Тема 5 Порядок и беспорядок в природе. Самоорганизация. Космология

1. Детерминизм процессов природы.

 

Детермини́зм (от лат. determinare — ограничивать, отделять чертой, определять границы, определять) — учение о взаимосвязи и взаимной определенности всех явлений и процессов, доктрина о всеобщей причинности.

Согласно детерминизму, все происходящее в мире, включая ход человеческой жизни и человеческой истории, предопределено либо судьбой, либо богами или Богом(учение о предопределении, теологический детерминизм), либо природой (космологический детерминизм), либо человеческой волей (антропологическо-этический детерминизм), либо развитием общества (социальный детерминизм).

На этой основе определяется понимание свободы, в том числе делается вывод, согласно которому для выбора и, соответственно, личной ответственности у людей, по существу, нет места.

В таком виде детерминизм может быть определен как утверждение, согласно которому имеется только одно, точно заданное возможное будущее.

 

2. Фундаментальные физические законы сохранения: Законы сохранения физических величин. Закон сохранения массы. Закон сохранения заряда. Закон сохранения импульса. Закон сохранения энергии в механических процессах.

 

Законы сохранения физических величин.

Законы сохранения физических величин — это утверждения, согласно которым численные значения этих величин не меняются со временем в любых процессах или классах процессов. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.

Идея сохранения появилась сначала как чисто философская догадка о наличии неизменного (стабильного) в вечно меняющемся мире. Еще античные философы-материалисты пришли к понятию материи как неуничтожимой и несотворимой основы всего сущего. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важном ее свойстве. С появлением математической формулировки механики на этой основе появились законы сохранения.

Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих к них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина. Если известны свойства симметрии системы, как правило, можно найти для нее закон сохранения и наоборот.

Таким образом, законы сохранения:

а) Представляют наиболее общую форму детерминизма.

б) Подтверждают структурное единство материального мира.

в) Позволяют сделать заключение о характере поведения системы.

г) Обнаруживают существование глубокой связи между разнообразными формами движения материи. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются:

д) закон сохранения и превращения энергии;

е) закон сохранения импульса;

ж) закон сохранения электрического заряда;

з) закон сохранения массы.

Кроме всеобщих существуют законы сохранения, справедливые лишь для ограниченного класса систем и явлений. Так, например, существуют законы сохранения, действующие только в микромире. Это:

а) закон сохранения барионного или ядерного заряда;

б) закон сохранения лептонного заряда;

в) закон сохранения изотопического спина;

г) закон сохранения странности.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов сохранения и принципов симметрии. Одни из этих принципов выполняются при любых взаимодействиях, другие же — только при сильных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних принципах симметрии, которые действуют в микромире.

Рассмотрим важнейшие законы сохранения.

 

Закон сохранения массы.

Бесконечно разнообразны превращения, изменения вещества в природе. Исследователей волновал вопрос: сохраняется ли вещество при этих изменениях? Каждому из нас приходилось наблюдать, как со временем изнашивается, уменьшается в размерах любая вещь, даже стальная. Но значит ли это, что мельчайшие частички металла исчезают бесследно? Нет, они только теряются, разлетаются в разные стороны, выбрасываются с сором, улетают, создавая пыль.

В природе происходят и иные превращения. Вы, например, курите сигарету. Проходит несколько минут — и от табака ничего не остается, не считая маленькой кучки пепла и легкого голубоватого дыма, рассеявшегося в воздухе. Или, например, горит свеча. Постепенно она становится все меньше и меньше. Здесь не остается даже пепла. Сгорая без остатка, свеча и то, из чего она состоит, испытывают химическое превращение вещества. Частицы табака и свеча не разлетаются в стороны, не теряются постепенно в разных местах. Они сгорают и внешне пропадают бесследно.

Наблюдая природу, люди давно обратили внимание и на другие явления, когда вещество как бы возникает из «ничего». Так, например, из маленького семени вырастает в цветочном горшке большое растение, а вес земли, заключенной в горшке, остается почти прежним. Может ли в действительности что-то существующее в мире исчезнуть или, наоборот, появиться из ничего? Иными словами — уничтожима или неуничтожима материя, из которой строится все многообразие нашего мира?

