|
Реферат: Учение Вернадского в биосфере (Естествознание)
ТГУ им. Державина
Академия экономики и управления
Учение В.И. Вернадского о биосфере.
Выполнил: студент 112 группы Пеньков
А.А..
Проверил: Федоров Ф.А.
Тамбов 2002 г.
Содержание
Стр.
Служа великим целям века ...
Научно-философическое мировоззрение В.И. Вернадского о биосфере.
Тамбовский край и измененная биосфера.
Заключение.
Литература
Служа великим целям…
Возникает вопрос: не следует ли нам очень
серьезно задуматься о Вернадской революции,
как термине, охватывающем его широкую
концепцию, которая может эффективно привести
к прогрессу в образовании, касающемся
окружающей среды, и, в конечном итоге, к
прогрессу в благополучии мира… Это новый
объект для приложения усилий мирового
научного сообщества.
Н. Полупип ( Великобритания )
Ж. Гринсвольд ( Швейцария )
Имя великого русского ученого и мыслителя Владимира Ивановича
Вернадского, как это видно из эпиграфа, широко известно и высоко чтимо во
всем цивилизованном мире.
История науки знает немало великих имен, с которыми связаны
фундаментальные открытия, однако почти всегда это ученые, работавшие в
одной области знаний. Несравненно реже- мыслители, которые охватывали
мудрым взором всю совокупность знаний своей эпохи и на столетия вперед
определяли развитие научного мировоззрения. Таковы Аристотель, Леонардо да
Винчи, Ломоносов.
В ХХ веке соизмеримой им по своей универсальности и значению величиной
стал В.И. Вернадский.
Естествоиспытатель, основоположник геохимии, биогеохимии и учения о
биосфере, минеролог, кристаллограф, радиогеолог, автор трудов по философии
естествознания, науковедению. По словам его ученика , выдающегося геохимика
А.П. Саукова, «минералогию он реформировал , биогеохимию и радиологию
создал».
Но и это не все. В.И. Вернадский создал также учение о природных водах,
внес крупный вклад в почвоведение, метеоритику, а главное - разработал
учение о биосфере Земли и неизбежности ее превращения под действием
коллективного разума и труда человечества в ноосферу, которая будет
удовлетворять все материальные и духовные потребности численно
возрастающего человечества. «Мы живем, - писал он, - в небывало новую,
геологически яркую эпоху. Человек своим трудом и своим сознательным
отношением к жизни перерабатывает земную оболочку – геологическую
область жизни, биосферу. Он переводит ее в новое геологическое состояние:
его трудом и сознанием биосфера переходит в ноосферу».
Для страны и для отрезка истории, в которых ему пришлось жить,
островком смысла и логики среди политических катаклизмов и бездумных
социальных метаний стала наука. Вернадский принадлежал к тонкому слою
наиболее образованных русских людей. Его часто и справедливо называют
ученым-энциклопедистом. Действительно, зная основные европейские языки и
общаясь с выдающимися учеными своей эпохи, он был в курсе всех открытий в
области естественных наук, глубоко продумывал и философски обобщал эти
открытия в своих многочисленных трудах. В своей книге «Биосфера» В.И.
Вернадский впервые показал, что биосфера – закономерный результат развития
нашей планеты, ее верхней области земной коры. Живые организмы в биосфере –
не случайные гости, а часть закономерной организованности.
В последние годы жизни ученый пришел к другому философскому открытию –
идее перехода биосферы в ноосферу, или сферу разума. Учение В.И.
Вернадского о биосфере и ноосфере в наше время стало основой экологической
стратегии человечества, от которой зависит его будущее.
Научно – философское мировоззрение В.И. Вернадского о биосфере.
В наше время в связи с усилившимися негативными последствиями
воздействия научно-технического прогресса на природную среду, обострением
планетарной экологической ситуации, что ставит под угрозу дальнейшее
существование всего живого на земле, обостряется научный и общественный
интерес к учению В.И. Вернадского о биосфере, к его фундаментальным
трудам.
Как определял Вернадский, биосфера – это область существования на земле
«живого вещества», т.е. совокупности всех живых организмов. Она включает
в себя нижнюю (тропосферную) часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю
часть литосферы.
Впервые термин «биосфера» ввел в научный обиход великий натуралист и
мыслитель Жан Батист Ламара ( 1744 – 1829 ).
В 1875 г. Э. Зюсс ввел это понятие в науку повторно. «Биосферу»
понимал как особую оболочку земной коры, охваченную жизнью. Советский
ученый, академик Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945) заложил основы
учения о биосфере. В результате его работ учение о биосфере оформилось как
новое научное направление. До появления работ В.И. Вернадского роль живых
организмов на Земле представлялась ученым очень скромной. Действительно,
казалось бы, какое может быть сравнение последствий их жизнедеятельности с
мощью внутренних сил планеты, вздымающих высочайшие горы, разверзающих
океанские пучины, перемещающие целые континенты.
В.И. Вернадский доказал, что как бы слаб ни был каждый организм в
отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка
времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную
роль в жизни планеты. Геологическая деятельность живых организмов
проявляется как следствие следующих их особенностей: они теснейшим образом
связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена
веществом и энергией; обмен веществ организмов со средой осуществляется в
процессе биологического круговорота; суммарный эффект результатов
деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных (сотен
миллионов лет) отрезков времени.
Биосфера – это очень сложно устроенная внешняя оболочка Земли,
населенная живыми организмами. Она качественно отличается от других ее
оболочек.
В пределах биосферы проявляется тесная взаимосвязь и геологическая
деятельность всех живых существ: растений, животных, микроорганизмов, а на
последнем историческом этапе становления Земли – и человека.
Научно-философские изыскания В.И. Вернадского также были направлены на
выявление механизмов взаимодействия «живого вещества» с окружающей неживой
природой, биогеохимическим и геохимическими циклами элементов в биосфере,
выявление геохимических полей «устойчивости жизни» или «пределов жизни».
Нарушение «пределов жизни», которые могут повлечь за собой гибель
живых организмов, вызываются как естественными природными (избыток или
недостаток химических элементов, геомагнитные поля, радиоактивные
излучения, вулканические извержения и др.) так и искусственными
антропогенными воздействиями (вредные газовые выбросы, пестициды,
удобрения, тяжелые металлы, сточные воды предприятий, твердые отходы, мусор
и др.). Так, недостаток некоторых элементов питания в почве, особенно
микроэлементов, приводит к резкому снижению продуктивности
сельскохозяйственных культур и устойчивости к неблагоприятным абиотическим
и биотическим факторам.
К естественным факторам глобальных воздействий на биосферу следует
отнести геофизические и космические факторы (геомагнитные поля, космические
излучения).
