Контрольная работа по "Естествознанию"

Следует отметить, что термодинамика ещё в начале ХIX века поставила под сомнение вневременной характер механистической картины мира. «Если бы мир был гигантской машиной, — провозгласила термодинамика, — то такая машина неизбежно должна была бы остановиться, так как запас полезной энергии рано или поздно был бы исчерпан». Мировые часы не могли идти вечно, и время обретало новый смысл.

Вскоре последователи Дарвина выдвинули идею, противоположную мировоззрению равновесной термодинамики. По мнению дарвинистов, действительно возможно, что мировая машина, расходуя энергию и переходя из более организованного в менее организованное состояние, замедляет свой ход и даже останавливаться, но биологические системы развиваются по восходящей линии, переходя из менее организованного в более организованное состояние. В начале XX в. Эйнштейн поместил наблюдателя внутрь системы. Мировая машина стала выглядеть по-разному в зависимости от того, где находится наблюдатель, но она оставалась детерминистической машиной. Хотя физики, работавшие в области квантовой механики, и в частности занимавшиеся соотношением неопределенности, предприняли массированное наступление на детерминистическую модель, механистическая парадигма устояла и поныне образует центральное ядро науки в целом. Задача синергетики - нанести очередной удар по детерминизму.

Традиционная наука уделяет основное внимание устойчивости, порядку, однородности и равновесию. Она изучает главным образом замкнутые системы и линейные соотношения, в которых малый сигнал на входе вызывает равномерно во всей области определения малый отклик на выходе. Случайность не востребована в этой науке, оно - досадное недоразумение.

Развивая основы неравновесной термодинамики, Пригожин показал, что «универсальные законы» отнюдь не универсальны, а применимы лишь к локальным областям реальности. Его парадигма акцентирует внимание на таких аспектах, как разупорядоченность, неустойчивость, разнообразие, неравновесность, выражающиеся в нелинейных соотношениях, в которых малый сигнал на входе может вызвать сколь угодно сильный отклик на выходе, и темпоральности — повышенной чувствительности к ходу времени. Некоторые части Вселенной действительно могут действовать как механизмы. Таковы замкнутые системы, но они составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, представляющих для нас интерес, открыты — они обмениваются энергией, веществом или информацией с окружающей средой. В мире господствуют не порядок, стабильность и равновесие, а, наоборот, неустойчивость и неравновесность, а порядок - лишь редкий частный случай.

Школа Пригожина развивала классическую неравновесную термодинамику, основанную на фундаментальном предположении о локальном равновесии, которое предполагает, что равновесные термодинамические соотношения справедливы для термодинамических переменных, определенных в элементарном объеме. Считается, что рассматриваемая система может быть разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но и достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко к состоянию равновесия. Данное предположение справедливо для широкого класса физических систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики. Отметим, что предположение о локальном равновесии является грубым допущением для обширного класса систем и процессов. Примеры включают в себя такие явления, как распространение ультразвука в газах, суспензии, растворы полимеров, гидродинамика фононов, ударные волны, разреженные газы и т.д. Способы преодоления этих недостатков мы рассмотрим в последующих лекциях данного курса.

Важным направлением неравновесной термодинамики является решение проблемы необратимости времени.

Напомним, что согласно традиционным представлениям, необратимость времени возникает не на фундаментальном уровне (где все элементарные процессы описываются обратимыми уравнениями Ньютона), а позднее – при усреднениях или учёте краевых и начальных условий. По мнению школы Пригожина, необратимость возникает на фундаментальном уровне вследствие конечной разрешающей способности прибора, с помощью которого производится наблюдение. Важно, что все системы содержат подсистемы, которые непрестанно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или комбинация флуктуации может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент (точка бифуркации) принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдёт на новый, более дифференцированный и более высокий уровень упорядоченности или организации (диссипативную структуру).

