Соотношение порядка и хаоса. Пространство и время

Вопрос 1. Порядок и беспорядок в природе, хаос

Хаос в переводе с греческого означает бесформенное состояние мира, бесконечное пространство, неупорядоченную первопотенцию мира. Хаос - понятие, происходящее от греческого «зев», «зияние», развернутое пространство. Как первичное бесформенное состояние материи и первоматерия мира, хаос, разверзаясь, извергает из себя ряды животворно оформленных элементов. Хаос совмещает в себе принципы универсального порождения и универсального поглощения, является излюбленным образом античной философии на протяжении всей ее истории.

Можно выделить ряд причин, в результате которых происходит потеря устойчивости и переход к хаосу:

1.шумы и внешние помехи, возмущающие факторы.

2.наличие большого числа степеней свободы, которыми обладает система в процессе своего функционирования.

3.достаточно сложная организация системы.

4.«эффект бабочки», суть которого сводится к тому, что нелинейные системы чрезвычайно чувствительны к начальным условиям и обладать свойством быстро разводить первоначально близкие траектории (мушка, летящая перед носом короля может вызвать изменения в целом государстве).

Энтропия, в переводе с греческого означает превращение. Все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии. Термодинамическому равновесию системы соответствует состояние с максимумом энтропии. Равновесие, которому соответствует максимум энтропии, называется абсолютно устойчивым. Таким образом, увеличение энтропии системы означает переход в состояние, имеющее большую вероятность. То есть энтропия характеризует вероятность, с которой устанавливается то или иное состояние, и является мерой хаотичности или необратимости. Это мера хаоса в расположении атомов, фотонов, электронов и других частиц. Чем больше порядка, тем меньше энтропия.

Хаос, беспорядок, как и порядок, гармония - понятия достаточно близкие. Беспорядок - это такое состояние, когда налицо много вещей, но нет основания отличать одну вещь от другой. Порядок есть не что иное, как различимое отношение совокупности вещей.

Существует два механизма, которые могут производить упорядоченные явления - статистический механизм, создающий порядок из беспорядка, на котором базируется поведение живого вещества. Живой организм противится переходу к атомарному беспорядку. На протяжении своей непродолжительной жизни он проявляет способность поддерживать себя и производить упорядоченные явления.

В математизированном подходе преобладают рассуждения, обосновывающие исчисления всех прошлых и будущих состояний Вселенной на основании того, что относительно какого-то момента известны все силы и положения частей.

В организмическом подходе будущее становится неизвестным не в силу изначальной определенности всех начальных положений объектов, начальных скоростей материальных частиц, действующих сил и результирующих уравнений.

Пространственная модель соотношения порядка и хаоса существует в 2-х вариантах.

В первом варианте хаосу отводится периферия, т.е. все, что ниже упорядоченного мира. Хаос понимается как движение вниз, в недра. Но он не только пугает буйством преисподней, но и привлекает скрытыми там несметными богатствами.

Второй вариант этой концепции представляет хаос как физическое место, необходимое для существования тел. Это бездна, пустота, т.е. хаос противопоставляется пространственной оформленности вообще. Этот вариант близок к концепции, рассматривающей n-мерную длительность, которая несет в своем потоке и позволяет чередоваться хаотическим и упорядоченным фазам становления.

Структура пространства дает возможность обсудить истоки полного хаоса и высшей упорядоченности. Они находятся в диалектическом единстве 0-мерной точки. Расходящиеся во все стороны направления олицетворяют полную неупорядоченность (хаос). Сходящиеся в одну точку направления являются воплощением полной упорядоченности. 0-мерных точек бесконечное множество. Поэтому возможности хаоса неограниченны. Отсюда следует возможность образования центров сходящихся направлений, т.е. хаос направлений содержит в себе возможность упорядоченности. Разнозначность точек и направлений говорит о равновесном состоянии пространства и является основой его существования. Однако структура пространства не допускает ни полного хаоса, ни полного порядка. Но и положение 50/50 в природе также не наблюдается. У природы есть некий набор средств противостоять нарастанию хаоса.

Термин фрактал был введен Бенуа Мандельбротом более 30 лет назад, но до сих пор однозначного определения не существует. Гораздо легче описать фракталы, чем определить их. Ключевое свойство, характеризующее фракталы - самоподобие. Поэтому фрактал можно определить как геометрическую фигуру, в которой один и тот же фрагмент повторяется при каждом уменьшении масштаба.

Фракталы, обладающие этим свойством и получающиеся в результате простой рекурсивной процедуры (комбинации линейных преобразований), называются конструктивными фракталами. Таким образом, конструктивный фрактал - это множество, получающиеся в результате линейных (аффинных) сжимающих отображений подобия. Результирующее сжимающее отображение обладает устойчивой неподвижной «точкой» - фракталом.

