Развитие представлений о материи, энергии, движении,

ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Материя, энергия, движение, пространство и время являются основными понятиями физики. Физика изучает общие природные закономерности, к которым относятся и самое простое механическое движение материальной точки и такие сложные процессы, в результате которых могут возникать живые организмы. От уровня развития физических знаний зависит и мировоззрение в обществе и технологии, имеющиеся в нем.

Новые открытия в области физики меняли и будут менять в будущем устоявшиеся представления об окружающем мире. На основе этих открытий создавались и будут создаваться новые картины мира и новые технологии.

Материя – это то, что существует реально, воздействует на органы чувств человека и на другие природные объекты. Понятие материи в истории науки не раз уточнялось. Этому способствовали новые открытия в области физики.

Вначале материей считали только вещество (т.е. то, что имеет массу). В это время материи противопоставляли сознание (т.е. то, что не имеет массы). Именно поэтому в философии сформировались два противоположных направления – материализм и идеализм. Материалисты считали первичной материю, идеалисты – сознание (дух). Вещество – первый вид материи.

Второй вид материи (физическое поле, или просто поле) открыли в первой половине ХIX века. Поле не имеет массы покоя, существует только в движении, создается вещественными объектами и обнаруживается также по действию на вещественные объекты. Поле – это то, посредством чего вещественные объекты определенного типа воздействуют на другие вещественные объекты такого же типа (например, любая масса воздействует на другую массу при помощи гравитационного поля, любой электрический заряд воздействует на другой электрический заряд путем электрического поля и т.д.).

В классической физике, которая изучает объекты макромира и мегамира, вещество и поле противопоставлены друг другу.

Макромир – это привычный нам мир макрообъектов (машин, людей, других живых организмов и т.д.), в котором действуют законы классической механики, электродинамики, термодинамики. Мегамир – это мир планет, звезд, галактик. Микромир – это мир молекул, атомов и элементарных частиц, в котором действуют законы квантовой физики.

В квантовой физике, созданной вХХ в., считается, что поле представляет собой поток особых частиц, которые называются квантами поля (т.е. порциями поля). Например, кванты электромагнитного поля называют фотонами (они экспериментально обнаружены), кванты гравитационного поля называют гравитонами (они экспериментально не зарегистрированы).

Если у частицы нет массы покоя, то она находится все время в состоянии механического движения. В вакууме лишенные массы покоя кванты полей двигаются со скоростью света с=3·10⁸ м/с. В веществе скорость распространения квантов поля меньше скорости света в вакууме, т.к. вещество оказывает сопротивление любому движению.

Известно 4 вида полей и 4 вида соответствующих фундаментальных взаимодействий: гравитационное; электромагнитное; сильное (ядерное) и

слабое (проявляется в процессах b-распада ядер атомов и некоторых элементарных частиц (например, нейтронов)).

Впервые понятие «поле» введено в первой половине ХIХ в. английским физиком М.Фарадеем (1791-1867) при изучении электрических и магнитных явлений.

В ХХ в. был выделен 3-й вид материи – физический вакуум. До начала 30-х гг. ХХ в. считалось, что вакуум - это пустота (т.е. область пространства, где нет вещества и поля). Французские ученые Ирен (1897-1956) и Фредерик (1900-1958) Жолио-Кюри обнаружили, что из вакуума при определенных условиях (при поглощении гамма-кванта электромагнитного поля) могут рождаться вещество и поле. Причем возникновение вещества наблюдается в виде пар: частица + античастица. Например, можно наблюдать появление из вакуума пары электрон+позитрон (позитрон – античастица электрона):

Электрон	Позитрон
e¯ = - 1.6 · 10^-19 Кл (электрический заряд)	e^+ = 1.6 · 10^-19 Кл (электрический заряд)
m e¯ = 9.1 · 10^-31 кг (масса покоя)	m e+ = 9.1 · 10^-31 кг (масса покоя)

Античастицы имеют такие же характеристики, как и соответствующие им частицы, за исключением знаков всех зарядов.

Появление электрона и позитрона из вакуума означает, что одновременно с ними возникают электромагнитное и гравитационное поля.

Впоследствии было установлено, что вакуум может забирать обратно вещество и поле. Процесс взаимного уничтожения частицы античастицей, сопровождаемый рождением кванта поля, называется аннигиляцией.

