Естествознание – единая наука о природе

Согласно современным представлениям второе решение проблемы образования Солнечной системы требует учета присутствующих магнитных полей, плазменного состояния вещества, эффекта взаимодействия магнитных полей с плазмой, магнитогидродинамических и газодинамических явлений, химических взаимодействий элементов. Процесс образования Солнечной системы имеет закономерный характер процессов этого типа, протекающих в общем потоке структурной самоорганизации Вселенной. Локальные структуры формируются при участии двух противоположных, но взаимосвязанных механизмов: фракционирования крупных неорганизованных образований (например, газопылевых облаков) и аккреции мелких частиц вещества с образованием более организованных крупных объектов, развивающихся затем как цельное естественное тело. Необходимое условие совместного действия этих механизмов - значительная неравновесность среды, в которой происходит формирование структур. Только признав, что планетная система формируется как единое целое в общем процессе, можно понять и объяснить наблюдаемую взаимопригнанность элементов и высочайшую ее устойчивость в целом. Но у локальных ее элементов, таких как планеты, сохраняется определенная автономия, индивидуальность развития, в основе которых лежат конкретные исходные условия образования.

Строение и эволюция Земли. Диалектика и теория катастроф

Земля, радиус которой 6,3 тыс. км, имеет массу 621 т, плотность 5,5 г/см3 и скорость вращения вокруг Солнца 30 км/сек. Раньше считали, что Земля имеет форму шара, но в настоящее время достоверно установлено, что она вытянута в меридианальном направлении, причем эллиптически вытянута в сторону северного полюса и по форме скорее напоминает яйцо. Поэтому правильно называть земной шар геоидом.

Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженность которой 10-80 км, мантии и ядра; ядро - из твердой железо-никелевой внутренней части и жидкой внешней, состоящей из смеси железа и серы. С жидким состоянием внешнего ядра связывают представление о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования характера магнитного поля планеты в далеком прошлом, основанные на измерениях остаточных намагниченных земных пород, показали, что на протяжении последних 80 млн лет имело место не только изменение напряженности поля, но

и многократное систематическое перемагничивание, в результате которого северный и южный магнитные полюса Земли менялись местами, а масса жидкого ядра при том играет роль подвижного элемента, перемещаясь при вращении Земли вокруг своей оси.

Плотность и химический состав мантии резко отличается от соответствующих характеристик ядра. Она образована силикатами, а состав нижней мантии, как предполагают, подобен составу каменных метеоритов, хондритов. Верхняя мантия непосредственно связана с самым внешним слоем - корой. Она и обеспечивает состав слагающих кору пород. В определенных зонах происходит частичное плавление минералов, и образуются щелочные базальты - основа океанической коры. Через рифтовые разломы среднеокеанических хребтов базальты поступают из мантии на поверхность Земли. Этим не ограничивается связь коры и мантии. Хрупкая кора, обладающая высокой степенью жесткости, вместе с частью подстилающей мантии образует особый слой толщиной 100 км - это и есть литосфера. Данный слой опирается на верхнюю мантию, плотность которой заметно выше. Верхняя мантия обладает особенностью, определяющей характер ее взаимодействия с литосферой: по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным - как пластичный. Литосфера создает постоянную нагрузку на верхнюю мантию и под ее давлением подстилающий слой, называемый астеносферой, проявляет пластичные свойства и как бы "плавает" в нем. Такой эффект называется изостазией.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, в основном в виде окислов металлов.

Самые верхние оболочки Земли - гидросфера и атмосфера - заметно отличаются от оболочек, образующих твердое тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025% всей его массы.

В атмосфере Земли преобладает азот и кислород. Разделяется она на топосферу (до 9-17 км) - "фабрику погоды", стратосферу (до 55 км) - "кладовую погоды", ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием солнечного излучения частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации выше атмосферы, состоящие из частиц высоких энергий, предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.

Образование Земли шло в русле единого процесса, вызвавшего дифференци-ацию недр и возникновение предшественников современной атмосферы и гидросферы. Вначале из зерен тяжелых нелетучих веществ оформилось протоядро Земли, затем оно очень быстро присоединило вещество, ставшее впоследствии мантией. Когда Земля достигла примерно размеров Марса, начался период ее бомбардировки планетезималиями. Удары сопровождались сильным локальным разогревом и плавлением земных пород. При этом выделялись газы и пары воды, содержавшиеся в породах. А так как средняя температура поверхности планеты оставалась низкой, пары воды конденсировались, образуя растущую гидросферу. В этих столкновениях Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Современный изотопный состав инертных газов в атмосфере согласуется с гипотезой об ударном происхождении газов и воды. Идея ударной дегазации, рассматриваемой как основной механизм образования гидросферы и атмосферы, сейчас находит все большее экспериментальное подтверждение.