Идея Пригожина заключается в возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. В состояниях, далеких от равновесия, происходят многие спонтанные, нередко весьма значительные перераспределения материи во времени и в пространстве. В таких состояниях очень слабые возмущения, или флуктуации, могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру, что объясняет всевозможные процессы качественного или резкого (не постепенного, не эволюционного) изменения. Эффекты, обнаруженные при изучении сильно неравновесных состояний и нелинейных процессов, в сочетании со сложными системами, наделёнными обратными связями, привели к созданию нового подхода, позволяющего установить связь фундаментальных наук с «периферийными» науками о жизни и понять некоторые социальные процессы.

В модели мира, построенной Ньютоном, любой момент времени в настоящем, прошлом и будущем был неотличим от любого другого момента времени. Планеты могли обращаться вокруг Солнца как вперед, так и назад по времени, ничего не изменяя в самих основах ньютоновской системы - идея обратимого времени.

После формулировки второго начала термодинамики внимание вновь было приковано к понятию времени. Дело в том, что согласно второму началу термодинамики запас энергии во Вселенной иссякает, а коль скоро мировая машина сбавляет обороты, неотвратимо приближаясь к тепловой смерти, ни один момент времени не тождествен предшествующему. Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии. События в целом невоспроизводимы, а это означает, что время обладает направленностью, т.е. существует стрела времени. Вселенная стареет, время утрачивает обратимость и становится необратимым.

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Оно запрещает вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Энтропия (поворот, превращение) — в естественных науках мера неупорядоченности системы, состоящей из многих элементов. В статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит, и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса). Энтропия в информатике — степень неполноты, неопределённости знаний.Энтропия — мера неупорядоченности системы. Явление, обратное энтропии, именуется негэнтропией. Понятие энтропии впервые было введено Клаузисом в термодинамике (1865).

Стрелы времени - метафорическое название эмпирических индикаторов направления времени. Понятие введено А.Эддингтоном. В проблеме необратимости используются три стрелы времени: термодинамическая стрела, указывающая то направление времени, в котором возрастает энтропия (беспорядок); космологическая стрела времени, в направлении которой происходит расширение Вселенной, и психологическая стрела или направление времени, соответствующее нашему ощущению непреклонного хода времени, направление накопления поступающей информации. Известны и ещё три: стрела времени, связанная с тем "предпочтением", которое природа оказывает запаздывающим волнам перед опережающими, т.е. "волновая стрела"; стрела, проявляющаяся в процессе распада K0-мезона - единственная анизотропия времени, которая наблюдается в физике элементарных частиц; квантовомеханическая стрела, связанная с процедурой измерения в квантовой механике.

Возникновение термодинамики привело естествознание к расколу в связи с проблемой времени. Более того, даже те, кто считал время необратимым, вскоре разделились на два лагеря. Если запас энергии в системе тает, то способность системы поддерживать организованные структуры ослабевает, поэтому высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Однако именно организация наделяет систему присущим ей разнообразием. По мере того как иссякает запас энергии и возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Следовательно, второе начало термодинамики предсказывает всё более однородное будущее (прогноз с человеческой точки зрения пессимистический).

Обратимся теперь к проблемам, поднятым Дарвином и его последователями. Экспериментально доказано, что вопреки предсказаниям термодинамики, эволюция не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм. Наоборот, эволюция развивается в противоположном направлении: от простого к сложному, от низших форм жизни к высшим, от недифференцированных структур к дифференцированным. С человеческой точки зрения, такой прогноз весьма оптимистичен. Старея, Вселенная обретает все более тонкую организацию. Со временем уровень организации Вселенной неуклонно повышается.

Пригожин попытался примирить термодинамиков с дарвинистами: по его мнению, стрела времени проявляет себя лишь в сочетании со случайностью. Только в том случае, когда система ведёт себя достаточно случайным образом, в её описании возникает различие между прошлым и будущим и, следовательно, необратимость.