Вакуум является исходным видом материи, первичным по отношению к веществу и полю.

Все виды материи обладают энергией. Следовательно, можно утверждать, что материально то, что обладает энергией. В начале ХХ века А.Эйнштейн (1879-1955) предложил универсальную формулу, связывающую массу с энергией:

 

E = mc²,

 

где с – скорость света в вакууме, равная 3 · 10⁸ м/с.

Энергия покоящегося объекта: E_пок = m_пок · с² (где m_пок – масса покоя). Энергия покоя пары электрон + позитрон: E_{e- + e+} = 2m_ec².

В природе действует закон сохранения энергии, согласно которому энергия не исчезает и не создается, а переходит из одной формы в другую. Этот закон является обобщением опытных данных. Количественная формулировка закона сохранения энергии была дана в ХIX в. немецкими учеными Р.Майером (1814-1878) и Г.Гельмгольцем (1821-1894), однако идея этого закона была выдвинута еще в ХVIII в. русским ученым М.В.Ломоносовым (1711-1765) после того, как он установил закон сохранения массы в химических реакциях.

Принципиальным отличием вещества от поля является то, что вещественные объекты не могут двигаться со скоростью света в вакууме. С такой скоростью могут двигаться в вакууме только кванты поля. Скорость света в вакууме – предельная скорость передачи взаимодействий в нашей Вселенной.

Движение – это: 1) любое изменение, происходящее в окружающем мире;2)форма существования материи.Существуют различные виды движения (возможно существование и неоткрытых видов): механическое; тепловое; ядерное; биологическое; социальное и т.д.

Пространство – это философская категория, вводимая для обозначения порядка расположения объектов в окружающем мире.

Время – это философская категория, которая вводится для обозначения порядка следования процессов в окружающем мире.

До начала ХХ века считалось, что пространство и время первичны по отношению к материи и что они могут существовать независимо от нее. Такое представление о пространстве и времени сформировалось в античное время и было закреплено в классической механике И.Ньютоном (1643-1727) в ХVII веке.

И.Ньютон полагал, что пространство может быть и пустым (без материальных объектов) и что время всегда и везде идет одинаково.

После создания в начале ХХ в. специальной (1905 г.)и общей (1916 г.) теорий относительности(СТО и ОТО) было установлено, что материя формирует вокруг себя пространство и время и что без материи их быть не может.

Любая масса своим гравитационным полем искривляет вокруг себя пространство (в искривленном пространстве не может быть плоскостей и прямых линий) и замедляет время по сравнению с тем временем, которое формируется вблизи массы с меньшей гравитацией. Выводы о гравитационном замедлении времени и искривлении пространства были получены в ОТО.

Из СТО следует, что при движении время замедляется, а пространство в направлении движения сжимается. Замедление времени и сжатие пространства, связанные с движением, называются релятивистскими, т.к. они тем заметнее, чем ближе скорость движения к скорости света в вакууме.

Для пространства и времени характерна симметрия. Симметрия пространства проявляется в его однородности и изотропности, а симметрия времени – в его однородности.

Однородность пространства – это независимость хода физических процессов от выбора начала отсчета координатной системы (ход физического процесса не зависит от того, где будет находиться наблюдатель за ним).

Изотропность пространства – это независимость хода физических процессов от выбора направления осей координатной системы (ход физического процесса не зависит от того, в каком направлении будут за ним наблюдать).

Однородность времени – это независимость хода физических процессов от выбора начала отсчета времени (ход физического процесса не зависит от того, когда за ним начали наблюдать).

Симметрия пространства и времени свидетельствует о первичности физических законов по отношению к наблюдателю.

Немецкий математик Э.Нетер (1882-1935) доказала теорему, согласно которой с однородностью пространства связан закон сохранения импульса, с изотропностью пространства - закон сохранения момента импульса, а с однородностью времени - закон сохранения энергии.

 

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ЭВОЛЮЦИИ МАКРОСИСТЕМ

Общие положения. Эволюция - это изменения в окружающем мире. Любой эволюционный процесс характеризуется определенной направленностью, а свойства явлений и процессов на каждом уровне организации материи определяются результатом предшествующего развития.