В XIX в. сформировались в геологии две концепции развития Земли:

посредством скачков - "теория катастроф" Ж. Кювье;

посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам - "принцип униформизма" Ч. Лайеля.

Теория катастроф, или катастрофизм - учение 1-ой половины XIX в., рассматривавшее геологическую историю Земли как чередование длительных эпох относительного покоя и сравнительно коротких катастрофических физических событий, резко преображавших лик планеты. Для объяснения зафиксированных в толще пород огромных изменений, которые претерпела Земля и ее органический мир в далеком прошлом, в 1812 г. Ж. Кювье и выдвигает гипотезу о катастрофах, во время которых на большей части планеты якобы погибало все живое, а затем опустошенные места заселялись другими видами организмов, переживших катастрофу в отдаленных уголках планеты. Это была попытка не только объяснить грандиозность прошлых преобразований Земли, но и преодолеть противоречие между господствовавшими убеждениями в неизменности видов и уже тогда прочно установленным фактом многократной смены в геологическом разрезе отличных друг от друга ископаемых флор и фаун. Впоследствии его ученики насчитали в геологической истории Земли 27 катастроф. После каждой из них в результате очередного божественного "акта творения" создавались совершенно новые растения и животные, не связанные с ранее существовавшими и более сложно организованными. Такая концепция согласовывалась с библейской версией творения мира.

Однако теория катастроф сыграла и определенную положительную роль в распространении идеи прогресса в органическом мире и в эпизодических событиях, нарушающих однообразие в истории Земли. Это способствовало в дальнейшем формированию представлений о сочетании эволюционного и скачкообразного развития.

К середине XIX в. теория катастроф стала утрачивать свое значение в геологии благодаря победе представлений о том, что ныне действующих геологических факторов достаточно для осуществления за длительный срок всех перемен, зафиксированных в разрезе, - идеи униформизма. Ч. Лайель развивает эволюционное учение о медленном, непрерывном изменении земной поверхности под влиянием геологических факторов. Согласно его представлениям, Земля управляется причинами, которые никогда не действовали с иным уровнем энергии, нежели тот, который они обнаруживают ныне. Лайелевская Земля в ее непрерывных изменениях соответствовала модели ненаправленного динамического стационарного процесса, то есть ньютоновскому миропониманию.

Идеи катастрофизма вновь были возрождены в 1-й половине XX в. в виде неокатастрофизма. Немецкий геолог Х. Штилле и его последователи пытались доказать одновременность на всей планете фаз складчатости и горообразования, прерывающих эпохи относительного покоя и медленной эволюции коры. Немецкий палеонтолог О. Шиндевольф высказывал мысли о катастрофических событиях во Вселенной, вызывающих усиленную радиацию, обусловливающую гибель одних групп организмов и быстрые мутационные изменения других, приводящие к возникновению новых видов и родов живых организмов.

В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, выделенного радиоактивными элементами, вполне достаточно для объяснения существования расплавленной магмы и извержения вулканов, а также смещения континентов и горообразования.

В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертаний континентов, что в карбоне (геологический период) существовал единый массив суши, названный им Пангеей (гр. - вся земля), которая раскололась на Лавразию и Гондвану; 135 млн лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн лет назад Северная Америка - от Европы; 40 млн лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи. В пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение расширения дна океанов в конце 50-х годов XX в., что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых "плавают" континенты. Эта теория подтверждается современными биологическими данными о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии.

Рельефы поверхности Земли и двух ближайших к ней планет существенно различаются, что объясняется, прежде всего, различиями вулканических и геологических процессов. Не без основания считают, что тектоническая активность может служить мерилом уровня жизнеспособности планеты в целом. Сокращение, а тем более прекращение такой деятельности рассматривается как признак умирания планеты, завершения цикла ее эволюционного развития. Ведь суть такого развития - активный обмен веществом и энергией между недрами и поверхностью планеты, в ходе которого формируются и поддерживаются атмосфера, гидросфера и господствующие формы рельефа поверхности. С прекращением такой деятельности преобладают процессы деградации.

