Алексеев С. И. Концепции современного естествознания Москва 2003 Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права Алексеев С.И. Концепции современного естествознания Москва 2003 УДК 5 ББК 20 А 474 Алексеев С.И. «Концепции современного естествознания »/ Мос- ковский международный институт эконометрики, информатики, финан- сов и права. –М., 2003. – 52 с. Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образова- нию в области антикризисного управления в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специаль- ности 351000 «Антикризисное управление» и другим экономическим специальностям. Ó Алексеев С.И., 2003 © Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права, 2003 СОДЕРЖАНИЕ Введение ........................................................................................................... 4 1. Единство науки и научный метод. ............................................................ 5 2. Естественнонаучный подход к изучению природы................................. 5 3. Дифференциация и интеграция знаний. ................................................... 9 4. Механистическая картина мира .............................................................. 10 5. Электромагнитная картина мира ............................................................. 12 6. Революция в естествознании XIX-XXв.в. ............................................ 14 7. Концепция относительности пространства и времени. ........................ 16 8. Концепция необратимости и термодинамика. ....................................... 17 9. Концепция синергетики............................................................................ 20 10. Концепция атомизма............................................................................... 21 11. Концепции биологических систем. ....................................................... 27 12. Концепции экологии ............................................................................... 39 13. Концепции химических структур.......................................................... 45 14. Основные физические постоянные ....................................................... 46 15. Приставки для образования кратных и дольных единиц.................... 46 16. Вопросы по курсу «Концепции современного естествознания». ..... 47 17. Словарь терминов. .................................................................................. 49 18. Литература. .............................................................................................. 51 18.1 Основная литература ......................................................................... 51 18.2 Дополнительная литература ............................................................. 51 Введение Курс «Концепции современного естесвознания» имеет важное зна- чение для формирования научного мировоззрения и общей культуры студентов. Современное представление об окружающей среде, фунда- ментальные законы, объясняющие гармоничность картины мира, раз- личные подходы к пониманию явлений природы в их историческом раз- витии, современный системный метод анализа действительности явля- ются предметом курса. Системный подход , получивший широкое распространение в по- следнее время, предполагает целостный охват изучаемых процессов и явлений в их взаимосвязи и взаимодействии с другими явлениями. Та- кой подход «стирает» грани между различными науками, способствуя сближению различных точек зрения гуманитариев и естествоиспытате- лей на одни и те же явления; позволяет сделать естественнонаучные ме- тоды общенаучными. Основой системного метода являются концепции эволюции и само- организации, позволяющих с единых позиций объяснить принципы ор- ганизации всего сущего на Земле, строение и динамику поведения раз- личных систем. Ключевые термины - Картина мира - Системный подход 1. Единство науки и научный метод. Научный метод представляет собой воплощение единства всех форм знаний. Познание в естественных, технических, социальных и гу- манитарных науках в целом совершается по некоторым общим принци- пам и правилам.Это свидетельствует, во-первых, о единстве всех наук, а во-вторых - об общем, едином источнике познания, которым служит ок- ружающий нас объективный реальный мир: природа и общество. Методы познания ( по степени обоснованности ) Статистические Вероятностные Индуктивные Дедуктивные Методы познания ( по механизмам обобщения ) - Аналитические - Моделирования - Синтетические - Генерализации - Идеализации - Типологизации - Логические - Классификации Ключевы е термины - Научный метод - Единство науки 2. Естественнонаучный подход к изучению природы. Естественнонаучный подход имеет глубокие исторические корни, основан на многовековом продолжительном наблюдении за явлениями природы, имеющими, как правило, циклический характер. Основные особенности этого подхода: a) разработано большое количество измерительных средств, позволяю- щих оценить состояние окружающей среды; b) найдены эталоны многих физических величин, благодаря которым появилась возможность измерять и сравнивать; c) разработан математический аппарат обработки результатов измере- ний, позволяющий оценивать состояние изучаемых объектов. Естественнонаучный подход основан на следующихсвойствах из- меряемых величин и оцениваемых параметров математических моделей: a) воспроизводимости измеряемых величин; b) правильности математических моделей и использования статисти- ческих методов; c) избыточности данных, допускающей вероятностное оценивание. К недостаткам естественнонаучного подхода можно отнести то, что он требует наличия множества однородных по каким-либо признакам явлений (объектов ). Ценность подхода во многом зависит от выбора признаков, являющихся общими для элементов множества и подлежа- щих оцениванию. Если признаки являются не существенными, а второ- степенными, то правдоподобность выводов значительно снижается. Кроме