Экзамен Зачет Учебный год 2023 / лекция
.docxI – закон сохранения и превращения энергии.
II – закон возрастания энтропии.
Энтропия как ключевое понятие классической термодинамики характеризует меру беспорядка систем. Закон возрастания энтропии, вы видите 2-й закон термодинамики, в чем его физический смысл? Состоящая из некоторого множества частиц изолированная, т.е. имеющая постоянную энергию система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц, т.е. процессы в закрытой системе сопровождаются ростом энтропии, и система приближается к состоянию равновесия, где энтропия максимальна – это самое простое состояние системы или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие — это эквивалентно хаосу, т.е. все виды энергии перешли в простейшую тепловую энергию, все виды движения свелись к тепловому движению. Использование 2-го начала термодинамики имеет в естествознании глубокий смысл, потому что с его помощью до сих пор описывается широкий круг явлений.
Если из сосуда, часть которого наполнена газом убрать перегородку, весь сосуд наполнится газом, но противоположный процесс никогда не происходит, газ сам по себе не концентрируется в половине объема сосуда. Если холодное тело вступает в обмен с горячим, обмен теплом происходит так, что температура выравнивается. След самолета в небе постепенно размывается и исчезает. Во всех случаях вот эти объекты эволюционируют к единственному конечному состоянию, термодинамическому равновесию. Т.е. все, что было структурировано, перестает быть структурированным. На смену выделенным системам приходит однородность. Именно такие изменения описывала классическая термодинамика.
Если распространить выводы равновесной термодинамики на всю Вселенную, то значит в качестве перспективы ее существования придется допустить тепловую смерть, т.е. возможность неограниченного возрастания в ней энтропии, беспорядка, дезорганизации, хаоса. Если все виды энергии перейдут со временем в тепловую, а тепловая энергия в силу выравнивания температур, превращаться в другие виды энергии уже не сможет, Вселенная достигнет термодинамического равновесия. Энтропия не может уменьшаться, значит ход событий во Вселенной невозможно обернуть вспять, значит Вселенная будет терять способность поддерживать сложные структуры, все структуры будут переходить к менее организованным и Вселенную ждет однородное будущее.
Гипотеза такой перспективы существования Вселенной, гипотеза тепловой смерти Вселенной была выдвинута ученым Клаузисом и в основании такого взгляда на перспективу Вселенной лежит экстраполяция, т.е. распространение 2-го начала термодинамики или закона возрастания энтропии на всю Вселенную. В настоящее время естественно-научная критика этого взгляда опирается на два основных вывода.
Естественнонаучная критика концепции "тепловой смерти":
Перенесение второго начала термодинамики с конечных замкнутых систем на бесконечную Вселенную неправомерно.
Гравитационные поля зависят выступают внешними нестационарными условиями протекания во Вселенной термодинамических процессов.
Если перенести 2-е начало термодинамики с абстрактных, конечных, замкнутых систем на бесконечную Вселенную это будет неправомерно. Дело в том, что 2-е начало термодинамики было сформулировано для замкнутых, изолированных систем, в которых можно посчитать конечное число элементов. Вселенная не является изолированной системой, состоит из бесконечного числа элементов и в такой системе все состояния равновероятны. Во-вторых, следует учитывать существования во Вселенной и действия их гравитационных полей. Система достигает термодинамического равновесия, когда находится в стационарных, т.е. независящих от времени условиях, а гравитационные поля зависят от координат и времени, они выступают условиями протекания во Вселенной термодинамических процессов.
Соответственно, сегодня концепция тепловой смерти не рассматривается как естественнонаучное описание перспектив существования Вселенной. Концепция тепловой смерти носит скорее мировоззренческий характер, потому что основывается на ряде допущений о структуре Вселенной. Естественнонаучная картина, которую сегодня рисует наука направлена не против 2-го начала термодинамики, закон возрастания энтропии позволяет объяснить широкий круг процессов, он хорошо обоснован, а против только правомерности экстраполяции 2-го начала термодинамики на всю Вселенную в целом.
