Основы естествознания

Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно- временных масштабах структурность материи проявляется в её системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.

Структура материи - ее строение в макромире, т. е. существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д.

Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:

- неисчерпаемость объектов процессов микромира;

- бесконечность пространства и времени;

- бесконечность изменений и развития процессов.

Типы связей на разных структурных уровнях:

Структура живой природы:

Структурный уровень социальной действительности находится в неоднозначно - линейных связях между собой (например, уровень наций и уровень государств). Социальная действительность в структурном аспекте разделяется на подуровни: индивидов, семьи, различных коллективов (производственных), социальных групп и т. д.

Переплетение разных уровней в рамках общества порождает представление о господстве случайности и хаотичности в социальной деятельности. Но внимательный анализ обнаруживает наличие в нём фундаментальных структур- главных сфер общественной жизни, которыми являются материально- производственная, социальная, политическая, духовная сферы, имеющие свои законы и структуры. Все они в определённом смысле субординированы в составе общественно- экономической формации, глубоко структурированы и обуславливают генетическое единство общественного развития в целом.

9. Структура и ее роль в организации биологических систем. Система и целое. Различные типы систем. Часть и элемент. Взаимодействие части и целого. Определяющая роль целого по отношению к частям

Все объекты живой и неживой природы представляют собой настоящие системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов, т.е. структурных уровней организации, начиная от элементарных частиц, атомов, молекул, субмолекулярных систем и т.д., вплоть до организмов и сообществ из них.

Система представляет собой совокупность элементов и связей между
ними.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы.

Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы, Существуют два типа связей между элементами системы -- по "горизонтали " и по "вертикали".

Связи по "горизонтали " -- это связи координации между одно порядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части,

Связи по "вертикали" это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает в себя уровни организации системы, а также их иерархию.

Каждый уровень возникает посредством «наложения» на них процессов объединения и организации единиц предыдущего уровня.

Система - это комплекс элементов, находящихся во взаимодействии.

Каждая система характеризуется не только наличием связей и отношением между образующим её элементами, но и неразрывным единством с окружающей средой. Можно выделить различные типы систем:

-по характеру происхождения - естественный, искусственный, смешанный;

-по направлению развития - прогрессивный и регрессивный.

Целое - это то, у чего не отсутствует ни одна из частей, состоя из которых, оно именуется целым. Целое обязательно предполагает системную организованность его компонентов. Понятие целого отражает гармоническое единство и взаимодействие частей по определённой упорядоченной системе.

В случае системы мы имеем дело с группой взаимодействующих объектов, взаимно влияющих друг на друга. По мере совершенствования системы в сторону упорядоченности её компонентов, она может перейти в целостность.

Элемент - это такой компонент предмета, который может быть безразличен к специфике предмета. В категории структуры могут найти отношение связи и отношения между элементами, безразличными к его специфике. Понятие "элемент" означает минимальный, далее уже неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную систему.

Часть - это тоже составной компонент предмета, который не безразличен к специфике предмета как целого.

Например, в живом организме частями являются компоненты, которым присущи функции жизни (обмен веществ): внеклеточное живое вещество, клетка, ткань, орган, система органов, тогда как элементы живого организма - компоненты, которые сами по себе не обладают функциями жизни.

Часть и элемент составляют необходимые компоненты организации живого как целостной системы. Без элементов (неживых компонентов) невозможно функционирование частей (живых компонентов). Поэтому только совокупное единство и элементов, и частей, т.е. неживых и живых компонентов, составляет системную организацию жизни, её целостность.

Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины и друг без друга существовать не могут. Не бывает целого без части и наоборот: нет частей вне целого. Часть становится частью лишь в системе целого. Часть приобретает свой смысл благодаря целому, так же и целое есть взаимодействие частей. Во взаимосвязи части и целого ведущая, определяющая роль принадлежит целому. Части организма не могут самостоятельно существовать. Представляя собой частные приспособительные структуры организма, части возникают в ходе развития эволюции целого организма.

