План семинара № 5

по теме: Самоорганизация в живой и неживой природе (4 часа)

1. Предмет и этапы развития химии. Энергетика химических процессов. Реакционная способность веществ. Нанотехнологии

2. Синергетика – теория самоорганизации материи

3. Кибернетика и искусственный интеллект. Виртуальные реальности. Социальные последствия компьютеризации

4. Самоорганизация в живой природе

Цель занятия: слушатели должны: изучить основные закономерности существования и эволюции сложных систем, сущность химических процессов; иметь представление о значении и социальных последствиях информатизации и компьютеризации; об основных понятиях синергетики и кибернетики: сложных, открытых и закрытых системах, энтропии и негэнтропии, динамическом и статическом хаосе, самоорганизации и обратной связи, бифуркации.

Методические рекомендации

Раскрывая первый вопрос, следует рассказать, какова была роль химии в становлении человеческого общества, и как человеческое общество обусловило становление химии как науки. Покажите, что исторически химия возникла из необходимости получения человеком веществ, необходимых для его жизнедеятельности. Расскажите о предыстории химической науки, об основных проблемах, которые стояли перед химией. Следует уяснить, что химия является наукой, изучающей свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. В заключение вы можете сделать вывод о предмете химической науки и ее проблемах.

Рассматривая энергетику химических процессов, обратите внимание на важнейшие понятия и законы химии. Дайте определение понятию вещества в химии. Покажите, в чем состоит разница между физическими и химическими преобразованиями, что такое химическое разложение, что такое элемент в химии. В этой связи уместно упомянуть об открытии Д.И. Менделеева, его периодической системе элементов. Раскройте сущность основных законов химии (сохранении массы вещества и сохранения энергии).

Обратите внимание, что являясь микрообъектом, атом подчиняется квантово-механическим закономерностям. Так, его полная энергия принимает лишь дискретные значения, изменяется скачкообразно в ходе квантового перехода из одного стационарного состояния в другое, поглощая или излучая квант света (фотон) определенной частоты. Совокупность частот возможных переходов определяет спектры (поглощения и испускания) атома. В основном состоянии атом может находиться сколь угодно долго, обладая способностью поглощать фотоны.

Поглощение фотонов переводит его в возбужденное состояние, при котором он может или еще поглощать фотоны, или испускать их. Время жизни атома в возбужденном состоянии ограниченно. Так или иначе, но возбужденный атом -- за очень короткое время -- спонтанно испускает фотон и переходит на более низкий энергетический уровень, стремясь к основному состоянию. Получение или приобретение энергии атомом может происходить не только за счет взаимодействия с фотонами, квантами света, но и за счет взаимодействия или столкновения с другими частицами, в том числе электронами (в молекулах, газах, твердых телах и др.).

Реакционную способность вещества начните с рассмотрения электронной теории. Следует дать определение молекул, атомов, элементарных частиц, изотопов. Следует рассказать, что собой представляет химическое соединение, что такое химический синтез. Расскажите о сущности реакций окисления, горения, разложения и т.п. Что такое катализ и катализаторы? Дайте краткую характеристику эволюционной химии как высшей ступени развития химических знаний. Расскажите о биокатализаторах.

Следует остановиться на экологических проблемах, возникающих вследствие функционирования химических предприятий, мировом и российском законодательстве по защите окружающей среды. Особое внимание необходимо уделить прикладному значению химии при расследовании причин на пожарах.

Рассматривая нанотехнологии, обратите внимание на сам химический механизм получения наноматериалов и перспективы их использования в народном хозяйстве страны.

Раскрывая второй вопрос, необходимо показать сущность синергетики (Г. Хакен) и неравновесной термодинамики (И. Пригожин). В чем различия неравновесной и равновесной структур? Какова роль неустойчивости и хаоса в развитии природных систем? Необходимо показать, что неустойчивость и неравновесность играют основную роль в самоорганизации природы. Расскажите о диссипативных структурах. Расскажите о флуктуациях систем и их критическом состоянии -- точке бифуркации. Каковы требования, предъявляемые синергетикой к эволюции, условиям формирования новых структур? Расскажите, как подходят синергетика и неравновесная термодинамика к принципу самодвижения, к энергии, к принципам развития материи на микроскопическом уровне. Расскажите о гипотезе рождения материи в свете синергетики. Почему в синергетике видят одну из составляющих современной естественнонаучной картины мира?