того, качество оценок зависит от объема множества, коррелиро- ванности наблюдений. Широко распространены интервальные оценки в предположении о вероятностном распределении измеряемых величин, отвечающих одному из типовых (стандартных) законов распределения случайных величин. Некоторые из наиболее распространенных законов, приведены ниже. Пример 1. Типовые законы распределения случайных величин. y y x x a) равномерный b) нормальный y y x x с) экспоненциальный d) Ферми- Дирака Пример 2. Свойства функции распределения y x 1 x 2 x +¥ ò y ( x ) dx - ¥ = 1; Условие нормирования функции распределения = Вероятность интервальной оценки ) x 2 1 p ( х < x < y ( x )dx ; 2 ò x 1 х Вероятность точечной оценки p ( x = x 1 ) = p ( x = x 2 ) = 0 В ряде гуманитарных наук, например в истории, трудно подвести отдельные события под какой-либо общий закон или теорию (т.e. не имеется возможности набрать статистику однородных событий). Поэто- му многие историки возражают против переноса естественнонаучных методов для анализа исторических процессов. Для объяснения событий ими предлагаются методы телеологии , опирающиеся не на причинные законы и направленные на раскрытие целей, намерений, поведения, дея- тельности людей. Многие считают, что методы объяснения вообще бесполезны, а ва- жен метод понимания , позволяющий раскрыть смысл события, особен- но, если оно уникально и неповторимо. Теоретически понимание осно- вывается на интерпретации то есть истолковании целей, мотивации смысла действий и поступков людей и поэтому сходно с телеологиче- ским объяснением. Так нередко понимание текста сводится лишь к рас- крытию и усвоению смысла, который вложил в него автор. Однако, если бы переводчики разных эпох раскрывали бы только авторский смысл произведения, то все переводы были бы тавтологией . Исторические события также обычно интерпретируются с позиций своего времени. С другой стороны, иные исследователи истории с неменьшим упор- ством отстаивают мнение о возможности применения общих методов и теорий, однако, по их мнению, невозможность объединения отдельных событий в однородную группу свидетельствует о недостаточной прора- ботке материала, малой информационной емкости событий. В целом, понимание- более сложный, противоречивый и запутан- ный процесс, чем объяснение.Различие между ними состоит в том, что если объяснение сводится к логическому выводу, то понимание- к ин- терпретации.И если объяснение относится к событиям прошедшим и на- стоящим, то к будущим событиям относится предвидение ( предсказа- ние, прогноз ). Предвидение и объяснение сходны по своей логической структуре и представляют собой логический вывод ( умозаключение ). Структура одного из простейших умозаключений приведена ниже. Приме р 3. Простой категорический силлогизм ( дедуктивное умозаключение ). Посылка 1 Суждение 1 С1 + П1 Посылка 2 Суждение 2 С2 + П2 - Вывод Суждение 3 С3 + П3 Здесь С- субъект, П- предикат суждения. Так из посылки: «Все студенты первого курса изучают КСЕ» и посылки:«Иванов учится на первом курсе» cледует логический вывод: «Иванов изучает КСЕ». Предвидени е как способ отражения действительности имеет ог- ромное практическое значение, обеспечивая возможность прогнозиро- вания событий и явлений. Статистические выводы ( заключения ) имеют вероятностный характер ( а не достоверный ), в них используют- ся интервальные ( а не точечные ) оценки, что прежде всего объясняет- ся отсутствием общих фундаментальных законов в гуманитарных нау- ках ( подобных законам Ньютона в механике ), а также влиянием субъ- ективного фактора на исследуемые процессы. Ключевы е термины - Эталон - Множество - Воспроизводимость - Суждение - Измерение - Субъект - Вероятность - Предикат - Cтатистика - Существенный признак - Оценка - Общий признак - Распределение величин - Силлогизм - Оценивание - Телеология - Эффективность - Понимание - Состоятельность - Объяснение - Несмещенность - Предвидение - Точечная оценка - Прогноз - Интервальная оценка - Смысл 3. Дифференциация и интеграция знаний. В прошлом считалось, что развитие некоторой научной дисципли- ны идет путем непрерывного накопления все новых и новых научных истин ( такой процесс называется кумуляцией ). При этом возрастают точность и глубина знаний в этой дисциплине. Однако, одновременно ослабевают связи с другими научными дисциплинами и дело доходит до того, что специалисты разных отраслей одной и той же науки нередко не понимают ни постановок задач, ни методов исследований, ни конечных результатов друг друга. Дифференциаци я знаний - это процесс, связанный с более тща- тельным и глубоким изучением определенной области действительности (так называемый дисциплинарный подход). Однако необходим и меж- дисциплинарный интегративный подход, обеспечивающий единство и целостность представлений. Интеграци я знаний - это процесс, связанный с использованием по- нятий, теорий и методов одной науки в смежных науках. В результате интеграции возникают новые научные направления (например, биофизика, геохимия и пр.). Из смежных наук могут быть заимствованы тактика ( приемы и методы ) и стратегия (общие принци- пы) исследований, методология (способы получения новых знаний, ана- лиза и оценки результатов исследований), порядок выполнения измере- ний и проведения экспериментов, математические модели и методы оценки их параметров. Особое значение приобретает системный метод, позволяющий рас- сматривать с единых позиций предметы и явления в их взаимосвязи и целостности. Смежные науки позволяют в этом случае выделить эле- менты исследуемой системы, определить ее структуру. Поэтому систем- ный метод является эффективным средством интегративных исследова- ний. Ключевы е термины - Дифференциация знаний - Интеграция знаний - Кумуляция знаний 4. Механистическая картина мира. Основные законы (принципы) механики, сформулированные И.