Содержание
Энтропия
и стрела времени. Эволюция химических, физических, биологических систем как
последовательность бифуркаций, нарушений симметрии и критических отборов. 3
Популяционно
- биоценетический уровень организации живой материи. 6
Основные
положения теории относительности, четырехмерная реальность. 9
Вариант
№ 112. 13
Список
литературы.. 15
Энтропия и стрела времени. Эволюция химических,
физических, биологических систем как последовательность бифуркаций, нарушений
симметрии и критических отборов
Микроскопическая теория должна учитывать два тесно связанных
между собой элемента. Прежде всего в своих попытках построить микроскопическую
модель энтропии (о функции Больцмана), монотонно изменяющейся со временем, мы
должны следовать Больцману. Именно такое изменение должно задавать стрелу
времени. Возрастание энтропии изолированной системы должно выражать старение
системы.
Стрелу времени нам часто не удается связать с энтропией
рассматриваемого процесса. Поппер приводит простой пример системы, в которой
развивается односторонне направляемый процесс и, следовательно, возникает
стрела времени.
“Предположим, что мы отсняли на кинопленку обширную водную
поверхность. Первоначально она покоилась, а затем в воду бросили камень.
Просматривая отснятый при этом фильм от конца к началу, мы увидим сходящиеся
круговые волны нарастающей амплитуды. Сразу же после того, как гребень волны
достигнет наибольшей высоты, круглая область невозмущенной воды сомкнется в
центре; Такую картину нельзя рассматривать как возможный классический процесс
Для создания ее потребовалось огромное число когерентных генераторов волн,
расположенных далеко от центра, действие которых для того, чтобы быть объяснимым,
должно выглядеть (как в фильме) так, словно всеми генераторами мы управляем из
центра. Но если мы захотим просмотреть от конца к началу исправленный вариант
фильма, то столкнемся с теми же трудностями”.
Действительно, какими бы техническими средствами мы ни
располагали, всегда будет существовать определенное расстояние от центра, за
пределами которого мы не сможем генерировать сходящуюся волну. Однонаправленные
процессы существуют. Нетрудно представить себе и многие другие процессы того же
типа, что и процесс, рассмотренный Поппером — мы никогда не увидим, как энергия
собирается со всех сторон к звезде, — или обратные ядерные реакции, протекающие
с поглощением энергии.
Кроме того, существуют и другие стрелы времени,
например космологическая стрела (о которой превосходно написал в
своей книге “Этот правый, левый мир” Мартин Гарднер).
Предполагая, что Вселенная началась с большого взрыва, мы тем самым
подразумеваем существование временного порядка на космологическом уровне.
Размеры Вселенной продолжают возрастать, но мы не можем отождествить радиус
Вселенной с энтропией: внутри Вселенной, как мы уже упоминали, происходят и
обратимые, и необратимые процессы. Аналогичным образом в физике элементарных
частиц существуют процессы, приводящие к нарушению Т-симметрии. Последнее
означает, что уравнения, описывающие эволюцию системы при +t, отличны от
уравнений, описывающих эволюцию системы при -t. Однако нарушение
T-симметрии не мешает нам включать ее в обычную (гамильтонову) формулировку
динамики. Определить энтропию с помощью нарушения Г-симметрии невозможно.
В этой связи нельзя не вспомнить знаменитую дискуссию между
Эйнштейном и Ритцем, опубликованную в 1909 г. Совместная публикация Эйнштейна и
Ритца крайне необычна. Она весьма коротка — занимает менее печатной страницы.
По существу, в ней лишь констатируется расхождение во взглядах. Эйнштейн
считал, что необратимость является следствием введенных Больцманом
вероятностных понятий. Ритц же отводил решающую роль различию между
запаздывающими и опережающими волнами. Это различие напоминает нам аргументацию
Поппера. Волны, которые мы наблюдаем в пруду, — запаздывающие. Они появляются
после того, как мы бросили камень.
И Эйштейн и Ритц существенно обогатили дискуссию о
необратимости, но каждый из них акцентировал внимание лишь на каком-то одном
аспекте проблемы.
Эволюция системы проходит через бифуркации и случайность от
хаоса через промежуточные простые структуры до сложноорганизованных. Ee вектор всегда направлен по
пути отбора фракталов, более приспособленных к внешним условиям. Это
последовательность медленных постепенных этапов развития и качественных скачков
разного масштаба, периодический процесс смены качественных состояний системы,
движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой.