На нашей планете тектонические процессы протекают активно и в наши дни, то есть ее геологическая история далека от завершения. Современный рельеф планеты сложился и продолжает видоизменяться под влиянием совместного действия на ее поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процессов. Рельеф земной поверхности в целом характеризуется глобальной асимметрией двух полушарий: одно из них представляет собой гигантское пространство, заполненное водой. Это - океаны, занимающие более 70% всей поверхности. В другом полушарии сосредоточены поднятия коры, образующие континенты.

В современную эпоху только Земля остается "живой" планетой, геологическое развитие которой продолжается, как в активной тектонической деятельности, так и в возникновении и взаимовлиянии живого и неживого. Порядка 4 млрд лет живое оказывает самое активное влияние на неживую часть планеты, взаимодействие которых привело к формированию особой оболочки - биосферы (Э. Зюсс, 1875). В 1958 г. А. Редфилд установил факт биологического контроля химических факторов среды. Он собрал данные, свидетельствующие о том, что кислород воздуха и нитраты, содержащиеся в морской воде, образованы в результате жизнедеятельности организмов, в значительной степени контролируются ею и, кроме того, количество этих жизненно важных веществ в море определяется биологическим круговоротом фосфора. По своей слаженности и организации эту систему можно сравнить с часами, но в отличие от них "заводной механизм" моря не сконструирован инженерами и его действие нам пока малопонятно. В 1979 г. английский физик Дж. Лавлок делает попытку экстраполировать гипотезу Редфилда на глобальный уровень. Позже совместно с американским микробиологом Л. Маргулис он создает гипотезу Геи (Гея от гр. - Земля). Она говорит о распространении биологического контроля на глобальный уровень развития планеты. Отдельные организмы не только сами приспосабливаются к физической среде, но и своей совместной деятельностью в экосистемах приспосабливают геохимическую среду к своим биологическим потребностям. Тот факт, что химия атмосферы и сильно забуференная физическая среда Земли резко отличаются от условий на любой другой планете, говорит о том, что организмы, особенно микроорганизмы вместе с физической средой, образуют сложную систему регуляции, поддерживающую на планете условия, благоприятные для жизни. По мнению Дж. Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, то ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы. Он сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы. Подходя к гипотезе Геи с биологических позиций, Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система.

Таким образом, Земля является "фабрикой" по безотходному производству сложных соединений, минералов и живых тел, современный облик которой складывался неразрывно с процессом формирования Солнечной системы и Вселенной в целом, являясь закономерным процессом.

Понятие флуктуаций и бифуркации, их роль в эволюции Вселенной

В процессе эволюции огромное значение имеют флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание). Флуктуации - это случайные отклонения наблюдаемых физических величин от средних значений. Флуктуации наблюдаются у величин и явлений, зависящих от случайных факторов, описываемых статистическими закономерностями. Рождение Вселенной из физического вакуума произошло в результате флуктуаций, вследствие чего появлялись виртуальные частицы, благодаря взаимодействию которых вакуум приобретал особые свойства, шло уплотнение массы, которая, достигнув определенного предела, взорвалась и привела к рождению Вселенной.

Флуктуации - это колебания без правильной периодичности. В живой природе они происходят в результате изменений абиотических факторов. На нашей планете в настоящее время огромную роль в возникновении флуктуаций играет антропогенный фактор, носящий, как правило, непериодический характер (тепловое загрязнение, изменение баланса газового состава атмосферы, загрязнение гидросферы органическими веществами и др.). Флуктуации приводят к отклонениям сложившиеся исторически типы от нормы.

К флуктуациям чувствительны все неравновесные, открытые системы. Так как все экосистемы являются открытыми, то они также подвержены флуктуациям, которые, зачастую, могут приводить к значительным изменениям, особенно внутри систем, что отвечает закону внутреннего динамического развития (зависимость отдельных компонентов системы не является линейной и незначительное изменение одного ведет к значительным изменениям других, что может вызвать разлад всей системы и даже ее гибель).

