Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Механика. Учебное пособие
.pdf
133
Диссипативность проявляется в различных формах. И в спо-
собности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, и в
факторе естественного отбора среди множества микропроцессов,
разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития, и в
факторе когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающем в них некий общий темп развития и др.
Понятие диссипативности тесно связано с понятием о пара-
метрах порядка. Самоорганизующиеся системы - это обычно очень
сложные открытые системы, которые характеризуются огромным
числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы
системы одинаково важны для ее функционирования. С течением
времени в системе выделяется небольшое количество ведущих,
определяющих степеней свободы, к которым подстраиваются
остальные. Такие основные степени свободы системы получили
название параметров порядка.
Параметры порядка отражают содержание основания нерав-
новесной системы. В процессе самоорганизации возникает множество новых свойств и состояний. И очень важно, что обычно соотношения, связывающие параметры порядка, оказываются намного
проще, чем математические модели, в которых дается детальное
описание всей новой системы. Это делает задачу определения параметров порядка одной из главных при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.
Закономерности самоорганизации
Главная идея синергетики - это идея о принципиальной воз-
можности спонтанного возникновения порядка и организации из
беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи. С образованием такого типа связи
системы и среды система начнет самоорганизовываться и будет
противостоять тенденции ее разрушения средой. Например, в химии аналогичное явление принято называть автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции встречаются редко,
но, как показали исследования последних десятилетий по молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с
другими связями - взаимный катализ, отрицательная обратная связь
и др.) составляют самую основу жизни.
В переломный момент самоорганизации (точка бифуркации)
принципиально невозможно сказать, в каком направлении будет
131
134
происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные
структуры - лазерные пучки, неустойчивости плазмы, явления флаттера, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или
иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом
эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.
Как выясняется, переход от порядка к хаосу вполне поддается
математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода.
Качественные переходы в самых различных сферах действительности (в природе и в обществе - его истории, экономике, демографических процессах, в духовной культуре и др.) подчиняются подчас
одному и тому же математическому сценарию.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы - это история образования все
более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации, от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура) - глобальный эволюционизм.
132
135
Заключение
Р. Декарт провозгласил: «Знание – сила!». Наука делает чело-
века могущественным перед силами природы. С помощью естествознания человек осуществляет свое господство над силами природы, развивает материальное производство, совершенствует общественные отношения. Только благодаря знанию законов природы человек может изменить и приспособить природные вещи и
процессы так, чтобы они удовлетворяли его потребности.
С помощью науки человек развивает материальное производство, совершенствует общественные отношения, образовывает и
воспитывает новые поколения людей, лечит свое тело. Прогресс
естествознания и техники значительно изменяет образ жизни и
благосостояние человека, совершенствует условия быта людей.
Естествознание – один из важнейших двигателей общественного прогресса. Как важнейший фактор материального производства естествознание выступает мощной революционизирующей
силой. Великие научные открытия (и тесно связанные с ними технические изобретения) всегда оказывали колоссальное (и подчас
совершенно неожиданное) воздействие на судьбы человеческой
истории. Такими открытиями были, например, открытия в ХVII в.
законов механики, позволившие создать всю машинную технологию цивилизации; открытие в ХIХ в. электромагнитного поля и
создание электротехники, радиотехники, а затем и радиоэлектроники; создание в ХХ в, теории атомного ядра, а вслед за ним - открытие средств высвобождения ядерной энергии; раскрытие в середине ХХ в. молекулярной биологией природы наследственности
(структуры ДНК) и открывшиеся вслед возможности генной инженерии по управлению наследственностью и др.
Большая часть современной материальной цивилизации была
бы невозможна без участия в ее создании научных теорий, научноконструкторских разработок, предсказанных наукой технологий и
др.
В современном мире наука вызывает у людей не только восхищение и преклонение, но и опасения. Часто можно услышать,
что наука приносит человеку не только блага, но и величайшие н есчастья. Загрязнение атмосферы, катастрофы на атомных станциях,
повышение радиоактивного фона в результате испытаний ядерного
оружия, «озонная дыра» над планетой, резкое сокращение видов
растений и животных – все эти и другие экологические проблемы
133
136
люди склонны объяснять самим фактом существования науки. Но
дело не в науке, а в том, в чьих руках она находится, какие социальные интересы за ней стоят, какие общественные и государственные структуры направляют ее развитие.