По мере развития естествознания выявлялись противоречия между тем, что наблюдается в ряде природных явлений и теми выводами, которые делаются в рамках классической термодинамики. Потому что то, что изучала классическая наука, классическая равновесная термодинамика это были модели. Модели всегда отличаются от реальных свойств сложных объектов. Одно из определений модели.
Модель — нечто похожее по своим свойствам на оригинал, создаваемое и (или) используемое человеком для реализации своих целей. Выбор той или иной модели определяется целью моделирования.
Модели – это своего рода фотоаппараты, очки, фильтры, через которые мы описываем мир. Хорошей аналогией для того, чтобы понять роль модели в науке является фонарик, который освещает только некоторую область в окружающей темноте. Для чего в науке используются модели и как они возникают? Во-первых, модель создают через упрощение известного, более общего, при движении мысли от общего к частному. Когда, например, деловое платье можно сконструировать из очень сложного творения кутюрье, если убрать лишние летали, испрямить некоторые линии. Второй способ построения модели в любой науке через упрощение, но уже от частного к общему, тогда берут известные простые модели и объединяют их в нечто целое, в ансамбль. Мы знаем, как ведут себя животные и считаем, что поведение человека объяснимо теми же законами.
Что такое модель в науке? Это рисунок, формула, какой-то мыслимый образ. Ограничимся рассмотрением только тех моделей, которые отражают естественнонаучное знание, а они, как правило, формулируются на языке математики. Математика – это наука о количественных отношениях, которая к действительному миру имеет отношение как модель. Представление природы, написанное на языке математики, появилось в новое время. Считалось, что природа построена рационально, явления протекают по точному плану, действует строгий детерминизм, причинная обусловленность, поэтому человек может на языке математики может выразить этот план, по которому устроена Вселенная, тем самым познать природу и природа трактовалась как познаваемая и предсказуемая. И соответственно, в разных разделах классического естествознания строили образы объектов-моделей, физические, химические, биологические, социальные.
Наука для изучения любого объекта задавала набор величин, которые однозначно характеризуют состояние системы и задавала правила, по которым, если вы знаете текущее состояние системы можете определить ее состояние в следующий момент времени. Пример классической механики, из пункта А в пункт Б вышли два поезда, вы можете однозначно, зная параметры, рассчитать, в какой точке пространства окажется поезд через промежуток времени. А вот, когда сформировалась неклассическая наука 20 века, стало ясно, что то, что изучает наука — это системы, их нельзя охарактеризовать как замкнутые и закрытые, подавляющее большинство реальных систем открытые, т.е. они обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. И такие системы и биологические, и социальные, соответственно открытие системы поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока из вне и приток вещества, энергии и информации — это условие существования открытых систем, в противоположность замкнутым системам. И если замкнутые системы в соответствии со 2-м началом термодинамики стремятся к однородному равновесному состоянию, то открытые системы необратимы, в них очень важен фактор времени.
Соответственно, неклассическая наука стала изучать системы с большим количество элементов, связи между которыми имеют не жесткий характер, а вероятностный это происходит за счет постоянного образования новых связей между элементами системы, часто сопровождающееся разращением старых связей. Соответственно, кибернетика, общая теория информации, теория систем и далее синергетика вырастают из изучения закономерностей материального мира. И они объявляют свои выводы не локальными естественнонаучными, а универсальными общенаучными. Термины самоорганизация, упорядоченность стали появляться в 70-х годах 20 века и стало ясно, что, если мы хотим создавать научную модель понимания мира мы должны рассматривать мир в целом и любую сложную систему в отдельности с позиции неравновесной термодинамики, где понятия информация, структура, функция, связь, управление, организация можно использовать во всех науках, при характеристике всех типов систем, а не только природных систем.
Далее будем говорить о синергетике, которая и стала соединять естественнонаучную и социо-гуманитарную ветви познаний. Потому что возникла точка научного интереса, открыть универсальный механизм, при помощи которого можно объяснить работу против термодинамического равновесия, когда из простого возникает что-то более сложное, т.е. когда есть эффект самоорганизации и в живой, и в неживой природе.