При формировании новых структур необходимым является, наряду с открытостью системы и нахождением ее вдали от равновесия, наличие флуктуаций. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. От исхода конкуренции между устойчивостью и неустойчивостью из-за флуктуаций зависит порог устойчивости системы. Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, которое называется точкой бифуркации. Дословно бифуркация (от лат. bifurcus - раздвоенный) - разделение на две ветви одного калибра, которые позже уже не пересекаются. В точке бифуркации система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти в новое качество, в новую область устойчивости (в физике - образование новой частицы; в химии - нового вещества; в биологии - нового вида). В этой точке система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции и даже небольшая флуктуация может послужить началом эволюции в совершенно ином направлении, которое резко изменить ее поведение. Такое явление называется событием.

Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчи-вого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход - дело случая. В системе, прибывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, под действием одной из них происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и "выбор" конечного состояния оказывается случайным. Процесс скачка одноразовый и необратимый. Поэтому точкой бифуркации можно считать критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние.

Обнаружение феномена бифуркации, как считает И. Пригожин, ввело в физику элемент исторического подхода. Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения как вероятностных представлений, так и классического детерминизма. Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи таких точек существенную роль играют флуктуации, которые и определяют, какой из путей дальнейшего развития будет избран. Таким образом, бифуркации являются отличительным признаком неравновесных открытых систем. В точке бифуркации флуктуации достигают такой силы, что организация системы не выдерживает и изменяется, в этой точке система может перейти в бессистемность - хаос или на более высокий уровень упорядоченности и стать диссипативной структурой, то есть структурой, для поддержания которой требуется большее количество энергии, чем для более простых, на смену которых она приходит.

Говоря о моменте рождения Вселенной, мы можем отметить, что в результате спонтанных флуктуаций система пришла в точку бифуркации и произошел перелом в системе - Большой взрыв и рождение Вселенной. Это подтверждает еще один важный вывод, что ни один процесс не может проходить по экспоненте или быть экспоненциальным до бесконечности (идти все время по нарастанию). Это возможно только до определенного предела - уплотнение массы в физическом вакууме шло до критической плотности, а затем - взрыв и расширение.

В истории развития биосферы выделяют две глобальные точки бифуркации: первая - появление прокариотов и вторая - появление разума, когда появилась способность материи познавать себя.

Таким образом, мы можем по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, в природе в целом. В развитии выделяются две фазы: плавная эволюция, ход которой достаточно закономерен и жестко детерминирован, и скачки в точках бифуркации, протекающие случайным образом и поэтому случайно определяющие последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке. Такой процесс развития характерен для всех структурных уровней Вселенной.

Модели будущего Вселенной

Как же в настоящее время ученые представляют себе будущее Вселенной? Этот вопрос решается в зависимости от того, какую модель Вселенной они возьмут за основу: открытую, постоянно расширяющуюся или сферически конечную (но безграничную).

Для сферически конечной модели Вселенной будущее связано с прохождением этапов в обратном порядке. После того, когда силы отталкивания Большого взрыва иссякнут, возобладают силы притяжения между космическими объектами и начнется сжатие, которое приведет вновь к образованию сверхплотного ядра и вновь к взрыву, то есть Вселенная находится в пульсирующем состоянии. Хотя вряд ли история ее эволюции всегда будет одинаковой. Каждый этап последующих пульсаций будет отличаться от предыдущих. По подсчетам физиков, сторонников этой модели будущего Вселенной, цикл расширение > остановка > сжатие должен занять около 100 млрд лет.

В случае "открытой" модели, который поддерживают большинство космологов, при неограниченном расширении и Вселенная, и составляющая ее материя будут подвергаться значительным качественным изменениям. Сроки эти, по сравнению с 15 млрд лет, которые существует Вселенная после взрыва, столь велики, что мы их определяем как "вечность". Советский ученый И.С. Шкловский приводит следующий "сценарий" будущего Вселенной.

