Оглавление
Вопрос
№1___________________________________________________
Вопрос №2___________________________________________________
Вопрос № 3___________________________________________________
Вопрос № 4___________________________________________________
Вопрос № 5__________________________________________________
Вопрос № 6__________________________________________________
Вопрос №7__________________________________________________
Вопрос № 8__________________________________________________
Вопрос № 9__________________________________________________
Вопрос № 10_________________________________________________
Список использованной литературы____________________________
Вопрос №1
В современной
науке физическим пространству и времени приписываются определенные
характеристики. Общими и для пространства, и для времени являются свойства
объективности и всеобщности. Пространство и время объективны, так как существуют
независимо от сознания. Всеобщность означает, что эти формы присущи всем без
исключения воплощениям материи на любом уровне ее существования.
У времени есть ряд специфических характеристик.
Физическому времени приписываются свойства длительности, необратимости,
однородности и одномерности. Длительность интерпретируется как
продолжительность существования любого материального объекта или процесса.
Одномерность означает, что положение объекта во времени описывается единственной
величиной. Однородность времени, свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных
фрагментов, т.е. утверждает инвариантность физических законов относительно
выбора точки отсчета времени. Необратимость времени, его однонаправленность
от прошлого к будущему, связана с необратимостью протекания некоторых
фундаментальных процессов и характером законов в квантовой механике. Существует
также причинная концепция обоснования необратимости времени, согласно которой
если бы время было обратимо, то причинная связь оказалась бы невозможной.
Общая теория относительности позволяет рассматривать
не только инерциальные системы отсчета, но любые системы координат, которые
движутся по криволинейным траекториям и с любым ускорением.
Распространение результатов специальной теории на
неинерциальные системы отсчета привело к установлению зависимости между
метрическими свойствами времени и гравитационными взаимодействиями, т.е. в
зависимости от гравитационных масс время замедляется или, напротив,
ускоряется. Общая теория относительности А. Эйнштейна объединила в рамках одной
концепции понятия инерции, гравитации и метрики пространства—времени. Выводы
общей и специальной теории относительности и неевклидовой геометрии полностью
дискредитировали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени.
Оказалось, что признанные классическими субстанциональные представления не
являются окончательными и единственно верными.
Временные интервалы меньшие 1 с. Период колебаний
звуковой волны достигает 0,001 с, радиоволны 10^-6 с. Меньшие промежутки времени
связаны с расстояниями в микромире, и их можно измерять через скорость света.
За 10^-9 с - свет
проходит расстояние в 30 см, соответственно, можно рассчитать, что расстояние,
равное размеру атома, свет проходит за 10^-18 с, атомного ядра за - 10^-24 с. Колебания молекул совершаются за период в 10^-12 с, атома -10^-15 с, ядра- 10^-21 с. В микромире измерение
расстояний осуществляется при помощи явлений дифракции пучков фотонов или
других элементарных частиц на кристаллических решётках. В качестве эталона
длины в этом случае выступает длина волны, которая в соответствии с положениями
корпускулярно- волнового дуализма
описывает поведение частиц в пучке.
Вопрос №2
Размеры планет определяют по тщательным наблюдениям
за их движениями. Так, Меркурий - ближайшая к Солнцу планета - всегда находится
близко к нему, при наблюдении с Земли его отклонение(наибольшая элонгация)
может быть до 23°.
Радиус орбиты Меркурия порядка 0,38а - радиуса земной орбиты, где а=1
астрономическая единица (а.е.). Имея пропорции можно построить примерную схему
солнечной системы. Для получения абсолютных значений нужно знать хотя бы один радиус отбиты. Его можно определить с
помощью радара. Сейчас все расстояния определены достаточно скрупулезно и
разными методами.
Размеры Земли оценил
Эратосфен в 2 веке до н.э., измерив угловое отклонение Солнца от зенита в
Александрии в 7,2°,
тогда как в Сиене оно было в зените. При этом 7,2° составляет такую долю от
360°,
какую составляет расстояние между городами 800 км от полной длины окружности
Земли. Так он получил эту длину в 40000 км.
Параллакс- видимое перемешение
светил на небесной сфере, обусловленное перемещением наблюдателя в пространстве
из-за вращения Земли (суточный параллакс), обращения Земли вокруг
Солнца(годичный параллакс), движения солнечной системы в Галактике (вековой
параллакс).
Звёздная величина - мера блеска небесного светила,
изменение которой на единицу соответствует изменению блеска в 2,5 раза.
Метод геометрического параллакса позволяет измерять
расстояния в макромире, используя теоремы евклидовой геометрии. Годичный
параллакс звезды - это угол (p), на который изменится направление на звезду, если
наблюдатель переместится из центра Солнечной системы на земную орбиту в
направлении на звезду. Иначе говоря, это угол, под которым видна со звезды
большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения. С
годичным параллаксом связана и основная единица измерения расстояний между
звёздами - парсек. 1пк=206265а.е. =3,263св.года=3,086*10^16 м.
Я считаю что диапазон расстояний во Вселенной
таков: метр- световой год-
астрономическая единица-парсек.
