Контрольная работа_3 / 3- 0_Концепции современного естествознания (КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №3По дисциплине «Концепции современного естествознания»)

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра Экономики

Контрольная работа №3

По дисциплине «Концепции современного естествознания»

Нижневартовск 2008

Вопросы 3:

1. Как ведут себя макросистемы вдали от равновесия? Поясните принцип локального равновесия.

2. Какие этапы можно выделить в развитии самоорганизующихся систем?

3. Какие системы могут находиться в высокоупорядоченном состоянии? Каковы необходимые условия возникновения «самоорганизации» и существуют ли достаточные? Поясните почему информативность – важное свойство самоорганизации?

4. Опишите процессы возникновения биосферы, химической эволюции преджизненных форм.

5. Как осуществляется математическое моделирование биологической эволюции?

6. Какие факторы определяли изменение климата планет? Что доказывает единовременное происхождение тел Солнечной системы?

7. Обоснуйте на основе эволюционных представлений о развитии структурных уровней организации материи становления ноосферы. В чем состоит суть концепции ноосферы по Вернадскому? Существует ли ноосфера сейчас?

8. чем занимается нейрофизиология? Опишите процессы торможения и возбуждения. Объясните понятия «условный и безусловный рефлекс». Чем отличаются инстинкты от рефлексов? Какая связь между учением Павлова о рефлексах и координированием информации? Как изучают мозг с помощью электродов? Что такое разум и речь? Каково соотношение интеллекта и инстинкта?

9. Что дали человечеству решения на ЭВМ глобальных проблем мира? Поясните термины: «ядерная зима», «ядерная осень», «концепция устойчивого развития».

10. Опишите предмет и цели естествознания. Насколько можно применить естественнонаучные модели к общественным процессам? Оцените роль науки и техники в современном мире и в формировании политических взглядов.

1) На основе термодинамики необратимых процессов проводятся исследования открытых систем: в них энтропия может возникать и переноситься. С молекулярно-кинетической точки зрения в изолированных системах положению равновесия отвечает состояние максимального хаоса.

На пути сложной системы к равновесию, которое характеризуется максимумом энтропии, могут возникнуть обстоятельства, не позволяющие его достичь. В качестве таковых выступают граничные условия, которые могут быть постоянными или манятся. Если они постоянны, например, поддерживают определенную разность температур на границах, то переменные состояния стремятся асимптотически к независимым от времени величинам, достигая квазистационарного или стационарного состояния.

Основным признаком неравновесности системы является выполнение одного из неравенств:

Уже при записи этих неравенств мы предположили, что у неравновесной системы существуют области с определенными значениями температуры и химического потенциала, то есть находящиеся в состоянии термодинамического равновесия.

При обобщении классической термодинамики на неравновесные процессы исходят из представления о локальном равновесии. Время релаксации всякой системы растет с увеличением её размеров, следовательно отдельные малые макроскопические части системы приходят в состояние термодинамического равновесия значительно раньше, чем устанавливается равновесие всей системы. Если обозначить размер системы как L, размер подсистемы l, а объем одной молекулы , то систему можно рассматривать в приближении локального равновесия при выполнении условий:

то есть размер пространственной неоднородности параметров должен быть меньше, чем размер подсистемы. Вторым дополнительным условием является:

В соответствии со сказанным выше систему в неравновесном состоянии удобно рассматривать на уровне удельных величин, зависящих от координат точки наблюдения. В дополнение к использованным ранее , и введем обозначение для локальных концентраций частиц различных сортов:

Во введенных обозначениях основное уравнение термодинамики примет вид:

 

Полезно отметить на будущее связь удельных величин на одну частицу с соответствующими величинами единицы объема, например, для энтропии:

Важной при рассмотрении неравновесных процессов является величина: скорость возникновения энтропии в единице объема - :

 

Величины называют термодинамическими потоками, а сопряженные им величины -- термодинамическими силами.

2) Самоорганизующаяся система, самоприспосабливающаяся система, в которой приспособление к изменяющимся условиям или оптимизация процессов управления достигается изменением структуры системы управления — включением или выключением отдельных подсистем, качественным изменением алгоритмов управления, связей между подсистемами и схемы их подчинения и т. д.

Суммарное уменьшение энтропии в открытых системах при определенных условиях за счет обмена потоками с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость предшествующего неупорядоченного однородного состояния, возникают и могут возрасти до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые начнут переходить во все более упорядоченные. Эти структуры образуются за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление получило название самоорганизации. При этом энтропия, отнесенная к тому же значению энергии, убывает. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами (от лат. cлова dissipatio – "разгонять, рассеивать"). Считается, что эти структуры летучие и возникают при рассеянии свободной энергии.