Ньютоном в своем главном труде «Математические начала натураль- ной философии» в 1687 году, заложили основу механистической карти- ны мира ( макромира ). Открытие принципов ознаменовало революционный переворот в познании Вселенной, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о “скрытых” качествах и спекулятивных измышлений о происходящих в природе процессах к точному экспериментальному естествознанию, в котором все предположения, гипотезы и теоретиче- ские модели проверялись исключительно наблюдениями и опытом. Механическое движение было сведено к точному математическо- му описанию: для этого необходимо и достаточно было задать началь- ные координаты тела, его скорость (или импульс ) и уравнение движе- ния. Все последующие состояния движущегося тела точно и однозначно определялись в любой момент времени как в будущем, так и в прошлом, поскольку в поставленной таким образом задаче в уравнениях знак вре- мени можно было менять на обратный ( концепция обратимости вре- мени ). Приме р 4. Математическое описание механического движения те- ла ( по И.Ньютону ). Постановк а задачи. X ¢¢(t ) = C X (0) = X 0 (1) Уравнение движения тела (2) Начальная координата тела X ¢(0) = V 0 (3) Начальная скорость тела Требуетс я определить: зависимость x=x (t) Решени е задачи. Интегрируем правую и левую часть уравнения (1) по времени: Левая часть: ò X ¢¢(t )d t = X ¢(t ) Правая часть: ò Cdt = C t ство Очевидно, что с точностью до константы C 1 выполняется равен- X ¢(t ) = C t + C 1 (4) лить Используя уравнение (4) и начальное условие (2), можно опреде- C 1 : X ¢(0) = V 0 = C 1 Тогда уравнение (4) примет вид X ¢(t ) = V 0 + C t (5) Аналогично, интегрируем правую и левую часть уравнения (5) по времени: Левая часть: ò X ¢(t )dt = X (t ) 2 Правая часть: ò (V 0 + C t )d t = V 0 t + C t 2 Очевидно, что с точностью до константы C 2 во выполняется равенст- 0 2 X (t ) = V t + C t 2 + C 2 (6) лить Используя уравнение (6) и начальное условие (3), можно опреде- C 2 : X (0) = X 0 = C 2 Тогда уравнение (6) примет окончательный вид 0 0 X (t ) = X + V t + C t 2 2 (7) Выво д - найденное решение (7) задачи позволяет однозначно определить координату движущегося тела в любой момент времени ( в том числе при t < 0 ). Этот вывод, полученный в результате решения частной задачи, положен в основу детерминистского подхода к описанию механических процесссов ( и не только механических ) и является одним из основных принципов построения классической ( механистической ) картины мира. Характерны е особенности механистической картины мира: a ) Bсе состояния механического движения по отношению ко времени одинаковы ( следствие обратимости времени ). b ) Все механические процессы являются детерминированными, т.е.точно и однозначно определенными предыдущим состоянием (слу- чайность при этом полностью исключается). c) Пространство и время независимы, имеют абсолютный характер и н е связаны с движением тел. Использование принципов механистической теории в других нау- ках привело к появлению фатализма- концепции неизбежности, пред- решенности всех событий в будущем. Ключевы е термины - Обратимость времени - Детерминированный процесс - Независимый процесс - Инерциальные системы - Макромир - Механистическая картина мира - Концепция фатализма 5. Электромагнитная картина мира Создателем электромагнитной теории является английский физик Д.Максвелл (1831-1879). Основой теории является понятие поля (ранее в ньютоновской механике рассматривались лишь вещества в виде тел ). Теория Максвелла явилась обобщением важнейших законов, описы- вающих электрические и электромагнитные явления: теоремы Остро- градского- Гаусса, закона полного тока, закона элетромагнитной индук- ции Фарадея. I-ое уравнение Максвелла является обобщением закона электро- магнитной индукции Фарадея: ò E d l L = - d F d t . Это уравнение показывает, что переменное магнитное поле неиз- бежно порождает вихревое индуктированное электрическое поле. II- ое уравнение Максвелла является обобщением закона полно- го тока : k ò H d l = å I . L k Это уравнение показывает, что циркуляция вектора напряженно- сти магнитного поля по произвольному замкнутому контуру L равно ал- гебраической сумме макротоков и тока смещения сквозь поверхность, натянутую на этот контур. III- ье уравнение Максвелла является обобщением теоремы Ост- роградского- Гаусса для электрического поля: ò D d S S = å q k . k Это уравнение показывает, что поток электрического смещения электростатического поля сквозь любую замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью. Заряды могут быть свободными и связанными. Cвязанными назы- ваются заряды, входящие в состав атомов и молекул, заряды ионов в кристаллических диэлектриках. Свободными зарядами являются заряды носителей тока в проводящих средах ( электроны проводимости, дырки, ионы ) или избыточные заряды, сообщенные телу извне и нарушающие его электронейтральность ( например, статическое электричество ). IV- ое уравнение Максвелла является обобщением теоремы Ост- роградского- Гаусса для магнитного поля: ò B d S = 0 . S Это уравнение показывает, что поток ветора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность S равен нулю. Теория Максвелла позволила создать единую связанную электро- магнитную картину мира. Электрические и магнитные свойства среды в теории характеризуются тремя величинами: относительной диэлектри- чес-кой проницаемостью, относительной магнитной проницаемостью, удель-ной электрической проводимостью, которые предполагаются из- вестными из опыта. Теория Максвелла- макроскопическая, т.