Вопрос № 3
Действие силы на вращающееся тело называют моментом силы (момент силы
равен произведению силы на её плечё)
Момент силы и момент импульса широко используются при изучении вращений
тел. Они определены через операцию, называемую векторное произведение. В
отличие от скалярного произведения двух векторов, величина которого равна
(АВ)=АВ cos а, векторное произведение
учитывает и направление, определяемое про правилу правой руки, когда пальцы
согнуты в направлении от первого вектора А ко второму В, тогда большой палец
укажет направление самого произведения, величина которого равна [AB]sin a. Обычно для
обозначения скалярного произведения векторов используют либо круглые скобки,
либо точку между векторами, а для векторного - либо квадратные скобки, либо
крестик.
Момент импульса тела по величине равен произведению импульса на
расстоянии до оси вращения, его может иметь тело даже при движении по прямой.
Он определяется выражением L=[rmu]
Понятие момента силы используется для сил, способных вызвать вращение
тел. Если сила F
приложена к точке А, расположенной на расстоянии r от оси вращения, а вектор силы
перпендикулярен линии АВ, создаётся момент силы r*F. Когда же направление приложенной
силы проходит через центр вращения, она не создаёт момента силы.
При отсутствии действия внешних сил(система изолирована) действует закон
сохранения импульса для поступательного движения и момента импульса для
вращения. Момент силы и момент импульса связаны по второму закону Ньютона T=dL/dt
Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем мире.
Из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности
времени — закон сохранения энергии, а из изотропности
пространства — закон сохранения момента импульса. Закон сохранения и
превращения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не появляется вновь,
а лишь переходит из одной формы в другую. Закон сохранения импульса постулирует
неизменность импульса замкнутой системы с течением времени. Закон сохранения
момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается
неизменным с течением времени. Законы сохранения являются следствием симметрии,
т.е. инвариантности, неизменности структуры материальных объектов относительно
преобразований, или изменения физических условий их существования. Законы
сохранения энергии и импульса связаны с однородностью времени и пространства,
закон сохранения момента импульса — с симметрией пространства относительно
вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией относительно
специальных преобразований волновых функций, описывающих частицы.
Вопрос № 4
Ученые и специалисты насчитывают
более 170 определений понятия культура. Это свидетельствует о универсальности
данного явления человеческого общества.
Понятием культура обозначают и обычные явления, и сорта растений и умственные качества человека, и образ
жизни, и систему положительных ценностей и так далее. В таком контексте все
созданное человеком есть культура.
Мы используем одно из определений культуры, которое связано с ее
инструментальной трактовкой. Культура - это система средств человеческой
деятельности, благодаря которой реализуются действия индивида, групп,
человечества в их взаимодействии с природой и между собой. Эти средства
создаются людьми , постоянно меняются и совершенствуются. Принято выделять три
типа культуры: материальную, социальную и духовную.
Материальная культура - совокупность средств бытия человека и общества.
Она включает разнообразные факторы: орудия труда, технику, благосостояние
человека и общества. Социальная культура - это система правил поведения людей в различных видах общения. Она включает
этикет, профессиональную, правовую, религиозную и т. д. разновидности деятельности
человека. Более подробно содержательная часть первой и второй культур изучается в других дисциплинах. Духовная культура - это
составная часть культурных достижений человечества. Основные виды духовной
культуры - мораль, право, мировоззрение, идеология, искусство, наука и т.д.
Каждый из этих видов духовной культуры состоит из относительно самостоятельных
частей. Эти части взаимосвязаны и относятся к духовной культуре человечества.
Под наукой в настоящее время понимают ту сферу человеческой деятельности,
функция которой - выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о
действительности. Система наук условно делится на естественные, общественные и
технические науки.
В науке принято выделять систему знаний о природе - естествознание,
которое является предметом естественнонаучной культуры и систему знаний о
позитивно значимых ценностях бытия
индивида, групп , государства, человечества - гуманитарные науки или гуманитарную
культуру. До того, как наука оформилась в самостоятельную часть культуры
человечества, знания о природе и ценностях общественной жизни входили в иные
состояния духовной культуры : практический опыт, мудрость, народная медицина,
натурфилософия и т.д.
Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культур заключается в
следующем:
- они имеют единую основу, выраженную в потребностях и
интересах человека и человечества, в создании оптимальных условий для
самосохранения и самосовершенствования;
- осуществляют взаимообмен достигнутыми результатами;
- взаимно координируют в процессе развития
человечества;
являются самостоятельными ветвями единой системы знаний
науки и духовной культуры в целом.
Мы являемся свидетелями того, как социологи, юристы, экономисты,
менеджеры и другие специалисты - гуманитарии начинают применять в своей работе
системный подход, идеи и методы кибернетики и теории информации, знание
фундаментальных законов естествознания и в частности физики.
Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно, ему нужно знать
законы, приняты в мировой практике судовождения. Но, с другой стороны, если он
не знает, что такое масса, радиус поворота, скорость, ускорение и т. д. , он не сможет реально применить свои
профессиональные знания.