Но наряду с конструктивными фракталами обнаружены множества, которые очень похожи на фракталы, они, как правило, возникают в нелинейных динамических системах и в дискретных динамических системах. Построение этих множеств не так просто, как в случае конструктивных фракталов, и они могут обладать масштабной инвариантностью лишь приближенно. Подобные множества называются динамическими фракталами.

В связи с этим вводится другое определение фрактала. Фрактал - это объект, фрактальная размерность которого больше топологической. С этим связано и само слово фрактал: от английского «fractional» - дробный.

Одной из общепринятых классификаций является классификация фракталов на геометрические, алгебраические и стохастические.

Вопрос 2. структурные уровни организации материи: микро, макро и мегамиры

Левкипп и Демокрит сформулировали понятие об атомах. Существенный вклад в атомистику был сделан А. Лавуазье, опубликовавшим в 1789 г. «Начальный учебник химии», в котором он ряд элементов назвал «простыми», т.е. не разлагавшимися. И, наконец, в начале XIX в. атомистика стала теорией, важнейшей для познания химических явлений благодаря исследованиям Дальтона и Берцеллиуса. Именно Дальтон в 1824 г. дал название «атом» наимельчайшей частице «простого» вещества.

Элементами структуры микромира выступают микрочастицы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик. Масса элементарной частицы - это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона. Частицы с нулевой массой покоя движутся со скоростью света (фотон). По массе элементарные частицы делятся на тяжелые (барионы), промежуточные (мезоны) и легкие (лептоны). Заряд элементарной частицы всегда кратен заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы. Существуют, однако, элементарные частицы, которые не имеют заряда, например, фотон. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии - адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии - пептоны, и частицы - переносчики взаимодействий. К адронам относятся нейтроны, протоны, барионы, мезоны. Адроны участвуют в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии. К пептонам относятся электроны, нейтрино, мюоны, тау-лептоны, а также электронные нейтрино, моюнные нейтрино, тау-нейтрино. Заряженные лептоны участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействии, нейтральные - только в слабом. Частицы - переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействия. К ним относятся фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны - переносчики сильного взаимодействия, бозоны - переносчики слабого взаимодействия. Высказывается предположение о существовании гравитонов - частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

В современной науке физическим пространству и времени приписываются определенные характеристики. Общими и для пространства, и для времени являются свойства объективности и всеобщности. Пространство и время объективны, так как существуют независимо от сознания. Всеобщность означает, что эти формы присущи всем без исключения воплощениям материи на любом уровне ее существования.

Общая теория относительности позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любым ускорением.

Распространение результатов специальной теории на неинерциальные системы отсчета привело к установлению зависимости между метрическими свойствами пространства и времени и гравитационными взаимодействиями, т.е. в зависимости от гравитационных масс время замедляется или, напротив, ускоряется, а пространство искривляется. Общая теория относительности А. Эйнштейна объединила в рамках одной концепции понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени. Выводы общей и специальной теории относительности и неевклидовой геометрии полностью дискредитировали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Оказалось, что признанные классическими субстанциональные представления не являются окончательными и единственно верными.

Метагалактика - это доступная наблюдениям часть Вселенной. Метагалактика представляет собой упорядоченную систему галактик. Метагалактика постоянно расширяется, т.е. наша Вселенная нестационарна. Метагалактика имеет сетчатую (ячеистую) структуру, т.е. галактики распределены в ней не равномерно, а вдоль определенных линий - как бы по границам ячеек сетки. Такое строение свидетельствует, что в небольших объемах Метагалактика неоднородна. Гипотеза «множественности вселенных» допускает существование множества миров, образовавшихся в результате Большого Взрыва. Эти вселенные различаются своими физическими свойствами, типом организации, нестационарности и т.п., и в силу этого мы не можем их наблюдать. Тем не менее, предполагается, что разные вселенные связаны друг с другом неизвестным пока способом. Есть гипотеза, что Метагалактика не есть вся Вселенная, а лишь ее часть. Если это «эмпирически» подтвердится, то «масштаб» человека и ценность его существования могут подвергнуться новой радикальной переоценке, что, возможно, скажется через опосредствующие институты (средства коммуникации, культура и т.д.) на всем мировоззрении точно так же, как в свое время сказался поворот Коперника, последствия которого едва ли вообще поддаются полному объяснению.

Галактики - гигантские скопления звезд, пыли и газа, пронизанные магнитными полями и космическими лучами. Самой близкой к нам галактикой, расположенной на расстоянии 1,5 млн. световых лет, является туманность Андромеды. Самой исследованной является Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика (Млечный путь) и туманность Андромеды. Наиболее распространенной является спиральная форма галактик. К этому типу относятся наша Галактика, а также туманность Андромеды. В галактиках спиральной формы находятся наиболее горячие звезды и массивные облака космического газа. Считается, что в некоторых галактиках ядро представляет собой черную дыру.