е. в ней изучаются элек- тромагнитные поля таких систем покоящихся и движущихся электриче- ских зарядов, пространственная протяженность которых на много по- рядков больше размеров атомов и молекул ( так называемые макроско- пические поля ). Макроскопические заряды и токи являются совокупностями микро- скопических зарядов и токов, создающих свои электрические и магнит- ные микрополя, непрерывно изменяющиеся в каждой точке пространст- ва с течением времени. Макроскопические поля, рассматриваемые в теории Максвелла, являются усредненными микрополями. Усреднение микрополей производится по интервалам времени, значительно боль- шим, чем периоды внутриатомных процессов, и по объемам полей, во много раз превосходящим объемы атомов и молекул. Электрические и магнитные взаимодействия, осуществляемые посредством электромаг- нитного поля, распространяются с конечной скоростью, равной скорости света в данной среде ( принци п близкодействия ). И, наконец, сравнивая вещество и поле, следует отметить их прин- ципиальные отличия: вещество дискретно, имеет конечное число степе- ней свободы; поле же непрерывно, число его степеней свободы беско- нечно. Ключевые термины - Степень свободы - Дискретность - Непрерывность - Поле - Cвободный заряд - Связанный заряд - Микрополе - Макрополе - Близкодействие - Магнитный поток - Напряженность поля - Магнитная индукция - Макроток - Ток смещения - Циркуляция вектора - Диэлектрическая проницаемость среды - Проводимость - Магнитная проницаемость среды 6. Революция в естествознании XIX-XXв.в. Революционными считаются открытия, связанные со строением вещества и его взаимосвяхзи с энергией. Планетарна я модель атома , построенная английским ученым Э.Резерфордом и усовершенствованная датским физиком Н.Бором раз- рушила миф о неделимости атома. Было введено понятие кванта энер- гии, излучаемой или поглощаемой электронами при переходе с одной орбиты на другую. Явлени е квантово- волнового дуализма , открытое французским ученым Луи де Бройлем в 1924 году, согласно которому каждой матери- альной частице независимо от ее природы следует поставить в соответ- ствие волну, длина которой l = h p . Согласно принципу де Бройля вещество и поле заимосвязаны: в определенных условиях вещество проявляет волновые свойства, а частицы поля- свойства корпускул. Н.Бор в 1927 году сформулировал принцип дополнительности , согласно которому при рассмотрении корпускулярных явлений кванто- вая теория должна быть дополнена волновой и наоборот. Н.Бор является также основоположником принципа соответст- вия : выводы и результаты квантовой механики при больших квантовых числах должны соответствовать классическим результатам. Обобщая этот принцип следует признать, что между любой новой теорией и предшествующей ей теорией существует закономерная связь: в опреде- ленных предельных случаях новая теория должна переходить в старую. Например, формулы кинематики и динамики специальной теории отно- сительности переходят в формулы механики Ньютона при условии v c ® 0 . Геометрическая оптика является предельным случаем вол- новой оптики, если можно пренебречь величиной длины волны ( l ® 0 ). Квантовая механика, объясняющая процессы, происходящие в мире элементарных частиц ( микромире ) была создана в 1925-1927г.г. В ос- нове квантовой механики лежит принцип неопределенностей , сформу- лированный немецким физиком В.Гейзенбергом: Dx × Dp ³ h . Согласно этому принципу невозможно достоверно определить и координату и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не может быть меньше постоянной Планка. Из принципа также следует, что вполне возможно провести эксперимент, с помощью которого мож- но с большой точность определить положение микрочастицы, но при этом ее импульс будет определен неточно, либо наоборот. В квантовой механике любое состояние системы описывается с по- мощью «волновой функции», которая определяет параметры состояния не достоверно (не абсолютно точно), а с некоторой степенью вероятно- сти. Причина неопределенности заключается в самой природе явления и не может быть уменьшена за счет совершенствования средств измере- ния. Согласно квантовой механике любые измерения, на основе которых делаются различного рода прогнозы, являются недостоверными ( то есть определяются с некоторой погрешностью ), поэтому абсолютно точное предсказание осуществить невозможно. После возникновения квантовой механики стали говорить о господстве случайного в мире и отсутствии в нем детерминизма. Ключевы е термины - Квант - Квантово- волновой дуализм - Волновая функция - Принцип неопределенности - Принцип дополнительности - Принцип соответствия - Квантовые числа - Концепция случайности 7. Концепция относительности пространства и времени. В классической механике справедлив механический принцип отно- сительности Галилея: законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета . Это значит, что в разных инерциальных системах отсчета все механические процессы при одних и тех же условиях проте- кают одинаково. Следовательно, с помощью любых механических экс- периментов, проведенных в замкнутой системе тел, нельзя установить покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно относи- тельно какой- либо инерциальной системы отсчета. Поэтому механиче- ский принцип относительности свидетельствует о равноправности всех инерциальных систем и отсутствии какой-то особой инерциальной сис- темы, относительно которой можно было бы рассматривать механиче- ское движение как «абсолютное движение». Во всех подобных системах движения являются ковариантными и выражаются одной и той же мате- матической формулой. Пространство и время в классической механике обособлены от движения материальных тел. В специальной теории относительности, созданной американским физиком А.