По этой модели через 1014 лет "остынут", исчерпав ядерное горючее, все карликовые звезды (звезды с массой более нескольких сотых долей солнечной массы). Они превратятся сначала в белых карликов, а затем - в черных с размером порядка нашей Земли и огромной плотностью. В это время расстояния между космическими объектами будут велики, а возможность встречи - очень мала. Через 1015 лет планеты будут оторваны от своих материнских звезд, а через 1019 лет все звезды покинут свои галактики, а их центры сожмутся до плотности черной дыры. В это время Галактики прекратят свое существование, звезды остынут. Изоляция звезд будет постоянно увеличиваться, а светимость - падать. Позже (порядка 1030 лет) протон потеряет свою стабильность и, по предположению ученых, должен расщепиться на г-кванты и нейтрино. Но, если считать, что протон абсолютно стабилен и на всем протяжении лет законы природы будут неизменными, то через 1065 лет любое твердое тело даже при температуре абсолютного нуля становится жидким и все белые карлики станут сферическими жидкими каплями. Через 101500 лет любое вещество станет радиоактивным. За этот промежуток времени все легкие ядра сольются в тяжелые, а тяжелые станут делиться, все жидкие капли станут железными. Это процесс изменения разлетающихся звезд. А что же станет с ядром галактики, которое превратилось в черную дыру? Поскольку черные дыры, хоть и в ничтожных количествах, но излучают энергию, то через промежуток времени пропорциональный кубу массы дыры, они испаряться (так черная дыра "Лебедь Х-1" с массой 10 солнечных масс "испарится" через 1067 лет). То есть все черные дыры "испарятся", превратившись в сверхдлинновол-новое электромагнитное излучение. Останутся только железные карлики. Но через 1010 и 26 лет они превратятся либо в нейтронные звезды, а затем в черные дыры, либо сразу в черные дыры. Последние же через 1067 лет испарятся. Таким образом, при открытой модели Вселенной, через огромное количество лет она превратится в разлетающиеся сверхдлинноволновые кванты и нейтрино малых энергий.

Но возвращаясь к периоду в 15 млрд лет - Большой взрыв и до наших дней, его можно представить в виде одного года на нашей планете и тогда, по схеме американского астронома К. Сагана, он примет следующий вид:

1 января 0 ч 0 мин 0 с - Большой взрыв,

10 января - образование галактик,

9 сентября - образование Солнечной системы,

14 сентября - образование Земли,

25 сентября - возникновение жизни на Земле,

2 октября - образование древнейших скал на Земле,

9 октября - появление бактерий и сине-зеленых водорослей,

12 ноября - возникновение фотосинтеза,

15 ноября - появление клетки с ядром,

31 декабря 22 ч 30 мин - первые люди.

Говоря о возникновении и эволюции Вселенной, мы, прежде всего, используем антропный метод, то есть пытаемся применить наше понимание времени, пространства к Вселенной, приспособить ее огромные размеры к нашим понятиям, прежде всего - расстоянию и времени прохождения тех или иных процессов. Поэтому необходимо помнить о том, что мы под современной Вселенной понимаем обозримое нами пространство. Чем современнее наше инструментальное обеспечение, чем больше наши знания, тем шире становятся и просторы Вселенной

Природные системы

Корпускулярные и континуальные концепции описания природы.

Неравновесные системы.

Синергетика. Рождение порядка и хаоса.

Самоорганизация систем.

В начале ХХ в. возникли два абсолютно несовместимых, на первый взгляд, представления о материи: 1) или она абсолютно непрерывна; 2) или она состоит из дискретных частиц. Физики предпринимали многочисленные попытки совместить эти две точки зрения, но определенное время они оказывались безрезультатными. Казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода.

Атомизм или дискретность материи - древняя и принципиально важная идея, которая впервые была высказана в V в. до н.э. древнегреческим ученым Левкиппом. Он первым принял атомы за всеобщие начала всех материальных объектов природы. С тех пор концепция атомистического строения материи пронизывает все естествознание - от античной натурфилософии до наших дней.

Представления о дескретности материи лежали в основе и механистической картины мира, в которой жестко было предопределено любое событие с точки зрения механики. На основе дискретности материи была разработана земнаяы, небесная и молекулярная механика, и механизм стал рассматриваться в качестве универсального принципа. Но в физике накапливались данные, противоречащие механистическим представлениям. Так, наряду с расмотрением системы материальных точек, полностью соответствующей корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды для объяснения световых явлений вводилось понятие эфира - особой тонкой и абсолютно непрерывной световой материи. Позже, для объяснения теплоты, электричества и магнетизма аналогично вводили понятие сплошной разновидности материи или теплорода. Эти явления пытались искусственно подогнать под механическую картину мира, создав атомистическую модель эфира. В процессе длинных размышлений о сущности электрических и магнетических явлений М. Фарадей пришел к мысли о замене корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точными силовыми центрами. Взгляды на материю координально изменились: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такого принималось единое, абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точными центрами электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.

