Физические модели в естествознании. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

А.В. Захарова-Соловьева

ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Рекомендовано Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по гуманитарным направлениям подготовки

Оренбург

2014

УДК 5 (075.8)

ББК 20я73

З 38

Рецензент – доцент, доктор философских наук М.Х. Хаджаров

Захарова-Соловьева, А.В.

З38 Физические модели в естествознании: учебное пособие / А.В. Захарова-Соловьева; Оренбургский государственный университет – Оренбург: ОГУ, 2014. – 96 с.

ISBN

В учебном пособии рассмотрены круг понятий, определений и методов теории моделирования, показаны возможности применения моделей в естествознании.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по гуманитарным и экономическим направлениям подготовки.

УДК 5 (075.8)

ББК 20я73

2

Содержание

2.1Методологическая основа моделирования…………………………. 16

2.2Классификация моделей …………………………………………….. 20

4.1Модели пространства и времени…………………………………….. 35

4.2Модели материального мира…………………………………………. 44

4.3Модели вакуума………………………………………………………. 53

4.4Модели атома…………………………………………………………. 60 5 Космологические модели…………………………………………...... 73

5.1 Особенности структурной организации Вселенной……………….. 73

5.2Классическая модель Вселенной ……………………………………. 77

5.5Модель горячей Вселенной………………………………………….. 87

5.6 Большой взрыв. Инфляционная модель.…………………………… 90

Список использованных источников……………………………….. 94

3

Введение

Естествознание – неотъемлемый компонент культуры, определяющий мировоззрение человека.

Культура (от греч. слова cultura – возделывание, воспитание,

образование) – это исторически определенный уровень развития общества,

выраженный в формах организации жизни и деятельности людей, и

создаваемых ими материальных и духовных ценностях.

Исторически сложились два основных типа культуры:

естественнонаучная и гуманитарная. К гуманитарной культуре относятся:

средства бытия человека и общества, социальные отношения, система эстетических и духовных ценностей. Естественнонаучная культура включает комплекс знаний человека о природе.

Специфическим компонентом культуры является наука.

Задача науки – выявление универсальных законов, выражающих повторяющиеся в различных предметах и явлениях существенные свойства и отношения. Для выделения существенных свойств и отношений, прежде всего необходимо уметь отвлекаться от несущественных, то есть мыслить абстрактно.

Наука по определению способ постижения бытия, имеющий своей целью рациональную реконструкцию мира на основе постижения его существенных закономерностей.

Наука (в широком смысле) – это построение рациональной картины мира. С этой точки зрения мы можем сказать, что наука возникает уже в античности.

С узкой точки зрения наука, как высшая форма деятельности предполагает наличие развитой системы методов эксперимента и наблюдения,

соответственно в этом значении термин наука применим только к системе мировоззрения и познания сложившейся в Европе Нового времени.

4

Естествознание – это совокупность наук о природе, которые рассматриваются как единое целое. Естествознание включает всю совокупность научных знаний о неживой и живой природе. Каждая естественная наука изучает определенную форму движения материи: физика – механическую и физическую, химия – химическую, биология – биологическую.

Предмет естествознания – факты и явления, воспринимаемые нашими органами чувств. Основная задача ученого заключается в обобщении фактов и создании теоретической модели изучаемого явления природы, которая должна включать законы, дающие возможность управления этими явлениями.

Изучение сложных природных явлений часто невозможно без введения упрощающих предположений. Эти приближения называются модельными.

Моделирование представляет собой обязательный, необходимый этап научного познания, потому что бесконечно многообразный материальный мир в принципе не может одновременно изучаться во всех своих бесконечных аспектах, связях и отношениях. Для любого объекта или явления, изучаемого в естествознании, создаѐтся модель, при этом происходит абстрагирование,

отвлечение от несущественных в условиях данной задачи сторон действительности и выделение сторон главных, существенных для данного этапа и уровня познания объекта или процесса. После построения модели изучают именно еѐ. Правомерность выводов, полученных при изучении модели, проверяется путѐм выяснения соответствия этих выводов результатам научного эксперимента. Любая теория является описанием некоторой модели системы, некоторым приближением к реальности и поэтому в дальнейшем может быть развита и обобщена. Границы применимости физической теории определяются пределами применимости используемой модели.

Моделирование – один из самых мощных методов познания окружающего нас мира.

Моделирование является важным этапом целенаправленной деятельности, так как она ориентирована на реализацию образа желаемого будущего, т.е. модели состояния.

5

1 Системный подход в естествознании

1.1Основные принципы системного анализа

Системный подход – методологическое направление современной науки,

зародившееся на рубеже XIX–XX веков, как следствие кризиса охватившего научное познание.

Центральное место в системном подходе занимает понятие «система».

Любой объект можно рассматривать как систему.

Система – это совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих некую целостность.

Целостность системы является важным принципом системного исследования. Система может рассматриваться как нечто целое лишь в случае,

если она противостоит своему окружению – среде. Система формируется и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой, являясь при этом ведущим активным компонентом взаимодействия, что определяет взаимозависимость системы и среды. Окружающая среда – это совокупность систем, с которыми непосредственно взаимодействует рассматриваемая система.

Целостность – принципиальная несводимость свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого, а также зависимость каждого элемента, свойства и отношения системы от его места внутри целого,

функции и т.д. Например, ни одна деталь часов отдельно не может показать время, это способна сделать лишь система взаимодействующих элементов.

Появление у системы специфических свойств, не присущих ни одному элементу, называется эмерджентностью.