Социолог изучает общественное мнение путем опроса. Но как он сможет
оценить степень достоверности результатов, если не имеет представление о теории
вероятности и теории погрешностей. Без знания этих разделов естественных наук,
результаты его предсказаний не будут представлять практической ценности.
Менеджер рекламирует изделие какого-то предприятия. Хорошо известно, что
на выставках или просмотрах первые вопросы всегда касаются технических сторон
изделия. Конечно, полностью ответить на такие вопросы может только специалист,
имеющий хорошую фундаментальную естественнонаучную подготовку. Однако разбираться
в этих вопросах должен и менеджер.
Существует и другая сторона рассматриваемого вопроса. Наука часто
обвиняется в тех грехах, в которых повинна не столько она сама, сколько та
система институтов, в рамках которой она функционирует и развивается. В настоящее
время очевидно, что развитие науки может приводить к отрицательным последствиям
влияющем на все человечество в целом. Актуальным становится вопрос о социальной
ответственности всех людей, а не только ученых за возможность использования из
открытий и достижений. В настоящее время сформировалась направление, называемое
этикой науки, дисциплине, изучающей нравственные основы научной деятельности.
В качестве примера можно привести пример из истории второй мировой войны.
Р.Оппенгеймера называют отцом атомной бомбы. Он являлся координатором и
руководителем проекта создания атомной бомбы. Она была создана и испытана
сначала в Неваде, а потом и в Хиросиме и Нагасаке.
Позднее Оппенгеймер, осознавая тяжесть ответственности, ушел из проекта и стал
заниматься деятельностью, направленной на предотвращение использования атомных
бомб.
Вышесказанное утверждает нас в мысли, что представляется весьма важным
познакомится с основными концепциями естествознания. Это необходимо для того,
чтобы: во первых, сознательно применять их в своей деятельности, во вторых,
чтобы получить более ясное и точное представление о современной научной картине
мира, которую дает естествознание.
Обыденное познание описывают состояния предметов и некоторые факты, хотя
включают много конкретных знаний об окружающем мире, в отличии от науки,
которая целенаправленно вырабатывает,
производит и систематизирует объективные знания об окружающем мире.
В религии аналогом доказанности для утверждения этических норм является
авторитет постулированного высшего существа, абсолютного духа. Ее весные истины тем самым опираются на интуитивные суждения и
веру в неизвестное.
Вопрос № 5
Идеальным газом может считаться такой газ, молекулы которого
пренебрежительно малы, свободно двигаются и сталкиваются по законам
упругого удара. Частицы принимаются за
материальные точки, взаимодействующие на расстоянии.
Эмпирические законы характеризующие идеальный газ:
Закон Бойля-Мариотта, который
выполняется при постоянной температуре Т:p1*V1=p2*V2, т.е. описывается изотермой на pV- диаграмме.
Закон Гей-Люссака- изменение
объёма с температурой N
при постоянном давлении V=V0*((1+DТ), т.е. описывается изобарой
Закон Шарля- изменение
давления с температурой Т при постоянном объёме p=p0(1+∆Т), т.е. изохорный процесс. Здесь термический
коэффициент давления и коэффициент объёмного расширения одинаковы для всех
газов и равны.
Параметры газа - термодинамическое параметры- давление P,
объём V и
температура Т. Между параметрами существует связь, выражаемая уравнением
состояния, которое устанавливается из опыта и не получено теоретически. Изопроцессы: изотермный, изобарный и изохорный.
Возникновение того или иного процесса стоит в зависимости от изменений
параметров газа.
Модель реального газа, предложенная Ваальсом, отличалась от модели идеального газа только двумя
деталями :учётом объёма самих молекул и их взаимодействия - притяжения.
Последний фактор несколько уменьшает давление, т.к. каждая молекула при
столкновении как бы тормозится притяжением соседних.
Вопрос № 6
Масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент,
пространственная чётность, барионный заряд и квантовые числа являются
параметрами для описания состояния микрочастиц.
Синтез копускулярных и волновых представлений
предложил в 1924 году Луи Виктор де Бройль, приписав любой частице некий
внутренний периодический процесс и рассмотрев единым образом частицы вещества и
света. Развив представления Эйнштейна о двойственной природе света, он распостранил их и на вещество, объединив формулу Планка Е=hv и формулу Эйнштейна E=mc^2, из чего получил
соотношение, показывающее, что любой частице при определённой массе и скорости
соответствует своя длина волны. Сама волна не несёт энергию, а только
отображает распределение фаз некоего периодического процесса в пространстве.
Эту фиктивную волну Бройль назвал фазовой волной, форма лучей которой
определяется принципом наименьшего времени распространения, выдвинутого ещё
Ферма. Соотношение Эйнштейна для световых квантов в объяснении фотоэффекта
требуют сохранения понятия частоты, поэтому сохраняются и волновые свойства светакак колебательного процесса, т.е. в свойствах света
присутствует двойственность. Хотя Бройль исходил из аналогий, но они были
основаны на идее единства природы, и Эйнштейн сразу понял, что здесь речь идёт
не просто об аналогии, а можно ожидать волнового эффекта и для частиц вещества,
например, дифракции электронов. Конкретный смысл связи между величинами,
характеризующими частицу и волну, сопоставляемую с частицей, связан с
квантованием энергии тела.