В связи с признанием идеи континуальности материи (поле-абсолютно непрерывная материя, пустого пространства просто нет) ньютоновская концепция пространства и времени как самостоятельных и независимых от материи субстанций уступила место реляционной (относительной) концепции пространства и времени.

Хотя законы электродинамики, как и законы механики однозначно предопределяли события и случайность все еще пытались исключить из физической картины мира, создание кинетической теории газов ввело в теорию, а затем и в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Позже Эйнштейн вводит в эту картину мира идею относительности пространства и времени и устраняет противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Так, в 1916 г. появляется общая теория относительности, которая еще в рамках электромагнитной картины мира объясняет природу тяготения, вводя понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного поространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс.

Окончательно электромагнитная картина мира была разрушена открытием явления радиоактивности, которое было связано с превращением одних элементов в другие и испусканием альфа- и бета- лучей. А в 1900 г. М. Планк, пытаясь построить теорию излучения, был вынужден признать возможным идею о прерывности процессов излучения. Смятение физиков усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор в своей модели атома предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергию. Он излучает ее порциями только при перескакивании с однойбиты на другую. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. То есть каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность) и дискретность ( квантовость). Эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга (1925-1927 гг.), а вскоре М. Борн показал тождественность волновой механики Шредингера и квантовой менханики Гейзенберга.

Так сложились новые, квантово-полевые о материи которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм. Одной из особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число чеакстиц.

Оканчательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме в виде так называемых статистических законов. Принципиально новыми моментами являются:

Каждая элементарная частица обладает свойствами как карпускулы, так и волны;

Вещество может переходить в излучение;

Можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определнной вероятностью.

По современным представлениям о корпускулярно-волновом дуализме материи, ее дискретность и непрерывность дополняют друг друга. Кроме того атомизму, тоесть принципиальной дискретности или квантовости материи, сопутствует принципиальная непрерывность (предельная однородность) пустоты. Совершенно новый элемнт современной квантово-полевой картины мира - наличие в ней наблюдателя.

Квантово-полевая или квантово-релятивистская картина мира и в настоящее время развивается и дополняется все новыми и новыми элементами, гипотезами, теориями. Но принципиально важным остается признание карпускулярно- континуальной природы материи, единство пространства-времени и движущейся материи.

Научному мировозрению с XIX в. присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) - самого простого из всех возможных состояний системы, необменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной мало вероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Так возникает модель стационарной Вселенной.

Но ряд открытий, особенно в химии, значительно поколебал такое представление об окружающем мире. Так, выдающимся достижением химии ХХ века, нарушившим это представление, является изучение сложных систем и открытие цепных реакций. Это произошло еще до открытия в физике радиоактивного распада.

Н.Н. Семенов так описывает суть цепной реакции : «Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора распадалась на отдельные атомы, каждый из которых активнее первоначальной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водорода. Она тоже двухатомна, один из ее атомов с хлором дает молекулу хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободным и вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора… это повторяется многократно, возникает как бы длинная цепь реакций».

В химии этого периода были открыты колебательные реакции, получившие название «химических часов». Основа колебательных реакций - наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой Б (синие молекулы). Мы привыкли думать, что химические реакции - это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и Б должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесия, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, что молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших макроскопических расстояниях через большие макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все Б реагируют разом. Такое поведение традиционно приписывалось только живому - теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых. То есть обнаруживается неравновестность систем.

Различают области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется, что представлено в табл.

Отличие неравновесной структуры от равновесной заключается в следущем:

Система реагирует на внешние условия.

Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предистории.

Приток энергии создает в системе порядок, стало быть, энтропия ее уменьшается.

Наличие бифуркации - переломной точки в развитии системы.

Когерентность: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (физическая гипотеза).

Несмотря на то что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10-8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

Будучи представлена самой себе, при отсутствии доступа энергии из вне, система стремится к состоянию равновесия - наиболее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной нулю. Пример равновесной структуры - кристалл.

К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, то есть системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы называются открытыми.

Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.

Синергетика. Рождение хаоса.

Понятие хаоса играло немаловажную роль на протяжении всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывали представления о гибельном беспорядке, о неразличимой пучине, зияющей бездне. Собственно, такое представление является наиболее распространенным и в обыденной жизни. Тем не менее идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распространена в древних мифах, восточной философии. И в ведийских «Ригведах», и в учении Платона встречается мысль о превращении изначального Хаоса в Космос и о последующем возникновении из него «жизнедеятельного».