Состояние текущего равновесия в системе должно поддерживаться извне массой и энергией, компенсирующим потери на диссипацию. Такие системы называют открытыми. Для описания процессов самоорганизации уже нельзя использовать представления линейной термодинамики необратимых процессов, линейными соотношениями Онсагера между обобщенными силами и потоками, так как структуры формируются вдали от равновесия. Под действием крупномасштабных флуктуаций возникают коллективные формы движения, называемые модами, между которыми возникает конкуренция, происходит отбор наиболее устойчивых из них, что и приводит к спонтанному возникновению макроскопических структур. Таким системам нельзя навязать пути развития, обычно они имеют несколько возможностей развития. В точке бифуркации и происходит выбор пути, в качестве созидающего начала здесь выступает хаос. При этом в качестве "спускового крючка" может вступить мельчайшее возмущение, флуктуация, тогда как выбор пути определяет макроскопические результаты. Процессы самоорганизации описываются нелинейными уравнениями для макроскопических функций. Брюссельская школа, возглавляемая Пригожиным, исследовала способность открытых систем к самоорганизации и выделила неравновесность в качестве основного источника упорядоченности.

В открытых системах можно менять потоки энергии и вещества, т.е. регулировать образование диссипативных структур. При неравновесных процессах, начиная с какого-то критического для данной системы значения внешнего потока, из неупорядоченных и хаотических состояний за счет потери их устойчивости могут возникнуть упорядоченные состояния. Упорядоченность может быть временная, пространственная и пространственно-временная.

Системы с обратной связью наиболее важны среди сложных систем. Система определенным образом реагирует на внешнее воздействие: может его усилить – положительная обратная связь, может свести его к нулю – гомеопатическая обратная связь, а может ослабить его – отрицательная обратная связь. Механизм обратной связи сам меняет систему. Ели он повышает степень ее организованности системы, говорят о самоорганизованности. Поведение системы может быть случайным или целесообразным. Целесообразным поведением обладают системы с отрицательной обратной связью. Для обозначения машин с внутренне целесообразной реакцией на внешнее воздействие создатель кибернетики Н.Винер ввел термин "севромеханизмы". Обратная связь – одно из основных понятий кибернетики.

3) В неживой природе наблюдаются процессы образования высокоупорядоченных структур. Кристаллы, например, демонстрируют высокую степень порядка и симметрию, что объясняется уменьшением энтропии за счет отдачи тепла в окружающее пространство. Молекулы живых существ обладают не только высокой степенью упорядоченности, организованности, но и аккумулируют в себе качественную химическую энергию. В высокоупорядоченном состоянии могут находиться открытые системы. Суммарное уменьшение энтропии за счет обмена потоками с внешней средой, при определенных условиях, может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость неупорядоченного однородного состояния, возникают и могут возрасти до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки, поэтому это явление – самоорганизация. Для описания процессов самоорганизации уже нельзя использовать представления линейной термодинамики необратимых процессов, линейными соотношениями Онсагера между обобщенными силами и потоками, т.к. структуры формируются вдали от равновесия. Под действием крупномасштабных флуктуаций возникают моды (коллективные формы движения), между которыми возникает борьба, происходит отбор наиболее устойчивых из них, что приводит к спонтанному возникновению макроскопических структур. Процессы самоорганизации описываются нелинейными уравнениями для макроскопических функций. Зародышем самоорганизации служит "вероятность", упорядоченность возникает через флуктуации, устойчивость через неустойчивость. Самоорганизация, по определению Хакена, - "спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса. Необходимыми условиями самоорганизации являются:

Система должна быть открытой, диссипативной и находиться вдали от термодинамического равновесия.

Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, иметь некоторые критические размеры. В противном случае самоорганизация может не наступить.