Периодически возникающие вспышки на Солнце возмущают геомагнитное поле
Земли, приводят к магнитным бурям, которые отрицательно влияют на состояние
человека. В периоды магнитных бурь или так называемых «неблагоприятных
дней» ухудшается состояние больных людей, страдающих сердечно-сосудистыми
заболеваниями, гипертонией, возрастает число сосудистых кризов.
Естественные ионизирующие факторы среды также оказывают сильное влияние
на биосферу. По мнению ряда исследователей, на планете существуют так
называемые радиоактивные провинции, которые характеризуются повышенным
содержанием радиоактивных веществ во внешней среде. Такие провинции
известны в США, Франции, Индии, России. Максимальной радиоактивностью
характеризуются торфяники болотистой Хибинской тундры, и почти в 3 раза
ниже активность пустынного серозема.
Черноземы по этому показателю занимают промежуточное положение.
Растения и животный мир выполняют функцию первичного звена многочисленных
трофических цепей и определяют включение радионуклидов во все остальные
биотические компоненты биосферы.
Содержание естественных радионуклидов в живых организмах и растениях
зависит не только от их концентрации в окружающей среде, но и от их
функционального состояния.
Из зерновых культур интенсивно накапливают радионуклиды просо, ячмень,
рожь, и в 10 раз меньше рис; из овощных культур много радионуклидов
накапливают фасоль, горох; из корнеплодов – картофель, репа; из овощей –
огурцы, помидоры; капуста – мало. Много накапливают грибы, черная
смородина. Подобно растениям, животные и человек характеризуются
определенным уровнем содержания радиоактивных элементов, получаемых ими с
пищей и непосредственно из среды обитания.
У человека полоний, радий и торий накапливаются преимущественно в
костной ткани, хотя активность их выше в почках, печени, поджелудочной
железе. Довольно больше количества радиоактивных элементов оказываются в
роговице глаз.
Огромный ущерб биосфере и мировой экономике наносят такие стихийные
бедствия как ураганы, землетрясения, цунами, снегопады и др. Ежегодный
ущерб от них оценивается в 30 миллиардов долларов, ежегодное число
человеческих жертв во всем мире 250 тысяч.
Таковы лишь некоторые естественные факторы глобальных воздействий на
биосферу. Как говорится, от них никуда не денешься. Хуже, когда мы
встречаемся с искусственно созданными человеком антропогенными
биогеохимическими провинциями. Иными словами с загрязнениями окружающей
среды, вредными газовыми выбросами, сточными промышленными водами, отходами
сельскохозяйственных предприятий, бытовыми отходами. Примеров неразумного,
бездумного, часто с непредсказуемыми последствиями обращения с природой, с
окружающей средой, увы, великое множество.
Реактивный самолет за один трансатлантический рейс сжигает более 35
тонн атмосферного кислорода - столько же, сколько потребляют для дыхания
около 10 тыс. человек в течение года жизни.
Промышленностью и транспортом вводится в атмосферу много вредных
веществ. Ученые предсказывают, что к 2070 году концентрация атмосферного
углекислого газа может повыситься в 2 раза, что приведет к повышению
средней температуры нижнего слоя воздуха на 2,50 и глобальному потеплению
климата.
Большой вред биосфере приносят разного рода отходы, городской и бытовой
мусор. Если все их распределить по земной поверхности, то они покроют ее в
течение 15 лет слоем толщиной 5 метров.
Необходимо сохранять естественные агробиоценозы, генофонды,
увеличивать площади зеленных насаждений. Растения на 1 гектаре сквера или
сада за час поглощают углекислого газа столько, сколько за это время
выдохнут более 200 человек.
Учение В.И. Вернадского о биосфере, ее эволюционном развитии, а также
переходе биосферы в ноосферу (сферу разума) является современной философией
естествознания на прочной диалектической основе. В ноосфере действуют
сложные разносторонние взаимодействия человека, общества с природой, и ход
научной, социальной мысли, практических действий должны быть направлены на
устранение или уменьшение влияния неблагоприятных для будущих поколений
человечества последствий технического прогресса, на сохранение динамичного
равновесия биосферы и приумножение ее природных богатств.
Формирование и гармоничное совершенствование ноосферы является одной из
приоритетных задач человечества на современном этапе цивилизации. Как
отмечал В.И. Вернадский, в ноосфере человек впервые становится крупнейшей
геологической силой.
«Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей
жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было ранее.
Перед ним открываются все более и более широкие творческие возможности »
«Человек впервые реально понял, что он житель планеты и может – должен
мыслить и действовать в новом аспекте, не только в аспекте отдельной
личности, семьи, рода, государств или их союзов, но и в планетном аспекте.
Он, как все живое, может мыслить и действовать в планетном аспекте только в
области жизни - биосфере, в определенной земной оболочке, с которой он
неразрывно закономерно связан, и уйти из которой он не может. Его
существование есть ее функция. Он несет ее с собой всюду. И он ее
неизбежно, закономерно, непрерывно меняет»
По определениям ученых, возраст Земли равен приблизительно 5 млрд.
лет. Наиболее древние следы живых организмов найдены в Южной Африке
(Восточный Трансвааль), в толще горных пород, возраст которых равен 3,2
млрд. лет. Эти организмы напоминали современных нитчатых бактерий.
Ученые даже дали им название – эобактериум изолятум. Таким образом,
можно считать, что биосфера Земли возникла около трех миллиардов лет назад.
Наземные организмы появились около 400 млн. лет назад. Это были первые
примитивные растения. С появлением на суше живых организмов и
возникновением растений начинается важнейший этап в истории развития
биосферы. С этого периода началось их быстрое распространение по планете, и
в настоящее время Землю населяет огромное количество разнообразнейших
растительных и животных организмов.
В.И. Вернадский, изучая историю минералов, законы миграции химических
элементов в земной коре, обратил внимание на огромную роль живого вещества
в геохимических процессах, происходящих в Земле.
( Геохимические процессы изучает геохимия – наука о химическом составе,
о законах распространения и перемещения химических элементов в Земле).
Живые организмы в процессе жизнедеятельности берут из окружающей среды
необходимые вещества и выделяют продукты уже иного состава. Таким образом,
они активно воздействуют на среду обитания. Они воздействуют также и на
водную оболочку планеты. Часть воды, попавшая на растения, разлагается на
кислород и водород; водород используется для синтеза органических веществ,
а кислород выбрасывает как ненужный продукт.
Признаки влияния жизни заметны в масштабах всей планеты, начиная с
верхней границы тропосферы (на высоте 8-16 км) и до нижней границы
осадочных отложений в литосфере: (до глубины 2-3 км) и на дне самых
глубоких впадин океана.