В механистической, науке исходным рубежом событий служат начальные условия. Атомы или частицы движутся по мировым линиям, или траекториям. Задав начальные условия, мы можем выпустить из исходной мировой точки траекторию как назад по времени — в прошлое, так и вперед по времени — в будущее. С совершенно иной ситуацией мы сталкиваемся при рассмотрении некоторых химических реакций, например в случае, когда две жидкости, слитые в один сосуд, диффундируют до тех пор, пока смесь не станет однородной, или гомогенной. Обратная диффузия, которая приводила к разделению смеси на исходные компоненты, никогда не наблюдается. В любой момент времени смесь отличается от той, которая была в сосуде в предыдущий момент и будет в следующий. Весь процесс ориентирован во времени.

В классической науке такие направленные во времени процессы считались аномалиями, курьезами, обязанными своим происхождением выбору весьма маловероятных начальных условий. Однако оказалось, что такого рода нестационарные односторонне направленные во времени процессы отнюдь не являются отклонениями от мира с обратимым временем. Справедливо обратное утверждение: редким явлением следует считать обратимое время, связанное с замкнутыми системами. Связанные с открытостью системы и случайностью, необратимые процессы порождают высокие уровни организации, например диссипативные структуры.

Энтропия — не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишённому какой бы то ни было организации. При определенных условиях энтропия становится прародительницей порядка.

Подход школы Пригожина к проблеме времени - синтез, охватывающий наряду с обратимым и необратимое время и показывающий взаимосвязь того и другого времени не только на уровне макроскопических, но и на уровне микроскопических и субмикроскопических явлений. Подчеркивая, что необратимое время - характерная особенность большей части Вселенной, Пригожин подрывает самые основы классической динамики. Выбор между обратимостью и необратимостью не является выбором одной из двух равноправных альтернатив. Обратимость присуща замкнутым системам, необратимость — всей остальной части Вселенной.

Утверждение, что при неравновесных условиях энтропия может производить не деградацию, а порядок, организацию и, в конечном счёте, жизнь, противоречит традиционным представлениям классической термодинамики. Энтропия, как источник организации, утрачивает характер жесткой альтернативы, возникающей перед системами в процессе эволюции: в то время как одни системы вырождаются, другие развиваются по восходящей линии и достигают более высокого уровня организации. Такой объединяющий, а не взаимоисключающий подход позволяет биологии и физике сосуществовать, вместо того чтобы находиться в противоборстве.

Еще один синтез, достигнутый неравновесной термодинамикой — установление нового отношения между случайностью и необходимостью. В Ветхом завете утверждается, что всё происходящее в этом мире заранее предустановлено. Однако оказалось, в реальном мире случайность и предопределённость действуют попеременно. Сейчас стирающий всякие различия, обезличивающий подход старого детерминизма сменился подчеркивающим различия эволюционным подходом, основанным на использовании детерминаций. Учёные признали сосуществование случайного и необходимого, связанных между собой отношением не подчинения, а равноправного партнерства во Вселенной, одновременно организующего и дезорганизующего себя. В окружающем нас мире действуют и детерминизм, и случайность, причём необходимость и случайность великолепно согласуются, дополняя друг друга.

Согласно теории изменения, проистекающей из понятия диссипативной структуры, когда на систему, находящуюся в сильно неравновесном состоянии, действуют, угрожая её структуре, флуктуации, наступает критический момент — система достигает точки бифуркации. В точке бифуркации принципиально невозможно предсказать, в какое состояние перейдет система. Случайность подталкивает то, что остаётся от системы, на новый путь развития, а после того как путь (один из многих возможных) выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации.

Строгие методы моделирования качественных изменений позволяют по-новому взглянуть на понятие катастрофы (революции). Знание, каким образом иерархия неустойчивостей порождает структурные изменения, проясняет теорию организации. Пригожину принадлежит оригинальная трактовка некоторых психологических процессов, например инновационной деятельности, в которой он усматривал связь с «несредним» поведением, аналогичным возникающему в неравновесных условиях. Его теория полезна для изучения коллективного поведения. Она предостерегает против принятия генетических или социобиологических объяснений малопонятных сторон социального поведения. Многое из того, что обычно относят за счёт действия тайных биологических пружин, в действительности порождается не «эгоистичными» детерминистскими генами, а социальными взаимодействиями в неравновесных условиях.