4) По теории креационизма жизнь произошла в результате сверхъестественных, нарушающих законы физики, событий в прошлом. В то время как теория биохимической эволюции утверждает, что жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся законам физики и химии. По мнению этой теории, происхождению жизни и ее развитию предшествовал длительный период химической эволюции. Теория биохимической эволюции основывается на том, что в начале появились простые формы, которые, в последствии, образовали более сложные формы. Креационизм утверждает, что сложные формы появились без помощи простых форм

5) Математическая программа выросла из философии Пифагора и Платона, она начала развиваться в античные времена. В основе программы лежит представление о космосе как упорядоченным выражении начальных сущностей, которые могут быть разными. Созидание мира идей идет по божественному плану на основе математических закономерностей. И по этому пути математического знания о идеальном мире пойдет наука Нового времени. Открытие несоизмеримости стороны квадрата и его диагонали, иррациональности чисел нанесло серьезный удар не только по античной математике, но и космологии, теории музыки и учению о симметрии живого тела. Математика стала строиться на основе геометрии, сумевшей геометрически представить отношения, невыразимые с помощью арифметических чисел и отношений.

6) Излучение Солнца увеличилось по сравнению с 4 млрд. лет тому назад. Поскольку 3,8 млрд. лет на Земле были океаны, это привело к изменению атмосферы. Может быть планеты земной группы были похожи, т.к. они имели почти одинаковые породы, атмосфера могла удержать воду на планете, но разница в климате возникла из-за разного круговорота углекислого газа. Умеренный климат Земли говорит о газообмене, поэтому у нас есть жизнь. На Марсе газ не способен возвращаться в атмосферу, поэтому там холодно, а на Венере наоборот. А вот Меркурий вообще не способен иметь океан и поэтому температуру определяет Солнце. На Земле могло бы быть теплее если бы в атмосфере было больше аммиака, но он под действием света распадался на водород и азот. Устойчивость нашего климата произошла благодаря изменениям содержания углекислого газа.

7) Основой ноосферы служит геологический и геохимический анализ земной поверхности с учетом взаимного влияния живой и неживой природы друг на друга. Происшедшая эволюция привела к возникновению такого биологического вида, как человек, ставшего мощным природопреобразующим фактором и начинающего теоретически (второй уровень отражения) осознавать свою роль в окружающем космосе.

Планета Земля, земной шар, представляет собой геологическое образование, продукт астрофизических, физических и химических процессов, протекавших на протяжении нескольких миллиардов лет. Минералогическая эволюция на нашей планете изучена достаточно глубоко, что позволяет установить закономерности распределения вещества ее недр на различных уровнях. Впервые это было сделано в конце ХIХ века В.В.Докучаевым, создавшим науку о почве. Почва - самостоятельное естественно - историческое тело природы, объединение приповерхностных процессов, связывающих в одно целое горные породы, рыхлые отложения, циркулирующие в них воды, произрастающие на них растения и гумусированные их остатки (плодородный перегной), населенные микроорганизмами. Взгляды Докучаева были восприняты и развиты В.И.Вернадским, создавшим в начале ХХ века учение о биосфере, раскрывающее огромную роль микроорганизмов, растений и животных в перемещении химических элементов в земной коре. Понятие биосфера шире, чем понятие почва, поскольку помимо последней включает в себя и тропосферу с прилегающей нижней стратосферой, и океаны, моря и другие водоемы, и верхние слои литосферы земного шара, и населяющие все эти области живые существа от простейших бактерий до человека - в общем все, что так или иначе связано с жизнью и продуктами жизнедеятельности. По мере развития экспериментальных средств определения возраста горных пород (радиоуглеродный метод) следы жизни обнаруживались на Земле все раньше и раньше. Сообщества микроорганизмов встречаются в породах, имеющих возраст порядка 4 млрд. лет. Это дало Вернадскому возможность прийти к выводу, что возраст существования жизни на Земле сравним с геологическим возрастом нашей планеты.

Между тем, биологическая эволюция, как мы ее себе представляем, имеет выраженное направление, обусловленное усложнением возникающих живых структур. Наиболее ярко это проявляется в изменениях нервной системы, приведших к возникновению такого сложного устройства, как головной мозг. Таким образом, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы можно говорить о ноосфере, то есть сфере разума. П.Тейяр де Шарден определил ноосферу как одну из стадий эволюции мира, а движущей силой эволюции он считал целеустремленное сознание. Вернадский же полагал сознание лишь закономерным результатом развития биосферы. Вне зависимости от того, считать ли воздействие сознания на природу целеустремленным или полагать его возникшим в результате закономерностей эволюции, однажды возникнув, оно оказывает неустранимое и все возрастающее воздействие на биосферу вследствие трудовой деятельности человека. Основной тезис Вернадского состоял в том, что на определенном этапе развития биосферы она трансформируется в ноосферу, и человеческая цивилизация должна принять на себя ответственность за дальнейший ход эволюции космического типа: интеллект, а не естественная стихия должны управлять дальнейшей судьбой мира, в котором живет человек.