За 2400 лет до н. э. знаменитый философ Древней Греции Демокрит писал, что: «Из ничего ничто произойти не может, ничто существующее не может быть уничтожимо».

Значительно позже, в XVI—XVII вв. эта мысль возродилась и высказывалась уже многими учеными. Однако такие высказывания были лишь догадкой, а не научной теорией, подтвержденной опытами. Впервые доказал и подтвердил это положение опытом великий русский ученый М.В. Ломоносов.

Ломоносов был твердо убежден в неуничтожимости материи, в том, что в мире ничто не может исчезнуть бесследно. При любых изменениях веществ, химических взаимодействиях — соединяются ли простые тела, образуя сложные, или, наоборот, сложные тела разлагаются на отдельные химические элементы — общее количество вещества остается неизменным. Другими словами, при всех изменениях должен оставаться неизменным общий вес вещества. Пусть в результате какой-либо реакции исчезают два взаимодействующих вещества и получается неизвестное третье — вес вновь образовавшегося соединения должен равняться весу первых двух.

Прекрасно понимая значение законов сохранения, неуничтожимости материи для науки, Ломоносов искал подтверждение своих мыслей. Он решил повторить опыты английского ученого XVII в. Р. Бойля.

Бойль интересовался вопросами изменения веса металла при нагревании. Он поставил такой опыт: в стеклянную реторту поместил кусочек металла и взвесил ее.

Затем, запаяв узкое горлышко сосуда, нагрел его на огне. Через два часа Бойль снял сосуд с пламени, обломил горлышко реторты и, охладив ее, взвесил. Металл увеличился в весе.

Причину Бойль видел в том, что через стекло в сосуд проникают мельчайшие частицы «материи огня» и соединяются с металлом. Во времена Бойля и Ломоносова непонятные явления природы ученые объясняли с помощью различных неуловимых «материй», но что они из себя представляют — сказать не могли. Ломоносов же не признавал существования таинственных «материй». Он был уверен, что причина увеличения веса заключается в другом, и решил доказать, что нет никакой «тонкой всепроникающей материи огня», а также что при химических превращениях общий вес вещества участвующих в реакции элементов остается неизменным.

Ломоносов повторил опыт Бойля и получил тот же результат: вес металла увеличился. Затем он видоизменил опыт: после нагревания реторты на огне и охлаждения ее взвешивает сосуд, не отламывая горлышка. Так он доказал, что «без допущения внешнего воздуха вес сожженного металла останется в одной мере, никакой материи огня в реторту не проникает».

Увеличение веса в случае, когда реторта перед взвешиванием вскрывалась, Ломоносов объяснял зависимостью от поглощения воздуха металлом. Теперь мы знаем, что при нагревании металлы окисляются, соединяются с кислородом. В опыте Бойля металл берет кислород из воздуха, находящегося в закрытой реторте. При этом его вес увеличивается ровно настолько, насколько уменьшается вес воздуха в реторте. Благодаря этому общий вес закрытой реторты и помещенного в ней тела не изменяется. Хотя здесь и происходит окисление, общее количество вещества не убывает и не прибывает — вес веществ, участвующих в реакции, не изменяется. Но при открытии реторты на место кислорода воздуха, который был поглощен металлом, внутрь колбы ворвется наружный воздух, в результате чего вес реторты увеличится.

Так М.В. Ломоносов открыл закон сохранения вещества, или, как его называют, закон сохранения массы. Через 17 лет после Ломоносова этот закон подтвердил многочисленными опытами французский химик А. Лавуазье. В дальнейшем закон сохранения массы неоднократно подтверждался многочисленными и разнообразными опытами. В настоящее время он является одним из основных законов, лежащих в основе наук о природе.

 

Закон сохранения заряда.

Не все явления природы можно понять и объяснить на основе использования понятий и законов механики, молекулярно-кинетической теории строения вещества, термодинамики. Эти науки ничего не говорят о природе сил, которые связывают отдельные атомы и молекулы, удерживают атомы и молекулы вещества в твердом состоянии на определенном расстоянии друг от друга. Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе представлений о том, что в природе существуют электрические заряды.