Что же представляют собой хаотические системы в понимании современного естествознания? К таким системам относятся системы, для которых, зная их состояние в данный момент, нельзя предсказать состояние в любой следующий момент. Таким образом, хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Для хаотических систем необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами на макроуровне, а не только на микроуровне. Правда, в современном естествознании появилось интересное определение хаоса с точки зрения упорядоченности систем в процессе эволюции. Под хаосом понимается регулярная нерегулярность.

Начиная с 70-х годов ХХ в. бурно развивается направление, называемое синергетикой, в фокусе внимания которого находятся системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку. Синергетика (это понятие означает кооперативность, сотруднечиство, взаимодействие различных элементов системы), по определению ее создателя Г.Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, ких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди. Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

В синергетике возникновение упорядоченности сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который который оказывается способным выжить в условиях конкуренции.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим требованиям:

открытость - обязательный обмен энергией и (или) веществом с окружающей средой;

существенная неравновестность - достигается при определенных состояниях и при определенных значениях параметров, характеризующих систему, которые переводят ее в критическое состояние;

выход из критического состояния скачком в процессе типа фазового перехода в качественно новое состояние, с более высоким уровнем упорядоченности.

Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество. Например, снижение температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Самоорганизация систем.

Самоорганизация - это способность системы к стабилизации некоторых параметров посредством направленной упорядоченности ее структурных и функциональных отношений с целью противостоять энтропийным факторам среды. Самоорганизация - структура в действии.

Процесс самоорганизации:

для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находиться в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее дезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придет в состояние полной дезорганизации.

если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравовесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

в отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип - положительную обратную связь. Согласно этому принципу изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. При описании необратимых процессов приходится отказываться от симметрии времени, характерной для обратимых роцессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для проявления кооперативного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Энергия

Земля планета солнечной энергии.

«Живая сила» Лейбница.

Основы термодинамики. Энтропия.

Демон Максвела.

На нашей планете основным источником энергии является Солнце.

Энергия - это мера различных форм движения. Энергия проявляется во множестве различных форм. Все живое для того чтобы жить обязательно должно потреблять энергию. Понятие энергии было выработано в поисках связей между различными формами энергии. Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной форме исчезает, превращается в энергию иной формы. В этом кроется самое главное, что определяет энергию как фундаментальное понятие естествознания.

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется, то есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т.д.

Закон сохранения энергии - закон, управляющий всеми явлениями природы, исключений из него науке неизвестно.

Лучистая энергия Солнца - главнейший источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. Внутри Солнца происходят ядерные реакции, но громадные гравитационные силы сдерживают взрыв внутри звезды. Часть этой энергии в виде потоков фотонов отрывается от Солнца и рассеивается в космическом пространстве, достигая Земли (5х10-10). Из общего количества солнечной энергии 33% отражается облаками, сушей и аэрозольным слоем атмосферы.

Нагрев океана и атмосферы происходит по-разному, обеспечивая конвекции, то есть образования восходящих потоков, и циркуляции воздушных масс. Поэтому Мировой океан и суша образуют единую тепловую систему, поддерживающую общий энергетический баланс планеты.

Важная роль солнечной энергии - реакция фотосинтеза, хотя на нее в год затрачивается о,2% всей суммы солнечной энергии. Под действием солнечной энергии фотосинтез вовлекает в круговорот огромные массы воды, минеральных веществ и углекислого газа. На нашей планете он создает колосальный геохимический эффект, выраженный массой углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического вещества всей биосферы. Кроме того, ежегодно в процессе фотосинтеза образуется и выделяется в атмосферу 248 млрд. т свободного кислорода, без которого жизнь на планете невозможна. В результате фотосинтеза растения выполняют планетарную функцию, но так как источник энергии космический, то и роль растений по истине космическая. Углеводы (продукты фотосинтеза) - источник питания животных и энергетический двигатель их обменных процессов. Напряженность жизни в биосфере выражается в росте и размножении организмов и связана с круговоротом химических элементов. Энергия Солнца, таким образом, в биосфере постоянно превращается в биогеохимимческую энергию размножения живого вещества.