10. Диалектическое единство дифференциации и интеграция частей. Факторы и причины, обеспечивающие по Ч. Дарвину, дифференциацию частей. Механизмы и алгоритмы сборки частей в целое. Редукционизм

Подлинное единство научного знания формируется в диалектическом процессе взаимодействия дифференциации и интеграции знания в ходе эволюции конкретных наук. Дифференциация научного знания направлена на более тщательное и глубокое изучение отдельных явлений и процессов определенной области действительности.

Дифференциация - это разделение целого на части, а интеграция- это объединение соподчинением частей системе целого. При объединении системы происходит образование новой структуры, обладающей новыми специфическими качествами. Целое характеризуется новыми качествами и свойствами, не присущими отдельным частям, но возникающим в результате их взаимодействия в определённой системе связей. Т.о. диалектическое единство дифференциации и интеграции частей заключается в том, что, выделяя части, мы анализируем их как элементы данного целого, в результате синтеза целое выступает как состоящее из частей. Изучение частей является единственным возможным путём целого. В то же время результаты исследования частей входят в систему научного знания лишь благодаря тому, что они выступают как новое знание о целом.

1. Приспособление организма к окружающей среде основной фактор, обеспечивающий прогрессивную дифференциацию частей.

2. Необходимость разнообразить строение тела, так как чем разнообразнее строение тела, тем легче тело будет приспосабливаться к окружающей среде.

3. Тенденция к приобретению наиболее совершенных форм, так как естественный отбор действует путём сохранения форм, обладающих преимуществами перед другими. Это ведёт к постепенному повышению организации, лучшим выражением которой является дифференциация и специализация частей.

4. Осуществление единства с окружающей средой. Дифференциация является формой усиления и усложнения связей между организмом и средой.

5. Дифференциация происходит в единстве с противоположным процессом - интеграцией, т.е. объединением и соподчинением частей в системе целого.

Рассматривая алгоритм сборки частей в целое, можно выделить три механизма сборки:

1. Механический детерминизм. Детерминизм- это учение о закономерной, необходимой связи всех событий и явлений и их причинной обусловленности. Механическому детерминизму подчинена при сборке вся неживая природа. В живой природе связь частей по принципу механической детерминации наиболее рельефно проявляется при наблюдении за ранними стадиями развития эмбриона.

2. Связь по типу корреляции. Коррелятивное взаимодействие частей- это такая форма связи, при которой осуществляется взаимозависимая детерминация множества частей. В этой взаимозависимой детерминации основание детерминируется следствием: одна часть влияет на другую, которая, в свою очередь, изменяясь определённым образом, оказывает действие на причину, её вызывающую (например, существует корреляция между голубыми глазами и глухотой у белых кошек). Т. о., связь по типу корреляции представляет собой такое взаимодействие, когда всякое изменение одной части отражается на остальных, и, в свою очередь, является ответом на изменение других частей, воздействующих на неё.

3. Связь по типу субординации. Такая связь подразумевает происхождение коррелированных частей, из какой- то единой, общей основы. Самым существенным выражением господствующего отношения субординирующего фактора является преодоление ими замкнутого круга равнозначного отношения частей при коррелятивной связи и обеспечение саморазвития целостной системы. Саморазвитие живой системы является формой самоорганизации системы, причём достаточно своеобразной. На уровне общественного проявления принцип субординации наиболее ярко проявляется на примере армии.

Реедукционализм- это стремление свести объяснение сложного через более простое. Это есть некоторый своеобразный образ мышления, и он пронизывает все науки, в разной степени, но все. Редукционализм есть способ сведения сложного к анализу явлений более простых и является мощнейшим средством исследования. Он позволяет изучать явления самой различной физической природы. Однако было бы ошибочно считать, что редукционализм является универсальным, и любые сложные явления могут быть познаны с помощью расчленения их на части и исследования их отдельных составляющих.