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие тел, обнаруживаемое при электризации, называется электромагнитным взаимодействием, а физическая величина, определяющая электромагнитное взаимодействие, — электрическим зарядом. Способность электрических зарядов притягиваться и отталкиваться говорит о наличии двух различных видов зарядов: положительных и отрицательных.

Электрические заряды могут появляться не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях, например, под воздействием силы (пьезоэффект). Но всегда в замкнутой системе, в которую не входят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая (т.е. с учетом знака) сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда.

Нигде и никогда в природе не возникают и не исчезают электрические заряды одного знака. Появление положительного заряда всегда сопровождается появлением равного по абсолютному значению, но противоположного по знаку отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть в отдельности друг от друга, если равны по абсолютному значению.

Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим. Как известно, в состав любого атома входят положительно заряженные ядро и отрицательно заряженные электроны. В нейтральном атоме суммарный заряд электронов в точности равен заряду атомного ядра. Тело, состоящее из нейтральных атомов и молекул, имеет суммарный электрический заряд, равный нулю.

Если в результате какого-либо взаимодействия часть электронов переходит от одного тела к другому, то одно тело получает отрицательный электрический заряд, а второе — равный по модулю положительный заряд. При соприкосновении двух разноименно заряженных тел обычно электрические заряды не исчезают бесследно, а избыточное число электронов переходит с отрицательно заряженного тела к телу, у которого часть атомов имела не полный комплект электронов на своих оболочках.

Особый случай представляет встреча элементарных заряженных античастиц, например, электрона и позитрона. В этом случае положительный и отрицательный электрические заряды действительно исчезают, аннигилируют, но в полном соответствии с законом сохранения электрического заряда, так как алгебраическая сумма зарядов электрона и позитрона равна нулю.

 

Закон сохранения импульса.

Покой и движения тела относительны, скорость движения зависит от выбора системы отсчета. По второму закону Ньютона, независимо от того, находилось ли тело в покое, или двигалось равномерно и прямолинейно, изменение его скорости движения может происходить только под действием силы, т.е. в результате взаимодействия с другими телами.

Имеется физическая величина, одинаково изменяющаяся у всех тел под действием одинаковых сил, если время действия силы одинаково, равная произведению массы тела на его скорость и называемая импульсом тела. Изменение импульса равно импульсу приложенной силы. Импульс тела является количественной характеристикой поступательного движения тел.

Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел — от планет и звезд до атомов и электронов, элементарных частиц — показали, что в любой системе взаимодействующих между собой тел при отсутствии действия сил со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной.

Система тел, не взаимодействующих с другими телами, не входящими в эту систему, называется замкнутой. Таким образом, в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса.

Необходимым условием применимости закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной системы отсчета. На законе сохранения импульса основано реактивное движение, его используют при расчете направленных взрывов, например, при прокладке туннелей в горах. Полеты в космос стали возможными благодаря использованию многоступенчатых ракет.

 

 

Закон сохранения энергии в механических процессах

Механическая энергия подразделяется на два вида: потенциальную и кинетическую. Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая — движущиеся. И потенциальная и кинетическая энергии изменяются только в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля.

Рассмотрим теперь вопрос об изменении энергии при взаимодействии тел, образующих замкнутую систему. Если несколько тел взаимодействуют между собой только силами тяготения и силами упругости и никакие внешние силы не действуют, то при любых взаимодействиях тел сумма кинетической и потенциальной энергий тел остается постоянной. Это утверждение называется законом сохранения энергии в механических процессах.

Сумма кинетической и потенциальной энергий тел называется полной механической энергией. Поэтому закон сохранения энергии можно сформулировать так: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости, остается постоянной.

Основное содержание закона сохранения энергии заключается не только в установлении факта сохранения полной механической энергии, но и в установлении возможности взаимных превращений кинетической и потенциальной энергий в равной количественной мере при взаимодействии тел.

Закон сохранения полной механической энергии в процессах с участием сил упругости и гравитационных сил является одним из основных законов механики. Знание этого закона упрощает решение многих задач, имеющих большое значение в практической жизни.

