Тема 4.06. Закономерности самоорганизации

 

Синергетика - теория самоорганизации. В переводе с греческого языка – содружество, коллективное поведение. Термин введен Г.Хакеном, а сама наука сформировалась благодаря достижениям Н.А.Пригожина в области неравновесной термодинамики. Синергетика объясняет, за счет чего в системах происходит эволюция (как процесс становления чего-то нового, отличающегося от ранее существовавшего более высоким уровнем организации). Под синергетикой понимают теорию самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. Это – новая наука, занимающаяся изучением возникновения, поддержания и распада самоорганизующихся структур, кооперативных эффектов в них.

Синергетика - междисциплинарное направление исследований. Важнейшим из вариантов синергетики можно считать неравновесную термодинамику (теорию диссипативных структур). Синергетическими теориями по существу являются математическая теория бифуркаций, теория хаоса, теория нелинейных колебаний и волн, нелинейная динамика, теория фазовых переходов и некоторые другие. Синергетика прогрессирует вместе с математическим аппаратом описания нелинейных и неустойчивых систем и соответствующими математическими методами. На современном этапе ее развития синергетика это – совокупность общих идей о принципах самоорганизации и вместе с тем сумма общих математических методов для ее описания. Предпринимаются все более активные и плодотворные попытки использования этих идей и методов в экологии, медицине, социологии, экономике и вообще в области социально-гуманитарного знания.

Самоорганизация (в природных и социальных системах). Наиболее яркими примерами реализации законов синергетики являются эволюционные процессы в природе, а также развитие и эволюция цивилизации – государственных, экономических и политических институтов, совершенствование и усложнение их структур.

Примеры самоорганизации в простейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара, реакция Белоусова-Жаботинского. В оптически активных средах в лазерах микроскопические процессы, заключающиеся в согласованных изменениях энергетических состояний электронов, оказывающихся в неравновесном состоянии из за внешнего энергетического воздействия, проявляются на макроскопическом уровне как когерентное и поляризованное (т.е. высоко упорядоченное) излучение. Еще один пример самоорганизации – ячейки Бенара, образующиеся на поверхности подогреваемой жидкости. Эти гексагональные ячейки наблюдаются в следствие конвективного движения в приповерхностных слоях жидкости в неравновесных условиях, когда температурный градиент достигает критического значения. В химии хорошо известна реакция Белоусова-Жаботинского, в ходе которой на поверхности раствора веществ образуются упорядоченные пространственно-временные структуры, например, так называемые «химические часы» - раствор, периодически изменяющий свой цвет. Важными особенностями этого типа реакций является то, что помимо обмена энергией в них происходит обмен реагирующими веществами, а также наличие катализатора.

Потоки (вещества, энергии, заряда и т.д.) в неравновесных системах. Неравновесность и открытость системы – необходимые (но не достаточные) условия самоорганизации. Неравновесная система, будучи открытой, обязательно должна обмениваться с окружающей средой материей, энергией, количеством движения и его моментом, а также информацией.

Необходимое условие самоорганизации – нелинейность взаимодействия между элементами системы. Это означает, что если параметр одного из элементов изменяется и вызывает изменение другого параметра, то последнее в свою очередь влияет на изменение первого. Математически это выражается дифференциальными уравнениями степени выше первой, т.е. нелинейными дифференциальными уравнениями.

Управляющий параметр. Основная идея синергетики заключается в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне. Последние можно рассматривать как количественные, описываемые управляющим параметром системы. При критическом значении этого параметра система переходит в новое макроскопическое состояние. В опыте Бенара управляющим параметром является градиент температуры, в реакции Белоусова-Жаботинского – концентрация химических веществ, в лазере – интенсивность световых источников накачки.

Пороговый характер (внезапность) самоорганизации. Изменяя управляющий параметр, можно достичь критического значения, когда система резко и спонтанно переходит в качественно новое состояние.

Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости. В точках бифуркации для системы, находящейся в состоянии неустойчивого равновесия, возможны, по крайней мере, два направления развития. Накопленные системой к моменту попадания ее в точку бифуркации изменения являются количественными. Преодоление точки бифуркации сопровождается переходом количественных изменений в качественные.

Особенности механизмов сомоорганизации:

- рост флуктуаций вблизи точки бифуркации (теоретическое положение и примеры),

- стабилизация флуктуаций за точкой бифуркации (порядок из хаоса),

- синхронизация (временная согласованность) частей системы в результате самоорганизации,

- невозможность точного прогноза будущего за точкой бифуркации,

- понижение энтропии системы при самоорганизации,

- повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации.

Диссипация - рассеяние энергии в неравновесной системе.

Принципы универсального эволюционизма:

- всё существует в развитии;

- объективность и познаваемость процессов самоорганизации;

- законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;

- развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);

- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

- устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления;

- коэволюция (т.е. совместные и взаимообусловленные эволюционные процессы) развивающейся системы и окружающей среды.

 

 

Эволюционное естествознание

 

Тема 5.01. Космология

 

Космология (от космос и...логия), учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной как части целого; раздел астрономии.