Это и есть собственно биосфера. Основная масса организмов
сконцентрирована в самом нижнем слое тропосферы и в самом верхнем слое
земной коры. Здесь происходит наиболее активное взаимодействия организмов с
горными породами, водами и воздухом. В морях и океанах тоже наиболее плотно
заселен самый верхний слой воды, примерно до глубины 200 м. Таким образом,
область концентрации жизни представляет собой по сравнению с размером Земли
очень тонкую пленку на ее поверхности. Здесь совершаются сложнейшие
процессы взаимодействия живой и неживой материи. Этот тонкий, наиболее
деятельный слой биосферы называют ландшафтной сферой.
Через биосферу постоянно протекает энергия. Только непрерывное
поступление энергии Солнца на Землю обеспечивает нормальное
функционирование биосферы. Растения улавливают энергию Солнца в форме
видимых лучей и приводят ее в результате фотосинтетических процессов в
энергию химических связей, затем она переходит в теплоту и излучается через
поверхность тела животных в мировое пространство в форме инфракрасных
лучей. Получается поток энергии через биосферу.
Между Землей и космосом происходит непрерывающийся обмен энергией.
Однако веществом Земля и космос не обмениваются.
Кислород, углерод, азот и вода в пределах Земли совершают круговорот.
Практически чуть ли не все элементы таблицы Менделеева принимают участие в
круговороте веществ.
Биосфера представляет собой не однородную тонкую пленку на поверхности
Земли, она имеет мозаичное строение.
Это «экосистемы».
Участки земной поверхности, относительно однородные по составу
растительности, животного населения, микроорганизмов, строению почвенного
покрова, горных пород, лежащих непосредственно под почвенным покровом,
климатических условий и влажности, составляют экосистему.
Экосистемы Земли-
- холодных Арктических пустынь и тундр
- лесной зоны умеренных широт
- степей и прерий
- пустынь
- саванн и редколесий
- влажно-тропических лесов
- океанов и морей
взаимосвязаны и находятся во взаимодействии, т.е. вся биосфера
представляет собой единое целое - одну экосистему.
Тамбовский край и измененная Биосфера
В.И. Вернадский верил в разумное переустройство жизни будущими
поколениями людей. Увы, нынешнее поколение не оправдало ожиданий ученого.
Нерациональное использование биосферы человеком значительно усугубило
состояние окружающей природной среды.
Ко времени основания крепости Тамбов (1636г) примерно 49-50% его
территории было покрыто лесом, остальную часть занимала нетронутая степь.
Но уже к началу XX века третья часть всех лесов в Тамбовской губернии была
уничтожена. Конечно, это было отчасти неизбежно при хозяйственном освоении
края, при решении других жизненно важных проблем, но никто не мог
предвидеть всех последствий столь бездумного лесопользования. В результате
был открыт путь негативному воздействию антропогенных и природных факторов
на наше главное богатство – земли сельскохозяйственного назначения.
Плодородие почв непрерывно снижается вследствие эрозии, постоянного выноса
питательных веществ, стоком талых снеговых и ливневых вод.
В юго-западных и южных районах Тамбовщины остается все меньше островков
естественной растительности, мест обитания диких животных. Убывает
генетический фонд растений, сокращается популяция полезных насекомоядных
птиц и насекомых – опылителей растений. Убедительным свидетельством этого
стало издание Красной книги (растения и животные) Тамбовской области, в
которую вошли тысячи видов редких и исчезающих растений и животных. Ученые
прилагают много усилий для их выявления и сохранения, но нужна концентрация
финансовых средств, организационных мер, научных знаний, чтобы сберечь
биологическое разнообразие Тамбовской области. В настоящее время площадь
особо охраняемых природных территорий не превышает 0,4% всей территории
области, что совершенно недостаточно.
Роль и значение лесов в структуре природных объектов поистине огромна.
Площадь государственного лесного фонда области составляет 338 тысяч га , в
том числе лесистая – 303 тысяч или 89%. Леса оптимизируют экологическую
обстановку, защищают поля от суховея, способствуют сохранению влаги, несут
другие важные функции.
Очень болезненной для Тамбовщины проблемой, обостренной ее
индустриальным развитием в конце ХХ века, стала обеспечение качественной
питьевой водой. Казалось бы, наличие 1400 рек и более 800 прудов и
водохранилищ снимет ее, но этих водных ресурсов хватает лишь на частичное
обеспечение потребностей сельского хозяйства, промышленных предприятий и
садоводческих коллективов. Население снабжается водой из подземных
источников и частично из водоемов.
Главным «поставщиком» загрязняющих веществ в реки области являются
промышленные предприятия и жилищно–коммунальные хозяйства. Пагубно
отражается на качестве воды в реках отсутствие очистных сооружений и
канализации для ливневых стоков в городах и рабочих поселках.
В периоды обильных дождей, паводковых вод в реках резко повышается
содержание азота, нефтепродуктов, взвешенных частиц. Накопление
загрязняющих веществ в данных отложениях русел и на водосбросах, на свалках
ведет к вторичному загрязнению водных объектов.
Острой жизненной проблемой остается загрязнение атмосферного воздуха. В
2001 году объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных
источников в области незначительно увеличился – с 25,7 тысяч тонн в
2000году до 26 тысяч. Интенсивно растут выбросы от автотранспорта, они дают
более 87% годового объема.
Одним из источников загрязнения поверхностных, подземных вод и
атмосферного воздуха, являются отходы. В Тамбовской области ежегодно
образуется до 1,5 миллионов метров кубических бытовых и более 2 миллионов –
промышленных отходов, но вовсе нет полигонов для их захоронения. Из 173
свалок 70 не санкционированы.
Московская фирма ОАО «Региональный экологический комплекс» будет
исполнителем строительства мусороперерабатывающего завода в Тамбове,
мощность которого будет 100 тысяч тонн бытовых отходов в год.
Анализ состояния природной среды в Тамбовской области, как и
сопутствующего ему человеческого фактора, убеждает, что для вхождения в
ноосферу; предсказанного В.И. Вернадским, предстоит сделать очень многое.
Не приходится доказывать, сколь важна в этом смысле экологическая
грамотность населения. Принятие даже идеальных законов о
природопользовании, охране окружающей природной среды, развернутых
федеральных и региональных программ, научные конференции не смогут
переломить экологическую ситуацию без реальной и повседневной заботы об
окружающей его природе рядового жителя Земли.
Заключение
Наш родной край и Отечества прославили многие всемирно-известные люди,
среди которых наместник-губернатор поэт Г.Р. Державин и композитор С.В.
Рахманинов, художник А.М. Герасимов и поэт Е.А, Баратынский, государственно-
общественный деятель Г.В. Чичерин и ученый-селекционер И.В. Мичурин.