Ноосфера существует и сейчас.

8) Изучением физиологии мозга и нервной системы в целом, в связи с их исключительной сложностью, занимается выделившаяся из физиологии самостоятельная отрасль знания - нейрофизиология.

Торможение возникает в результате сложных физико-химических изменений в тканях, также как и возбуждение, но внешне этот процесс проявляется ослаблением функции какого-либо органа. Выделяют две формы торможения: первичное и вторичное. Торможение наряду с возбуждением принимает активное участие в приспособлении организма к окружающей среде. Торможение играет важную роль в формировании условных рефлексов: освобождает центральную нервную систему от переработки менее существенной информации; обеспечивает координацию рефлекторных реакций.

И.П. Павлов опытным путем выявил два вида торможения условных рефлексов – внешнее и внутреннее. Внешнее торможение происходит в случае образования в коре больших полушарий нового очага возбуждения под действием сильного раздражителя, не связанного с данным условным рефлексом. Например, боль приводит к торможению пищевого условного рефлекса. Чем сильнее постороннее раздражение, тем больше его ослабляющее действие.

Внутренне торможение условного рефлекса развивается постепенно, в случае многократного неподкрепления условного раздражителя безусловным. Благодаря внутреннему торможению, в ЦНС происходит угасание биологически нецелесообразных для организма реакций, утративших свое значение в измененных условиях среды.

Основной формой деятельности нервной системы является рефлекторная. Все рефлексы принято делить на безусловные и условные. 

Безусловные рефлексы — это врожденные, генетически запрограммированные реакции организма, свойственные всем животным и человеку. Рефлекторные дуги этих рефлексов формируются в процессе пренатального развития, а в некоторых случаях — и в процессе постнатального развития. Например, половые врожденные рефлексы окончательно формируются у человека только к моменту половой зрелости в подростковом возрасте. Безусловные рефлексы имеют консервативные, мало изменяющиеся рефлекторные дуги, проходящие главным образом через подкорковые отделы центральной нервной системы. Участие коры в протекании многих безусловных рефлексов необязательно. 

Условные рефлексы — индивидуальные, приобретенные реакции высших животных и человека, выработавшиеся в результате научения (опыта). Условные рефлексы всегда индивидуально своеобразны. Рефлекторные дуги условных рефлексов формируются в процессе постнатального онтогенеза. Они характеризуются высокой подвижностью, способностью изменяться под действием факторов среды. Проходят рефлекторные дуги условных рефлексов через высший отдел головного мозга — КГМ.

Инстинкты. Более сложной, безусловно-рефлекторной, деятельностью являются инстинкты, биологическая природа которых пока остается неясной в своих деталях. В упрощенном виде инстинкты можно представить как сложный взаимосвязанный ряд простых врожденных рефлексов.

Для изучения мозга в него в разных местах вживляют электроды и снимают показания при предъявлении различных заданий. Например, если предъявлен простой арифметический тест, в момент первого предъявления цифры, в момент задачи задания, и в момент выдачи испытуемым ответа в разных зонах мозга реагируют разные нервные клетки. В момент предъявления цифры в соответствующей точке мозга реакция следует очень быстро, реакция эта как бы не очень умная. В другой точке мозга происходит реакция на предъявление задания (например, сложить или вычесть), не очень быстрая. О том, как узнали, в каких местах и на что будет реакция, я скажу потом. Потом в третий точке, через достаточно большой промежуток времени появляется активность, свидетельствующая о том, что есть результат.

Речь – форма общения между людьми, характеризующаяся как процесс приема, переработки и передачи информации с помощью языка. Специальных органов речи у человека нет, и речь реализуется с помощью аппаратов дыхания, жевания и глотания.

9) Новое мировоззрение, опирающееся на достижения современных естественных наук, связано с понятиями вероятностей, случайностей, выбора, информации и ее кодирования. Стремительное развитие и вторжение кибернетики и ЭВМ в нашу жизнь по своим последствиям гигантски превышают перемены в обществе после изобретения книгопечатания. Микро- и наноэлектронные технологии, вызвавшие небывалый количественный рост и снижение стоимости вычислительной техники, сделали доступными массовому потребителю ЭВМ и компьютерные информационные сети. Динамику информационных технологий также можно моделировать. Общество переходит от традиционных производств, связанных с товаром, к индустрии знания, работающего на получение информации и экономию информационных средств. Отсюда задача совершенствования отношений между человеком и средствами информации. Изменения коснулись и средств передачи и переработки информации. В образовательных технологиях снижается роль личной беседы, лекции, общения с учителем. На смену им приходит дистанционное образование, использующее современные каналы связи и общемировые информационные ресурсы, например система Интернет. Человечество переходит от индустриальной эпохи к постиндустриальной, или информационной. Это означает, что источники информации доступны любому человеку в любой части Земли. И наоборот — генерируемая людьми новая информация мгновенно становится достоянием всего человечества.