При этом иногда происходит усложнение и более высокая степень организации (что
мы наблюдаем на примере эволюции головного мозга, цивилизации,
совершенствования технических и технологических систем), а иногда - упрощение.
Благодаря наложению этих процессов мы наблюдаем то великое разнообразие простых
и сложных биологических организмов, определенное соотношение между которыми и
обусловливает устойчивость биосферы Земли.
В новом устойчивом состоянии система будет находиться до
очередной, важной для нее, случайной флуктуации, под влиянием которой ситуация
вновь повторится. Этот периодический процесс протекает до тех пор, пока система
обменивается с окружающей средой ресурсами. В естественных условиях (в
отсутствии специального управления) он может продолжаться бесконечно долго, что
и наблюдается на примере естественных химических и биологических систем,
единственным «управителем» и «исполнителем» преобразований в которых являются
фундаментальные законы природы.
Общие закономерности протекания процессов самоорганизации
социоприродных систем, выявленные синергетикой, позволяют наиболее полно
проиллюстрировать единство всего сущего, построить картину мира, в которой все
- жизнь неживой и живой природы, жизнь и творчество человека, жизнь общества -
связано со всем и подчинено единым вселенским фундаментальным законам природы.
Это обобщенная синергетическая картина мира.
Популяционно - биоценетический уровень организации
живой материи
Популяцией называют группу особей одного вида, обладающих
способностью свободно скрещиваться и неограниченно долго поддерживать свое
существование в определенном местообитании. Популяция - это некоторое единство, которое определяется общностью
занимаемой особями территории (или акватории), а также общностью их
происхождения, сходством строения и поведения. Например: все особи,
обитающие в небольшом озере, или все деревья одного вида в лесу.
Наиболее близким по значению к значению термина
"популяция" является понятие "племя". Следовательно,
популяции состоят из одинаковых организмов, совместно населяющих определенные
участки и связанных между собой различными взаимоотношениями, которые
обеспечивают им устойчивое существование в данной природной среде.
Слово "популяция" происходит от латинского
"популюс" - народ, население. Экологическую популяцию, таким образом,
можно определить как население одного вида на определенной территории.
Члены одной популяции оказывают друг на друга не меньшее
взаимодействие, чем физические факторы среды или другие обитающие совместно
виды организмов. В популяциях проявляются в той или иной степени все формы
связей, характерные для межвидовых отношений, но наиболее ярко выражены
мутуалистические (взаимно полезные) и конкурентные. Во всех случаях в
популяциях действуют законы, позволяющие таким образом использовать ограниченные
ресурсы среды, чтобы обеспечить оставление потомства. Достигается это в
основном через количественное изменение населения. Популяции многих видов
обладают свойствами, позволяющими им регулировать свою численность.
Поддержание
оптимальной в данных условиях численности называют гомеостазом популяции.
Гомеостатические возможности популяций по-разному выражены у различных видов.
Осуществляются они через взаимодействия особей.
Таким образом, популяции, как групповые объединения,
обладают рядом специфических свойств, которые не присущи каждой отдельной
особи. Групповые особенности - это основные характеристики популяций. К ним
относятся:
1) численность - общее количество особей на выделяемой
территории;
2) плотность - среднее число особей на единицу площади или
объема , занимаемого популяцией пространства; плотность популяции можно
выражать также через массу членов популяции в единице пространства;
3) рождаемость - число новых особей, проявившихся за единицу
времени в результате размножения;
4) смертность - показатель, отражающий количество погибших в
популяции особей за определенный отрезок времени;
5) прирост популяции - разница между рождаемостью; прирост
может быть как положительным, так и отрицательным;
6)темп роста - средний прирост за единицу времени.
Популяции свойственна определенная организация.
Распределение особей по территории, соотношения групп по полу, возрасту,
морфологическим, физиологическим, поведенческим и генетическим особенностям
отражают структуру популяции. Она формируется, с одной стороны, на основе общих
биологических свойств вида, а с другой - под влиянием абиотических факторов
среды и популяций других видов. Структура
популяций имеет, следовательно, приспособительный
характер. Разные популяции одного вида обладают как сходными особенностями
структуры, так и отличительными, характеризующими специфику экологических
условий в местах их обитания.
Таким образом, кроме адаптивных возможностей отдельных
особей, население вида определенной территории характеризуется еще и
приспособительными чертами групповой организации, которые являются свойствами
популяции как надиндивидуальной системы. Адаптивные возможности вида в целом
как системы популяций значительно шире приспособительных особенностей каждой
конкретной особи.
