Часть I Физические системы и их экспериментальное исследование

1. Общие сведения о физических системах

Физика – наука о природе, изучающая её наиболее общие, фундаментальные закономерности. Природа – весь материальный мир – бесконечна и чрезвычайно многообразна в своих проявлениях. При этом все её структурные составляющие – от элементарных частиц до галактик – прямо или косвенно связаны между собой, влияют на состояние и поведение друг друга. Любая физическая система иерархична, включает в себя несколько равноправных и/или подчиненных уровней (типа: … газ-молекула-атом-протон, электрон, …). Следовательно, природа представляет собой единое целое, систему. Познание состава и структуры физической системы высокого уровня, законов, ей управляющих, осуществляется человеком путем исследования специально для этого выделяемых частей этой системы – тоже физических систем более низкого иерархического уровня. Таким образом, физическая система – это выделенная для исследования часть материального мира, природы, совокупность исследуемых в данной задаче взаимосвязанных физических объектов (частиц, тел, полей). Эти объекты, также могут рассматриваться как физические системы (подсистемы, элементы), входящие в выделенную систему на более низком иерархическом уровне в других исследованиях.

Отсюда следует, что способ выделения исследуемой системы из включающей ее некоторой надсистемы (окружающей среды) и «границы» выделяемой системы определяются самим исследователем исходя из задач исследования.

Каждая физическая система взаимодействует со всеми остальными, однако степень этого взаимодействия различна – более или менее выраженная, слабая или наоборот интенсивная, непосредственная или опосредованная. При учете всех реально существующих связей и взаимодействий изучение физических систем чрезвычайно затруднено, практически невозможно. Но если пренебречь некоторыми связями и взаимодействиями, изучение выделяемой системы существенно облегчается (например, именно по этой причине выделяют в учебном курсе физики ее разделы: кинематика, динамика, статика и др.). Такое выделение может быть естественным (например, глаз как оптическая система; семья как ячейка общества) или достаточно искусственным (область атмосферы над Средним Поволжьем при составлении прогноза погоды и др.).

Выделенная каким-либо образом для исследования физическая система всегда представляется как модель реальной системы. Сущность модельного подхода заключается в выделении в исследуемом объекте его главных, определяющих сторон, характеристик, параметров и пренебрежении параметрами, факторами, несущественными для цели исследования, ставящейся в данном опыте.

По своему предназначению модель должна отражать состав и структуру изучаемой физической системы, её свойства, параметры и поведение. Говорят, что модель должна быть адекватна реальной системе. Практически обеспечивается адекватность применительно к данному эксперименту: определяются наиболее существенные для достижения цели эксперимента параметры, вводятся допущения и ограничения, задаются начальные условия. В связи со сказанным модели физических систем имеют различную степень адекватности реальной системе (так, - макет самолета отражает лишь его внешний вид).

Пример: водяной пар в баллоне является физической системой, состоящей из множества молекул Н₂О. Каждая из молекул - также система из двух атомов водорода и одного - кислорода. В свою очередь, каждый атом является системой, состоящий из ядра и электронов (простейший атом водорода содержит один электрон); ядро атома – также система из протонов и нейтронов; ядро атома водорода - протон в свою очередь есть система кварков.

• Важнейшим признаком системы является целостность - принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её элементов. Это свойство (системное качество, или эмерджентность) отличает систему от простой совокупности элементов (такие совокупности называют агрегатами). Свойства агрегата сводятся (редуцируются) к свойствам его элементов Так, две одинаковые гири дают простое удвоение массы, а вот два атома водорода образуют молекулу – систему, обладающую новыми свойствами. Конечно, такое разделение условно и относительно: упомянутые гири взаимодействуют как две гравитационные массы по закону всемирного тяготения, в то же время газообразный водород в сосуде можно рассматривать как агрегат (вспомним физический термин «агрегатное состояние вещества»).

Целостность системы уже подразумевает наличие в ней множества (больше одного) элементов. Это обстоятельство часто отождествляют со сложностью системы. Однако сложность есть прежде всего характеристика поведения (см. 2) системы, и не всегда система, состоящая из большого количества элементов, является сложной (тот же идеальный газ).

Структура системы, ее строение характеризуется количеством и взаимными связями подсистем, из которых она образована.

Подсистема – часть системы, обладающая определенной автономностью, но подчиненная и управляемая системой. Примерами могут служить сердце в кровеносной системе, двигатель в автомобиле, магазин в торговой сети, семья в обществе, факультет в составе академии и др.

Подсистема может быть пространственно локализована, а может быть распределена (например, поисковая система GOOGLE в глобальной системе Интернет, система связи на железнодорожном транспорте).

Элемент – наименьшая отдельная часть системы (подсистемы). Понятие элементарности весьма относительно. Оно подразумевает дальнейшую неделимость и фундаментальность (отсюда – элементарная частица). Вместе с тем, такая сложнейшая система, как человек, является в надсистеме – биосфере Земли – ее элементом -особью, а в другой надсистеме – обществе (социуме) – ее элементом – индивидуумом (показательно, что термин «индивидуум» - латинский перевод греческого слова «атом»).

Наличие связей и отношений между подсистемами и элементами системы, собственно, и обеспечивает реализацию системного качества. Например, только связи и взаимодействия нейронов в составе головного мозга обеспечивают его функционирование как системы, реализующей такую функцию как мышление; атом конкретного химического элемента приобретает свои уникальные свойства за счет определенной организации определенного числа протонов, нейтронов, электронов.

Примеры разноуровневых физических систем – Солнечная система; газ в сосуде; молекула вещества; атом; клетка живого организма и др. Каждая из этих систем связана многочисленными и разнообразными связями с другими системами – «окружающей средой» и обменивается с ней веществом, энергией и информацией, осуществляя их преобразование в другие формы и виды.