Первые эволюционные взгляды возникли в глубокой древности. В ионийской школе древнегреческой философии, представителями которой были Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский, были выдвинуты идеи о развитии мира из хаоса. В античной эстетике хаос, с которым связывалось нечто бесформенное, расплывчатое и неопределенное, противопоставлялся гармонии, означающей определенность, единство и наличие формы. Гераклит (конец VI - начало V вв. до н.э.), утверждая, что «все течет» и «в одну реку нельзя войти дважды», одним из первых сформулировал принцип эволюции, сущность которого заключается в неизбежности развития.

Философы Средневековья считали гармоническую организацию мира результатом творения бога, а мыслители эпохи Возрождения - результатом развития творческих начал самой природы и общества, результатом единства телесного и духовного, материального и идеального.

В западноевропейской философии ХVII-ХIХ вв. идеи об универсальных структурообразующих и эволюционных закономерностях в природе и обществе получили дальнейшее развитие. Немецкий философ Г. Гегель (1770-1831) установил, что источником развития является противоречие, и сформулировал три основных закона диалектики (учения о развитии): закон перехода количественных изменений в качественные, закон единства и борьбы противоположностей и закон отрицания отрицания. Он писал: «Всякое явление противоречиво в том смысле, что оно само из себя развивает те элементы, которые рано или поздно положат конец его существованию, превратят его в собственную противоположность. Все течет, все изменяется, и нет силы, которая могла бы задержать это постоянное течение, остановить это вечное движение; нет силы, которая могла бы противиться диалектике явлений».

Большое значение для развития эволюционных взглядов имели учения об изменчивости и приспособлении живых организмов на Земле, первые из которых сформировались в античное время.

Современным естественно-научным представлениям об эволюции макросистем и о ее возможных направлениях предшествовали две научные теории, созданные в XIX в., - классическая термодинамика и учение Ч. Дарвина о биологической эволюции.

Классическая термодинамика изучает процессы развития в изолированных (замкнутых)макросистемах (природная макросистема содержит огромное число частиц N (N ≥ N_А, где N_А=6.02·10²³ моль^-1 - число Авогадро); в обществе макросистемой можно считать систему, в которой содержится около 100 элементов и более) вблизи состояния термодинамического равновесия. Замкнутой называется система, которая не обменивается веществом, энергией или информацией с окружающей средой.

Второе начало, или второй закон термодинамики, устанавливает, что любая замкнутая макросистема с течением времени переходит в состояние равновесия и не может его покинуть без внешних организующих воздействий.

В равновесном состоянии в системе устанавливается наибольший беспорядок, а упорядоченные процессы отсутствуют. Количественной мерой беспорядка в любой системе является специальная величина, называемая энтропией и обозначаемая S. Понятие энтропии было введено немецким физиком Р.Клаузиусом (1822-1888) в 1865 г. Чем больше беспорядка в системе, тем выше ее энтропия. В физике энтропия определяется как отношение энергии беспорядочных процессов, происходящих в системе, к ее абсолютной температуре (абсолютная температура – это температура, выраженная в кельвинах). Энтропия системы равна сумме энтропий ее частей. Приборов, измеряющих эту величину, нет. Рассчитать энтропию количественно можно только для самых простых систем, близких к состоянию равновесия. Согласно второму закону термодинамики, который также называют законом роста энтропии, энтропия замкнутых систем либо не изменяется (в равновесном состоянии), либо возрастает и достигает своего максимального значения в состоянии равновесия. Нулевая энтропия соответствует отсутствию беспорядочных процессов, т.е. абсолютному порядку. Таким образом, энтропия является неотрицательной величиной.

Второе начало термодинамики сформулировано как фундаментальный закон природы французским физиком Н.Л.С.Карно (1796-1832) в 1824 г., Р.Клаузисом в 1850 г. и английским физиком У.Томсоном (бароном Кельвином) (1824-1907) в 1851 г. в различных, но эквивалентных формулировках. Р.Клаузиус сформулировал его следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Это утверждение является обобщением опытных данных о том, что в естественных условиях тепло самопроизвольно всегда переходит от системы с большей температурой к системе с меньшей температурой. Согласно формулировке У.Томсона, невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепловой энергии (энергии беспорядочного движения атомов и молекул в веществе) в упорядоченную работу (часть тепла при этом будет рассеяна в окружающей среде). Н.Л.С.Карно первым изучил общие принципы работы тепловых машин – устройств, преобразующих тепло в механическую работу. В них тепловая энергия перемещается от горячего тела (например, от пара) к холодному (например, к воде), и при этом часть тепла переводится в механическую работу.