Например, для получения электроэнергии широко используется энергия рек. С этой целью строят плотины, перегораживают реки. Под действием сил тяжести вода из водохранилища за плотиной движется вниз по колодцу ускоренно и приобретает некоторую кинетическую энергию. При столкновении быстро движущегося потока воды с лопатками гидравлической турбины происходит преобразование кинетической энергии поступательного движения воды в кинетическую энергию вращательного движения роторов турбины, а затем с помощью электрического генератора — в электрическую энергию.

Механическая энергия не сохраняется, если между телами действуют силы трения. Автомобиль, двигавшийся по горизонтальному участку дороги после выключения двигателя, проходит некоторый путь и под действием сил трения останавливается. Во время торможения автомобиля произошло нагревание тормозных колодок, шин автомобиля и асфальта. В результате действия сил трения кинетическая энергия автомобиля не исчезла, а превратилась во внутреннюю энергию теплового движения молекул.

Таким образом, при любых физических взаимодействиях энергия не возникает, а только превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения и превращения энергии.

Источники энергии на земле велики и разнообразны. Когда-то в древности люди знали только один источник энергии — мускульную силу и силу домашних животных. Энергия возобновлялась за счет пищи. Теперь большую часть работы делают машины, источником энергии для них служат различные виды ископаемого топлива: каменный уголь, торф, нефть, а также энергия воды и ветра.

Если проследить «родословную» всех этих разнообразных видов энергии, то окажется, что все они являются энергией солнечных лучей. Энергия окружающего нас космического пространства аккумулируется Солнцем в виде энергии атомных ядер, химических элементов, электромагнитных и гравитационных полей. Солнце, в свою очередь, обеспечивает Землю энергией, проявляющейся в виде энергии ветра и волн, приливов и отливов, в форме геомагнетизма, различного вида излучений (в том числе и радиоактивности недр и т.д.), мускульной энергии животного мира.

Геофизическая энергия высвобождается в виде природных стихийных явлений (вулканизм, землетрясения, грозы, цунами и т.д.), обмена веществ в живых организмах (составляющих основу жизни), полезной работы по перемещению тел, изменению их структуры, качества, передачи информации, запасения энергии в различного рода аккумуляторах, конденсаторах, в упругой деформации пружин, мембран.

Любые формы энергии, превращаясь друг в друга посредством механического движения, химических реакций и электромагнитных излучений, в конце концов переходят в тепло и рассеиваются в окружающее пространство. Это явление проявляется в виде взрывных процессов, горения, гниения, плавления, испарения, деформации, радиоактивного распада. Происходит круговорот энергии в природе, характеризующийся тем, что в космическом пространстве реализуется не только хаотизация, но и обратный ей процесс — упорядочивание структуры, которые наглядно прослеживаются прежде всего в звездообразовании, трансформации и возникновении новых электромагнитных и гравитационных полей, и они снова несут свою энергию новым «солнечным системам». И все возвращается на круги своя.

Закон сохранения механической энергии был сформулирован немецким ученым А. Лейбницем. Затем немецкий ученый Ю.Р. Майер, английский физик Дж. Джоуль и немецкий ученый Г. Гельмгольц экспериментально открыли законы сохранения энергии в немеханических явлениях.

Таким образом, к середине XIX в. оформились законы сохранения массы и энергии, которые трактовались как законы сохранения материи и движения. В начале XX в. оба эти закона сохранения подверглись коренному пересмотру в связи с появлением специальной теории относительности: при описании движений со скоростями, близкими к скорости света, классическая ньютоновская механика была заменена релятивистской механикой. Оказалось, что масса, определяемая по инерциальным свойствам тела, зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Понятие энергии тоже подверглось изменению: полная энергия оказалась пропорциональна массе (Е = mс2). Таким образом, закон сохранения энергии в специальной теории относительности естественным образом объединил законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классической механике. По отдельности эти законы не выполняются, т.е. невозможно охарактеризовать количество материи, не принимая во внимание ее движение и взаимодействие.

Эволюция закона сохранения энергии показывает, что законы сохранения, будучи почерпнутыми из опыта, нуждаются время от времени в экспериментальной проверке и уточнении. Нельзя быть уверенным, что с расширением пределов человеческого познания данный закон или его конкретная формулировка останутся справедливыми. Закон сохранения энергии, все более уточняясь, постепенно превращается из неопределенного и абстрактного высказывания в точную количественную форму.