Почти одновременно в нашем веке были сделаны два революционных шага в
понимании физических явлений. Первым шагом была Специальная теория
относительности, полностью изменившая интуитивное понимание обычных
механических явлений при высоких скоростях. Вторым шагом была квантовая
механика , которая даже более драматично изменила общепринятую
интуицию при рассмотрении положения в пространстве и скорости частицы для
объектов атомного масштаба.
В квантовой механике объект всегда обладает неустранимыми
квантовыми флуктуациями, которые невозможно описать совместным распределением
вероятностей координаты и скорости в связи с принципом неопределенности,
являющимся главным физическим аспектом квантовых явлений, зависящим от
постоянной Планка. Как следствие квантовой механики
полностью было изменено понятие физического состояния частицы по
сравнению с классической статистической механикой , в
которой функция распределения вероятностей в фазовом пространстве является основным
инструментом для описания состояния частицы.
В течении более чем 70 лет считалось, что невозможно описать
квантовые состояния таким же образом, каким они
описываются в классической статистической механике ,
т.е. положительной функцией распределения вероятностей, а остается лишь привыкнуть
к понятиям волновой функции или матрицы плотности, трудно воспринимаемым на
интуитивном уровне при первом знакомстве с ними. Однако недавно было показано,
что понятие состояния частицы в квантовой области может
быть пересмотрено. Это означает, что с квантовым
состоянием может быть ассоциировано распределение вероятностей. С
этой точки зрения понятие квантового состояния может
быть похожим на понятие состояния частицы, используемое в рамках
классической статистической механики .
Стандартная квантовая механика основана на концепции
комплексной волновой функции, которая удовлетворяет уравнению Шредингера. Было
сделано несколько попыток дать классическую интерпретацию волновой функции. Эти
попытки, оказавшиеся неудовлетворительными и привели к мысли, что в
квантовой механике невозможно описать
состояние квантовой системы измеримой положительной
вероятностью, аналогичной случаю классической статистической
механики , где состояние системы описывается
положительным распределением вероятности, связанным с классическими
флуктуациями.
Описание квантового состояния
положительной вероятностью было получено не только для таких непрерывных
наблюдаемых как координата, но также и для чисто квантовых
наблюдаемых (таких как спин).
Но все корни трудностей квантовых измерений присутствуют и в
классических измерениях. Используя соотношения между
квантовыми состояниями в стандартном представлении и в
классическом представлении, можно сделать вывод, что полная
информация о квантовом состоянии получается из чисто
классических измерений положения частицы, сделанных
классическим прибором в каждой из систем отсчета, принадлежащих
ансамблю классических систем отсчета, повернутых с изменением
масштаба, в классическом фазовом пространстве.
Вопрос №7
Не так давно
астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли
требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные
фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в
течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947г. в
этом месте была видна группа из трёх звездоподобных
объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти
продолговатые образования распались на отдельные звёзды - впервые в истории
человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально на глазах этот
беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за
короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что
звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказались
справедливыми.
Глобулу можно рассматривать как турбулентную газово-пылевую массу, на
которую со всех сторон давит излучение. Под действием этого давления объём,
заполняемый газом и пылью, будет сжиматься, становясь, всё меньше и меньше.
Такое сжатие протекает в течение некоторого времени, зависящего от окружающих
глобулу источников излучения и интенсивности последнего. Гравитационные силы,
возникающие из-за концентрации массы в центре глобулы, тоже стремятся сжать
глобулу, заставляя вещество падать к её центру. Падая, частицы вещества
приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако.
Падение
вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и
переходом их кинетической энергии в тепловую. В результате температура глобулы
возрастает. Глобула становится протозвездой и начинает светиться, так как
энергия движения частиц перешла в тепло, нагрела пыль и газ.
Температура ползёт вверх, и вот огромный газовый шар начинает светиться,
его уже можно наблюдать на фоне тёмного ночного неба как тусклый красноватый
диск. Значительная доля энергии его излучения по-прежнему приходится на
инфракрасную область спектра. Но это ещё не звезда. По мере того как вещество
протозвезды уплотняется, оно всё быстрее падает к центру, разогревая ядро
звезды до более высоких температур. Наконец температура достигает 10 млн. К, и
тогда начинают протекать термоядерные реакции - источник энергии всех звёзд во
Вселенной. Как только термоядерные процессы включаются в действие, космическое
тело превращается в полноценную звезду.
Сжимаясь, пыль и газ образуют протозвезду; её вещество представляет собой
типичный образец вещества окружающей нас части космического пространства.
Говоря об образце вещества Вселенной, мы подразумеваем, что этот кусочек межзвездной
среды на 89% состоит из водорода, на 10%-из гелия; такие элементы, как
кислород, азот, углерод, неон и т. п.