11. Неустранимость и парадокс неопределенности. Неопределенностные процессы в искусстве, биологии, кибернетике, компьютерной связи. Принцип неопределенности Гейзенберга как фундаментальное положение квантовой механики

Неустранимость. Парадокс неопределенности.

Состояние неопределенности интуитивно знакомо каждому человеку. Неопределенностные процессы обнаруживаются в громадном массиве реалий действительности. Независимо от того, осознана или нет природа неопределенности, она живет во всеобщей системе взаимодействий, выступая компонентом развития. Сами по себе процессы неопределенности обнаруживают себя в поведении сложных систем и, таким образом, неустранимы.

Можно выделить видимые причины неопределенности:

- бурлящий водоворот жизненных стихий, который захватывает и поглощает так, что сами события наступают быстрее, чем требуется времени для их прогнозирования;

- недостаточно глубокое проникновение в природу вещей;

-поверхностность путанных, субъективных переживаний;

- огромный массив недальновидных и неразумных человеческих деяний и т.д.

Состояние неопределенности знакомо каждому человеку. Это:

-смутное беспокойство;

-неумение оценить ситуацию и сделать правильный выбор;

-непонимание сути происходящего из-за отсутствия каких-то звеньев;

-неадекватная оценка и т.д.

Неизвестность будущего заставляет снимать выбор напряжений между концентрацией энергии в созидании настоящего. В этом и состоит суть и оправдание парадокса неопределенности: залог прочного мироустройства - в принятии неопределенности бытия.

Неопределенностные процессы в искусстве, биологии, кибернетике и компьютерной связи.

Неопределенностные процессы в искустве вводятся новейшими направлениями, порожденными временем, такие авнгардистские течения, как кубизм, футуризм, абстракционизм, сюрреализм, экспрессионизм, импрессионизм, постимпрессионизм и т.д. отражают неопределенность в современном искусстве. Они размывают классическую определенность форм, пытаются выразить смысл, сводя к минимуму предметность.

Неопределенность получила мощное подкрепление со стороны биологии. Явление мутации, вызванное проникновением в клетку мутантов среды в виде химических соединений может быть сравнено с теорией квантов, так как в нем также происходит скачкообразное изменение свойств.

В середине XXв. Неопределенность заявила о себе как проблема кибернетики и компьютерной связи. Информация стала пониматься как нечто, что измеряется количеством неопределенности и устраняет ее. Многочисленные неполадки в компьютерах на космических станциях являются ярким примером проявления неопределенности.

Принцип неопределенности.

В принципе неопределенности Гейзенберга (1927г.) утверждается, что имеется 2 пары величин, характеризующих макросистему, которые не могут быть известны одновременно с бесконечной степенью точности. Неопределенность проявилась в отношении измерения координаты микрочастицы и ее импульса. Нельзя одновременно знать координату и скорость.

Принцип неопределенности - это фундаментальное положение квантовой теории, утверждающей, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс принимают вполне определенное значение. Никакой эксперимент не может привести к одновременному точному определению таких динамических переменных. При этом неопределенность связана с объективными свойствами материи. Следовательно, понятия координаты и импульса не могут быть применены в классическом смысле к микроскопическим объектам.

12. Этимология понятия «хаос». Хаос и мифы. Хаос и его проявления. Причины хаоса. Роль энтропии как меры хаоса

Этимология понятия «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. Хаос - это не только буйство слепых стихий, это еще и рождение новых возможностей, их спонтанное появление в бурлящем, клокочущем вихре перемен.

Хаос и мифы.

Мифология - совокупность мифов, рассказов, преданий, повествований о жизни богов, героев, демонов, духов. Одна из существенных особенностей мифологического творчества заключается в стремлении компенсировать фундаментальную потребность всего живого способствовать понижению меры хаоса. Заполняя пустоты неведомого, расширяя могущество человека до масштабов всеведения, миф всегда был направлен на упорядочивание чувственной сферы.

