Семинарское занятие № 13
Природные системы (6 часа)
1. Понятие системы и системный метод в естествознании.
2. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.
3. Современный корпускулярно-континуальный принцип описания природы.
4. Синергетика – наука о коллективном поведении элементов системы. Синергетический подход в естествознании.
5. Хаос, квант и проблема времени. Гармония в хаосе.
6. Порядок и беспорядок в природе. Хаос. Универсальные сценарии перехода к хаосу.
7. Понятие самоорганизации. Самоорганизация в неживой и живой природе.
8. Закрытые равновесные и открытые неравновесные системы.
9. Самоорганизация в открытых системах и диссипативные структуры.
10. Фрактальные структуры в природе.
11. Симметрия законов природы. Теорема Э. Нетер.
12. Нарушение симметрии в ходе биологической и социально-экономической эволюции. Закон «золотого сечения».
Корпускулярный или дискретный принцип описания природы возникает в 5 веке до н. э. в учении атомистов. Позже на основе этих представлений был реализован механистический подход в описании материи, разработана земная, небесная и молекулярная механика. Но для описания световых и электромагнитных явлений этот принцип не подходил и было введено понятие сплошной среды или континуума. Корпускулярный принцип описания природы сменился континуальным. Но с открытием явления радиоактивности, которое связано с превращением одних элементов в другие и испусканием альфа- и бэталучей, была признана прерывность процессов излучения. Н. Бор показал, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не излучает энергию вопреки законам электродинамики. Он излучает энергию только при перескакивании с одной орбиты на другую (количество этой энергии назвали квантом). По данным Л. де Бройля – каждой частице соответствует определенная волна. Таким образом, каждой частице материи присущи и свойства волны (непрерывность) и дискретность (прерывность). Так сложились квантово-полевые представления о материи, а принцип ее описания стал двойственным корпускулярно-волновым (корпускулярно-континуальным). Природа предстала в виде сложной системы взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Но по второму закону термодинамики система стремится к термодинамическому равновесию или хаосу. Но это возможно только в случае, если система не обменивается со средой веществом и энергией. Большинство природных систем постоянно обмениваются со средой веществом и энергией. Такие системы – открытые и неравновесные и для них в процессе эволюции характерен переход от хаоса к порядку за счет получения дополнительной энергии извне и рассеивания (диссипации) переработанной энергии во внешнюю среду, что снижает энтропию (меру неупорядоченности) внутри системы. Для таких систем характерна самоорганизация и устойчивость. Поведение таких систем изучает синергетика, в которой возникновение упорядоченности сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения элементов системы под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции. По выражению Хакена это приводит к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.
Фактически вопрос самоорганизации в неживой природе – это процесс ее трансформации в предживую, а затем в живую, на основе автокаталитических свойств под воздействием внешних условий – флуктуаций, приводящих систему в точку бифуркации.
Пример самоорганизации в неживой природе – фрактальные структуры, связанные с геометрией природных объектов, имеющих сложную конфигурацию (береговые линии, русла рек, кроны деревьев и др.). В настоящее время фрактальность выявлена для ряда физических процессов (процеживание, фильтрация) и явлений общественной жизни.
Важнейшим свойством природных объектов является симметрия. В физике – это свойство величин, описывающих поведение системы, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины. Принцип симметрии тесно связан с законами сохранения, что нашло отражение в теореме Э. Нетер (1918). Законы симметрии, имеющие однозначный, динамический характер, рассматриваются как динамические элементы в статистической картине мира и дополняются другими принципами: соответствия или преемственности физических теорий; дополнительности или описание квантово-механических явлений с применением двух взаимоисключающих (дополнительных) понятий - частица и волна; неопределенности (частное выражение принципа дополнительности) для частицы-волны, чем точнее фиксируется импульс, тем неопределеннее значение координаты; суперпозиции или наложения, по которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности (но он выполняется в том случае, если воздействующие явления не влияют друг на друга).
Но в природе наряду с симметрией присутствует и асимметрия, которая наиболее характерна для биологического и социального уровня организации материи. Н. Вернадский считал, что асимметрия живых организмов подчеркивает неевклидовый характер биологического пространства, которое вписано в трехмерное евклидово пространство неживой природы. Асимметрия характерна и для социально-экономической эволюции общества. Это нашло отражение в пяти постулатах Н.Д. Кондратьева, устанавливающих закономерности соотношения циклов экономической конъюнктуры и научно-технического прогресса и влияние на них значительных социальных потрясений и переворотов. Циклы экономической конъюнктуры и научно-технического прогресса асимметричны и подчиняются закону золотого сечения. Таким образом, процесс эволюции связан с образованием самоорганизующихся диссипативных структур, в которых асимметрия приобретает ведущую роль.
Рекомендуемая литература:
1. Кольцова О.М., Романюк В.Н. Концепции современного естествознания.-Воронеж: Истоки,2000.- 314с.
2. Концепции современного естествознания / Авторский коллектив под рук. С.И. Самыгина.- Ростов-на-Дону: Феникс, 2001.-460с.
3. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. – М.: Агар,1996.-384с.
4. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах.-М.:Прогресс,1976.-310с.
5. Осипов А.И. Самоорганизация и хаос.-М.:Наука,1990.-175с.
6. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.-М.:Прогресс,1986.-250с.
7. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант.-М.:Прогресс,1994.-320с.
8. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания.-М.:ЮНИТИ, 1997.-287с.
9. Федер Е. Фракталы.- М.:Мир,1991.-425с.
10. Хакен Г. Синергетика.-М.:Мир,1985.-350с.
Темы рефератов и докладов:
1. Корпускулярный и континуальный принципы описания природе.
2. Корпускулярно-волновой дуализм – современный подход в изучении и описании материи.
3. Синергетика – новые подходы в изучении природы.
4. Понятие системы. Системный метод в изучении природы.
5. Современная теория систем.
6. Равновесные и неравновесные системы.
7. Термодинамика открытых неравновесных систем Пригожина И. Диссипативные структуры.
8. Понятие энтропии. Энтропия в закрытых и открытых системах.
9. Понятие хаоса. Порядок и хаос в природе.
10. Сценарии перехода от порядка к хаосу.
11. Хаос, квант и проблема времени. Гармония в хаосе.
12. Понятие симметрии. Симметрия и асимметрия в природе.
13. Симметрия законов природы. Теорема Э. Нетер.
14. Принципы соответствия, дополнительности, неопределенности и суперпозиции.
15. Нарушение симметрии в ходе биологической и социально-экономической эволюции.
16. Самоорганизация в неживой и живой природе.
Принцип самоподобия в природе. Фракталы.