составляют в нём менее 1%, а все металлы, вместе взятые, - не более 0,25%.
Таким образом, звезда в основном состоит из тех элементов, которые чаще всего
встречаются во Вселенной. И поскольку богаче всего во Вселенной представлен
водород, то, конечно, любые термоядерные реакции должны протекать с его
участием.
Как только энергия звезды начинает обеспечиваться за счёт ядерных
реакций, гравитационное сжатие, с которого начался весь процесс, прекращается.
Теперь самоподдерживающаяся реакция может продолжаться в течение времени,
длительность которого зависит от начальной массы звезды и составляет примерно
от 1 млн. лет до 100 млрд. лет и больше. Именно в этот период звезда достигает
главной последовательности и начинает свою долгую жизнь, протекающую почти без
изменений. Целую вечность проводит звезда в этой стадии. Ничего особенного с
ней не происходит, она не привлекает к себе пристального внимания. Теперь это
всего-навсего полноценный член звёздной колонии, затерянный среди множества
собратьев.
Почти всю свою жизнь звезда сохраняет температуру и размер практически
постоянными. С вершины горы, вдали от мешающего нам городского света, мы увидим
на небе, по крайней мере, 3000 звёзд. Наблюдатель с очень острым зрением при
идеальных атмосферных условиях увидит в полтора раза больше звёзд. Одни из них
удалены от нас на тысячу, другие - всего на несколько световых лет. Попытаемся
теперь разместить все эти звёзды на диаграмме, на которой каждая звезда
характеризуется двумя физическими величинами: температурой и светимостью.
Разместив все 3000 звёзд, мы обнаружим, что самые яркие из них одновременно
оказываются и самыми горячими, а самые слабые - самыми холодными. При этом
заметим, что подавляющее большинство звёзд располагается вдоль наклонной линии, которая тянется из верхнего левого
угла графика в нижний правый (если, как это традиционно принято, ось температур
направить влево, а ось светимостей - вверх.) Это нормальные звёзды, и их распределение
называют "главной последовательностью". Полученная диаграмма
называется диаграммой Герцшпрунга - Рассела, в честь
двух выдающихся астрономов, впервые установивших эту замечательную зависимость.
В ней важную роль играет масса звезды. Если масса звезды велика, последняя при
рождении попадает на верхнюю часть главной последовательности, если масса мала,
то звезда оказывается в нижней её части.
Продолжительность жизни звезды зависит от её массы. Звёзды с массой
меньшей, чем у Солнца, очень экономно тратят запасы своего ядерного
"топлива" и могут светить десятки миллиардов лет. Внешние слои звёзд,
подобных нашему Солнцу, с массами не большими 1,2 масс Солнца, постепенно
расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта
остаётся маленький и горячий белый карлик.
Вопрос № 8
Распространенность элементов с ростом порядкового номера убывает
неравномерно, причём элементы с чётным порядковым номером более распространены,
чем с нечётным( в геологии этому соответствует правило Гаркинса-Оддо),
особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например, He,C,O,Ne,Mg,Si,S,Ar,Ca. ряд максимумов
соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно
2,8,20,50,82,126. Этим магическим числам соответствуют заполненные ядерные
оболочки, характеризующие устойчивые ядра. По этому поводу американские
космохимики Г.Юри и Г.Зюсс
сказали так:" Представляется, что распространенность элементов и их
изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже
на золу космического ядерного пожара, в котором оно создано."
Примерно из ста химических элементов, встречающихся в земной коре, для
жизни необходимы только 16, причём 4 из них водород, углерод, кислород и азот
наиболее распространены в живых организмах и составляют 99% массы живого.
Принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой
природы состоит в том, что и те и
другие состоят из химических элементов, которые могут быть, при определённых
условиях, составляющими как живых организмов,
так и неживых. К примеру углерод
в виде алмаза или графита является частью неживой природы, а соединениях с
водородом относится уже к органике.
Вопрос № 9
Середина XX века стала временем появления множества новых наук, одна из
них синергетика (её создателями считаются Хаген и Пригожин). Это новый взгляд на мир и природу сложных
явлений. Простая система - система с малым количеством переменных. Сложная
система - с большим количеством переменных. Закрытая - нет притока энергии из
вне. Открытая есть. Устойчивая система - можно рассчитать её траекторию.
Неустойчивая - нельзя рассчитать её траекторию.
Динамика поведения сложных систем:
Оказалось, что сложные системы обязательно
проходят 2-а состояния: устойчивое и неустойчивое (в
этом состоит открытие Хогена). Устойчивое состояние
характеризуется проявлением законов равновесия, небольшими отклонениями.
Возникает внезапно, случайно, но обязательно. Момент перехода из устойчивого
состояния в неустойчивое называется - точкой бифуркации, после этого система
впадает в состояние хаоса.
Из которого есть 3-и выхода: Вернуться в первоначальное состояние (до
хаоса) это возможно только для неживых систем. Разрушиться и превратиться в
систему более низкого уровня. Перейти на качественно более высокий уровень
организации, в этом случае все элементы системы ведут себя так, как будто они
"знают" о конечных целях системы, или кто-то руководит ими.