Владимир Иванович Вернадский – один из ярких представителей этой славной
плеяды.
Долгие годы Владимир Иванович отдавал много времени, сил и средств
Тамбовщине, развитию этого прекрасного уголка Российской провинции,
образованию и здоровью его людей.
Благодарные потомки, наши земляки, достойно оценили вклад В.И.
Вернадского в развитие планетарной науки и своего родного края. Книга «В.И.
Вернадский и Тамбовская область» – тому подтверждение. Накануне 140-летия
со дня рождения В.И. Вернадского вышла книга, её издание было приурочено к
открытию Международной конференции «В.И. Вернадский: ноосферология и
образование» (Тамбов, 21-22 мая 2002 год). Это не первые чтения,
посвященные научному наследию ученого, - на Тамбовщине уже три года
проводятся областные Вернадские конференции. Интерес к его творческому
наследию велик не только в Тамбовском крае, имя В.И. Вернадского ныне
известно всему цивилизованному миру. Это связано с тем, что человечество
ныне столкнулось со сложнейшими глобальными, прежде всего экологическими
проблемами, а их решение осуществляется в рамках учения В.И. Вернадского о
переходе биосферы в ноосферу.
Это безальтернативная модель устойчивого развития мирового сообщества
официально принято на Конференции ООН в 1992 году.
Глубоко прав был В.И. Вернадский утверждая много десятилетий назад:
«Царство моих идей впереди».
Идеи В.И. Вернадского в Тамбовском крае не только изучаются и
пропагандируются но и приняты к исполнению.
Разумно-ответственное начало позволит сохранить для нынешнего и
грядущего поколения Тамбовчан замечательную природу края, здоровья людей и
обеспечить устойчивое развитие экономики.
Литература
1. Вернадский В.И. Проблемы биогеохимии., - М.,1988 г.
2. Лев Тумилевский. Вернадский. - М., Молодая гвардия.Изд.3,1988 г.
3. Казначеев В.П. Учение о биосфере. - М., Знание, 1985 г.
4. Кашаков Р.Ш. Живая оболочка земли. - М., Просвещение, 1984 г.
5. Степанов К.А., Аксенов Г.П. и др. В.И. Вернадский и Тамбовский край -
М., Ноосфера 2002 г.
-----------------------
- 2
- 4
- 11
- 14
Реферат на тему: Хаос и порядок. Порядок и беспорядок в природе
Министерство образования РФ.
Курский гуманитарно-технический институт.
Реферат по дисциплине:
«Концепция современного естествознания»
на тему: «Хаос и порядок. Порядок и беспорядок в природе».
Выполнил: студент гр.
БУЖ-11/2,5 Алдохин А. В.
Проверил:
Маркович Ю. Д.
Железногорск 2002 г.
Содержание.
1. Этимология понятия «хаос». Соотношение порядка и беспорядка в
природе. 3
1.1 Хаос как основа порядка 3
1.2 Естественные процессы 4
1.3 Хаос и порядок 6
1.4 Понятие структуры 8
2. Хаос и мифы. 12
3.Хаос и его проявления. 12
4. Причины хаоса. 18
5. Роль энтропии как меры хаоса. 20
Список использованной литературы. 21
Их либе жизнь и обожаю хаос...
И.Бродский, "Два часа в резервуаре"
Этимология понятия «хаос». Соотношение порядка и беспорядка в природе.
Хаос, понятие окончательно оформившееся в древнегреческой философии -
это трагический образ космического первоединства, начало и конец всего,
вечная смерть всего живого и одновременно принцип и источник всякого
развития, он неупорядочен, всемогущ и безлик.
1.1 Хаос как основа порядка
Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг
окажется, что все частицы движутся в одном и том же направлении с
одинаковыми скоростями, то вся система, подобно теннисному мячу, будет
находится в состоянии полета. Система ведет себя в этом случае аналогично
одной массивной частице, и к ней применимы обычные законы динамики, такое
движение называется движением центра масс.
Существует, однако, и другой вид движения. Можно представить себе,
что частицы системы движутся не упорядоченно, а хаотически: полная энергия
системы может быть той же самой, что и в первом случае, но теперь
отсутствует результирующее движение, поскольку направления и скорости
движения атомов беспорядочны. Если бы мы могли проследить за какой-либо
отдельной частицей, то увидели бы, что она проходит небольшое расстояние
вправо, затем, соударяясь с соседней частицей, смещается немного влево,
снова соударяется и т. д. Основная черта этого вида движения состоит в
отсутствии корреляции между движениями различных частиц; иными словами, их
движения некогерентны (неупорядочены).
Описанное случайное, хаотическое, некоррелированное, некогерентное,
неупорядоченное движение называется тепловым движением. Очевидно, понятие
теплового движения неприменимо к отдельной частице, поскольку бессмысленно
говорить о некоррелированном движении одной частицы. Иными словами, когда
мы переходим от рассмотрения движения отдельной частицы к системам многих
частиц и при этом возникает вопрос о наличии корреляций в их движениях, мы
по существу переходим от обычной динамики в новую область физики, которая
называется термодинамикой.
Итак, существует два вида движения частиц в сложных системах:
движение может быть когерентным (упорядоченным), когда все частицы движутся
согласованно (“в ногу”), или, напротив, неупорядоченным, когда все частицы
движутся хаотически.
1.2 Естественные процессы
Естественное стремление энергии к рассеянию определяет и направление,
в котором происходят физические процессы в природе. Под этим понимается
рассеяние энергии в пространстве, рассеяние частиц, обладающих энергией, и
потеря упорядоченности, свойственное движению этих частиц. Первое начало
термодинамики в принципе не отрицает возможности событий, казалось бы
противоречащих здравому смыслу и повседневному опыту: например, мяч мог бы
начать подскакивать за счет своего охлаждения, пружина могла бы
самопроизвольно сжаться, а кусок железа мог бы самопроизвольно стать более
горячим, чем окружающее пространство. Все эти явления не нарушили бы закона
сохранения энергии. Однако в действительности ни одно из них не происходит,
поскольку нужная для этого энергия, хотя и имеется в наличии, но
недоступна. Если не принимать всерьез существующий в принципе, но
чрезвычайно небольшой шанс, можно смело утверждать, что энергия никогда не
может сама по себе локализоваться, собравшись в избытке в какой-либо
небольшой части Вселенной. Однако, если бы даже произошло, еще менее
вероятно, что подобная локализация была бы упорядоченной.
Естественные процессы - это всегда процессы, сопровождающие
рассеяние, диссипацию энергии. Отсюда становится ясным, почему горячий
объект охлаждается до температуры окружающей среды, почему упорядоченное
движение уступает место неупорядоченному и, в частности, почему
механическое движение вследствие трения полностью переходит в тепловое.