Все природные системы на Земле существуют за счет энергии Солнца. Тот небольшой процент солнечной энергии, который улавливается растениями, запасается в виде органического вещества, удовлетворяет энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Но поскольку человек пока не научился применять энергию Солнца напрямую, он использует ее в виде полезных ископаемых или природных ресурсов: нефть, газ, уголь. Поэтому человечество своим могуществом обязано использованию невозобновляемых запасов ископаемого топлива, за счет которых в мире в настоящее время вырабатывается около 95% энергии. Поэтому выражение «Земля - планета солнечной энергии» является абсолютно точным и на сегодняшний день без Солнца была бы невозможной.

В связи с изучением механического движения и формирования механистической программы мысль о неуничтожимости и несотворимости движения была первоначально сведена к представлению о несотворимости и неуничтожимости именно механического движения. Изучение механического движения привело к дилемме, какой величиной - mv или mv2 - следует измерять механическое движение и какая из этих величин сохраняется в процессе взаимодействия тел. Здесь m означает массу тела, а величина v - скорость тела. Величина mv2 введена Декартом и названа им количеством движения. Величина mv2введена Лейбницем и названа «живой силой» - vis viva, хотя еще ранее в теории упрогого удара Гюйгенсом и Вреном было установлено сохранение величины mv2.

Между последователями Декарта и Лейбница возник спор о том, какому понятию следует отдать предпочтение при изучении механического движения. Какая из величин сохраняется в процессе взаимодействия - количество движения или «живая сила». Разрешение этого вопроса последовало только с открытием закона сохранения при превращении механической энергии в другие формы движения. При исследовании удара двух тел было установлено не только сохранение «живой силы» в случае упругого удара, но и потеря ее при неупругом ударе. Приоритет этого открытия принадлежит Валлису.

«Живая сила» - сила которая связывается с представлениями об активном начале любого движущегося тела, в противоположность «мертвой силе», ативном начале, запасенном в каком-либо покоящемся теле.

Термин «энергия» в смысле динамической переменной появился лишь в 1807 г. в работе Юнга «Курс лекций по наткральной философии». Именно Юнг вводит понятие для обозначения «живой силы», не выводя его за рамки механистического описания явлений природы.

Закон сохранения энергии называют первым началом термодинамики. Это фундаментальный закон, и на сегодня неизвестна ни одна причина, которая могла бы привести к его нарушению. Иначе можно было бы создать вечный двигатель, способный создавать энергию из ничего. В изолированной системе, согласно этому закону, энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если же система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями или разными системами. Так например чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.

Первый закон термодинамики - тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии: теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением, и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло (добывание огня людьми). В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя. Неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса, в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле ( третье начало термодинамики - о недостижимости абсолютного нуля, равного -2730С), что невозможно. Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательным числом. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии - росту хаоса.

Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в случае изолированной системы неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти.

Второе начало термодинамики справедливо для системы с большой совокопностью частиц. Максвелл говорил о том, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. Если бы имелось такое существо (демон Максвелла), которое обладало бы способностью видеть, следить за каждой молекулой, отбирать отдельные из них, то оно могло бы нарушить закон нарастания энтропии. Так, если бы это существо отбирало самые быстрые молекулы и перекладывало бы их в во второй сосуд, то в первом сосуде газ охлаждался, а во втором нагревался. Так что с помощью демона Максвелла можно было бы нагревать газ во втором сосуде без расхода энергии, просто за счет умелого разделения молекул газа на две части.

Решение парадокса с демоном Максвелла было дано в 1928 г. Сциллардом. Демон, для того чтобы осуществлять наблюдения за молекулами, должен иметь размеры ненамного превышающие размеры самих молекул. Но при этом те молекулы, которые составляют самого демона, сами находятся в хаотическом движении. Чтобы исключить это движение самого демона, надо все время поддерживать его при очень низкой температуре. Получается, что для подавления собственного хаотического движения демона, его собственных флуктуаций требуется не меньше энергии, чем демон мог бы раздобыть, неутомимо работая по разделению быстрых (горячих) и медленных (холодных) молекул.

Итак, на протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Основные выводы:

Энергия - единая мера различных форм движения материи.

Механическая энергия и тепловая энергия - это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии.

возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому - в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена).

Изменение энергии тела, осуществленное первым способом, называют работой, совершаемой над этим телом. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел. Работа, совершаемая над телом, может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии.

Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия, получаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии.

Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.