Зло и мрак, хаос и бездна не вписываются во всеобщую гармонию и мыслились изначально как чуждые. Неузнаваемо искажая зеркальное отражение божественной красоты, они пугали существо, устремленное к всеобщей благодати, и поэтому объявлялись запредельными и вытеснялись на «тот свет». Хаос всегда находил отражение в мифах. Например, первое историческое описание хаоса связано с сказанием о Всемирном потопе. В Греции, например, хаос олицетворен культом Диониса. Он жизнерадостный, жизнью упоенный, славящий вакханалии.

Примеры хаоса.

Хаос - широко распространенное нелинейное явление, которое встречается во всех дисциплинах. Проявление хаоса разнообразно. Это и турбулентные клубы сигаретного дыма, и водный след за судном на подводных крыльях, и вихреобразное образование по ходу плывущего судна, и «штопор» самолет при выходе из «пике», и неожиданная выдача компьютером потока случайных данных, и разрушительное действие компьютерного вируса, и возникновение фибрилляции сердца у сердечного больного.

Хаос - это события, способные приводить к катастрофам. Сообщения о тех или иных проявлениях хаоса встречаются почти во всех научных дисциплинах: астрономии, физике, биологии, химии, геологии, медицине, математике, общественных науках и т.д.

Причины хаоса.

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).

Роль энтропии как меры хаоса.

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.

13. Порядок и беспорядок в природе. Упорядоченность строения физических объектов. Два возможных подхода в объяснении порядка. Пространственная модель соотношения порядка и хаоса. Диалектическое единство 0-мерной точки

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.

14. Принципы симметрии. Определение категорий симметрии, асимметрии, дисимметрии, антисимметрии. Операции симметрии. Универсальный характер симметрии и асимметрии в живой и неживой природе, математике, физике, техники, космологии

Симметрия - однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований. Это признак полноты и совершенства. Лишившись элементов симметрии, предмет утрачивает свое совершенство и красоту.

Четыре категории симметрии:

- симметрия - однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований;

- асимметрия - это несимметрия, т. е. такое состояние, когда симметрия отсутствует;

- дисимметрия - внутренняя, или расстроенная, симметрия, т. е. отсутствие у объекта некоторых элементов симметрии;

- антисимметрия - противоположная симметрия, связанная с переменой знака фигуры.

Операции симметрии:

- отражение в плоскости симметрии;

- поворот вокруг оси симметрии;

- отражение в центре симметрии;

- перенос фигуры на расстояние;

- винтовые повороты.

Виды симметрий.

Среди разных типов симметрии различают пространственно-временные симметрии и внутренние симметрии.

Пространственно-временные симметрии можно разделить на симметрии, связанные с непрерывными и дискретными преобразованиями.

К непрерывным преобразованиям относятся:

- Перенос (сдвиг) системы как целого в пространстве.

- Изменение начала отсчета времени (сдвиг во времени).

- Поворот системы как целого в пространстве. Симметрия физических законов относительно этого преобразования означает эквивалентность всех направлений в пространстве.

- Переход к системе отсчета, движущейся относительно данной системы с постоянной скоростью

Среди дискретных пространственно-временных симметрий различают СРТ-симметрию и зеркальную симметрию. Симметрия СРТ заключается в том, что для любого движения частиц может осуществляться в природе симметричное ему движение античастиц. Зеркальная симметрия осуществляется в процессах, вызываемых сильными и электромагнитными взаимодействиями, а также в системах, связанных с помощью этих взаимодействий (атомах, атомных ядрах, молекулах, кристаллах).

Под внутренней симметрией понимают симметрию между частицами с различными внутренними квантовыми числами. Среди внутренних симметрий можно выделить глобальные и локальные симметрии. Симметрия одномерная характерна для фигур с одним особенным направлением - бордюров, лент, стержней. Симметрия двумерная присуща фигурам с двумя особенными направлениями: сетчатым орнаментам и слоям.