Звезды находятся в плазменном состоянии. Они разогреты до миллионов градусов. Внутри звезд происходит термоядерная реакция.

Исходя из того, что Вселенная расширяется 15 млрд. лет, то естественно, что 15 млрд. лет назад она была размером 0. Эта точка называется сингулярностью. t=0, M приблизительно = 10 в 93 степени - это точка начала жизни вселенной. Физический вакуум - такое состояние пространства, в котором количество частиц = 0. В физическом вакууме времени нет. В физическом вакууме произошла флуктуация (возмущение) - большой взрыв. После взрыва произошло расширение. Дальше последовали этапы эволюции. Этапы эволюции Вселенной называются эрами.

Вопрос 3. Пространство, время. Принципы относительности. Принципы симметрии. Законы сохранения

У пространства и времени есть ряд специфических характеристик. Так, пространству приписываются протяженность, изотропность, однородность, трехмерность. Протяженность предполагает наличие у каждого материального объекта определенного местоположения. Изотропность означает равномерность всех возможных направлений. Однородность пространства характеризует отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, т.е. при переносе в пространстве свойства системы не меняются. Физическому времени приписываются свойства длительности, необратимости, однородности и одномерности. Длительность интерпретируется как продолжительность существования любого материального объекта или процесса. Одномерность означает, что положение объекта во времени описывается единственной величиной. Однородность времени, как и в случае с пространством, свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных фрагментов, т.е. утверждает инвариантность физических законов относительно выбора точки отсчета времени. Необратимость времени, его однонаправленность от прошлого к будущему, связана с необратимостью протекания некоторых фундаментальных процессов и характером законов в квантовой механике. Существует также причинная концепция обоснования необратимости времени, согласно которой если бы время было обратимо, то причинная связь оказалась бы невозможной.

Жизнь - это активное, идущее с затратами поддержание (за счет постоянного обмена веществ с окружающей средой) и матричное воспроизведение специфической и упорядоченной структуры. В живом все подчинено закону оптимума. Живые системы обладают высокой степенью сложности, динамической упорядоченности и иерархичности своей структуры, неоднородностью в пространстве; энергия из окружающей среды используется не только для поддержания, но и для усиления своей упорядоченности. Главное свойство - поддержание своей целостности и воспроизведение себе подобных, согласно вложенной в нее программе, риплицирующейся матричным способом.

На смену классической физике, построенной на принципах механики И. Ньютона, пришла новая фундаментальная теория - специальная теория относительности А. Эйнштейна, которая гласит: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии прямолинейного и равномерного движения, т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны между собой. Таким образом, было преодолено представление об эталонной абсолютной системе отсчета, которую связывали с эфиром, все системы отсчета были признаны равнозначными, не имеющими никаких преимуществ друг перед другом, а принцип относительности приобрел всеобщий, универсальный характер. Следствием такого понимания принципа относительности стало введение в физику понятия инвариантности. Инвариантность понимается как неизменность физических величин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Все законы природы неизменны при переходе от одной инерциальной системы к другой, т.е., находясь внутри инерциальной системы, невозможно обнаружить, движется она или покоится. А. Эйнштейн сформулировал также принцип инвариантности скорости света, который гласит: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300 000 км/с.

Вопрос 4. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие

Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Теория гравитации И. Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Силы гравитации - это силы притяжения. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. Электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле - между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное - между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно - притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. В результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны. Сильное взаимодействие удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия.

Вопрос 5. Состояния

Любая замкнутая макроскопическая система, т.е. система, не обменивающаяся с окружающей средой веществом и энергией, с течением времени эволюционирует к состоянию статистического равновесия (о нем также говорят как о термодинамическом или тепловом равновесии), когда макроскопические физические величины с большой относительной точностью равны своим средним значениям. Таким образом, в состоянии статистического равновесия отсутствуют какие-либо макроскопические структуры, т.е. это состояние неупорядоченное, хаотическое. Замкнутые системы всегда эволюционируют к хаосу - состоянию, в котором полностью отсутствует какое-либо регулярное движение и регулярные структуры. Причиной этого является то, что состояние статистического равновесия является наиболее вероятным из всех различных состояний системы.

Мерой беспорядка состояния системы является физическая величина, называемая энтропией, и, таким образом, эволюция макроскопической системы в состояние статистического равновесия связана с законом возрастания энтропии замкнутой системы.

Наряду с такими процессами в природе существуют и противоположные им, а именно процессы, связанные с образованием структур из хаоса. Такие процессы называются также процессами самоорганизации. Наиболее явственно и наглядно такие явления демонстрирует живая природа.

Можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

Список использованной литературы

1. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 2006.

2. Капица С.П.. Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. - М., 2007.

3. Степин B.C., Горохов В.Г., Розов МЛ. Философия науки и техники. Учебное пособие для высших учебных заведений. - М., 2006.

4. Таннери П. Исторический очерк развития естествознания в Европе. - М., 2004.