Из второго закона термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя 2-го рода, т.е. устройства, которое в результате кругового процесса полностью преобразовывало бы теплоту в работу, что эквивалентно совершению полезной работы за счет энергии системы, находящейся в состоянии равновесия. Поэтому чтобы совершить механическую работу за счет тепла, полученного от внешнего источника, необходимо заставить контактировать этот источник (нагреватель) с охладителем. Только в такой неравновесной системе в процессе теплообмена между ее частями (нагревателем, рабочим телом и охладителем) можно часть тепловой энергии перевести в работу.

Из невозможности создания вечного двигателя второго рода следует теорема Карно, сущность которой в том, что коэффициент полезного действия (отношение полезной работы к затраченной энергии) любого теплового двигателя не превосходит величины h=(Т₁-Т₂)/Т₁ (Т₁ – температура нагревателя, Т₂ – температура охладителя). Величину для максимального КПД тепловых машин Карно получил в ходе исследования возможностей повышения эффективности действия реальных тепловых машин.

Второе начало термодинамики можно также сформулировать и так: нельзя извлечь полезную работу из системы, имеющей один энергетический уровень. Состояние термодинамического равновесия макросистемы характеризуется определенным значением тепловой энергии, которая однозначно связана с температурой системы (температура пропорциональна средней кинетической энергии беспорядочного (теплового) движения молекул). Поэтому извлечь тепло такой макросистемы и перевести его в работу (что эквивалентно созданию вечного двигателя 2-го рода) в соответствии со вторым началом термодинамики невозможно. Но если в системе существуют, например, два энергетических уровня, то энергия может переходить с более высокого уровня на более низкий. В соответствии с выражением для максимального КПД тепловых машин, полученным Карно, в изолированной тепловой машине со временем разность Т₁-Т₂ будет уменьшаться, т.к. тепло необратимо будет перетекать от нагревателя к холодильнику, пока их температуры не станут равными. А это означает, что доля запасенной в такой машине тепловой энергии, которую можно перевести в работу, постепенно будет уменьшаться. Доля же тепловой энергии, недоступной для такого превращения, со временем будет увеличиваться. Все это свидетельствует о том, что замкнутая неравновесная система постепенно перейдет в равновесное состояние, энергия которого недоступна для превращения в работу.

Существование в системе различных энергетических уровней можно рассматривать как наличие в ней определенной структуры, порядка. Выравнивание энергий эквивалентно разрушению структуры в системе, т.е. переходу от порядка к беспорядку. Поэтому, когда энергия в системе осуществляет переход в направлении, определяемом вторым началом термодинамики, беспорядок, который соответствует максимальной выравненности и симметрии, в ней увеличивается.

Австрийский физик Л. Больцман (1844-1906) дал статистическое обоснование второго закона термодинамики: природные процессы стремятся перевести макросистему из менее вероятного (с меньшим беспорядком) в более вероятное состояние (с большим беспорядком). Таким образом, любой порядок стремится к беспорядку, а полный беспорядок может перейти в порядок только при внешних воздействиях. Энтропия – статистическое понятие, которое используется для характеристики большой совокупности объектов. Для отдельных элементов это понятие не имеет никакого смысла. Второе начало термодинамики также является статистическим законом. Оно определяет тенденцию развития макросистем в природе и обществе. Однако в отдельных случаях энтропия системы может самопроизвольно уменьшаться. Т.е. отклонения от второго начала термодинамики возможны, но маловероятны.

Статистический (вероятностный) смысл энтропии, который установил Л.Больцман, выражается следующей формулой:

S=k lnГ,

 

где S – энтропия, k – постоянная Больцмана, равная 1.38·10^-23 Дж/К, Г – термодинамическая вероятность, или статистический вес состояния системы, равный числу способов, которыми можно реализовать данное макросостояние системы. Окончательный вид взаимосвязи энтропии с термодинамической вероятностью в виде представленной формулы установил немецкий физик М.Планк (1858-1947).