Под самоорганизацией понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным.
Пример из биологии, до 14 дня делящаяся оплодотворенная яйцеклетка состоит из недифференцированных стволовых клеток. Возникает вопрос, откуда первоначально недифференцированные клетки, условно говоря, знают, где и каким образом им дифференцироваться? Биологические эксперименты показывают, что в отдельно взятой клетке такой информации нет. Если на ранних этапах деления происходит сбой, то могут сформироваться два полноценных организма, из одной оплодотворённой яйцеклетки одним сперматозоидом и это будут монозиготные близнецы. Но когда клетка находится в ткани, она получает информацию о своем положении относительно других клеток и идет дифференциация. Известно, что в экспериментах, проведенных на эмбрионах, клетка из центральной части тела, после пересадки в головной отдел развивалась, например, в глаз. Т.е. отдельные клетки не располагают информацией о своем последующем развитии, они извлекают эту информацию из своего положения в клеточной ткани. Если клеточные ткани, организм в целом – это система, значит, на поведение каждого отдельного элемента влияет структура, расположение относительно других элементов, возникающие связи между элементами и происходит дифференциация, усложнение, самоорганизация. Примеров самоорганизации множество в разных сферах. И только во второй половине 20 века возникла вот эта установка науки, раскрыть универсальный, т.е. общенаучный механизм, при помощи которого происходит самоорганизация. И для этого возникла отдельная область науки – синергетика.
В дословном переводе с греческого синергетика (sin – совместный, совместное действие или взаимодействие).
«Синергетика»- в переводе с древнегреческого означает совместное, объединенное действие и подчеркивает кооперативный характер эффектов, связанных с самоорганизацией.
Специфика синергетики в том, что она не сделала никаких открытий, синергетика не обнаружила никого нового эффекта, не выдвинула даже какой-то новой гипотезы, которая бы объясняла отдельный фрагмент реальности. Синергетика обратила внимание науки на тот факт, что процессы самоорганизации в самых разных системах, разных по природе имеют сходные черты. Т.е. синергетика выделила общие закономерности различных систем, которые частные науки считали своими предметами. Когда мы говорили про кибернетику, отмечалось, что кибернетика первая естественнонаучная дисциплина, которая стала обращать внимание на общие функции систем разной природы. Кибернетика изучает системы, в которых есть процессы управления, не важно, какие это системы по веществу, живые организмы или бригада людей, или сложные технологические производства. Кибернетика выделяет общие закономерности управления. Синергетика похожа на кибернетику тем, что она формирует свою предметную область так же анализируя системы самой разной природы. Но если для кибернетики ключевым свойством системы для того, чтобы ее изучать, является процесс управления, то для синергетики это процесс самоорганизации. Т.е. предмет синергетики предмет — это выявление закономерностей управляющих возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.
Приведено сравнение объектов, который изучала наука классическая и неклассическая 20 века, с левой стороны те характеристики, которые вам известны из изучения природных систем в школьном курсе. Сравнивая то, что изучала равновесная (классическая) и неравновесная (неклассическая) наука. Система меняет свою структуру, реагируя на внешние условия, эта позиция из левой части таблицы, позиция классической науки, приток энергии создает в системе упорядоченность, энтропия уменьшается. Объектом синергетики, синоним неравновесной термодинамики, являются не любые системы, а только открытые.
Система меняет свою структуру, реагируя на внешние условия. Приток энергии создает в системе упорядоченность; энтропия уменьшается.
Неравновесность - причина порядка системы; ее элементы ведут себя коррелировано.
Множество дискретных устойчивых состояний системы.
Чувствительность к флуктуациям.
Наличие бифуркации (критическое состояние, переломная точка в развитии системы).
Неопределенность поведения системы.