Биогеоценоз - сообщество, совокупность организмов разных
видов и различной сложности организации со всеми факторами конкретной среды их
обитания - компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы.
Основные положения теории относительности,
четырехмерная реальность
Название “теория относительности” возникло из
наименования основного принципа (постулата), положенного Пуанкаре и Эйнштейном
в основу из всех теоретических построений новой теории пространства и времени.
Содержанием теории относительности является физическая
теория пространства и времени, учитывающая существующую между ними взаимосвязь
геометрического характера. Название же “принцип относительности” или “постулат
относительности”, возникло как отрицание
представления об абсолютной неподвижной системе отсчета, связанной с неподвижным эфиром, вводившимся для
объяснения оптических и электродинамических явлений. Дело в том, что к началу
двадцатого века у физиков, строивших теорию оптических и электромагнитных
явлений по аналогии с теорией упругости, сложилось ложное представление о
необходимости существования абсолютной неподвижной системы отсчета, связанной с
электромагнитным эфиром. Зародилось, таким образом, представление об абсолютном
движении относительно системы, связанной с эфиром, представление,
противоречащее более ранним воззрениям классической механики (принцип
относительности Галилея). Опыты Майкельсона и других физиков опровергли эту
теорию “неподвижного эфира” и дали основание для формулировки противоположного
утверждения, которое и получило название “принципа относительности”. Так это название
вводится и обосновывается в первых работах Пуанкаре и Эйнштейна.
Эйнштейн пишет: “.. неудавшиеся попытки обнаружить движение
Земли относительно “светоносной среды”
ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике
никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя, и даже
более того, - к предположению, что для всех координатных систем, для которых
справедливы уравнения механики, имеют место те же самые электродинамические и
оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Мы
намерены это положение (содержание которого в дальнейшем будет называться
“принципом относительности”) превратить в предпосылку... “[1] А вот что пишет Пуанкаре:
“Эта невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет
закон природы; мы приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем
постулатом относительности, и примем
его без оговорок.” [2]
Но крупнейший советский теоретик Л. И. Мандельштам в своих лекциях по теории
относительности [3]
разъяснял: “Название “принцип относительности” - одно из самых неудачных.
Утверждается независимость явлений от неускоренного движения замкнутой системы.
Это вводит в заблуждение многие умы” На неудачность названия указывал и один из
творцов теории относительности, раскрывший ее содержание в четырехмерной
геометрической форме, - Герман Минковский. В 1908 г. он утверждал: “... термин
“постулат относительности” для требования инвариантности по отношению к группе 
, кажется мне слишком бедным. Так как смысл постулата
сводится к тому, что в явлениях нам дается только четырехмерный в пространстве
и времени мир, но что проекции этого мира на пространство и на время могут быть
взяты с некоторым произволом, мне хотелось бы этому утверждению дать название: постулат абсолютного мира”[4]
Таким образом, мы видим, что названия “принцип относительности”
и “теория относительности” не отражают истинного содержания теории.
Построение
общей теории относительности Эйнштейн начал в 1907 году и закончил вместе Х.Д.
Гильбертом (H.D Hilbert) в 1915. В основе общей теории относительности лежит
экспериментальный факт равенства инертной массы (входящей во 2-ой закона
Ньютона) и гравитационной массы (входящей в закон тяготения) для любого тела.
Это равенство проявляется в том, что движение тела в поле тяготения не зависит
от его массы. Следствием этого является отсутствие гравитационно нейтральных
тел.
Основной
идеей общей теории относительности является то, что гравитационное поле (в
котором проявляется гравитационная масса) эквивалентно ускоренному движению (в
котором проявляется инертная масса). Гравитационная масса и инертная масса
характеризуют одно и то же свойство материи, рассматриваемое по-разному
(разность массы современными экспериментальными методами не обнаружена). Таким
образом, Эйнштейн пришел к принципу эквивалентности, который он так
сформулировал в своей автобиографии:
В поле
тяготения (малой пространственной протяженности) все происходит так, как в
пространстве без тяготения, если в нем вместо "инерциальной" системы
отсчета ввести систему, ускоренную относительно нее. Данный принцип позволяет
трактовать тяготение как искривление пространства-времени.