Однородность и изотропность. В больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, т. е. галактики и их скопления распределены в пространстве равномерно (однородно), а их движение хаотично и не имеет явно выделенного направления (изотропно). Принцип Коперника, «сдвинувшего Землю из центра мира», был обобщен астрономами на Солнечную систему и нашу Галактику, которые также оказались вполне рядовыми. Поэтому, исключая мелкие неоднородности в распределении галактик и их скоплений, астрономы считают Вселенную такой же однородной везде, как и вблизи нас.

Химический состав вселенной получен на основе изучения спектров звезд и коэффициента поглощения звёздного вещества. Химический состав внешних слоев атмосферы звезд определяют по ширине и положению линий спектра поглощения. Наиболее распространённые элементы — водород и гелий; за ними — углерод, азот, кислород. Число атомов всех металлов составляет примерно одну десятитысячную числа атомов водорода. У 90% исследованных звезд содержания химических элементов в пределах ошибок определения совпадают с солнечными.

Стационарная космологическая модель вселенной предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это.

Искривление пространства. Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной. По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает.

Чёрная дыра -космический объект, возникающий в результате катастрофически быстрого сжатия звезды (коллапс) под действием сил тяготения, масса которых к моменту сжатия превышает некоторую критическую величину. Значение критической массы точно не определено и в зависимости от принятого уравнения состояния вещества меняется от 1,5 до 3 массы Солнц.

Кривизна пространства-времени, в общей теории относительности (теории тяготения) величина, характеризующая меру отклонения свойств пространства-времени от свойств так называемого плоского пространства-времени специальной теории относительности. Понятие кривизны пространства-времени возникло по аналогии с понятием полной кривизны в геометрии поверхностей.

Гравитационные волны, поперечные волны, излучаемые ускоренно движущимися массами и распространяющиеся со скоростью света. Существование гравитационных волн следует из общей теории относительности А. Эйнштейна, сформулированной им в 1916. Уравнения для гравитационного поля математически очень сложны и решены лишь для слабого поля. Решение соответствует поперечным волнам, распространяющимся со скоростью света в вакууме. Однако гравитационные волны до сих пор надёжно не обнаружены из-за их чрезвычайно малой интенсивности и крайне слабого взаимодействия с веществом. Хотя подавляющее большинство физиков убеждено в их существовании, окончательно вопрос о реальности гравитационных волн должен решить эксперимент.

Гравитационный радиус или радиус сферы Шварцшильда. При любом уравнении состояния вещества общая теория относительности предсказывает отсутствие устойчивого равновесия для холодных звёзд в нескольких солнечных масс. Если после потери устойчивости в звезде не происходит освобождения энергии, достаточной для остановки сжатия или для частичного взрыва, при котором оставшаяся после взрыва масса стала бы меньше критической, то центральные части звезды коллапсируют и за короткое время достигают гравитационного радиуса r_g. Никакие силы не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды, если её радиус уменьшится до r_g (до радиуса т. н. сферы Шварцшильда). Основное свойство сферы Шварцшильда состоит в том, что никакие сигналы, испускаемые с поверхности звезды, достигшей этой сферы, не могут выйти наружу. Таким образом, в результате гравитационного сжатия массивных звёзд появляется область пространства-времени, из которой не может выйти никакая информация о физических процессах, происходящих внутри неё.

Динамическая модель Вселенной. В 20 в. ученые отметили, что расстояния между звездными системами, не связанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются. Т.е. сама Вселенная постоянно расширяется. В основе теоретических обоснований данной идеи лежат вычисления Эйнштейна, Фридмана и Хаббла. Еще во втором десятилетии 20 в. американский астроном В.Слайфер, исследовав спектры нескольких галактик, заметил, что у большинства из них спектральные линии смещены в красную сторону. Это означало, что галактики, находящиеся друг от друга на расстоянии в десять миллионов парсек, удаляются друг от друга со скоростями около 600 км/сек. Это расширение в соответствии с принципом Доплера вызывает наблюдаемое красное смещение спектральных линий в спектрах галактик. Любая космологическая модель Вселенной опирается на определенную теорию гравитации. Таких теорий много, но лишь некоторые из них удовлетворяют наблюдаемым явлениям. Теория тяготения Ньютона не удовлетворяет им даже в пределах Солнечной системы. Лучше всех согласуется с наблюдениями общая теория относительности Эйнштейна, на основе которой русский метеоролог А.Фридман в 1922 и бельгийский аббат и математик Ж.Леметр в 1927 математически описали расширение Вселенной. Из космологического принципа, постулирующего пространственную однородность и изотропность мира, они получили модель Большого взрыва. Их вывод подтвердился, когда Хаббл обнаружил связь между расстоянием и скоростью разбегания галактик. Второе важное предсказание этой модели, сделанное Г.Гамовым, касалось реликтового излучения, наблюдаемого сейчас как остаток эпохи Большого взрыва. Другие космологические модели не могут так же естественно объяснить это изотропное фоновое излучение.

Горячий Большой взрыв. Согласно космологической модели Фридмана — Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва - ок. 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечные плотность и температуру; такое состояние называют сингулярностью.