Симметрия в механике.

Однородность пространства.

Пространство вблизи земной поверхности физически неоднородно: все тела стремятся занять самые низкие положения, поближе к Земле. Столь же неоднородно пространство вблизи Солнца. Но вся Солнечная система как целое движется прямолинейно, по крайней мере, в течение миллионов лет отклонений от прямолинейного движения не было. Пространство, в котором она движется, свободно от тяготеющих к нему тел и здесь можно говорить о его однородности. Из второго закона Ньютона следует прямолинейность и равномерность движения центра инерции системы тел в однородном пространстве. Никакие внутренние силы не нарушают однородности пространства по отношению к системе как к целому.

Изотропия пространства - еще один вид симметрии - относительно поворотов координатных систем. В физике это проявляется в том, что вокруг любой прямой можно повернуть координатную систему на любой угол, и повернутая система будет во всех отношениях равноценна первоначальной.

Однородность времени.

Пространство имеет группу симметрии относительно произвольных переносов по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Симметрия же времени напоминает симметрию прямой относительно переносов. Время однородно, т.е. все его моменты равноценны, по крайней мере по отношению к чисто механическим явлениям.

Симметрия в живой природе.

Если рассматривать царство живого, то любому его представителю, от простейшей водоросли до эвкалипта, от крошечного жучка до кита, от червяка до человека, можно приписать одну из групп симметрии (точечных или пространственных), выведенных для материальных фигур.

Живой организм не имеет кристаллического строения, однако, упорядоченные структуры в ней представлены очень широко. Если они жидкие, то их называют жидкими кристаллами. Это и желчь, и кровь, и хрусталик глаза, и серое вещество мозга.

15. Симметрия подобия как глобальная генетическая программа. Пространственно-временные и внутренние принципы симметрии. Иерархия принципов симметрии в законах сохранения физических величин

Симметрия подобия. Представляет собой своеобразные аналогии трансляций, отражений в плоскостях, повороты вокруг осей, связанные с одновремен6ным увеличением или уменьшением подобных частей фигуры и расстояний между ними.

Симметрия подобия повсеместно проявляется в природе, во всем, что растет. Природа обнаруживает подобие как свою глобальную генетическую программу. Подобие правит живой природой в целом. Геометрическое подобие - общий принцип пространственной организации живых структур. Лист клена подобен листу клена, березы - березе. Клетка, принадлежащая целостному организму, выполняет функцию его воспроизведения в новый. Она является точкой «начала», которая в итоге деления окажется, преобразована в объект, подобный первоначальному. Этим объединяются все виды живых структур, по этой причине и существуют стереотипы жизни.

Пространственно-временные и внутренние принципы симметрии.

Принципы симметрии делятся на пространственно-временные (геометрические или внешние) и внутренние, описывающие свойства элементарных частиц.

Пространственно-временные принципы симметрии:

- сдвиг системы отсчета не меняет физических законов, т.е. все точки пространства равноправны. Это означает однородность пространства.

- Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными, т.е. все свойства пространства одинаковы по всем направлениям, пространство изотропно.

- Сдвиг во времени не меняет физических законов, т.е. все моменты времени объективно равноправны. Время однородно. Любой момент времени можно взять за начало отсчета.

- Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

- Зеркальная симметрия природы не меняет физических законов.

- Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака времени.

- Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не меняет характера процессов природы.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие же - только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних симметриях.

Внутренние принципы симметрии действуют в микромире. В релятивистской квантовой теории предполагается взаимное превращение элементарных частиц:

- при всех превращениях элементарных частиц сумма элементарных зарядов частиц остается неизменной

- барионный или ядерный заряд остается постоянным.

- заряд лептона сохраняется.