Столь же просто осознать, что любые проявления асимметрии, так или иначе
сводятся к рассеянию энергии. Проявление любых диспропорций в
организационной структуре объекта приводит к образованию асимметрии как по
отношению к окружающей среде, так и для самой структуры в частности, это
может привести к увеличению потенциальной энергии или, при большом
скоплении этой энергии, к распаду системы, как противоречащей законам
природы (общества).
Организация создается из хаоса (общества) одним или несколькими
возбужденными атомами (предпринимателями) и в хаос проваливается при
ликвидации. Естественные, самопроизвольно происходящие процессы - это
переход от порядка к хаосу.
Поставим теперь следующий вопрос: сколькими способами можно
произвести перестройку внутри системы, так чтобы внешний наблюдатель не
заметил ее. Отметим, что в формулировке вопроса учтено то существенное, что
характеризует переход от мира атомов к макроскопической системе, а именно
“слепота” внешнего наблюдателя по отношению к “индивидуальностям” атомов,
образующих систему. Термодинамика имеет дело только с усредненным
поведением огромных совокупностей атомов, причем поведение каждого
отдельного атома не играет роли. Если внешний наблюдатель, изучающий
термодинамику, не заметил, что в системе произошло изменение, то состояние
системы считается неизменным. лишь “педантичный” наблюдатель , тщательно
следящий за поведением каждого атома, будет знать, что изменение все-таки
произошло.
Сделаем теперь последний шаг на пути к полному определению хаоса.
Предположим, что частицы вселенной не закреплены и могут, подобно состоянию
возбуждения и энергии, свободно перемещаться с места на место; например,
такое могло бы случиться, если бы Вселенная была газом. Предположим также,
что мы создали начальное состояние вселенной, пустив струю газа в правый
нижний угол сосуда. Интуитивно мы понимаем, что произойдет: облако частиц
начнет самопроизвольно распространяться и через некоторое время заполнит
весь сосуд.
Такое поведение вселенной можно трактовать как установление хаоса.
Газ — это облако случайно движущихся частиц (само название “газ” происходит
от того же корня, что и “хаос”). Частицы мчатся во всех направлениях,
сталкиваясь и отталкиваясь друг от друга после каждого столкновения.
Движения и столкновения приводят к быстрому рассеиванию облака, так что
вскоре оно равномерно распределяется по всему доступному пространству.
Теперь существует лишь ничтожно малый шанс, что все частицы газа когда-
нибудь спонтанно и одновременно вновь соберутся в угол сосуда, создав
первоначальную конфигурацию. Разумеется, их можно собрать в угол с помощью
поршня, но это означает совершение работы, следовательно, процесс возврата
частиц в исходное состояние не будет самопроизвольным.
Ясно, что наблюдаемые изменения объясняются склонностью энергии к
рассеянию. Действительно, теперь состояние возбуждения атомов оказалось
физически рассеянным в пространстве вследствие спонтанного рассеяния атомов
по объему сосуда. Каждый атом обладает кинетической энергией, и потому
распространение атомов по сосуду приводит и к распространению энергии.
1.3 Хаос и порядок
В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны
бесцельной “деятельностью” хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими
достижениями Больцмана: он установил, каким образом хаос определяет
направление изменений и как он устанавливает скорость этих изменений. Мы
убедились также в том, что именно непреднамеренная и бесцельная
деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей
вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические
изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные изменения,
происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что
хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то
под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь
могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба. При
химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае,
однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое
осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок
может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет
возникновения неупорядоченности где-то в ином месте. Таковы причины и
движущие силы происходящих в природе изменений.
1.4 Понятие структуры
Каждый из нас в общих чертах знает, что такое структура ; как
правило, это определенное расположение, конфигурация частиц — атомов,
молекул или ионов. Так, вполне определенную структуру представляет собой
кристалл. Он отличается от газа, от жидкости и от куска масла, так как во
всех этих веществах взаимное расположение частиц не является строго
определенным, фиксированным. Но имея дело с кристаллом, мы можем быть
уверены, что обнаружим частицы на строго определенном расстоянии друг от
друга. В бесструктурных состояниях вещества — в газах, жидкостях и аморфных
твердых телах — относительные расположения частиц совершенно неопределены.
Обобщая эти предварительные наблюдения (в дальнейшем мы будем иметь
дело с более сложными примерами), нетрудно заметить, что частицы в
кристаллических твердых телах расположены упорядочено (или, как иногда
говорят, обладают пространственной когерентностью); иными словами,
расположение частиц взаимно коррелированно. В противоположность этому в
газах (и в меньшей степени в жидкостях) подобная пространственная
упорядоченность практически отсутствует: расположения частиц не обладают
взаимной корреляцией. Таким образом, можно сказать, что понятие структуры
равнозначно понятию упорядоченности, когерентности, когда частицы
организованы в строго определенные конфигурации; напротив, отсутствие
структуры означает и отсутствие упорядоченности, когда расположения частиц
вполне случайны. В такое понимание связи структуры и порядка хорошо
вписываются как твердое тело, обладающее структурой, так и бесструктурные
газы.
Такое предварительное определение структуры через описание вещества,
состоящего из частиц с упорядоченным расположением, можно уточнить с тем,
чтобы дать более адекватное описание природы жидкого состояния. При
изменении расположения частиц в жидкостях одним из методов
рентгеноструктурного анализа, столь широко используемых ныне для
исследования строения твердых тел, обнаруживается вполне определенное
локальное расположение частиц. Однако чем дальше мы отходим от данной
частицы, тем все с меньшей уверенностью можем ожидать, что действительно
обнаружим следующую частицу там, где ей следовало бы находиться согласно
установленному локальному порядку. Иными словами, с удалением друг от друга
частицы становятся все более независимыми, а их расположение -
неуправляемым (т.е. взаимная корреляция частиц ослабляется). Короче говоря,
твердые тела обладают дальним порядком; им присуща глобальная структура или
крупномасштабная когерентность — в том смысле, что расположения частиц
вполне предсказуемы на больших расстояниях (например, вплоть до границ
кристалла). Газы практически полностью лишены подобной глобальной структуры
(они не имеют даже границы своего положения); в расположении их частиц
отсутствует когерентность даже на самых малых расстояниях. Жидкости, как
подсказывает нам интуиция, занимают промежуточное положение между твердыми
телами и газами. Они обладают лишь локальной структурой и лишены структуры
глобальной; на малых расстояниях (порядка нескольких соседних молекул)
расположения частиц сохраняют упорядоченность, полностью теряя ее на
больших расстояниях. Существуют различные виды жидкостей с большей или
меньшей степенью упорядоченности. Например, жидкие кристаллы обладают
дальним порядком по некоторым направлениям, тогда как по другим он
полностью отсутствует. Можно сказать, что такие анизотропные вещества по
одним направлениям являются твердыми телами, а по другим - жидкостями.