Расчленение системы приводит к понятию элемента, как единицы системы, свойства и функции которой определяются ее местом в рамках

6

целого, причем свойства целого не могут быть поняты без учета хотя бы некоторых свойств элементов, и наоборот. Элемент – минимальный (далее не делимый) компонент системы или же максимальный предел ее расчленения в рамках данной исследовательской задачи. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе.

Каждый компонент системы в свою очередь может рассматриваться как система, а исследуемая в конкретном случае система представляет собой один из компонентов более широкой системы, что говорит о сложной иерархии систем. Например, живая клетка многоклеточного организма является, с одной стороны, частью более общей системы - многоклеточного организма, а с другой

– сама имеет сложное строение и, безусловно, должна быть признана сложной системой.

Важным моментом, определяющим возможность описания системы,

является установление ее структуры, т.е. совокупности связей и отношений системы. Структурность также подразумевает обусловленность свойств и поведения системы не столько свойствами и поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры. Простейший пример: разные свойства алмаза и графита определяются различной структурой при одинаковом химическом составе.

Понятие связь несет наибольшую смысловую нагрузку в системных исследованиях. Так как системность объекта «реально» раскрывается, прежде всего, через его связи и их типологию. Построение достаточно полной типологии связей представляет собой сложную задачу.

Системообразующие связи можно разделить на [1]:

1. Связи взаимодействия. Данный тип связей включает: связи свойств

(например, в физических формулах типа pv=const) и связи объектов (например,

гуморальные связи); кооперативные и конфликтные связи.

2.Связи порождения, или генетические, когда один объект выступает как основание, вызывающее к жизни другой (например, связь типа «А отец В»).

3.Связи преобразования, среди которых можно различить:

7

– связи преобразования, реализуемые через определенный объект,

обеспечивающий или резко интенсифицирующий это преобразование,

например, химические катализаторы);

– связи преобразования, реализуемые путем непосредственного взаимодействия двух или более объектов, в процессе которого и благодаря которому эти объекты, порознь или совместно, переходят из одного состояния в другое (таково, например, взаимодействие организма и среды в процессе видообразования).

4.Связи строения (структурные). Например, химические связи.

5.Связи функционирования, обеспечивающие реальную жизнедеятельность объекта или его работу. В самом общем виде связи функционирования можно подразделить на связи состояний (когда следующее по времени состояние является функцией от предыдущего) и связи типа энергетических, трофических, нейронных и т. п. (когда объекты связаны единством реализуемой функции).

6.Связи развития, которые под определенным углом зрения можно рассматривать как модификацию функциональных связей состояний с той,

однако, разницей, что процесс развития существенно отличен от простой смены состояний. Развитие – смена состояний развивающегося объекта, приводящие к существенным изменениям в строении объекта и формах его жизни. Развитие есть актуализация уже заложенных в нем потенций, а такая смена состояний, в

основе которой лежит невозможность по тем или иным причинам сохранения существующих форм функционирования.

7. Связи управления, которые в зависимости от их конкретного вида могут образовывать разновидность либо функциональных связей, либо связей

8

Связь характеризуют как положительную, если результат взаимодействия элементов нарушает внутреннюю структуру самих элементов, и стимулирует элементы и всю систему к дальнейшему развитию.

Под отрицательной связью понимается результат взаимодействия элементов, в процессе которого происходит разрушение, как самого элемента,

так и всей системы.

Также выделяют структурные (в том числе, иерархические),

функциональные, каузальные (причинно-следственные), информационные,

пространственно-временные связи.

В системах различной природы всегда существуют разные виды связей,

за счет которых обеспечивается сохранение целостного образования.

Количество связей между элементами в системе принято представлять как возможное сочетание по формуле

S = g (g – 1), где g – количество элементов.

Фундаментальным свойством систем является устойчивость, т.е.

способность системы противостоять внешним возмущающим воздействиям. От нее зависит продолжительность жизни системы.

Простые системы имеют пассивные формы устойчивости: прочность,

сбалансированность, регулируемость, гомеостаз. А для сложных определяющими являются активные формы: надежность, живучесть и адаптируемость.

В силу принципиальной сложности каждой системы ее познание требует построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определенный аспект системы.

Любое системное исследование имеет определенную структуру и проводится по определенному алгоритму. Дж. Джефферс предлагает следующий алгоритм реализации системного подхода: выбор проблемы,

постановка задачи и ограничение степени ее сложности, установление иерархии целей и задач, выбор путей решения задачи, моделирование, оценка возможных стратегий, внедрение результатов.

9

1.2Классификация систем

Классификацией называется распределение некоторой совокупности объектов на классы по наиболее существенным признакам. Для составления классификации систем могут быть использованы различные классификационные признаки. Цель классификации ограничить выбор подходов к отображению систем, выработать язык описания, подходящий для соответствующего класса. При этом следует понимать, что любая классификация относительна.

Системы по происхождению можно разделить следующим образом:

–естественные, которые объективно существуют в действительности, не имеют антропогенного происхождения (например, атом, клетка, вселенная);

–искусственные, созданные человеком (например, технические системы).

По объективности существования системы можно определить в две

группы:

–материальные, представляющие собой целостные совокупности материальных объектов, свойства и содержание которых не зависят от познающего субъекта. Среди данного типа систем можно выделить живые системы и неживые.;

–абстрактные (концетуальные), которые по своей сути являются моделями реальных объектов, продуктом человеческого мышления.

Абстрактные системы представлены в научном познании понятиями,

гипотезами, теориями, концепциями и т.д.

Понятие – одна из форм логического мышления человека, в которой отражаются существенные и отличительные признаки предмета. Признаки - это то, в чем предметы сходны друг с другом или отличны друг от друга. Свойства и отношения являются признаками.

10