16. Золотое сечение - закон проявления гармонии природы

«Золотое сечение» - это закон пропорциональной связи целого и составляющих его частей. Правило золотого сечения показывает, что большее относится к меньшему, как целое - к большему. Пифагор первым обратил внимание на это гармоническое деление любого отрезка, а Леонардо да Винчи ввёл сам термин «золотого сечения». Классический пример золотого сечения - это деление отрезка в среднепропорциональном отношении: a/b=(a+b)/a. У человека золотое сечение - это отношение его роста к расстоянию от пупка до подошвы ног: при рождении оно равно 2, а к 21 году у мужчин - 1,625, у женщин - 1,6. Феномен золотого сечения - одно из ярких проявлений гармонии природы. Он рассматривается в общей картине исторического становления архитектуры, обнаруживается в формах живой природы, в области музыкальной гармонии, в искусстве, в технике, в астрономии и т.д.

17. Принципы суперпозиции, неопределённости, дополнительности

Принципы суперпозиции, неопределённости и дополнительности являются одними из основополагающих принципов теоретической физики.

Принцип суперпозиции - это допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым эффектом в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга. Принцип суперпозиции позволяет получать результатирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими волновыми функциями, то она также может находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.

Принцип неопределённости впервые сформулировал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Этот принцип представляет собой фундаментальное положение квантовой теории, состоящее в том, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения. Иначе говоря, чем точнее одна из сопряжённых величин, тем менее точной оказывается другая. Принцип неопределённости выражается формулой: ДхДр = h, где, h - постоянная Планка (h = 6,626*10^-34 Дж с), х - координата, р - импульс. Таким образом, квантовая теория отличается от классической тем, что её предсказания имеют лишь вероятностный характер и потому она не обеспечивает точных предсказаний.

По современным воззрениям квантовый объект - это не частица и не волна, и даже ни то и другое одновременно. Квантовый объект - это нечто третье, для выражения которого у нас нет соответствующих понятий, соответствующего языка. Мы вынуждены говорить на классическом языке. Но для возможно более полного представления о микрообъекте мы должны использовать два типа микроприборов: один - позволяющий изучать волновые свойства микрообъекта, другой - его корпускулярные свойства. Эти свойства являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, но они оба в равной мере характеризуют микрообъект, а потому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея была высказана Х.Д. Бором и положена им в основу принципа дополнительности. Принцип дополнительности как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих, дополнительных понятий. Например, иллюстрацией принципа дополнительности в какой-то мере может служить совместное существование науки искусства как двух различных способов изучения окружающего мира.

18. Проблемы детерминизма и причинности. Динамические и статистические закономерности в природе. Законы сохранения энергии в макроскопических системах. Закон возрастания энтропии. Принцип минимума диссипации энергии

Одной из наиболее актуальных проблем современного естествознания является вопрос о природе причинности и причинных отношениях в мире. В решении этой проблемы возникли два направления - детерминизм и индетерминизм - занимающие противоположные позиции. Сущностью детерминизма является идея о том, что всё существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определённых причин. Напротив, индетерминизм - учение, отрицающее объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.

В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей, которые подразделяются на динамические и статистические. Динамическими называются закономерности, выражающие однозначные связи физических объектов и описывающие их абсолютно точно посредством определённых физических величин. Например, по заданным значениям координат и импульсов всех частиц системы в начальный момент времени второй закон Ньютона позволяет однозначно определить координаты и импульсы в любой последующий момент времени.

В отличие от динамических законов, заключения, основанные на статистических закономерностях, не являются достоверными и однозначными. Представления о таких закономерностях впервые ввёл Максвелл в 1859 г. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Для этого Максвелл ввёл в физику понятие вероятности и указал на то, что нужно отказаться, например, от неразрешимой задачи определения точного значения импульса молекулы в данный момент, а попытаться найти вероятность этого значения. Тем самым однозначно определяется среднее значение физической величины. Такие средние значения в статистических теориях играют ту же роль, что и сами физические величины в динамических теориях.