Второе начало термодинамики установило необратимость и направленность реальных термодинамических, а затем и большинства других природных процессов. Необратимость означает невозможность вернуться в прошлое (абсолютно точно повторить его), что связано с наличием стрелы времени, т.е. несимметричностью процессов во времени. Например, тепло самопроизвольно не может переходить от более холодного тела к более горячему; все люди с возрастом стареют; никто не наблюдал переход звезд со стадии термоядерного синтеза гелия из водорода на стадию протозвезды; любое взаимодействие измерительного прибора с объектом измерения нарушает его первоначальное состояние и т.д. Необратимый рост энтропии ведет к распаду (смерти) макросистемы.

Вначале закономерности развития макросистем были исследованы при изучении тепловых явлений. Затем было показано, что аналогичные процессы происходят в любых макросистемах в природе и обществе. Второе начало термодинамики устанавливает ограничения на возможность перехода беспорядка в порядок и, в частности, на превращение тепла в работу, и задает общее направление природных и общественных процессов – направление в сторону роста энтропии.

Второй закон термодинамики определяет необратимый характер эволюции замкнутых систем. У.Томсон и Р.Клаузиус, применив его к развитию Вселенной, которую они считали изолированной системой, пришли к выводу о неизбежности ее тепловой смерти, т.е. о неизбежности ее перехода в равновесное состояние. Однако в настоящее время считается, что наша Вселенная не является замкнутой системой (из квантовой теории поля следует, что она взаимодействует с физическим вакуумом; существует популярная современная гипотеза о том, что есть и другие вселенные, с которыми наша Вселенная может взаимодействовать). Поэтому тепловая смерть в ближайшее время ей не грозит.

Большинство систем в природе и обществе далеки от состояния равновесия. Это связано с тем, что создать условия, при которых систему можно считать замкнутой, практически невозможно. В теории английского ученого Ч.Дарвина (1809-1882), изучающей эволюцию живого мира на Земле путем преобразования одних биологических видов в другие, рассматриваются открытые системы, т.е. системы, обменивающиеся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Такие системы находятся вдали от равновесного состояния. Ч.Дарвин указал движущие силы биологической эволюции (наследственность, изменчивость и естественный отбор) и определил, что она идет без целенаправленного внешнего вмешательства преимущественно в направлении усложнения строения и функций живых организмов, т.е. в направлении роста упорядоченности. Таким образом, было установлено, что развитие биосферы на Земле происходит с понижением энтропии.

Объединить эволюцию термодинамическую с эволюцией биологической пытался Л.Больцман. Однако ему не удалось разгадать закономерностей превращения хаоса в порядок.

Согласно современным естественно-научным взглядам, в развитии систем могут наблюдаться две противоположные тенденции - самоорганизация и деградация. Упрощение систем - не синоним времени. Самоорганизация - это самопроизвольное (без внешних организующих воздействий) усложнение структуры системы благодаря взаимодействию большого числа ее подсистем, в результате которого в ней происходит создание более упорядоченных структур. Энтропия системы в процессе самоорганизации понижается. Деградация - это упрощение системы, переход из состояния с большим порядком в состояние с меньшим порядком. Деградация сопровождается разрушением системных структур. Ее предельным случаем является полный распад (смерть) системы, т.е. переход в равновесное состояние. Энтропия деградирующей системы с течением времени возрастает.

Так как беспорядок - явление более вероятное, чем порядок, деградация неизбежна. При определенных условиях в открытых макросистемах может наблюдаться локальное понижение энтропии. Однако оно сопровождается увеличением беспорядка в окружающей данную систему среде, что связано с глобальным ростом энтропии, всеобщий характер которого определяется вторым началом термодинамики. Например, чтобы где-то во Вселенной в настоящее время образовалась звезда, необходимо достаточно большое количество вещества, которое можно получить только путем разрушения старых звезд, разбрасывающих при взрывах свою материю в окружающее пространство. При этом на образование новой звезды расходуется не все взорвавшееся вещество. Таким образом, чтобы что-то создать, надо перед этим что-то разрушить, причем количество разрушенного должно превышать количество создаваемого. Созидание всегда «оплачивается» разрушением.

Общие закономерности эволюционной самоорганизации в природе и обществе в настоящее время изучаются в относительно новом междисциплинарном научном направлении - синергетике. Этот термин ввел в начале 70-х гг. XX в. немецкий физик-теоретик Г. Хакен.

Эволюционная самоорганизация в окружающем нас мире шла в следующем направлении: неживая природа, предбиологическая природа, живая природа, общество.

