Лекции по КСЕ5 / Лекция 4

Лекция 4

Различные уровни описания материи

Динамический, термодинамический, статистический, квантовомеханический

Классический детерминизм – классическая механика утверждает, что если в некоторый момент времени известно местоположение и скорость тела, то вся дальнейшая эволюция его может быть предсказана совершенно точно (детерминизм, фатализм). Квантовая механика этот подход опровергает. Механицизм.

Краткая характеристика термодинамического подхода . В основе – три начала и несколько постулатов, опирающихся на опытные факты (закон сохранения энергии, закон возрастания энтропии, закон о недостижимости абсолютного нуля, постулат о существовании равновесия, о существовании температуры). В термодинамике не обсуждаются микроскопическая природа законов или начал, на этом уровне все сводится к том или иному описанию явления (именно поэтому этот подход называют феноменологическим), в этом слабость этого подхода (если не знать корней того или иного закона, нельзя априори сказать, когда он будет оставаться справедливым), но в этом и его сила (существуют эмпирические формулы и уравнения, которые до сих пор не могут получить теоретически, однако они с успехом используются на практике).

Начала термодинамики

Второе начало термодинамики – нельзя забрать тепло от более холодного тела и передать его более горячему телу без дополнительных затрат энергии. Невозможность вечного двигателя второго рода. Пример с газом в комнате.

Один из вариантов интерпретации энтропии - это мера беспорядка или хаоса (чем больше беспорядка, тем больше энтропия). Энергию и энтропию называли – царица мира и её тень.

Клаузиус сформулировал начала термодинамики так: «1) Энергия мира постоянна 2)Энтропия мира стремится к максимуму».

Статистический подход к описанию явлений – системы, состоящие из большого числа частиц, ведут себя предсказуемым образом, благодаря тому, что индивидуальное поведение частицы перестает играть роль. Статистические законы носят вероятностный характер (т.е. могут нарушаться)

статистическому - когда отвлекаются от наблюдения за отдельными членами коллектива и пытаются получить сведения о поведении ансамбля в целом

Тема 4 Микромир

Революция в естествознании в конце 19-начале 20 веков

Какие проблемы существовали в классической физике в конце 20 века (радиоактивность, фотоэффект, ультрафиолетовая катастрофа, планетарная модель атома и дискретность спектров излучения и поглощения, периодический закон)

Основные идеи квантовой физики

Вероятностный характер поведения микрообъектов (особая форма причинности)

Корпускулярно-волновой дуализм (пример со слоном – на что похож, когда его ощупывают несколько слепых) – нет нужного понятия пока

Неопределенность – результат зависит от способа наблюдения

Дискретность

Чем подтверждаются выводы и следствия из квантовой физики (диффракция частиц, туннельный эффект)

Тема 5 Химия

Химическая наука – изучает свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения (вариант определения).

Четыре концептуальные системы химических знаний – учение о составе (макроуровень – самый начальный), структурная химия ( в основе – знания о структуре молекул реагентов), учение о химических процессах (управление сложными реакциями), эволюционная химия (самопротекающие реакции).

Органогены. Важным является то, что химия своими методами изучает сложные системы. Интересным является наложение идей биологической эволюции на процесс образования сложных молекулярных соединений. Дарвиновская эволюция указывает на непрерывное нарастание сложности организации растительных и животных организмов (от одноклеточных до человека) через механизм естественного отбора. Миллионы видов отбраковывались, остались самые эффективные. Поразительно, но похожее происходило и тогда, когда природа лишь готовилась к зарождению жизни. Из более чем 100 элементов основу всего живого составили только 6 (кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера). Их общая доля в живых организмах составляет 97,4%. Еще двенадцать элементов дают примерно 1,6%. Мир самих химических соединений (до 8 млн) не менее диспропорционален – 96% составляют органические соединения, компонентами которых являются все те же 6-18 элементов. Из остальных элементов природа создала не более 300 тысяч неорганических соединений. Налицо естественный отбор таких элементов, свойства которых (прочность, энергоемкость, легкость изменений и т.п.) дают преимущества при переходе на более высокий уровень сложности и упорядоченности вещества.

На следующем витке эволюции – из многих миллионов органических соединений в построении биосистем заняты лишь несколько сотен, из 100 известных аминокислот для составления белковых молекул живых организмов природа использовала лишь 20, и т.д. На такие факты опирается теория т.н. предбиологической эволюции.

Тема 6 Сложные системы. Самоорганизация. Синергетика

Сложная система - система с большим количеством управляющих параметров, и большим количеством связей. В сложной системе существуют свойства, отсутствующие у частей системы.

Синергетика– теория самоорганизации. Её появление в современном естествознании инициировано подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественно-научных дисциплин

материя имеет способность осуществлять работу против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться

Самоорганизация– процесс спонтанного и скачкообразного перехода системы из менее упорядоченного состояния (простого) в более упорядоченное (сложное)

Если искать предельно краткую характеристику синергетики как науки, то она включила бы в себя три основных понятия: нелинейность, открытость, диссипативность.

Нелинейность- нужна для возникновения необычной реакции, когда малые внешние воздействия могут привести к существенным изменениям в системе (к самоорганизации).

Открытость- необходимое условие существования неравновесных состояний, в противоположность замкнутой системе, неизбежно стремящейся к однородному равновесному состоянию (по второму началу термодинамики).

Диссипативность- как фактор естественного отбора, разрушающий все, что не отвечает тенденциям развития.

Именно нелинейные открытые диссипативные системы лежат в основе большинства биологических, физических, социальных явлений. Суть идей, положенных в основу этих наук: процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны; процессы созидания имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Т.е. синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма самоорганизации., под которой понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм к более сложным и упорядоченным. Т.е объектом синергетики могут быть системы, которые а) открыты б)неравновесны. Именно такими являются большинство известных систем. В цикле развития таких систем присутствуют две фазы – плавного эволюционного развития и одномоментные переходы в новое устойчивое состояние с большей степени упорядоченности (причем такой переход неоднозначен). Достигшая критических параметров (точка бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости как бы сваливается в одно из доступных устойчивых состояний – случайно выбранное! Но после этого перехода обратного пути уже нет. Получается, что развитие таких систем непредсказуемо.

Предварительные выводы – хаос не только разрушителен, но и созидателен – развитие проходит через стадию неустойчивости. Линейный характер эволюции сложных систем не правило, а исключение. Развитие осуществляется через случайный выбор одной из разрешенных возможностей – т.е. случайность встроена в механизм эволюции.

Еще раз –главные идеи синергетики – для реального мира характерны эволюционность, необратимый характер развития, возможность решающего влияния малых событий на общее течение макропроцессов, и, второе, для сложных систем характерна не единственность, а множественность путей развития, третье, вблизи точек ветвления наблюдаются значительные флуктуации.

Обратная связь: если реакция системы может изменять характер или величину воздействия на систему, то говорят, что в системе имеется обратная связь.