Нарастание глобальных проблем человечества повышает ответственность ученых за судьбы человечества. Вопрос об исторических судьбах и роли науки в ее отношении к человеку, перспективам его развития никогда так остро не обсуждался, как в настоящее время, в условиях нарастания глобального кризиса цивилизации. Старая проблема гуманистического содержания познавательной деятельности приобрела новое конкретно-историческое выражение: может ли человек (и если может, то в какой степени) рассчитывать на науку в решении глобальных проблем современности?
Способна ли наука помочь человечеству в избавлении от того
зла, которое несет в себе современная цивилизация технологизацией образа жизни людей?
Наука - это социальный институт, и он теснейшим образом
связан с развитием всего общества. Сложность, противоречивость
современной ситуации в том, что наука, безусловно, причастна к
порождению глобальных и, прежде всего, экологических проблем
цивилизации (не сама по себе, а как зависимая от других структур
часть общества); и в то же время без науки, без дальнейшего ее
развития решение всех этих проблем, в принципе, невозможно. И
это значит, что роль науки в истории человечества постоянно возрастает. И потому всякое умаление роли науки, естествознания в
настоящее время чрезвычайно опасно, оно обезоруживает человечество перед нарастанием глобальных проблем современности. А
такое умаление, к сожалению, имеет подчас место, оно представлено определенными умонастроениями, тенденциями в системе духовной культуры.
В дополнение к вышесказанному несколько слов о системных
уровнях в физической картине мира.
Изучаемые физикой и смежными дисциплинами объекты и
системы разительно отличаются по своим размерам, перекрывая
диапазон от 10
-17
м до 1022 м. Существуют ли какие-нибудь законо-
мерности в распределении этих объектов по шкале размеров? В
этой статье мы сделали попытку ответить на поставленный вопрос.
134
137
Системные уровни
Физические объекты и системы образуют в соответствии со
своими природными характеристиками ряд системных уровней.
Объекты одного системного уровня близки по своим пространственно-временным характеристикам, и поэтому взаимодействие
между ними является наиболее интенсивным.
Так, можно выделить:
1. Мир галактик.
2. Звѐзд и планет.
3. Мир людей (животных, предметов).
4. Атомов и молекул.
5. Мир субатомных частиц.
Разные системные уровни существенно различаются по своим пространственно-временным характеристикам, таким как характерные размеры объектов, времена взаимодействия, и, следовательно, миры оказываются относительно изолированными, имеющими свойственные только им законы взаимодействия.
Объекты, находящиеся по своим пространственновременным характеристикам в промежутках между уровнями,
встречаются гораздо реже и, как правило, неустойчивы. Возникает
своеобразный «линейчатый спектр» пространственно-временных
характеристик объектов.
К истории исследования системных уровней
Исторически (да и логически) наблюдение и изучение природы началось с пространственного уровня объектов, соизмеримых с
размерами человека и непосредственно людьми воспринимаемых.
Первые закономерности были определены именно для этого мира
(геометрия, механика).
В дальнейшем обнаруживались локальные нарушения
найденных законов, «необъяснимости» в поведении объектов (такие как несохранение полной механической энергии при наличии
силы трения). Это проявлялось воздействие смежного системного
уровня (а именно: движение молекул). На основе анализа нарушений закономерностей изученного уровня были созданы детекторы,
приборы для наблюдения объектов следующего системного уровня, лежащего «ниже» по шкале размеров.
Так, «дверью» в микромир послужили второе начало термодинамики и калориметрические исследования, а открытие радиоак-
135
138
тивности (нарушение законов атомистики) привело к обнаружению
мира элементарных частиц.
Возможность детектирования объектов «нижнего» уровня
вскоре приводила к открытию и пониманию закономерностей более «верхнего» (или более «широкого») мира. К примеру, природа
звѐзд и закономерности их эволюции исследовались при помощи
спектрометров, основанных на свойствах атомов, а за «жизнью»
галактик удалось подглядеть, используя детекторы элементарных
частиц и субатомного гамма-излучения.
Психологические и социальные аспекты
Между обнаружением последовательных системных уровней
проходит весьма большой промежуток времени, сравнимый с жизнью человека. За это время предшествующие научные концепции
успевают «окостенеть», начинают казаться незыблемыми, вечными. Поэтому отклонения от закономерностей сначала объявляются
ошибкой эксперимента или «объясняются» заблуждениями исследователя. Так, Д.И. Менделеев до конца своей жизни отрицал возможность взаимного превращения атомов, несмотря на открытие
радиоактивности.