Подобная анизотропия служит причиной необычных оптических свойств этих
веществ, позволяющих использовать их в качестве материала для дисплеев ЭВМ,
микрокалькуляторов, наручных часов и т. д.
Уточним теперь наше предварительное определение структуры и расширим
область его применимости. Здесь и далее мы будем рассматривать понятия
структуры и упорядоченности как синонимы (лат. structura означает строение,
расположение, порядок). Везде и всегда, если только устанавливается
состояние упорядоченности, мы будем рассматривать это как возникновение
структуры. Более того, будем считать, что упорядоченность — это не только
наличие корреляции в пространстве, как в обычных физических объектах; она
может также проявляться — и это имеет принципиальное значение — как
корреляция во времени (в последнем случае термин “когерентность”
употребляется в своем буквальном смысле).
Обобщив таким образом наши рассуждения, посмотрим, какие объекты
подходят под новую классификацию. Очевидно, что сюда безоговорочно
относится давно знакомое нам твердое тело; обнаруживаются, однако, и
“новички”. Один из них представляет собой структуру такого типа, которая
сохраняется только при условии рассеяния энергии. Подобные структуры
называют диссипативными; к ним, в частности, относятся живые организмы, в
том числе человек.
Диссипативные структуры — это структуры, образующиеся в результате
рассеяния (диссипации) энергии. К ним относятся некоторые недолговечные
структуры, которые распадаются, как только прекращается поток энергии или
вещества. Некоторые из таких структур являются по своей природе
биологическими, другие - физическими; все они возникают из хаоса - “праха”
и вновь обращаются в “прах”. Одной из первых описанных структур подобного
вида была ячеистая структура, образующаяся в жидкости при наличии конвекции
между двумя горизонтальными плоскостями, нижняя из них нагрета сильнее, чем
верхняя. Пока разность двух плоскостей мала, движущиеся частицы жидкости
распределены хаотично. Однако, когда разность температур становится
достаточно большой, возникает неустойчивость Бенара, и жидкость
обнаруживает структуру.
Итак, мы убеждаемся в том, что последовательность отдельных
процессов, в каждом из которых энтропия лишь возрастает (т.е. хаос во
Вселенной при этом увеличивается), может приводить и к возникновению
структур высокой степени сложности. Поэтому замечая какой-либо объект,
обладающий сложной внутренней структурой, мы не должны сразу же делать
вывод о том, что этот объект является воплощением целенаправленного
замысла. Он мог возникнуть естественно в результате последовательности
процессов, каждый из которых сам по себе не представляет никакой конкретной
цели (разводы на мерзлом стекле), а происходит в естественном направлении,
по мере того как Вселенная погружается в хаос. Все это резюмируется в
известном рассуждении Пэли о часах. Если вы нашли часы, говорит Пэли, то
сложность их механизма не оставляет вас сомнений в том, что часы были кем-
то сконструированы, то есть по крайней мере когда-то должен был
существовать их конструктор. Далее, рассуждает Пэли, поскольку окружающий
нас мир в целом устроен значительно сложнее часов, то космический
путешественник, посетивший наш мир, не усомнился бы в том, что этот мир был
“спроектирован” и что (по крайней мере когда-то) существовал его
“создатель”. Однако это рассуждение Пэли ошибочно. Если нам попадается
кролик, у нас нет необходимости рассматривать его как результат некоего
“проекта”. Этот кролик (как и его собратья) возник как “промежуточный
продукт” на долгом пути, которым Вселенная движется к своему вырождению и
ухудшению качества энергии. Кролики, как цветки примулы, поросята или даже
мы, люди, — всего лишь элементы гигантской сети взаимосвязей, имеющей
поистине космические масштабы. Именно благодаря таким локальным нарушениям
общей тенденции к деградации энергии становится возможным возникновение
временных упорядоченных структур — хотя деградация неуклонно влечет
Вселенную к состоянию полного равновесия.
Существует множество способов убедиться в том, что разветвленная
система (сеть) взаимозависимых простых процессов может привести к
возникновению сложной структуры и тем самым ввести в заблуждение
“стороннего наблюдателя”, побуждая его предположить существование
определенного замысла и “творца”.
В мире нет ничего более удивительного, чем сознание, разум человека;
тем большее удивление вызывает то, что в своей глубинной основе оно
обусловленно весьма простыми явлениями.
В процессе “разматывания” клубка событий локально возникают различные
структуры, и хотя все они преходящи, некоторые из них способны существовать
миллионы лет.
2. Хаос и мифы.
Во всех культурах всегда существовал креативный взгляд на
становление. Он представлялся, говоря современным системным языком,
креативной триадой: Способ действия + Предмет действия = Результат
действия, и закреплен в самих глагольных структурах языка; в корнях
двуполой асимметрии человека как биологического вида; в образах
божественного семейства древних религий : Озирис - Изида - Гор (Египет); "
Тот, кто создает безостановочно миры - троичен. Он есть Брама- Отец; он
есть Майя- Мать ; он есть Вишу- Сын; Сущность, Субстанция и Жизнь. Каждый
заключает в себе двух остальных и все три составляют одно в Неизреченном. "
(Упанишады). В космогонических мифах и философиях -- ТЕОС ( ЛОГОС) + ХАОС =
КОСМОС ( Платон, Аристотель, Плотин), Пуруша(дух) + Пракрити(материя) =
Браман (проявленная Вселенная) (Веды). Возникновение реальности как
одухотворение материи, отсюда и творчество как вдохновение, и душа в
христианстве как сплетение и борьба духовных и телесных (материальных)
начал в человеке.
Ветхозаветное начало творения: "Земля была безвидна и Дух летал над
Водами" . . . - и здесь из вод первозданного Хаоса родится определенность
земной тверди нашего Мира. И это не случайно, только так естественным
образом можно описать процесс возникновения чего либо вообще, когда
следствие порождено причиной, в свою очередь состоящей из двух начал -
активного и пассивного, имманентного любому действию.
Родоначальником всего живого и божественного в египетской религии
считается бог Атум. Согласно легенде, он также появился из хаоса.
3.Хаос и его проявления.
Хаотические эффекты, нарушавшие стройную картину классической физики
с первых дней становления теории, в XVII в воспринимались как досадные
недоразумения. Кеплер отмечал нерегулярности в движении Луны вокруг Земли.
