Тема3. Проблема самоорганизации в современном естествознании.

Идея самоорганизации материи утвердилась в научном мировоззрении во второй половине ХХ века в связи с заменой стационарной модели Вселенной развивающейся моделью. Стационарная модель Вселенной считала господствующей тенденцию материи к разрушению случайно возникшей упорядоченности и возвращению ее к исходному хаосу. Прежние представления базировались на основе статистической механики и равновесной термодинамики, которые описывают поведение изолированных систем, не обменивающихся ни веществом, ни энергией с окружающей средой. Вселенная тоже рассматривалась как замкнутая система.

Сегодня наука считает все известные системы, от самых малых, до самых больших, открытыми, т. е. обменивающимися веществом, энергией, информацией и находящимися в термодинамически неравновесном состоянии. На этой основе возникло представление о самоорганизации материи.

Самоорганизация - это природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую критического состояния в своем развитии, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного эволюционного развития.

Сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Процесс объединения простых элементов в более сложные системы протекает лишь при определенных условиях, при которых наступает критический момент. Существуют пороговые значения управляющих параметров (температура, плотность, давление и т. д.), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен.

Наиболее высоким уровнем упорядоченности обладает жизнь и порожденный ею разум. Тем не менее, сравнительно недавно установлено, что самоорганизация присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Все самоорганизующиеся системы различных уровней имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным системам. Разработка теории самоорганизации началась в последние годы по нескольким направлениям:

* синергетика (Г. Хакен);

* термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин);

* теория катастроф (Р. Том).

Синергетика - наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок. Возникшие сложные упорядоченные системы попадают под действие конкуренции и отбора. Как утверждает Хакен, это приводит в определенном смысле к обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим требованиям:

1. система должна быть открытой, т. е. обмениваться веществом и энергией с окружающей средой;

2. система должна быть достаточно далеко от точки термодинамического равновесия, т. е. в состоянии, близком к потере устойчивости;

3. система должна обладать достаточным количеством элементов, взаимодействующих между собой;

4. система должна иметь положительную обратную связь, при котором изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры;

5. система должна сопровождаться нарушением симметрии, т. к. изменения приводят к разрушению старых и образованию новых структур;

6. система должна скачкообразно выходить из критического состояния при переходе на более высокий уровень упорядоченности. Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы вызывают очень сильные изменения ее состояния и переход в новое качество.

Неравновесная термодинамика И. Пригожина рассматривает неравновесность открытых систем как причину порядка. Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать порядок из хаоса, она обязательно должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными. Весь мир, доступный человеку, состоит именно из таких систем. Поэтому в окружающем мире повсюду обнаруживается эволюция, разнообразие форм, неустойчивость.

В ходе эволюционного этапа развития диссипативная система теряет устойчивость и приходит в состояние сильной неравновесности. Это происходит при критических значениях управляющих параметров.

Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы в одно из возможных устойчивых состояний, качественно отличающихся от исходного. Это и есть акт самоорганизации системы. В состоянии перехода из одного состояния в другое, элементы системы ведут себя взаимосвязано, хотя до этого пребывали в хаотическом движении.

Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких устойчивых состояний. Выбор системой варианта устойчивого состояния носит случайный характер. Этот переход носит скачкообразный, одноразовый и необратимый характер. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.

Таким образом, самоорганизация позволяет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем и природы в целом. В их развитии выделяются две фазы:

1) плавная эволюция, ход которой закономерен и предопределен;

2) скачки в точках бифуркации, протекающие случайно и поэтому случайно определяющие последующий эволюционный этап до новой критической точки.

Самоорганизация не подчиняется статистическим законам, время в ней носит необратимый характер, позволяя говорить о «стреле времени» - невозможности поворота скачка вспять.

Проблемами самоорганизации также занимается теория катастроф. Катастрофы - это скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Эта теория исследует все скачкообразные переходы, разрывы, внезапные качественные изменения.

 

 

Контрольные вопросы

Какие существуют модели развития науки, естествознания?

Что такое глобальная революция в науке?

В чем состоит проблема начала науки?

Охарактеризуйте особенности научного знания.

Каковы этапы научного познания?

Какова природа и варианты научной революции?

Что сближаем магию и науку?

Какие открытия были сделаны в древнем и средневековом Китае?

С какова века в Китае стали делать прививки?

Как называется индийская медицина?

Что препятствовало развитию науки в Индии?

Каковы основные черты древнегреческой науки?

Почему важно открытие школой Пифагора являения несоризмеримости?

Какие основные научные традиции-школы  сформировались в  Древней Греции?

Какие две точки зрения существуют по отношению к состоянию науки в средневековье?

По каким направлениям развивалась средневековая наука?

В чем заключаются особенности науки Средневековья и эпохи Возрождения?

Что повлияло на формирование механистической картины мира?

Какие законы открыл Иоганн Кеплер?

Какие формы движения разграничил Галилей?

Что означает фраза Ньютона «гипотез же я не измышляю»?

Какое важное физическое понятие рождается в термодинамике?

Что такое неклассическая естественнонаучная картина мира?

Каковы причины научной реваолюция конца 19 – нач.20 вв?

Что такое самоорганизация сложной системы?

Что такое синергетика как концепция сложных самоорганизующихся систем?

Возможна ли единая научная картина мира?

Какова роль естествознания в современном мире?

Какие функции выполняет наука в современном обществе?