Процесс увеличения энтропии для равновесных состояний и процесс уменьшения энтропии для неравновесных состояний и тогда неравновесность – причина, которая поддерживает системы в относительно стабильном состоянии, ее элементы ведут себя скоррелировано или диссипативно. Если большинство систем во Вселенной носит открытый характер это означает, что во Вселенной доминирует не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Классическая наука описывала одно дискретное устойчивое состояние системы. Неравновесная термодинамика говорит, что каждой системе присуще множество дискретных устойчивых состояний. Неравновесность связана с избирательностью системы, с ее реакциями на внешние воздействия. Любая равновесная система умеет воспринимать различия во внешней среде и, условно говоря, учитывать их в своем функционировании, некоторые слабые воздействия могут оказывать большое влияние на изменение системы, даже большее, чем воздействие хотя и более сильное, но не соответствующее тенденциям развития системы.
Разное отношение к флуктуации. Наука 20 века, неклассическая наука учитывает то, что в открытых системах на ряду с причинно-обусловленным, необходимым, закономерным, могут играть роль случайные факторы, вызывая флуктуации. Флуктуации – случайные отклонение физических величин от средних значений. И вот эти флуктуации могут быть такими сильными, что существующая структура системы разрушается. Если система далеко от термодинамического равновесия, то даже очень слабое возмущение может усиливаться до гигантских волн, буквально разрушая, сметая, сложившуюся структуру и способствуя возникновению нового качества, т.е. само усложнению
Для неравновесных состояний системы. Характерно наличие бифуркаций, критических состояний, таких переломных точек в развитии системы, когда она случайно, быстро, скачкообразно переходит в новое состояние, выбирая дальнейший вектор развития. Классическая наука имела возможность однозначно предсказывать поведение систем, а неклассическая (неравновесная) термодинамика признает, что поведение системы принципиально неопределенно, поскольку, неравновесные открытие системы сами создают и поддерживают неоднородность в среде. Между системой и средой создаются отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на среду таким образом, что в среде возникают некоторые условия, в свою очередь, обуславливающие изменения в самой системе. Н-р, в ходе химической реакции или какого-нибудь другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого. Вследствие такой характеристики неравновесной системы, взаимодействие между нею и средой может быть непредсказуемым.
Термин диссипативность.
Диссипативность - качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне.
Открытые неравновесные системы активно взаимодействуют с внешней средой и приобретают особые свойства, состояние диссипативности. Это такое состояние, когда на макроуровне проявляются процессы, которые происходят на микроуровне, но их множество, когда неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает какой-то общий эффект, какую-то интегративную результирующую и это видно на макроуровне. И вот это макроэффект будет отличаться от того, что происходит с каждым отдельным элементом на микроуровне. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могу спонтанно возникать новые структуры, т.е. осуществляться переход от хаоса и беспорядка к порядку и организации. Диссипативность проявляется в разных видах, система способна забывать детали некоторых внешних воздействий, среди множества микропроцессов отбрасывать то, что не отвечает тенденциям развития. Но самое главное, что микропроцессы должны быть согласованными и в этой согласованности усиливается некий общий эффект. Н-р, микромутация может проявляться на макроуровне, на уровне целостности живого организма. Достаточно простой пример. Вы наблюдаете за кипением воды, до определенного подъема температуры вы не видите движения отдельных элементов как частей, но как только температура достигает некого градиента, как будто согласованно начинается движение молекул воды, и вы видите эффект кипения. Главная идея синергетики – это идея о том, что на базе диссипативности может спонтанно возникать нечто более сложное, из беспорядка и хаоса порядок и организация.
Синергетика утверждает, что в развитии открытых, удаленных от состояние термодинамического равновесия, систем наблюдается две фазы развития: период плавного эволюционного развития, там хорошо предсказуемы линейные изменения, но в итоге система приходит к некоторому неустойчивому критическому состоянию, т.е. точка бифуркации — это такое состояние системы, после которого возможно несколько сценариев ее развития. Неслучайно иллюстрация к этому слайду картина Васнецова «Витязь на распутье».
Вблизи точки бифуркации, даже малые воздействия на систему, могут привести к существенному ее изменению. Если система близко к точке бифуркации, то любое, даже слабое управляющее воздействие может привести к тому, что система перейдет в новое состояние.