Бельгийский ученый российского происхождения И.Р.Пригожин (1917-2003) одним из первых сформулировал общий принцип возникновения новых упорядоченных структур в процессах развития. Он является основателем неравновесной нелинейной термодинамики, изучающей универсальные закономерности образования пространственно упорядоченных структур в открытых системах вдали от состояния термодинамического равновесия. Устойчивые пространственно неоднородные (упорядоченные) структуры, возникающие в результате развития неустойчивостей в однородной неравновесной диссипативной среде, И.Р.Пригожин назвал диссипативными структурами. Диссипативная среда - это система, в которой энергия упорядоченных процессов необратимым образом переходит в энергию хаотических процессов. В неравновесных диссипативных открытых системах поглощение энергии может компенсироваться поступлением ее из окружающей среды. В 1947 г. И.Р.Пригожин доказал теорему, названную впоследствии теоремой Пригожина, согласно которой при внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния, стационарное состояние соответствует минимальной энтропии. В 1977 г. за работы по химической термодинамике И.Р.Пригожину была присуждена Нобелевская премия по химии.

Другой основоположник синергетики Г.Хакен первым стал изучать спонтанное возникновение упорядоченных макроструктур из неустойчивых состояний, в которых может находиться любая неравновесная макросистема.

При экспериментальном изучении самоорганизующихся систем в физике, химии, биологии, геологии, космологии, социологии, экономике, информатике и их моделировании с помощью соответствующих дифференциальных уравнений были установлены универсальные закономерности их эволюционного развития. Следует отметить, что уравнения, моделирующие необратимые во времени процессы, при замене t на -t должны менять свой вид.

Перечислим необходимые условия самоорганизации.

1. Самоорганизация может протекать только в неравновесных макросистемах, т.е. неравновесность может быть источником порядка.

2. Для того чтобы в макросистеме могли происходить процессы самоорганизации, она должна быть сложной, т.е. содержать достаточно большое количество взаимодействующих подсистем.

3. Системы, в которых может наблюдаться самоорганизация, должны быть открытыми.

4. Самоорганизация может идти только в диссипативных средах.

5. Для самоорганизации необходимо развитие неустойчивостей при приближении системы к состоянию, называемому точкой бифуркации, выход из которого осуществляется путем скачка системы в одно из возможных качественно новых состояний.

Самоорганизация - это возникновение диссипативных структур, появление которых связывают с переходом систем в менее симметричное, но более устойчивое состояние. Образование диссипативных структур рассматривается как катастрофа, которая связывается со скачком системы в качественно новое состояние при случайных изменениях в ней.

Поведение самоорганизующейся системы в наибольшей степени зависит от самых неустойчивых элементов, или факторов, называемых параметрами порядка. Например, для фазового перехода «газ-жидкость» параметром порядка является плотность вещества; во время кризиса российской экономики в августе 1998 г. параметром порядка являлся курс рубля к устойчивым иностранным валютам. Определяющая роль наиболее неустойчивых переменных в процессах самоорганизации называется принципом подчинения.

Параметры порядка немногочисленны. Они управляют, «дирижируют» поведением всех остальных переменных системы, и именно для них удается составить и исследовать математические уравнения, моделирующие процессы в системе.

Развитие отличается от других динамических процессов, например, от процессов роста, тем, что развивающаяся система при накоплении в ней количественных изменений переходит в качественно новое состояние, и этот переход происходит скачком, который, однако, может быть растянутым во времени. Процесс биологического видообразования, как следует из уравнений популяционной генетики, имеет скачкообразный характер. В социальных системах смена общественно-экономических формаций также происходит скачком. И.Р.Пригожин сформулировал принцип развития как последовательное прохождение системой состояний, в которых нарушается единственность решения уравнения для параметра порядка. Такие состояния называются точками бифуркаций.

Вблизи точек бифуркаций в системе наблюдается резкое увеличение флуктуаций (случайных изменений). В результате этого в конечном итоге происходит переход в качественно новое системное состояние. И.Р.Пригожин назвал такой переход «порядком через флуктуации». Выбор пути, по которому пойдет развитие после бифуркации, определяется случайно в момент крайней неустойчивости. Направление эволюции на этом этапе, который называется также кризисом, становится непредсказуемым. Выход из кризиса осуществляется путем скачка системы либо в качественно новое более упорядоченное состояние, либо в менее упорядоченное состояние, предельным вариантом которого является полная деградация, или переход в равновесное состояние.