Синергетика описывает новый механизм самоорганизации природы.
Если внешнее воздействие на систему проводить в прямом и обратном
направлениях, например, чередовать расширение и сжатие, перемещая поршень в
цилиндре, то параметры состояния системы также будут меняться в прямом и
обратном направлениях. Заданные извне параметры состояния называют внешними
параметрами. В рассматриваемом нами простейшем случае роль внешнего параметра
выполняет объем системы. Обратимыми называются такие процессы, для которых при
прямом и обратном изменении внешних параметров система будет проходить через одни
и те же промежуточные состояния.
Поясним на примере, что это не
всегда справедливо. Если мы будем двигать поршень вверх-вниз очень быстро, так
что равномерность концентрации газа в цилиндре не будет успевать установиться,
то при сжатии под поршнем будет возникать уплотнение газа, а при расширении -
разрежение, то есть промежуточные состояния системы (газа) при одном и том же
положении поршня будут различными в зависимости от направления его движения.
Это пример необратимого процесса. Если же поршень двигается достаточно
медленно, так что концентрация газа успевает выравняться,
то при прямом и обратном движениях система будет проходить через состояния с
одинаковыми параметрами при одинаковом положении поршня.
Это - обратимый процесс.
Из приведенного примера видно,
что для обратимости необходимо, чтобы изменение внешних параметров
осуществлялось достаточно медленно, так, чтобы система успевала вернуться к
состоянию равновесия (установление равномерного распределения плотности газа),
или, иначе говоря, чтобы все промежуточные состояния были равновесными (точнее
- квазиравновесными).
Обратим внимание, что в
приведенном примере понятия "медленно" и "быстро" по
отношению к движению поршня нужно брать в сравнении со скоростью звука в газе,
так как именно она является характерной скоростью выравнивания концентраций
(напомним, что звук - это волнообразное распространение чередующихся уплотнений
и разрежений среды). Так что большинство используемых в технике двигателей
удовлетворяют критерию "медленности" движения поршня с точки зрения
обратимости происходящих процессов. Именно в этом смысле мы говорили о
"медленном" движении поршня при введении понятия работы.
Рассмотрим другие примеры
необратимых процессов.
Пусть сосуд разделен перегородкой на две части. С одной стороны находится
газ, а с другой - вакуум. В какой-то момент открывается кран и начинается
необратимое перетекание газа в пустоту. Здесь мы также имеем дело с
неравновесными промежуточными состояниями. После достижения равновесия перетекание
газа прекратится.
Приведем в тепловой контакт два
тела с различными температурами. Полученная система будет неравновесной до тех
пор, пока не выравняются температуры тел, что будет
сопровождаться необратимым переходом тепла от более нагретого тела к менее
нагретому.
Постулаты линейной неравновесной термодинамики 1-й постулат -
принцип локального равновесия . В
обычных потоках газа и жидкости плотность, температура и гидродинамическая
скорость не постоянны, они меняются от точки к точке. Их градиенты приводят к
включению релаксационных процессов, стремящихся выровнять неоднородности среды,
- возникают потоки.
В общем случае они вызываются обобщёнными термодинамическими силами.
Принцип локального равновесия формулируется
следующим образом: Если процессы, нарушающие равновесие , менее
интенсивны, чем формирующие его, то наблюдается равновесиe
в физически бесконечно малом объёме данной системы. В этом случае неравновесную
систему можно описывать теми же функциями состояния, что и равновесную. Тогда
для неё справедливо второе начало термодинамики в форме соотношения Гиббса.
Возможность его применения для газа ограничивают два условия: 1) скорость
внешнего воздействия vB должна быть малой по
сравнению со скоростью релаксационного процесса vP
,восстанавливающего равновесие (отношение P B V V
должно быть << 1); 2) время наблюдения t должно
значительно превышать характерное время ? элементарного релаксационного
процесса: t >> ?. Релаксационный процесс в газе
- тепловое хаотическое движение его молекул.
При обычных условиях время установления максвелловского
распределения молекул по скоростям порядка среднего времени свободного пробега,
т.е. ? ~ 10-10 с. Только очень интенсивный процесс может конкурировать с
механизмом столкновений молекул. В земных условиях такие процессы происходят
при распространении сильных ударных волн или при воздействии мощного лазерного
излучения.
В космических условиях газ сильно разрежен, среднее время свободного
пробега его молекул велико, и поэтому нарушить его равновесие
способно и не слишком интенсивное воздействие. Таким образом,
принцип локального равновесия ограничивает
класс систем, доступных термодинамическому расчёту. 2-й постулат -
термодинамические уравнения движения.
Вопрос
№ 10
Огромное влияние человека на природу и масштабные последствия его
деятельности послужили основой для создания учения о ноосфере. Термин
«ноосфера» переводится буквально как сфера разума. Впервые его ввел в научный
оборот в 1927 г. французский ученый Э. Леруа. Вместе
с Тейяром де Шарденом он рассматривал ноосферу как некое идеальное образование,
внебиосферную оболочку мысли, окружающую Землю.