Операции на финансовых и фондовых рынках можно использовать в качестве примера, что происходит с системой в точке бифуркации. Организованные действия групп лиц, которые заинтересованы в проведении определенных финансовых операций, приводят к тому, что, если рынок находится около состояния бифуркации, даже слабое управляющее воздействие, может привести к быстрому изменению.
Система как бы перепрыгнет из одного неустойчивого состояния в новую устойчивость, но ненадолго. Н-р, контрольный пакет акций может быстро оказаться у заинтересованного лица, но, если вы захотите приобрести пакет акций в тот момент, когда рынок стабилен, т.е. система далека от состояния бифуркации, вам придется затратить большие средства, но желаемого результата вы можете не достичь. Важно определить, в каком состоянии система, если система вблизи точки бифуркации, можно добиться даже слабыми воздействиями кардинальных изменений, но, конечно, есть сложности, особенно для социальных систем сложная задача. Но если вы хотите управлять сложными системами, а социум без сомнения является сложной системой, то нужно выстраивать способы маркирования, когда система переходит в неравновесное состояние.
Пример такой мягкой, но заметной бифуркации. Прочитайте слова Нобелевского лауреата Ильи Пригожина.
«Мое послание будущим поколениям состоит, стало быть, в том, что кость еще не брошена, что ветвь, по которой пойдет развитие после бифуркации, еще не выбрана. Мы живем в эпоху флуктуаций, когда индивидуальное действие остается существенным… Я верю в возникновение необходимых флуктуаций, посредством которых те опасности, которые мы ощущаем сегодня, могли бы быть успешно преодолены».
Возьмите в качестве примера демократические выборы, до того момента, пока не прошло голосование, на судьбу дальнейшего развития страны могу повлиять самые незначительные факторы. Но когда выбора состоялись, изменить что-либо на ближайшую перспективу сложнее. Тогда система находится в точке бифуркации, за выбор следующего пути, направления развития, куда система пойдем отвечают изменения флуктуации на микроскопическом уровне. В применении к обществу любое событие, любое возникновение новой социальной структуры происходит после прохождения точки бифуркации, а в этой точке происходит множество флуктуаций. На самом деле Пригожин рассматривал революцию 1917 года в России, он говорил, что конец царского режима мог принять разные формы. Он считает, что ветвь, по которой пошло развитие России, был результатом действий флуктуаций. Не было дальновидности у царя, его жена не была популярна, Керенский был слаб, Ленин склонен к насилию. Т.е. микро-события сложившись вместе обусловили дальнейшее развитие. В близи точек бифуркации в системах наблюдается значительные флуктуации и роль случайных факторов резко возрастает. Вот я сказала, что все факторы сложились во едино, я имела в виду не то, что действия с происходящей системой будет результат совокупности всех управляющих микро изменений. На самом деле, то, что будет с системой принципиально неизвестно. Система может прореагировать на один какой-то фактор, совершенной случайный по отношению к логике ее развития.
Для систем, находящихся в точке бифуркации, принципиально неизвестно, куда развитие пойдет, станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на более высокий уровень организации. Т.е. в точке бифуркации система как бы колеблется, когда есть разные сценарии и флуктуация как случайное событие может послужить толчком для изменения системы в каком-то определенном направлении, которое могло бы казаться невероятным и неожиданным и при этом закроются возможности развития системы в других направлениях.
Любая сложная, далекая от состояния термодинамического равновесия, система развивается через прохождение точек бифуркации и в этой точке система из состояния сильной неустойчивости как бы сваливается в одно из возможных, новых для нее, устойчивых состояний. Какие возможны состояния? Еще одно ключевое понятие синергетики — это понятие «аттрактор».
Аттрактор – это относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает к себе все множество траекторий развития, возможных после точки бифуркации.
