такие точки ветвления (расхождения) путем развития системы называется бифуркациями. Между бифуркациями поведение системы подчиняется динамическим законам. Бифуркация может возникнуть даже при очень малых действиях на систему. При этом процессы идут само произвольно. Для таких систем становится невозможным указать однозначно путь эволюции, и поведение системы приобретает вероятностный характер.

При наличии бифуркации даже небольшое воздействие на систему может привести к непредсказуемым результатам, коренным образом изменив эволюцию системы.