Тестирование

В пифагорейском учении теория чисел лежала в основе исследований по:

1. физике и химии;

2. музыке и астрономии;

3. механики и космологии;

4. географии и медицины

Кто из древнегреческих учёных положил начало учению о дискретности материи?

а) Демокрит;

б) Аристотель;

в) Пифагор;

г) Платон.

Кто разработал геоцентрическую систему мира?

а) Н. Коперник;

б) Демокрит;

в) К. Птолемей;

г) Ньютон.

 

Кто создал гелиоцентрическую систему мира?

а) Н. Коперник;

б) Демокрит;

в) К. Птолемей;

г) Ньютон.

Кто в истории науки считается отцом экспериментальной физики?

а) И. Ньютон;

б) Н. Коперник;

в) Г. Галилей;

г) И. Кеплер.

 

Кто из учёных доказал что форма орбит, по которым движутся планеты, является эллиптической, а не круговой?

а) И. Ньютон;

б) Н. Коперник;

в) Г. Галилей;

г) И. Кеплер.

Кто из учёных открыл: 4 спутника Юпитера, кольца Сатурна, пятна на Солнце, кратеры и хребты на Луне; законы колебания маятника и сформулировал первые законы свободного падения тел?

а) И. Ньютон;

б) Н. Коперник;

в) Г. Галилей;

г) И. Кеплер

Кто в истории науки провозгласил принцип «Знание - сила»?

1. Ф. Бэкон;

2. Сеченов;

3. Менделеев;

4. Тимирязев.

 

Кто из учёных открыл закон всемирного тяготения?

а) И. Ньютон;

б) Н. Коперник;

в) Г. Галилей;

г) И. Кеплер.

 

Какая научная картина мира сложилась в результате научной революции XVII в.?

в) натурфилософская;

б) механистическая;

в) электромагнитная;

г) квантово-полевая.

 

Явление радиоактивности в 1896 году открыл

А) Кюри

Б) Рентген

В) Беккерель

Г) Резерфорд

 

В опыте Майкельсона, явившемся важнейшей предпосылкой специальной теории относительности

А) впервые была определена скорость света в вакууме

Б) определена скорость вращения Земли

В) установлена зависимость скорости света от скорости вращенияЗемли

Г) опровергнута гипотеза о «неподвижном эфире»

 

«Никаким физическим опытам, произведенным в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Что это за принцип?

1. дополнительности;

2. относительности;

3. инвариантности;

4. подобия.

 

Положение о том, что механические, оптические иэлектромагнитные явления во всех инерциально движущихся системах отсчета протекают одинаково,является.

А) принципом относительности Эйнштейна

Б) соотношением неопределенностей Гейзенберга

В) принципом суперпозиции

Г) принципом дополнительности Н. Бора

 

Кем был сформулирован принцип дополнительности?

1. Ньютоном;

2. Д. Менделеевым;

3. Максвеллом;

4. Н. Бором

 

В чем заключалась суть гипотезы Планка?

А) Электромагнитное излучение может находиться в равновесии свеществом

Б) Излучение электромагнитной энергии происходит дискретно,порциями

В) Поглощение электромагнитного излучения происходит непрерывно

 

Расширение Вселенной обнаружил в 1929 году

А) Эйнштейн

Б) Хойл

В) Гамов

Г) Хаббл

 

Кем было сформулировано соотношение неопределенностей?

1. В. В.Налимовым;

2. В. Гейзенбергом;

3. Ю. М. Лотманом;

4. К. Геделем.

 

Соотношение неопределенностей Гейзенберга устанавливает для частицы соотношение между неопределенностями ее

А) координаты и энергии

Б) энергии и импульсаВ) момента импульса и координаты

Г) момента импульса и энергии

Д) координаты и импульса

 

В каком году обнаружен гравитон?

А) Не обнаружен до сих пор

Б) 1980

В) 2000

Г) 1960

 

Согласно какому принципу, реальные природные, общественные и психические явления и процессы детерминированы, то есть возникают, развиваются и уничтожаются закономерно, в результате действия определенных причин, обусловлены ими?

1. принцип вероятности;

2. принцип дополнительности;

3. принцип причинности;

4. принцип детерминизма

 

Согласно, какому положению невозможно равным образом точно описать два взаимозависимых объекта микромира?

1. принципу дополнительности;

2. соотношению неопределенностей;

3. принципу причинности;

4. теории вероятности.

 

Замкнутая система – это:

1. система, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом;

2. система, которая обменивается с окружающей средой;

3. система, которая не обменивается с окружающей средой только энергией;

4. система, которая не обменивается с окружающей средой только веществом?

 

Открытая система – это:

1. система, которая не обменивается с окружающей средой только энергией;

2. система, которая не обменивается с окружающей средой только веществом;

3. система, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом;

4. система, которая обменивается с окружающей средой энергией и веществом

 

Второй закон термодинамики называют:

1. закон сохранения и превращения энергии;

2. закон возрастания энтропии;

3. закон массы;сохранения

 

Синергетика в переводе с греческого означает:

1. сочетание;

2. сотрудничество;

3. соединение;

4. учение

 

Ключевыми моментами синергетики являются ….

1. устойчивость, универсальность;

2. изменчивость, наследственность, отбор;

3. нелинейность, открытость, самоорганизация

4. инертность, дискретность.

 

Раздел 3. МИР КАК СИСТЕМА

Цель раздела – дать студентам представление о физическом мире как закономерно развивающейся целостной системе