Эйнштейном было установлено: a) Всякое движение может определяться только по отношению к дру- гим телам, взятым за системы отсчета . b) Пространство и время взаимосвязаны, время является четвертой координатой для описания движения. c) В любой инерциальной системе отсчета скорость света в вакууме имеет одну и ту же величину для любого направления. d) Переход от одной инерциальной системы к другой при очень больших скоростях их относительного движения осуществляется с помощью преобразований Лоренца: t - bx x ¢ = x - v t 1 - b 2 , y ¢ = y , z ¢ = z , t ¢ = c 1 - b 2 , где x , y , z , t - координаты системы S ; x ¢, y ¢, z ¢, t ¢ - координаты системы S ¢; v - скорость системы S ¢ в направлении оси x , лея измеренная в системе S ; С - cкорость света в вакууме; b = v c . При b ® 0 преобразования переходят в преобразования Гали- (имеющими место в классической механике): x ¢ = x - v t , y ¢ = y , z ¢ = z , t ¢ = t . В таких системах отсчета время течет одинаково (является инвариант- ной величиной ). В релятивисткой механике справедливы соотношения: m l ¢ = l 1 - b 2 , Dt ¢ = Dt , 1 - b 2 m ¢ = 1 - b 2 , E ¢ = E 1 - b 2 , т.е. движение со скоростью близкой к скорости света в вакууме приводит к замедлению времени t , cокращению длины l , возрастанию массы m и энергии E . Движение со скоростью больше c стают быть действительными ). невозможно ( выражения пере- При b ® 0 величины l , Dt , m , E являются инвариантными. Ключевы е термины - Инерциальные системы - Принцип относительности - Преобразования Лоренца - Преобразования Галилея - Инвариантность - Релятивизм - Классическая механика - Релятивистская механика 8. Концепция необратимости и термодинамика. Термодинамика как наука возникла из обобщения фактов, описы- вающих явление передачи, распространения и превращения тепла,т.е. тепло, возникшее в результате механической работы, нельзя снова пре- вратить в энергию для выполнения новой работы. С другой стороны, из- вестно, что часть тепловой энергии превращается в механическую рабо- ту. Все эти факты нашли объяснение в законах термодинамики. 1 закон термодинамики. Тепло Q , полученное замкнутой систе- мой, идет на увеличение внутренней энергии D U системы и выполнение работы W , производимую системой против внешних сил: Q = D U+ W , где Q>0 - если тепло подводится к системе; Q<0 - если тепло отводится от системы; W>0 - если система производит работу; W<0 - если над системой внешними силами совершается работа. Классификация систем ( термодинамических ). Закрытая термодинамическая система - это система, которая не может обмениваться веществом с внешней средой. ( например, космиче- ский корабль). Открыта я термодинамическая система - это система, которая может обмениваться веществом с внешней средой ( например, живые организмы). Замкнутая (изолированная) термодинамическая система - это система, которая не может обмениваться ни веществом, ни энергией с внешней средой. (идеализированные системы). Согласно 1 закону термодинамики в определенных термодинами- ческих системах могут протекать такие процессы, при которых полная энергия системы остается неизменной. Превращение тепловой энергии целиком в механическую работу не нарушает этот закон, однако, такой прцесс невозможен. Второй закон термодинамики еще больше ограни- чивает возможные процессы превращения. 2 закон термодинамики. Теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой теплоты одновременно перейдет от горячего тепла к холодному( принцип действия тепловых двигателей). Чтобы теплота могла перейти от холодного тепла к горячему, необходи- мо затратить механическую работу ( принцип действия холодильных машин ). Согласно 2 закону термодинамики в замкнутой системе в отсутст- вии каких-либо процессов теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей системы к более горячим. Концепци я “ тепловой смерти “ . Выдвинута немецким физиком Р.Клаузиусом (1822-1888), исходя из следующих постулатов: 1) Энергия Вселенной всегда постоянна. 2) Энтропия Вселенной всегда возрастает. Энтропией называют параметр состояния системы, дифференциал которой равен dS = dQобр T , где dQобр - количество теплоты, полученное (или отданное) системой; Т- температура теплоотдающего тела. тает При получении тепла системой ( dQ>0 ) энтропия системы возрас- ( dS>0 ), а если система отдает тепло ( dQ<0 ) , то ее энтропия убывает ( dS<0 ). Поскольку понятие энтропии вводится в дифференциальном виде, то ее значение может быть определено только с точностью до константы (абсолютное значение определить невозможно). В статистической физике энтропия связывается с вероятностью термодинамического состояния системы и является мерой упорядочен- ности системы: S ~ 1 P , где P- термодинамическая вероятность состояния системы. Если Т=0, то P=1 , а если Т>0 , то Р<1 . Таким образом, при повышении температуры термодинамическая вероятность состояния уменьшается, увеличивается хаотичность систе- мы, энтропия возрастает. Используя понятие энтропии, формулировка II закона термоди- намики упрощается: Энтропия замкнутой системы постоянно возрастает ( “стре- ла времени” в замкнутых термодинамических системах ).Это означает, что такие системы эволюционизируют в сторону увеличения в них хао- са, беспорядка, пока не достигнут точки термодинамического равнове- сия, в которой всякое производство работы оказывается невозможным. Гипотеза Клаузиуса, основанная на представлении Вселенной за- крытой системой, является абстракцией, не отражающей реальный ха- рактер природных систем, которые способны обмениваться энергией , веществом и информацией с окружающей средой, т.е. являются откры- тыми системами. В открытых системах также производится энтропия, т.к. имеют место необратимые процессы, но в отличие от закрытых сис- тем она не накапливается,а выводится в окружающую среду. Открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней cреды. Ключевы е термины - Энтропия - Абсолютная температура - Вероятность - Внутренняя энергия - Порядок - Замкнутая система - Хаос - Закрытая система - Работа - Открытая система - “тепловая смерть” - Термодинамика - Тепло - Стрела времени 9. Концепция синергетики Немецкий физик Г. Хакен ( род. 1927г. ) назвал синергетикой процессы самоорганизации, происходящие в лазере (в переводе с древ- негреческого cинергетика означает совместное действие или взаимодей- ствие ). Условия протекания процессов самоорганизации в системах 1) Процессы самоорганизации идут только в открытых систе- мах , т.