Ньютон, по словам своего издателя Роджера Котеса, принадлежал к тем
исследователям, которые силы природы и простейшие законы их действия
"выводят аналитически из каких-либо избранных явлений и затем синтетически
получают законы остальных явлений". Но закон — однозначное и точное
соответствие между рассматриваемыми явлениями, он должен исключать
неопределенность и хаотичность Отсутствие однозначности в науке Нового
времени рассматривалось как свидетельство слабости и ненаучного подхода к
явлениям Постепенно из науки изгонялось все, что нельзя формализовать, чему
нельзя придать однозначный характер Так пришли к механической картине мира
и "лапласовскому детерминизму"
Необратимость процессов нарушила универсальный характер механических
законов. По мере накопления фактов менялись представления, и тогда Клаузиус
ввел "принцип элементарного беспорядка" Поскольку проследить за движением
каждой молекулы газа невозможно, следует признать ограниченность своих
возможностей и согласиться, что закономерности, наблюдаемые в поведении
массы газа как целого, есть результат хаотического движения составляющих
его молекул. Беспорядок при этом понимается как независимость координат и
скоростей отдельных частиц друг от друга при равновесном состоянии. Более
четко эту идею высказал Больцман и положил ее в основу своей молекулярно-
кинетической теории. Максвелл указал на принципиальное отличие механики
отдельной частицы от механики большой совокупности частиц, подчеркнув что
большие системы характеризуются параметрами (давление, температура и др ),
не применимыми к от дельной частице. Так он положил начало новой науке —
статистической механике Идея элементарного беспорядка, или хаоса устранила
противоречие между механикой и термодинамикой На основе статистического
подхода удалось совместить обратимость отдельных механических явлений
(движений отдельных молекул) и необратимый характер движения их
совокупности (рост энтропии в замкнутой системе).
В дальнейшем оказалось, что идеи хаоса характерны не только для
явлений тепловых, а более фундаментальны. При изучении теплового излучения
возникли противоречия: электромагнитная теория Фарадея — Максвелла
описывала обратимые процессы, но процессы обмена световой энергией между
телами, находящимися при разных температурах, ведут к выравниванию
температур, т е. должны рассматриваться как необратимые. Планк ввел
гипотезу "естественного излучения", соответствующую гипотезе молекулярного
беспорядка, смысл которой можно сформулировать так: отдельные
электромагнитные волны, из которых состоит тепловое излучение, ведут себя
независимо и "являются полностью некогерентными". Эта гипотеза привела к
представлению о квантовом характере излучения, которое обосновывалось с
помощью теории вероятностей Хаотичность излучения оказалась связанной с его
дискретностью Квантовый подход позволил Планку и Эйнштейну объяснить ряд
законов и явлений (закон Стефана — Больцмана, закон смещения Вина, законы
фотоэффекта и др.), которые не находили объяснения в классической
электродинамике(Отступления Луны от траекторий, рассчитанных по законам
ньютоновской механики, американский астроном Джордж Хилл в конце прошлого
века объяснил притяжением Солнца. Пуанкаре предположил, что вблизи каждого
тела есть некоторые малозаметные факторы и явления, которые могут вызвать
нерегулярности. Поведение даже простой системы существенно зависит от
начальных условий, так что не все можно предсказать. Решая задачу трех тел,
Пуанкаре обнаружил существование фазовых траекторий, которые вели себя
запутанно и сложно, образуя "нечто, вроде решетки, ткани, сети с бесконечно
тесными петлями; ни одна из кривых никогда не должна пересечь самое себя,
но она должна навиваться на самое себя очень сложным образом, чтобы
пересечь много, бесконечно много раз петли сети". В начале века на эту
работу особого внимания не обратили
Примерно в это же время Планк начал изучать другую хаотичность
классической науки и нашел выход в введении кванта, который должен был
примирить прежние и новые представления, но ни самом деле сокрушил
классическую физику. В строении атомов долгое время видели аналогию
Солнечной системы. Интерес к невозможности однозначных предсказаний возник
в связи с появлением принципиально иных статистических законов движения
микрообъектов, составляющих квантовую механику. В силу соотношений
неопределенности Гейзенберга необходимо сразу учитывать, что Moryi
реализовываться не точные значения координат и импульсов, а не которая
конечная область состояний Ар и Aq, внутри которой лежа1 начальные
координаты Яд и импульсы pp. При этом внутри выделенной области они
распределены по вероятностному закону По мере эволюции системы
увеличивается и область ее состояний Лр и Aq. На небольших временных
интервалах неопределенность состояния будет нарастать медленно, и движение
системы будет устойчивым. Для таких систем классическая механика
плодотворна.
В 60-е годы 6ыло установлено, что и в простых динамических системах,
которые считались со времен Ньютона и Лапласа подчиняющимися определенным и
однозначным законам механики, возможны случайные явления, от которых нельзя
избавиться путем уточнения начальных условий и исчерпывающим описанием
воздействий на систему. Такие движения возникают в простых динамических
системах с небольшим числом степеней свободы — нелинейных колебательных
системах как механических, так и электрических. Пример такого неустойчивого
движения — шарик в двух ямах, разделенных барьером (рис 1). При неподвижной
подставке шарик имеет два положения равновесия. При колебаниях подставки он
может начать
б
[pic]
Рис. 1. Пример хаотического движения:
а — шарик в потенциальных ямах; б — шарик на плоскости со стенками
(биллиард Синая)
перепрыгивать из одной ямы в другую после совершения колебаний в одной из
ям. Периодические колебания с определенной частотой вызывают колебания с
широким спектром частот
Кроме того, на систему могут действовать и некоторые случайные силы,
которые даже при самой малой величине за длительное время действия приведут
к непредсказуемым результатам. Такие системы чувствительны не только к
начальным значениям параметров, но и к изменениям положений и скоростей в
разных точках траектории. Получается парадокс: система подчиняется
однозначным динамическим законам, и совершает непредсказуемые движения.
Решения динамической задачи реализуются, если они устойчивы. Например,
нельзя видеть сколь угодно долго стоящий на острие карандаш или монету,
стоящую на ребре. Но тогда задача из динамических переходит в
статистическую, т е. следует задать начальные условия статистическим
распределением и следить за его эволюцией. Эти случайные явления получили
название хаосов
Рис. 2 Фазовое пространство.