Ядерная зима — природная катастрофа, которая, по мнению некоторых ученых, может возникнуть вследствие военного конфликта с применением ядерного оружия. Разрушительные последствия теплового удара, взрывной волны, а также проникающей и остаточной радиации были известны ученым давно, но косвенное влияние подобных взрывов на окружающую среду долгие годы оставалось без внимания. Лишь в 70-ых годах было проведено несколько исследований, в ходе которых удалось установить, что озоновый слой, защищающий Землю от губительного воздействия ультрафиолетового излучения, может быть ослаблен выбросами в атмосферу больших объемов оксидов азота, которые произойдут после многочисленных ядерных взрывов. Дальнейшее изучение проблемы показало, что облака пыли, выброшенные ядерными взрывами в верхние слои атмосферы, могут препятствовать теплообмену между ней и поверхностью, что приведет к временному охлаждению воздушных масс. Затем ученые обратили внимание на последствия лесных и городских пожаров (т.н. эффекте «огненного шторма»), вызванных огненными шарами* ядерных взрывов, и в 1983г. был запущен амбициозный проект под названием TTAPS (по первым буквам фамилий авторов: R.P. Turco, O.B Toon, T.P. Ackerman, J.B. Pollack и Carl Sagan). Он включал в себя детальное рассмотрение такого фактора, как дым и сажа от горящих нефтяных полей и пластмассы в уничтоженных взрывами городах (дым от подобных материалов поглощает солнечных свет гораздо более «эффективно», чем дым от горящего дерева). Именно проект TTAPS дал начало хождению термина «Ядерная зима» ("Nuclear winter"). Впоследствии эта зловещая гипотеза была развита и дополнена научными сообществами американских и советских ученых. С советской стороны ей занимались такие климатологи и математики как Н.Н. Моисеев, В.В. Александров, А.М. Тарко. Как предполагают исследователи, первопричиной ядерной зимы станут многочисленные огненные шары, вызванные взрывами ядерных боеголовок. Эти огненные шары приведут к огромным неконтролируемым пожарам во всех городах и лесах, оказавшихся в их радиусе поражения. Разогрев воздуха над этими пожарами приведет к тому, что огромные столбы дыма, сажи и пепла поднимутся на большую высоту, где они могут витать неделями, пока не осядут на землю или не будут вымыты из атмосферы с дождями. Несколько сотен миллионов тонн пепла и сажи будут перемещаться восточными и западными ветрами до тех пор, пока они не образуют плотный равномерный пояс частиц, охватывающий все Северное полушарие и протянувшийся от 30° с.ш. до 60° с.ш. (именно там расположены все крупные города и сосредоточено почти все население потенциальных стран-участников конфликта). Из-за атмосферной циркуляции затем частично будет затронуто и Южное полушарие. Эти густые черные облака экранируют земную поверхность, препятствуя попаданию на нее солнечного света (90%) в течение нескольких месяцев. Температура ее резко упадет, вероятнее всего на 20-40 градусов С. Продолжительность наступившей ядерной зимы будет зависеть от суммарной мощности ядерных взрывов и при «жестком» варианте может достигать двух лет. При этом величина похолодания при взрывах в 100 и 10000 Мт отличается незначительно. В условиях полной темноты, низких температур и выпадения радиоактивных осадков (fallout) процесс фотосинтеза практически прекратится, и большая часть земной растительности и животного мира будет уничтожена. В Северном полушарии многие животные не выживут из-за недостатка пищи и сложности ее поиска в "ядерной ночи". В тропиках и субтропиках важным фактором будет холод – теплолюбивые растения и животные погубит даже кратковременное снижение температуры. Вымрут многие виды млекопитающих, все птицы, большинство рептилий. Резкий скачок уровня ионизирующей радиации до 500-1000 рад («радиационный шок») погубит большинство млекопитающих и птиц и вызовет серьезное лучевое поражение хвойных деревьев. Гигантские пожары уничтожат большую часть лесов, степей, сельскохозяйственных угодий.