Это такой спектр сценария развития, которое более вероятно. Т.е. в точке бифуркации эволюционный путь системы разветвляется, какая именно ветвь будет выбрана, решает случай, во многом решают флуктуации. Но всегда есть какие-то более вероятные для системы направления развития. Например, когда вы заканчивали школу, вы находились в состоянии бифуркации, но, если вы хорошо учились и думали о продолжении учебы, у вас состояние аттрактора, когда учеба более вероятна, чем служба в армии или начало трудовой деятельности, создавала направление будущего развития. Но не был пред задан ни ВУЗ, ни образовательная программа, т.е. в этом примере аттрактор всех возможных сценариев академической карьеры, но сама по себе дальнейшая учеба более вероятна, чем другие виды деятельности для вас, если вы хорошо учились, вас поддерживала семья в желании продолжить учебу и т.д.
Выход из критического состояния происходит для системы одномоментно, когда достигается состояние с большей степенью сложности, с большей упорядоченностью. И важная особенность состоит в том, что переход системы в новое упорядоченное состояние неоднозначен. После того, как выбор сделан, обратного пути нет, этот процесс необратимый, а это значит, что чем сложнее система, тем менее предсказуем характер ее развития. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции социальной системы, но какой именно будет выбран путь, однозначно спрогнозировать нельзя, система развивается нелинейно.
В физике нелинейность — это учет разного рода взаимодействий, в химии - это обратные связи в механизмах реакций, в биологии – способ живых систем выживать, откликаясь на изменения среды. Линейные игры были характерны для начала формирования игровой индустрии. Первые линейные игры предполагали, что игровой персонаж для того, чтобы достичь определенную цель, должен двигаться из пункта А в пункт В что-то делая по пути, н-р, убивая разных монстров, зарабатывая очки. В таких играх был один установленный сюжет событий, и единственная, заранее определенная последовательность событий, которая вел к победе в игре. Примером могут служить старые 2D игры, когда н-р, геймер должен ходить по лабиринтам. Современные же компьютерные игры в большинстве своем не линейны. Т.е. есть несколько ответвлений в сюжете или есть несколько совершенно разных сюжетов, выбор которых зависит от действий игрока, зависит от типа выбранного персонажа. Некоторые ученые считают, что эра нелинейных игр началась с серии игр, пример которых вы видите.
На тот момент там было больше двух видов концовок и начиная с 2008 года становится буквально нарастающим интерес к интерактивному кино, когда, например, геймер играет за персонажа, выбирает одну из нескольких сюжетных линий, и они ведут к разным концовкам. Сегодня есть игры, у которых сотни возможных концовок сюжета и такая нелинейность позволяет проходить игру несколько раз, меняя свое решение относительно выбора персонажа или действий. Зачастую, в реальном времени человек, сделав выбор, не может его изменить, не может отмотать время вспять, но в компьютерной игре это возможно. Это разница между решением и выбором, когда мы будем говорить о человеке, в том числе, когда мы будем говорить о биоэтике, мы будем фиксировать сущность биоэтического выбора, она состоит в том, что, находясь в биомедицинских ситуациях, принимая решения для себя или для другого, для ребенка, для престарелого родителя, человека никогда не может сказать, правильно он сделал выбор или нет. Как правильно или неправильное можно охарактеризовать решение, когда вы знаете весь объем информации, имеете правильный алгоритм и действуете в соответствии с ним – это решение. И тогда, через некоторое время вы можете сказать, правильно вы сделали или нет. А в биомедицине решающий критерий – это посмертное вскрытие. Но вряд ли мы с вами хотим быть правыми, убедившись в правоте при посмертном вскрытии. Поэтому, когда человек оценивает неопределенный объем информации, когда этот объём принципиально неполон. Посмотрите, что сейчас происходит в период пандемии коронавируса, неполный объем информации, нет алгоритма, сделав что-то невозможно обернуться и сказать «я сделал правильно на 100%». Разница между решением и выбором в обычном языке часто затушевывается, мы как синонимы говорим, человек сделал выбор, человек принял решение. На самом деле, по сути, есть очень большая разница, между линейным решением, пусть самым сложным, по сложному алгоритму и нелинейным выбором.