 

3. Динамические и статистические законы.

 

Все физические законы делятся на две большие группы: динамические и статистические.

Динамическими называют законы, отражающие объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин. Динамическая теория — это теория, представляющая совокупность физических законов.

Статистические законы — это такие законы, когда любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что в статистических теориях состояние определяется не значениями физических величин, а их распределениями. Нахождение средних значений физических величин — главная задача статистических теорий. Вероятностные характеристики состояния совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, так как любой известный сегодня процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описания состояния системы.

Смена динамических теорий статистическими не означает, что старые теории отменены и сданы в архив. Практическая их ценность в определенных границах нисколько не умаляется. При разговоре о смене теорий имеется в виду, в первую очередь, смена глубоких физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений, описание которых дается соответствующими теориями. Одновременно со сменой физических представлений расширяется область применения теории. Статистические теории расширяются на больший круг явлений, недоступных динамическим теориям.

 

 

4.Основные свойства энтропии.Принцип возрастания энтропии.

 

Понятие энтропии — меры хаоса — связано с развитием термодинамики и формулированием ее двух основных законов.

Основные свойства энтропии.

1. Энтропия является величиной вещественной и неотрицательной, т.к. значения вероятностей p_n находятся в интервале 0-1, значения log p_n всегда отрицательны, а значения -p_n log p_n в (1.4.2) соответственно положительны.

2. Энтропия - величина ограниченная, т.к. при p_n Ю 0 значение -p_nЧ log p_n также стремится к нулю, а при 0 < p_n Ј 1 ограниченность суммы всех слагаемых очевидна.

3. Энтропия равна 0, если вероятность одного из состояний источника информации равна 1, и тем самым состояние источника полностью определено (вероятности остальных состояний источника равны нулю, т.к. сумма вероятностей должна быть равна 1).

4. Энтропия максимальна при равной вероятности всех состояний источника информации:

H_max(U) = - (1/N) log(1/N) = log N.

5. Энтропия источника с двумя состояниями u₁ и u₂ при изменении соотношения их вероятностей p(u₁)=p и p(u₂)=1-p определяется выражением:

H(U) = -[p log p + (1-p) log(1-p)],

и изменяется от 0 до 1, достигая максимума при равенстве вероятностей. График изменения энтропии приведен на рис. 1.4.1.

6. Энтропия объединенных статистически независимых источников информации равна сумме их энтропий.

Рассмотрим это свойство на двух источниках информации u и v. При объединении источников получаем обобщенный источник информации (u,v), который описывается вероятностями p(u_nv_m) всех возможных комбинаций состояний u_n источника u и v_m источника v. Энтропия объединенного источника при N возможных состояниях источника u и М возможных состояниях источника v:

H(UV) = - p(u_nv_m) log p(u_nv_m),

Источники статистически независимы друг от друга, если выполняется условие:

p(u_nv_m) = p(u_n)Ч p(v_m).

С использованием этого условия соответственно имеем:

H(UV) = - p(u_n)p(v_m) log [p(u_n)p(v_m)] =

= - p(u_n) log p(u_n) p(v_m) - p(v_m) log p(v_m) p(u_m).

С учетом того, что p(u_n) = 1 и p(v_m) = 1, получаем:

H(UV) = H(U) + H(V). (1.4.3)

7. Энтропия характеризует среднюю неопределенность выбора одного состояния из ансамбля, полностью игнорируя содержательную сторону ансамбля. С одной стороны, это расширяет возможности использования энтропии при анализе самых различных явлений, но, с другой стороны, требует определенной дополнительной оценки возникающих ситуаций. Как это следует из рис. 1.4.1, энтропия состояний может быть неоднозначной, и если в каком-либо экономическом начинании действие u с вероятностью p_u=p приводит к успеху, а действие v с вероятностью p_v=1-p к банкротству, то выбор действий по оценке энтропии может оказаться и прямо противоположным, т.к. энтропия при p_v=p равна энтропии при p_u=p.