Тем не менее, человеческое стремление к познанию, в конечном счѐте, всегда преодолевало догматизм. С обнаружением следующего системного уровня и установлением его законов, парадоксы снимались, возникало понимание нового круга явлений, и
процесс повторялся на новом уровне.
Эта закономерность познания обнаруживается и при продвижении науки к исследованию всѐ более «дальних» от человека миров. В настоящее время физическая картина мира также изобилует
парадоксами, такими как «парадокс близнецов», корпускулярноволновой дуализм, неопределѐнности Гейзенберга и тому подобными, которые уже давно превращены в догматы.
С одной стороны, это не может не радовать, так как говорит о
том, что мы вплотную приблизились к пониманию явлений следующего системного уровня, более тонкого, чем уровень субатомных
частиц. С другой стороны, это привело к обострению противоречий
между научным познанием и некоторыми социальными институтами.
136
139
Новые теории в физике
В последнее время (80-е, 90-е годы) наблюдается некоторый
застой в развитии официальной физической теории, вызванный, по
нашему мнению, догматизацией положений теории относительности и квантовой теории. Как следствие кризисной ситуации возникает большое число «альтернативных» теорий и гипотез, отвергающих или подвергающих сомнению устоявшиеся взгляды.
Спектр этих гипотез широк: от внесения мелких поправок до
коренной ревизии всей физики, вплоть до классической механики.
В «информационном шуме» массы публикаций теряются рациональные зерна, перспективные идеи, заключѐнные в некоторых из
них. Защитники официальных позиций успешно громят самые слабые и одиозные из новых построений, другие же гипотезы не удостаиваются внимания, заведомо считаются столь же ошибочными.
Многие из авторов новых гипотез на пути преодоления пара-
доксов приходят к мысли о существовании материальных структур,
более тонких, чем элементарные частицы, наличии нового системного уровня в организации материи.
В частности, по представлениям некоторых авторов, «ниже»
системного уровня лептонов и кварков (с минимальным размером
объектов около 10
ным размером объектов 10
-19
м) существует еще мир нейтрино, с характер-
-26
м (и минимальным 10
-28
м). Макси-
мальная скорость взаимодействия на этом системном уровне существенно превышает скорость света и, по нашим оценкам, составляет около 10
12
м/с.
Минимальный объект и максимальная система
Мир более «верхнего» уровня строится из объектов – систем
более «нижнего» уровня, например, атом – из элементарных частиц. Определяющей характеристикой объекта некоторого уровня
является его энергетическая скомпенсированность на более нижнем уровне (атом скомпенсирован на уровне элементарных частиц,
как по сильным, так и по электромагнитным полям). Всегда существует некоторый минимальный объект, удовлетворяющий требованиям скомпенсированности (например, атом водорода).
Размеры максимальной системы из объектов какого-либо
уровня ограничиваются, по нашему мнению, скоростью распространения взаимодействия между частями системы. Если какаялибо часть системы не успевает прореагировать на изменение со-
137
140
стояния целого, она неизбежно отделяется от системы, система
уменьшается и, в конечном итоге, стабилизируется.
Таким образом, имеется связь между упомянутыми нами в
начале статьи мирами. Мир атомов и молекул связан с миром звѐзд
и планет, а мир элементарных частиц – с миром галактик, как минимальные элементы и максимальные системы. С этой точки зрения становится понятным, почему открытие и исследование этих
пар миров происходило синхронно, с использованием одних и тех
же детекторов.
При переходе к всѐ более тонким мирам нарастает энергети-
ческая насыщенность минимальных элементов, растѐт скорость их
взаимодействия, следовательно, размеры максимальной системы
увеличиваются. Если предположить, что существует мир более
тонкий, чем мир элементарных частиц, то следует предполагать
также существование максимальной системы этого мира. Мы будем называть еѐ Метагалактикой.
С другой стороны, с увеличением размеров минимальных
элементов увеличивается и степень их энергетической скомпенсированности, но уменьшается скорость их взаимодействия вследствие эффектов экранировки силовых центров, а, следовательно,
уменьшаются и размеры максимальной системы. В пределе обе последовательности сходятся к миру людей.
Можно с уверенностью предположить, что если физические
системы развивались последовательно, эволюционировали от более
«тонких» миров к мирам более «верхнего» уровня, вершиной этой
эволюции оказывается мир предметов и, в конечном счѐте, человека. Размеры минимального объекта и максимальной системы совпали. Дальнейший ход эволюции по физическому принципу оказался невозможным, и она пошла другими путями.