Ряд ученых предлагает употреблять вместо понятия «ноосфера» другие
понятия: «техносфера», «антропосфера»,
«психосфера», «социосфера»
или использовать их в качестве синонимов. Подобный подход представляется весьма
спорным, так как между перечисленными понятиями и понятием «ноосфера» есть
определенная разница.
Следует также отметить, что учение о ноосфере не носит пока законченного
канонического характера, которое можно было бы принимать как некое безусловное
руководство к действию. Учение о ноосфере было сформулировано и в трудах одного
из его основателей В. И. Вернадского. В его работах можно встретить разные
определения и представления о ноосфере, которые к тому же менялись на
протяжении жизни ученого. Вернадский начал развивать данную концепцию с начала
30-х гг. после детальной разработки учения о биосфере. Осознавая огромную роль
и значение человека в жизни и преобразовании планеты, В.И.Вернадский
употребляет понятие «ноосфера» в разных смыслах: 1) как состояние планеты,
когда человек становится крупнейшей преобразующей геологической силой; 2) как
область активного проявления научной мысли; 3) как главный фактор перестройки и
изменения биосферы.
Очень важным в учении В.И.Вернадского о ноосфере было то, что он впервые
осознал и попытался осуществить синтез естественных и общественных наук при
изучении проблем глобальной деятельности человека, активно перестраивающего
окружающую среду. По его мнению, ноосфера есть уже качественно иная, высшая
стадия биосферы, связанная с коренным преобразованием не только природы, но и
самого человека. Это не просто сфера приложения знаний человека при высоком
уровне техники. Для этого достаточно понятия «техносферы».
Речь идет о таком этапе в жизни человечества, когда преобразующая деятельность
человека будет основываться на строго научном и действительно разумном
понимании всех происходящих процессов и обязательно сочетаться с «интересами
природы».
В настоящее время под ноосферой понимается сфера взаимодействия человека
и природы, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится
главным определяющим фактором развития. В структуре ноосферы можно выделить в
качестве составляющих человечество, общественные системы, совокупность научных
знаний, сумму техники и технологий в единстве с биосферой. Гармоничная
взаимосвязь всех составляющих структуры есть основа устойчивого существования и
развития ноосферы.
Говоря об эволюционном развитии мира, его переходе в ноосферу, основатели
этого учения расходились в понимании сущности данного процесса. Тейяр де Шарден
говорил о постепенном переходе биосферы в ноосферу, т.е. «в сферу разума,
эволюция которой подчиняется разуму и воле человека», путем постепенного
сглаживания трудностей между человеком и природой.
У В.И.Вернадского мы встречаем иной подход. В его учении о биосфере живое
вещество преобразует верхнюю оболочку Земли. Постепенно вмешательство человека
все увеличивается, человечество становится основной планетарной
геолого-образующей силой. Поэтому (стержень учения Вернадского о ноосфере)
человек несет прямую ответственность за эволюцию планеты. Понимание им данного
тезиса необходимо и для его собственного выживания. Стихийность же развития
сделает биосферу непригодной для обитания людей. В связи с этим человеку
следует соизмерять свои потребности с возможностями биосферы. Воздействие на
нее должно быть дозировано разумом в ходе эволюции биосферы и общества.
Постепенно биосфера преобразуется в ноосферу, где ее развитие приобретает
направляемый характер.
В этом и заключаются непростой характер эволюции природы, биосферы, а
также сложности появления ноосферы, определения роли и места в ней человека. В.
И. Вернадский неоднократно подчеркивал, что человечество лишь вступает в данное
состояние. И сегодня, спустя несколько десятилетий после смерти ученого,
говорить об устойчивой разумной деятельности человека (т.е. о том, что мы уже
достигли состояния ноосферы) нет достаточных оснований. И так будет по крайней мере
до тех пор, пока человечество не решит глобальных проблем планеты, в том числе
экологическую. О ноосфере правильнее говорить, как о том идеале, к которому
следует стремиться человеку.
Представляется, что все экологические проблемы можно отнести прежде всего
к двум связанным друг с другом главным
факторам: изменениям климата и
загрязнению окружающей среды. Этим двум факторам и посвящена настоящая работа.
Хотя изменения климата, естественные или вызванные деятельностью человека
(так называемые антропогенные), происходят сравнительно медленно, они
охватывают огромные регионы и потому могут представлять серьезную проблему для
человечества. При значительных изменениях климата произойдут смещения
климатических зон, в результате чего людям придется целиком или частично
перестраивать в этих зонах свою хозяйственную деятельность. Загрязнение
окружающей среды также принимает глобальный характер, так как фактически оно не
знает национальных границ. Нарастание загрязнения превращается в опасность для
самого существования биосферы, и в том числе всего человечества.