Процесс эволюционной самоорганизации состоит из двух этапов:

1. эволюционного этапа(этапа устойчивого развития), на котором система качественно не меняется, но в ней накапливаются количественные изменения; поведение системы на этом этапе предсказуемо и управляемо;

2. этапа кризиса, характеризующегося крайней неопределенностью, неустойчивостью и непредсказуемостью, выход из которого осуществляется в результате скачка системы в одно из возможных качественно новых состояний.

На этапе кризиса параметр порядка меняется непредсказуемым образом, а его колебания характеризуются гораздо большей амплитудой, чем в период устойчивого развити я. Причем, экстремальные кризисные значения этого параметра очень сильно отличаются от тех значений, которые он имел на предшествующем эволюционном этапе, а иногда – и от значений на последующем эволюционном этапе. Этот факт может быть использован для прогнозирования поведения системы во время кризиса: параметр порядка на этом этапе достигнет значений, минимум в несколько раз отличающихся от его средней величины до кризиса.

Следует отметить, что для получения более полной информации о развитии самоорганизующейся макросистемы нужно рассматривать изменение нескольких параметров порядка (если они существуют), характеризующих ее поведение.

Неравновесные открытые системы с большим количеством взаимодействующих элементов естественным образом эволюционируют к критическому состоянию, в котором малое воздействие может привести к значительным изменениям. Это явление называется самоорганизованной критичностью. Оно объясняет динамику различных природных и общественных систем, например, земной коры, экосистем, биосферы в целом, рынков акций, экономик отдельных государств или регионов, мировой экономики и т.д.

Кризисы неизбежны при любом эволюционном развитии сложных систем. После них наступает либо новый эволюционный этап, либо система разрушается. Невозможно избежать кризисных состояний, т.к. они являются результатом накопившихся в системе противоречий, которые, в свою очередь, служат источником развития. Можно предсказать кризисы, подготовиться к ним, смягчить их последствия.

Неизбежность смены эволюционного этапа развивающейся системы кризисом приводит к цикличности развития. Для некоторых природных и общественных систем установлена количественная периодичность циклов. Например, уже в конце XIX в. было обнаружено, что в развитии любого капиталистического хозяйства наблюдаются циклы продолжительностью от 7 до 11 лет, во время которых подъем в экономике постепенно сменяется спадом, завершающимся кризисом. Ни ускорение или замедление темпов обращения капитала, ни ускорение научно-технического прогресса, ни другие внешние воздействия не изменили длину этих циклов за прошедшие годы. На территории бывшего СССР наблюдаются в среднем 2 крупных землетрясения каждые 5 лет. Из этого следует, что в указанной области приблизительно 2,5 года необходимо для накопления в эволюционирующей к критическому состоянию земной коре значительных механических напряжений, сброс которых осуществляется путем сильного подземного толчка.

Сформулируем основные закономерности эволюционного развития макросистем.

1. Эволюция необратима.

2. Результаты эволюции случайны и в общем случае непредсказуемы.

3. Возможна эволюционная самоорганизация систем, приводящая к разнообразию и сложности окружающего нас мира.

4. Неизбежна эволюционная деградация систем.

Термодинамическое и статистическое описание макросистем и тепловых процессов. Свойства макросистем описываются на основе дополняющих друг друга подходов: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). В термодинамике рассматриваются только объекты, состоящие из большого числа частиц. Такие объекты характеризуются термодинамическими параметрами - физическими величинами, которые регистрируются термометрами, манометрами и другими приборами, не реагирующими на воздействия отдельных частиц тела. Например, рассматривая газ, для его описания используют такие параметры, как давление p, объем V, температуру T. Термодинамика изучает превращение энергии в тепловых процессах. Ее понятия и выводы (температура, давление, энтропия, термодинамическое равновесие и т.д.) применимы только к макросистемам.

Термодинамические параметры делятся на внешние, определяемые состоянием окружающих тел, и внутренние, зависящие от состояния самой системы, т.е. хаотического движения составляющих ее частиц. Относительная величина флуктуаций внутренних термодинамических параметров тем меньше, чем больше число частиц, образующих макросистему. В термодинамике рассматриваются средние значения внутренних термодинамических параметров, а тепловые явления изучаются без учета атомно-молекулярного строения тел.

В соответствии со вторым началом термодинамики, изолированная термодинамич