Следует отметить, что в природе существуют и структурные
элементы, которые энергетически скомпенсированы не полностью,
но при определѐнных условиях могут образовывать большие си-
стемы. Таковы, например, атомные ядра, которые не скомпенсированы по электростатическому взаимодействию, поскольку всегда
несут положительный заряд, таковы живые клетки, для существования которых требуется постоянный обмен веществом с окружающей средой. Максимальными системами, состоящими из атомных
ядер, плавающих в электронном газе, являются звезды, а максимальными системами из живых клеток являются биологические
138
141
организмы. Эти объекты образуют свои, как бы промежуточные
системные уровни, которые точнее можно назвать подуровнями.
Поскольку нескомпенсированные структурные элементы не-
стабильны, они стремятся преобразоваться в другие, более энергетически выгодные структуры, то и построенные из них системы
могут существовать только в условиях постоянной энергетической
подпитки, то есть стабильны только в потоках энергии. Так, звѐзды
стабильны только при условии прохождения на них экзотермических ядерных реакций. После их прекращения начинаются реакции
рекомбинации с образованием атомов, которые и становятся еѐ новыми структурными элементами. Но с увеличением размеров
структурных элементов должен уменьшиться размер системы, что
и достигается сбросом избытков вещества путѐм вспышки, после
чего система принимает размеры, характерные для планет.
Возможен переход звѐзд и на другой соседний системный
уровень с образованием кварковых систем – нейтронных звѐзд и
«чѐрных дыр». Точно так же живые организмы могут существовать
только в условиях притока вещества и энергии из внешней среды.
В противном случае они погибают, то есть превращаются в совокупность молекул – часть планеты.
Количественные характеристики системных уровней
На основании имеющихся в нашем распоряжении данных мы
составили таблицу количественных характеристик системных
уровней. В ней приведены десятичные логарифмы некоторых физических характеристик, взятые в единицах системы СИ [2, 3].
Промежуточные уровни, образованные не полностью скомпенсированными элементами, обозначены дробными индексами.
Можно выявить ряд закономерностей (в первом приближе-
нии, конечно) в распределении параметров системных уровней.
Так, при переходе к следующему по счѐту основному систем-
ному уровню размер минимального элемента уменьшается на девять порядков, а размер максимальной системы на девять порядков
увеличивается, примерно на четыре порядка увеличивается и скорость взаимодействия.
Таким образом, логарифмы этих характеристик образуют
равноудаленный линейчатый спектр. Сами же их величины, следовательно, распределяются по экспоненциальному закону в зависимости от номера уровня.
139
142
Системные уровни физики и социальные системы
Среди всех рассмотренных системных уровней уровень человеческого мозга (здесь имеются в виду, конечно, не только люди,
но и все подобные им существа, если таковые есть) стоит особняком – он является последним в ряду, он замыкает всю структуру,
поскольку на нѐм минимальный элемент совпадает с максимально
возможной физической системой.
Поэтому процесс мышления оказывается как бы замкнутым
внутри мозга. Человек обладает обособленным внутренним мыслительным миром, проникнуть в который другим людям напрямую
невозможно (все попытки прочесть чужие мысли до сих пор успеха
не имели).
Однако тупиковым продуктом эволюции систем человек не
стал. Люди тоже взаимодействуют друг с другом, но не посредством обмена силовыми полями, как физические объекты, а принципиально иным способом. Они обмениваются информацией, используя специальный языковой код. Хотя передача информации
происходит посредством всѐ тех же физических полей, но приоритетное значение здесь имеет уже не сила сигнала, не переносимая
им энергия, а его форма.
Такое взаимодействие между людьми приводит к возникновению и развитию некоторых систем, именуемых обычно социальными, которые являются системами информационными. Этим они
существенно отличаются от систем физических, построенных на
энергетике. Отличие заключается еще и в том, что один и тот же
человек может одновременно быть частью нескольких параллельно
существующих социальных структур (например, семьи, предприятия, партии и так далее).
Человек, таким образом, одновременно является и максимальным элементом для силовых систем, и минимальным элементом для систем информационных. Несколько упрощѐнно можно
заключить, что на людях заканчивается физика и начинается информатика.
Наличие системных уровней у физических объектов оказывает влияние на формирование многоуровневой структуры и у социальных систем. Обмен информацией между людьми осуществляется посредством некоторых физических носителей, принадлежащих
к тому или иному системному уровню, характеризующемуся своей
скоростью распространения взаимодействий.
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]