Эволюцию динамических систем во времени оказалось удобным
анализировать с помощью фазового пространства — абстрактного пространства с
числом измерений, равным числу переменных, характеризующих состояние
системы Примером может служить пространство, имеющее в качестве своих
координат координаты и скорости всех частиц системы Для линейного
гармонического осциллятора (одна степень свободы) размерность фазового
пространства равна двум (координата и скорость колеблющейся частицы) Такое
фазовое пространство есть плоскость, эволюция системы соответствует
непрерывному изменению координаты и скорости, и точка, изображающая
состояние системы, движется по фазовой траектории (рис. 2) Фазовые
траектории такого маятника (линейного гармонического осциллятора), который
колеблется без затухания, представляют собой эллипсы
В случае затухания фазовые траектории при любых начальных значениях
оканчиваются в одной точке, которая соответствует покою в положении
равновесия. Эта точка, или аттрактор, как бы притягивает к себе со временем
все фазовые траектории (англ to attract "притягивать") и является
обобщением понятия равновесия, состояние, которое притягивает системы
Маятник из-за трения сначала замедляет колебания, а затем останавливается
На диаграмме его состоянии (фазовой диаграмме) по одной оси откладывают
угол отклонения маятника от вертикали, а по другой — скорость изменения
этого угла Получается фазовый портрет в виде точки, движущейся вокруг
начала отсчета Начало отсчета и будет аттрактором, поскольку как бы
притягивает точку, представляющую движение маятника по фазовой диаграмме В
таком простом аттракторе нет ничего странного. В более сложных движениях,
например, маятника часов с грузом на цепочке, груз играет роль механизма,
подкачивающего энергию к маятнику, и маятник не замедляет колебаний. Если
запустить часы энергичным толчком маятника, он замедлится до темпа, который
обусловлен весом груза, после чего характер его движения останется
неизменным Если толчок будет слабым, маятник, замедляясь, вскоре
остановится Ситуации с сильным начальным толчком на фазовой диаграмме
соответствует спираль, обвивающаяся все более плотно вокруг круговой
орбиты, аттрактор будет в данном случае окружностью, т е объектом не более
странным, чем точка Разным маятникам соответствуют аттракторы, которые
называют предельными циклами Все фазовые траектории, соответствующие разным
начальным условиям, выходят на периодическую траекторию, которая отвечает
установившемуся движению если начальные отклонения были малыми, они
возрастут, а, если амплитуды были большими, то уменьшатся. Биение сердца
тоже изображается предельным циклом — установившимся режимом.
Если движение состоит из наложения двух колебаний разных частот, то
фазовая траектория навивается на тор в фазовом пространстве трех измерений.
Это движение устойчиво, а две фазовые траектории, начинающиеся рядом, будут
навиваться на тор, не уходя друг от друга. Ситуация соответствует
устойчивому установившемуся движению, к которому сама стремится.
В случае хаотического движения фазовые траектории с близкими
начальными параметрами быстро расходятся, а потом хаотически
перемешиваются, так как они могут удаляться только до какого-то предела из-
за ограниченности области изменений координат и импульсов. Поэтому фазовые
траектории создают складки внутри фазового пространства и оказываются
достаточно близко друг к другу. Так возникает область фазового
пространства, заполненная хаотическими траекториями, называемая странным
аттрактором. На рис 3 изображен такой аттрактор, полученный Э. Лоренцом на
ЭВМ. Видно, что система (изображаемая точкой) совершает быстрые
нерегулярные колебания в одной области фазового пространства, а затем
случайно перескакивает в другую область, через некоторое время — обратно.
Так динамический хаос обращается с фазовым пространством. При этом
образование складок возможно только при размерностях больших трех (только в
3-ем измерении начинают складываться плоские траектории). От этих
хаотичностей нельзя избавиться. Они внутренне присущи системам со странными
аттракторами. Хаотические движения в фазовом пространстве порождают
случайность, которая связана с появлением сложных траекторий в результате
растяжения и складывания в фазовом пространстве.
[pic]
Рис 3. Аттрактор Лоренца.
Важнейшим свойством странных аттракторов является фрактальность Фракталы —
это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число деталей. Их
начали активно исследовать с появлением мощных ЭВМ. Известно, что прямые и
окружности — объекты элементарной геометрии — природе не свойственны.
Структура вещества чаще принимает замысловато ветвящиеся формы,
напоминающие обтрепанные края ткани. Примеров подобных структур много это и
коллоиды, и отложения металла при электролизе, и клеточные популяции.
4. Причины хаоса.
Идеи Брюссельской школы, существенно опирающиеся на работы Пригожина,
образуют новую, всеобъемлющую теорию изменений.
В сильно упрощенном виде суть этой теории сводится к следующему.
Некоторые части Вселенной действительно могут действовать как механизмы.
Таковы замкнутые системы, но они в лучшем случае составляют лишь малую долю
физической Вселенной. Большинство же систем, представляющих для нас
интерес, открыты - они обмениваются энергией или веществом ( можно было бы
добавить: и информацией) с окружающей средой. К числу открытых систем, без
сомнения, принадлежат биологические и социальные системы, а это означает,
что любая попытка понять их в рамках механической модели заведомо обречена
на провал.
Кроме того, открытый характер подавляющего большинства систем во
Вселенной наводит на мысль о том, что реальность отнюдь не является ареной,
на которой господствует порядок, стабильность и равновесие: главенствующую
роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.
Если воспользоваться терминологией Пригожина, то можно сказать, что
все системы содержат подсистемы, которые непрестанно флуктуируют. Иногда
отдельная флуктуация или комбинация флуктуацией может стать (в результате
положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде
организация не выдержит и разрушится. В этот переломный момент (который
авторы книги называют особой точкой или точкой бифуркаци ) принципиально
невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее
развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на
новый, более дифференцированный и более высокий уровень упорядоченности или
организации, который авторы называют диссипативной структурой. (Физические
или химические структуры такого рода получили название диссипативных
потому, что для их поддержания требуется больше энергии, чем для
поддержания более простых структур, на смену которым они приходят).
Один из ключевых моментов в острых дисскусиях, развернувшихся вокруг
понятия диссипативной структуры, связан с тем, что Пригожин подчеркивает
возможность спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и
хаоса в результате процесса самоорганизации.
Обобщая, мы можем утверждать, что в состояниях, далеких от
равновесия, очень слабые возмущения, или флуктуации, могут усиливаться до
гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру, а это проливает свет на
всевозможные процессы качественного или резкого ( не постепенного, не
эволюционного) изменения. Факты, обнаруженные и понятые в результате
изучения сильно неравновесных состояний и нелинейных процессов, в сочетании
с достаточно сложными системами, наделенными обратными связями, привели к
созданию совершенно нового подхода, позволяющего установить связь
фундаментальных наук с “переферийными” науками о жизни и, возможно, даже
понять некоторые социальные процессы.
5. Роль энтропии как меры хаоса.
Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке
немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит
самопроизвольно от холодного тела к более горячему".
Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики),
в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии
сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности это никогда не происходит.
Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в
замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики.
Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое
понятие - "энтропия". Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы.
Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: | |