к. закрытые системы в соответствии с законами термодинамики имеют конечным итогом хаос (максимальный беспорядок ) или дезорга- низацию. 2) Система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия (в этой точке система имеет макси- мальный беспорядок ), из которой выход затруднен. 3) Упорядочивание структуры системы (организация нового по- рядка ) происходит засчет незначительных отклонений ( флуктуаций ) от первоначального состояния, возрастанию амплитуды флуктуаций с те- чением времени, постепенного расшатывания прежнего порядка и в ре- зультате установлению нового порядка (принцип образования порядка через флуктуации ). Такой процесс методичной раскачки системы, со- провождающийся возрастанием амплитуды флуктуаций, свидетельству- ет о наличии в системе положительных обратных связей. 4) Отличительная черта математических моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации- их существенная не- линейност ь . Нелинейные математические уравнения являются более адекватными реальным системам. Ключевы е термины - Синергетика - Точка термодинамического равновесия - Флуктуации - Нелинейная термодинамика - Порядок - Принцип образования порядка - Самоорганизация - Нелинейные уравнения - Обратная связь - Положительная обратная связь 10. Концепция атомизма. Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пы- таются свести к свойствам более простых элементов или составных час- тей, называют редукционистскими. Атомизмом принято считать подход к объяснению процессов, происходящих во Вселенной, связанный с поиском мельчайших недели- мых частиц, определяющих состав, свойства и структуру всего сущего. Долгое время такой частицей считался атом ( в переводе с грече- ского неделимый ), однако в начале ХХ века английские физики Э.Резерфорд и Ф.Содди, исследуя радиоактивные превращения химиче- ских элементов, доказали, что атом не является неделимым. Поиск первичных фундаментальных частиц, названных впоследст- вии элементарными , привел к открытию электрона (1897), протона (1919), фотона (1900 ), нейтрона (1932), позитрона (1932 ), нейтрино (1932 ), антипротона (1955 ), антинейтрона (1956), промежуточных бозонов (1983). В 1970-80г.г. речь идет уже о семействах «странных», «очарованных», «красивых» элементарных частиц. Общие сведения об элементарных частицах. Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер происходящие в ре- зультате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реак- ций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика. Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи, и в то же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике, медицине и т. д.). Элементарные частицы - первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физи- ке этот термин обычно употребляется не в своём точном значении, а в менее строгом - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. К элементарным частицам относятся: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны, нейтрино трёх типов, странные частицы (К-мезоны), гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием, «очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. - все- го более 350 частиц, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, по- скольку являются составными системами. Общее свойство всех этих частиц заключается в том, что они представляют собой специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы. Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величи- ны массы протона, равной ~1,7*10 -24 г. Размеры протона, нейтрона, пи- мезона, и других адронов - порядка 10 -13 см, а электрона и мюона не определены, но меньше ~10 -16 см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обуславливают квантовую специфику их поведе- ния. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Характеристики элементарных частиц. В зависимости от време- ни жизни частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействиях, время их жизни больше 10 -29 с) и резонансы (частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия, типичное время жизни ~10 -22-10 –24 с). Общими для всех элементарных частиц характеристиками явля- ются масса, время жизни, электрический заряд, спин и др. Элементарные частицы - характеризуются моментом импульса. Согласно квантовой механике, момент импульса системы может прини- мать не любые, а дискретные значения, его скачки равняются постоян- ной Планка, поэтому его измеряют в единицах этой постоянной (дис- кретность возможных значений момента совершенно незаметна в обыч- ной жизни, поскольку постоянная Планка очень мала). Момент, изме- ренный в таких единицах, называется спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. В соответствии опять же с квантовой механикой проекция момента на какую-либо ось тоже имеет дискретные значения. Разумеется такая дискретность находится далеко за пределами измерительных возможностей обычной механики. Иное дело -объекты микромира, для них дискретность значений вектора момента и его про- екций играет существенную роль. Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения, принято называть квантовыми числами. Различают спиновое, орбитальное, магнитное и другие квантовые числа. Помимо указанных величин, элементарные частицы дополнитель- но характеризуются ещё рядом квантовых чисел, которые называются внутренними. Это барионный и лептонный заряды, чётность, а также кварковые ароматы - характеристики, определяющие тип кварка, такие как изоспин, странность, «очарование», «красота», цвет. Внутренние квантовые числа вводятся для того, чтобы формализовать закономерно- сти, экспериментально наблюдаемы в процессах, происходящих в мик- ромире. Истинно элементарные частицы. На сегодняшний день с теоре- тической точки зрения известны следующие истинно элементарные час- тицы (на данном этапе развития науки считающиеся неразложимыми)_ частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны), а также частицы Хиггса. Каждая из пар лептонов объединяется с соответствующей парой кварков в четвёрку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, отличаются лишь массы: второе тяжелее первого, третье тяжелее второго. Предполагается, что в природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере. Кроме имеющих половинный спин частиц вещества, к истинно элементарным частицам относятся частицы со спином 1. Это кванты по- лей, создаваемых частицами вещества. Массивные W-бозоны являются переносчиками слабых взаимодействий между кварками и лептонами. Глюоны - переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях некоторых реакций. Теория кварков и глюо- нов называется квантовой хромодинамикой. Частица с предполагаемым спином 2 - это гравитон, его существо- вание предсказано теоретически, но обнаружить его будет чрезвычайно трудно, так как он очень слабо взаимодействует с веществом. Наконец, к истинно элементарным частицам относятся частицы Хиггса, или Н-мезоны, и гравитино, они не обнаружены нба опыте, но их существование предполагается во многих современных теоретиче- ских моделях. Антивещество. У многих частиц существуют двойники в виде ан- тичастиц, с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. (электрон-позитрон, протон-антипротон и др.). Существование античас- тиц было впервые предсказано в 1928 г. английским физиком- теоретиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского дви- жения электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу, но положительный электрический заряд. Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их ан- нигиляция при столкновении. Типичный пример -взаимоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фото- нов. В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами - все процессы, проте- кающие с первыми, возможны и аналогично для вторых. Подобно про- тонам и нейтронам их античастицы могут образовывать антиядра. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скоп- ления антивещества. Классификация условно элементарных частиц. В соответствии с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответ- ственно четыре вида элементарных частиц: адроны, участвующие во всех взаимодействиях, лептоны, не участвующие только в сильном (а нейтрино в электромагнитном), фотон, участвующий только в электромагнитном взаи- модействии, и гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаи- модействия. Адрон ы - общее название для частиц, наиболее активно участвую- щих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - барионы и мезоны. Барионы - это адроны с полуцелым спином. Самые известные их них - протон и нейтрон. Одним из свойств барионов, отличающим их от других частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барион- ного разряда, введённого для описания опытного факты постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антиба- рионов. Мезоны - адроны с целым спином. Их барионный заряд равен ну- лю. Адронов насчитывается около 350. Большинство их них крайне не- стабильны и распадаются за время порядка 10 -23 с. Столь короткоживу- щие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рожде- ние обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реак- цию ааннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения, обнаруживают, что при каком- то её значении выход адронов резко увеличился. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица. По- том она мгновенно распадается на другие адроны, которые и регистри- руются. Такие короткоживущие частицы называются резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы. Особенност и элементарных частиц: 1 ) малые размеры и масса; 2) cпособность рождаться и уничтожаться ( аннигилировать ) при взаимодействии с другими частицами. Вид ы взаимодействий между элементарными частицами: 1) cильные; 2 ) электромагнитные; 3 ) слабые; 4 ) гравитационные. Выделены две большие группы элементарных частиц: адроны , ко- торые могут участвовать в сильном, электромагнитном и слабом взаи- модействии; и лептоны , участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии. В эти группы попадают все элементарные час- тицы за исключением фотона. Кроме того у элементарных частиц выделяют индивидуальные характеристики: 1 ) массу частицы; 2 ) время жизни; 3 ) спин; 4 ) электрический заряд; 5 ) магнитный момент. По современным представлениям все адроны состоят из кварков - дробнозаряженных фундаментальных частиц и антикварков. У всех эле- ментарных частиц существуют античастицы , которые обладают проти- воположным электрическим зарядом и магнитным моментом по сравне- нию с соответствующей элементарной частицей. Современный подход к изучению строения материи основывается не на поиске последних, неделимых частиц, а на выявление их внутрен- них связей для объяснения целостных свойств макрообразований. Даль- нейший прогресс в познании фундаментальных свойств материи следует по-видимому ожидать в результате объединения концепций атомизма ( дискретности ), целостности ( системности ) и системного анализа. Строение атома А то м А том н о е ядро Атомная оболочка нуклоны ( A ) эле к тро н ы п ротоны нейтроны ( A ) ( Z ) ( A-Z ) A K Обозначение атома: Z , где K - символ элемента; Z - заряд ядра ( число протонов в ядре); А - массовое число ( число нуклонов в ядре). Изотопы - разновидности атомов одного элемента, ядра которых содер- жат различное число нейтронов. Радиоактивный распад - превращение атомов в атомы других эле- ментов, сопровождающееся излучением 1. Условие стабильности ядер элементов: N » 1 + 0.015 * A 2/3 , A < 250 Z 4 He 2. a - излучени е: излучаются положительно заряженные ядра 2 , которые могут отклоняться электрическим и магнитным полем. A K ® A -4K +4 a Закон a - распада: Z 1 Z -2 2 2 226 R a ® 222 R n + 4 a Пример: 88 86 2 3. b - - излучени е: излучаются электроны, которые могут