Реликтовое излучение, электромагнитное излучение, заполняющее наблюдаемую часть Вселенной. Реликтовое излучение существовало уже на ранних стадиях расширения Вселенной и играло важную роль в её эволюции; является уникальным источником информации о её прошлом. Интенсивность и спектр реликтового излучения соответствуют излучению абсолютно чёрного тела с температурой 2,7 К. Реликтовое излучение было обнаружено в 1965 в радиодиапазоне электромагнитного излучения на длине волны 7,35 см. Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Происхождения химических элементов решается совместными усилиями специалистов по ядерной физике, космологии, теории звездной эволюции и звездной спектроскопии. Согласно признанной в настоящее время модели нестационарной Вселенной, которую в литературе часто называют Большим Взрывом, самые легкие элементы с зарядом ядра Z 5 образовались примерно через минуту после начала расширения, когда температура упала до 1-2 млрд градусов, в следующих цепочках термоядерного синтеза:

n + p D + , D + p ³He + , 2³He ⁴He + ²H + , ³He + ⁴He ⁷Be + , ⁷Be + e^{- 7}Li + .

Здесь использованы общепринятые обозначения: n для нейтрона, p для протона, D для дейтерия, для фотона, для нейтрино и т.д. Согласно расчетам, на гелий приходится около 25% общей массы нуклонов, а на литий, бериллий и бор - исчезающе малая доля порядка 10^-8 %. Элементы тяжелее Не не синтезируются в сколько-нибудь заметных количествах из-за того, что в природе не существует стабильных ядер с массовыми числами 5 и 8. На этом процесс нуклеосинтеза останавливается на миллионы лет, до тех пор пока не образуются первые галактики и звезды в них. Именно звезды являются той кухней, где "выпекаются" тяжелые элементы. Выделение огромной энергии, в 10¹⁶-10¹⁸ раз большей, чем энергия, излучаемая Солнцем за 1 секунду, приводит к чудовищному взрыву и разлету вещества звезды. Для внешнего наблюдателя яркость звезды за несколько суток возрастает в сотни миллионов раз. Это явление называется Сверхновой. При взрыве Сверхновой происходит ускорение частиц до энергий 10²⁰-10²¹ эВ, что значительно превосходит возможности современных ускорителей элементарных частиц. И аналогично тому, как происходит синтез новых элементов в земных ускорителях, в разлетающемся веществе Сверхновой потоки нейтронов бомбардируют ядра ранее образовавшихся элементов. Захват нейтронов ядрами происходит до образования изотопов, неустойчивых по отношению к -распаду, и последующий распад приводит к появлению более высокозарядного ядра. В процессах нейтронных захватов синтезируются элементы тяжелее железа. Таким образом, взрыв Сверхновой - это важнейший механизм обогащения межзвездной среды элементами от лития до самых тяжелых. До этой стадии доходят только наиболее массивные звезды с массами в 8-10 раз больше солнечной. По космическим меркам их эволюция происходит очень быстро, всего за 5-10 млн лет. За время жизни Галактики многие поколения звезд участвовали в переработке первичного Н и в увеличении содержаний тяжелых элементов. Добавку в содержания наиболее тяжелых элементов с Z > 26 вносили также звезды с массой от 2 до 8 солнечных. На одном из промежуточных этапов эволюции в оболочках этих звезд создаются благоприятные условия для процессов нейтронных захватов, а нестационарные явления в оболочке приводят к сбросу значительной ее части в межзвездное пространство.

Эпохи нашей вселенной. После первой миллисекунды расширения Вселенной сильное (ядерное) взаимодействие перестало играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным за рождение легких частиц - лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) под действием теплового излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 10¹⁰ К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра. Следующая фаза расширения — фотонная эра — характеризуется абсолютным преобладанием теплового излучения. На каждый сохранившийся протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.

Кварки, гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях(адроны). Гипотеза о существовании кварков была высказана в 1964 независимо американским физиком М. Гелл-Маном и австрийским физиком Г. Цвейгом с целью объяснения закономерностей, установленных для адронов. У названия «кварк» нет точного перевода, оно имеет литературное происхождение (было заимствовано М. Гелл-Маном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финегану», где означало нечто неопределённое, мистическое).

 

Красное смещение. Закон Хаббла, утверждающий пропорциональность красного смещения спектральных линий, а следовательно, и скоростей удаления внегалактических объектов, расстояниям до них.

 

Возраст Вселенной. Поскольку в большинстве случаев трудно решить, что нужно понимать под «моментом рождения» тела или системы, то, устанавливая возрастные характеристики, имеют в виду две, вообще говоря, различные количественные оценки: 1) время, в течение которого система уже находится в наблюдаемом состоянии (или в состояниях, близких к наблюдаемому в настоящую эпоху); 2) полное время жизни данной системы от момента её появления до разрушения. Очевидно, что эта вторая характеристика, как правило, может быть получена только на основе теоретических расчётов. Обычно первую из указанных величин называют возрастом, а вторую — временем жизни. Значение времени расширения Метагалактики до современного состояния, равно примерно 17 млрд. лет.