Загрязнение окружающей среды — это поступление в нее вредных веществ
(иногда говорят и о тепловом загрязнении), могущих нанести ущерб здоровью
человека, неорганической природе, растительному и животному миру или стать
помехой в той или иной человеческой деятельности. Конечно, загрязнения,
вызванные деятельностью людей (их называют антропогенными), надо отличать от
естественных загрязнений. Обычно, говоря о загрязнении, имеют в виду именно
антропогенное загрязнение и оценивают его, сравнивая мощности естественных и
антропогенных источников загрязнения.
Загрязнение окружающей среды
имеет почти такую же долгую историю, что и история самого человечества. Долгое
время первобытный человек мало чем отличался от других видов животных и в
экологическом смысле находился в равновесии с окружающей средой. К тому же
численность человечества была невелика. По оценкам исследователей, 100 тысяч
лет назад на Земле было всего около миллиона человек. С течением времени в
результате развития биологической организации людей, их умственных
способностей, человеческий род выделился среди других видов. По словам
французского эколога Ф. Рамада, «возник первый вид
живых существ, воздействие которых на все живое представляет собой
потенциальную угрозу равновесию в природе».
Хорошим показателем роста вмешательства человека в природные процессы, в
естественный круговорот веществ может служить рост количества энергии,
потребляемой человеком. За единицу количества энергии можно принять
килокалорию: это приблизительно количество тепла, необходимое для нагревания
килограмма воды на один градус Цельсия. На заре своего развития человек
потреблял в виде пищи 2—4 тысячи килокалорий в сутки. После первых технических революций
(овладение огнем, переход к оседлому образу жизни и
сельскохозяйственному производству, приручение некоторых видов животных)
добавилось примерно столько же используемой человеком тепловой и механической
энергии. Считается, что 10 тысяч лет назад (в новом каменном веке) использовалось
около 10 тысяч килокалорий на человека в сутки. В феодальном обществе,
основанном на сельскохозяйственном производстве, эта величина выросла до 22—26
тысяч килокалорий в сутки — это еще не нарушало равновесия человека с природой,
поскольку производство той поры неплохо вписывалось в природный круговорот
веществ. Но дальше пошло хуже, и положение существенно изменилось с началом
промышленной революции XVII— XVIII
веков, когда производство и потребление энергии на каждого человека
выросло до 70 тысяч килокалорий в сутки.
А сейчас в промышленно
развитых странах (например, в США) потребляется уже до 200—250 тысяч
килокалорий в сутки на каждого человека. По данным Мирового банка в промышленно
развитых странах с рыночной и плановой экономикой за счет невозобновляемых
топливных запасов (природный газ, нефть, уголь, ядерная энергия) было
произведено и потреблено 139 тысяч килокалорий в сутки на душу населения.
Правда, в других странах производится гораздо меньше энергии, и средняя цифра
впятеро ниже — около 43,5 тысячи килокалорий в сутки на душу населения, то есть
в 10—20 раз больше, чем потребляли первобытные люди. И по всем прогнозам
производство и потребление энергии на каждого человека будут продолжать расти.
С помощью ЭВМ начали изучать фракталы. Ферми и Нейман решали задачи на
ЭВМ о возникновении теплового хаоса.Корпорация IBM и
ряд научно-исследовательских организаций собираются задействовать миллионы
неиспользуемых персональных компьютеров для решения глобальных проблем.
Объединенные в одну сеть они создадут суперкомпьютер, который сможет
расшифровывать генетические коды, составлять каталог всех белков человеческого
организма и предсказывать стихийные бедствия.
По данным сайта телекомпании CNN, программа, получившая название World Community Grid, рассчитывает на помощь добровольцев, как частных
владельцев компьютеров, так и компаний. Загрузив специальное программное
обеспечение, они санкционируют использование своих компьютеров, когда те
включенными простаивают без дела. Более того, им будет дано право выбирать,
решением какой именно проблемы должна заниматься их машина.
Между собой многочисленные звенья распределенного суперкомпьютера будут
связаны с помощью интернета. Следить за обработкой
данных будут в вычислительном центре IBM в Колорадо. Своим именем корпорация
намерена привлечь в программу серьезных бизнес-партнеров.
Всего сотрудники программы, чей лозунг звучит "Ты можешь помочь
изменить мир", ожидают, что добровольцы обеспечат им доступ к примерно к
10 миллионам компьютеров. Ставить задачи для World Community Grid будет специальный
совет.
Пока в качестве значительных для человечества проблем заявлены
исследования в области агроклиматологии, генетической структуры протеинов,
лечения СПИДа, рака и синдрома Альцгеймера. Всего в течение года будет
осуществляться от трех до пяти проектов.
Список использованной литературы
1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. -
Новосибирск: ЮКЭА. 1997.-52 п.л.
2. Дубнищева Т,Я. Пигарев.А.Ю.
Современное естествознание. - Новосибирск: ЮКЭА,1998.-9,5 п.л.
3. Перышкин А.В., Е.М.Гутник Физика
(8-11 класс).-М.:Дрофа,2003
4. Справочник
школьника. -СПб.: изд. «Весь»,2002.-700 с.
5. Наука и Вселенная; Том 1/ Под ред. А. Д. Суханова, Г. С. Хромова. – М.: Наука,1983.