отклоняться электрическим и магнитным полем. A K ® A K + 0e Закон b - - распада: Z 1 83 e - 1 Z +1 2 -1 P b ® 214 Пример: 82 214 B i + 0 4. b + - излучени е: излучаются позитроны, которые могут отклоняться электрическим и магнитным полем. A K ® A K + 0 Закон b + - распада: Z 1 e + 1 Z -1 2 +1e P ® 30 14 Пример: 15 30 B i + 0 5. g - излучени е: излучаются g - кванты, которые не могут отклонять- ся электрическим и магнитным полем. При этом ядро атома из возбуж- денного состояния переходит в состояние с меньшей энергией, заряд яд- ра и массовое число не меняются. g - излучение сопутствует a - и b - распадам Ключевы е термины - Атомизм - Элементарные частицы - Редукционизм - характеристики элементарных - Распад частиц частиц - Античастицы - Индивидуальные характеристики элементарных частиц - Аннигиляция - Типы фундаментальных взаимодействий - Адроны - Нуклоны - Лептоны - Кварки - Время жизни - Квантовые числа - Спин - Позитрон - Магнитный момент - Фотон 11. Концепции биологических систем. Термин «биосфера» введен в 1875 году австрийским геологом и па- леонтологом Э.Зюссом для обозначения сферы жизни на Земле. Пред- шествующие естествоиспытатели использовали понятия «картина при- роды» ,«пространство жизни» ,«живая оболочка Земли», схожие с поня- тием «биосфера» по содержанию. По-разному трактовалась учеными роль живых организмов в био- сфере: в основном отмечалась зависимость живых организмов от окру- жающей среды, от сил и веществ неживой природы; обратному же влиянию живых организмов на окружающую среду, на ее состав и свой- ства, как правило, не придавалось значения. ЖБ.Ламарк первым отметил огромную роль живых организмов в образовании земной коры, высказав мысль о том, что все вещества на Земле сформировались в результате деятельности живых организмов. По современным представлениям биосфера являет собой единство живой и неживой природы, в котором существуют и взаимодействуют живые организмы с физическими, химическими, геологическими факто- рами окружающей среды; между живой и неживой природой существу- ют обратные связи, как положительные, так и отрицательные, которые влияют на состояние природных систем Земли. Положительные обрат- ные связи играют важную роль при разрушении сложившихся связей в природных системах в процессе их эволюции и образовании новых свя- зей, определяющих новое состояние природных систем . Отрицательные связи, напротив, способствуют устойчивости природных систем, обере- гая их от разрушения и восстанавливая прежние кондиции природных систем Земли. Именно благодаря отрицательным обратным связям при- родные системы способны гасить антропогенное давление на окружаю- щую среду и поддерживать системы в квазиустойчивом состоянии. тем Влияни е обратных связей в системах на характеристики сис- 1. Система без обратных связей x (t) y(t) k y(t)=kx(t) где х(t)- воздействие на систему ; у(t)- отклик ( реакция системы ); k - коэффициент передачи системы. Если система линейна, то формы y(t) и x(t) одинаковы,- система функционирует как преобразователь воздействия без искажения его формы. При этом понятие формы может быть отнесено как к временной зависимости воздействия и отклика системы, так и к их законам распре- деления. В нелинейных системах формы y(t) и x(t) неодинаковы. 2. Система с положительной обратной связью ( ПОС ). x(t) e(t) к y(t) y(t) = k + x(t) + z(t) m где х(t)- воздействие на систему- «входной сигнал » системы; у(t)- отклик ( реакция системы )- «выходной сигнал» системы; k - коэффициент передачи системы ( без обратной связи ); m -коэффициент обратной связи; z (t )- отклик системы по каналу обратной связи- «сигнал обратной связи» системы; k + - коэффициент передачи системы, охваченной положительной обратной связью . Определим связь коэффициентов передачи в системе без обратной связи и в системе с положительной обратной связью. В системе c ПОС выполняются следующие соотношения: e(t)=x(t)+z(t) ; y(t)=ke(t) ; z(t)=my(t), откуда следует, что k + = y (t ) x (t ) k = 1 - m k . Полученное соотношение показывает, что в системах с положительной обратной связью коэффициент передачи системы возрастает по сравне- нию с коэффициентом передачи системы без обратной связи. Кроме того k + в предельном переходе ( m ® 0 ) обращается в k . ( Принцип до- полнительност и в системах с обратными связями ). Пример положительной обратной связи в природных системах y(t) Единичный случай заболевания гриппом воздушно- капельным способом ( y(t)- количество заболевших, чел. ) t y(t) Рост заболеваемости 2 1 - быстрый рост засчет наличия в системе ПОС; 2 - насыщение 1 ( y(t) - количество заболевших , чел. ) t В системах с положительной обратной связью даже незначи- тельное воздействие на систему усиливается по каналу обратной связи и в дальнейшем ведет ко все большему увеличению отклика системы, неограниченный рост которого может привести систему к распаду. Реальные природные системы спасает от распада их сущест- венная нелинейность, благодаря которой имеет место насыщение откли- ка, то есть такое состояние системы, при котором дальнейшее увеличе- ние входного сигнала не сопровождается изменением выходного сигна- ла и система переходит в квазиустойчивое состояние. В системах с ПОС преобладает разрушительная тенденция перехо- да системы в новое состояние, предшествующее воздействию на систе- му. 3. Система с отрицательной обратной связью ( ООС ). x(t) e(t) к y(t) y(t) = k - x(t) - z(t) m где х(t)- воздействие на систему ( «входной сигнал » системы ); у(t)- отклик ( реакция системы )- «выходной сигнал» системы; k -коэффициент передачи системы ( без обратной связи ); m -коэффициент обратной связи; z (t )- отклик системы по каналу обратной связи-«сигнал обратной связи» системы; k - - коэффициент передачи системы, охваченной отрицательной обратной связью. В системе c ООС выполняются следующие соотношения: e(t)=x(t)-z(t) ; y(t)=ke(t) ; z(t)=my(t), откуда следует, что k - =