Раскрывая третий вопрос, дайте определение кибернетики. Расскажите, в чем состоит принципиальное отличие кибернетики от других наук. Следует дать определение понятию информации. В чем заключается сущность информационных процессов, без которых немыслима работа ЭВМ и систем управления. Какова связь информации и энтропии? Какова связь информации и энергии, что собой представляет закон «необходимого разнообразия»? Расскажите о философском, социальном, общенаучном, методологическом и техническом значении кибернетики. Какова роль ЭВМ и персональных компьютеров в современной культуре? Как меняется структура и характер общественной жизни в связи с внедрением во все её сферы компьютеров и цифровых технологий? Покажите перспективы внедрения электронного правительства в России, и электронных методов управления в МЧС и пожарной охране.

Обратите внимание, что словосочетание «виртуальная реальность» стало привычным для нашего слуха. Однако настоящее понимание масштабов внедрения этой технологии в современном обществе еще не возникло. Необходимо отметить, что о конкретном использовании технологии виртуальной реальности пишут и говорят довольно редко, зато о негативном влиянии нового «монстра» на человека, который уходит из реального мира в мир виртуальный, написаны целые тома и сняты десятки художественных фильмов и телевизионных сериалов.

А между тем новые технологии проникли в нашу жизнь довольно глубоко и уже приносят значительную прибыль в наиболее развитых странах.

Компьютерная графика стала стандартной формой общения с компьютером, а трехмерные персонажи «играют» в кино наравне с реальными.

Может ли новая технология породить принципиально новые «формы жизни» и области человеческой деятельности? Побродив по виртуальным городам, населенным виртуальными людьми - аватарами, и поглазев на ломящиеся от виртуальных товаров Интернет - магазины, теперь уже никто не сможет ответить на этот вопрос отрицательно.

По мере развития и совершенствования компьютерных систем становится все труднее и труднее отделять друг от друга «синтетическое» и сделанное вручную (фильм «Аватар»). Еще не так давно вершиной компьютерной графики, по общему признанию, являлся ее непревзойденный фотореализм (чтобы все было так, как на фотографии). Однако недавно появилось и такое модное направление компьютерной графики, как «нефотореалистичный рендеринг», где компьютер имитирует традиционные изобразительные средства и технологии и старается «замести следы» своего присутствия.

Одним словом, компьютерные технологии настолько глубоко внедрились во все виды человеческой деятельности, что их уже не только невозможно оттуда изъять, но порою трудно даже обнаружить.

Раскрывая четвёртый вопрос, обратите внимание, что прежние представления о развитии сформировались в ХХ веке под влиянием двух классических физических дисциплин -- статистической механики и равновесной термодинамики. Обе научные дисциплины описывают поведение изолированных макросистем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. Вселенная, как самая крупная из всех известных систем, также считалась замкнутой. Но сегодня наука считает все известные системы от самых малых до самых больших, открытыми, обменивающимися энергией и (или) веществом с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. А развитие таких систем, как стало известно, протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем.

Обратите внимание, что долгое время считалось, что феномен жизни противоречит господствовавшим физическим представлениям о стремлении материи к хаосу. Жизнь представлялась упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не только на тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Эта проблема впервые была четко сформулирована в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Анализ, проделанный им, показывал, что феномен жизни разрушает постулат о единственной тенденции развития вещества -- от случайно возникшей упорядоченности к неупорядоченности, рождённый классической термодинамикой. Живые системы оказались способны поддерживать упорядоченность вопреки «естественной» тенденции.

После выхода книги Шредингера создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к её сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция -- неизбежно разрушать любую упорядоченность, возникшую в результате случайных отклонений от равновесия. И лишь сравнительно недавно стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Нужны лишь подходящие условия для её проявления. Определите методологическое значение синергетики для биологии.

Основная литература:

Концепции современного естествознания. /Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова: Учебник. - ЮНИТИ-ДАНА, 2009.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания: Учебник.- М.: ООО «Издательство ЮКЭА», 2005. С. 683-730.

Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – Ростов н/Д: Феникс, 2008. С. 269-305.