Четырехмерный мир - не окаменевший, как может создаться
впечатление при попытке осознать вневременность бытия. Вневременность,
охватывающая все время воплощения - это всего первый шаг познания картины
реальности следующего уровня сложности. Далее окажется, что и мир следующей
размерности живет и творит без нам известного действия, так как то, что мы
называем процессами, происходит этажом ниже по структурной лестнице - в
бесконечном континууме трехмерных миров. Четырехмерность - это бесконечная
сумма ее трехмерных видений реальности с разным временем осознания. Это те
бескрайние просторы, по которым текут реки нам доступных трехмерных видений
миров. Вместе с тем, это тот бездонный океан, в который эти реки втекают. И это
тот единственный источник, который своими "испарениями" питает все
реки жизней трехмерных миров. А на глади океана никак не отражается его
непрестанная активность. И это все разные отражения одной и той же реальности.
Дальнейшая детализация четырехмерного видения реальности вряд ли имеет смысл,
так как это область принципиально непознаваемая для трехмерного восприятия.
Частично спасают только аналогии, но и они основаны на логике осознания
трехмерного пространства. Более высокие измерения и их времена нас касаются
своим влиянием, но попытки осознать далее, чем ближайшую "соседнюю"
трехмерность, обычно исходят от не желающего терять своей значимости
интеллекта. Пытаясь исследовать многомерность, логичнее это делать при помощи
развития внимания и осознания, а не заменять это придуманными интеллектуальными
конструкциями. Даже самые яркие личные открытия, изменившие целые цивилизации,
как показывает история религий, выраженные языками трехмерности, со временем
выветривают свою суть. А прямолинейно воспринятые интеллектом религиозные идеи
становятся просто ложными. Блестящий пример - спор верований о том, сколько
есть богов. Спор абсурден просто потому, что к объекту пространства высших
измерений неприменимо наше понятие исчисления. Само по себе выделение объекта в
четырехмерности привычными для нас способами невыполнимо. Описывая
четырехмерность, с натяжкой возможен разговор только о структуре, так как
нашему осознанию открывается полное единство всего. И это все оказывается
живым. Так что бога в его трехмерном бородатом представлении, естественно, не
существует. Но последнее утверждение никак не атеистическое.
Вариант № 112
1. Какая область знаний получила самостоятельное развитие
благодаря учению Архимеда о
равновесии тел:
а)
статика;
б)
акустика;
в) оптика;
г) термодинамика;
д) химия?
Правильный ответ: а) статика
2. Какой ученый создал
единую естественнонаучную и философскую
систему, основанную на постулатах о существовании непрерывной материи, заполняющей все пространство, и
ее механическом движении:
а) Гаусс;
б) Ньютон;
в) Лейбниц;
г) Бэкон;
д) Декарт?
Правильный ответ: в) Лейбниц
3. Что входит в систему классической механики Ньютона:.
а) постановка вопроса о расширении
Вселенной;
б) решение задачи о движении тел
со скоростями, близкими к скорости света;
в) описание световых волн;
г) формулировка трех законов
механики;
д) рассмотрение природы
фундаментальных взаимодействий в природе?
Правильный ответ: г) формулировка трех законов
механики.
4. Как
называют закон сохранения энергии в термодинамике:
а) принцип возрастания энтропии;
б) первое начало;
в) второе начало;
г) принцип
соответствия;
д)
принцип инерции?
Правильный ответ: б) первое начало
5. Какая научная теория
основывается на экспериментальных исследованиях
по электричеству Фарадея:
а) электронная теория Лоренца;
б) кинетическая теория газов;
в) термодинамика;
г) теория строения атома;
д) теория электромагнетизма Максвелла?
Правильный ответ: д) теория электромагнетизма Максвелла.
Список литературы
1. Концепции
современного естествознания: Учебник для вузов /Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П.
Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.
2. Кузнецов
В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. – М.: Агар, 1996.
3. Найныш
В.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Гардарики,
2001.
4. Детлаф
А.А., Яворский Б.М. «Курс физики» изд. «Высшая школа» 2000 г.
5. Хриплович
И.Б.Лекции по «Общей Теории Относительности -
физфак НГУ., 1995
[1] “Принцип относительности” Лоренц,
Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский; ОНТИ ; 1935 г., стр. 134
[2] “Принцип относительности” Лоренц,
Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский; ОНТИ ; 1935 г., стр. 51
[3] Полное собрание трудов, Л. И.
Мандельштам; Том 5, стр. 172
[4] “Принцип относительности” Лоренц,
Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский; ОНТИ ; 1935 г., стр. 192