Концепции современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Что такое погрешность эксперимента? Охарактеризуйте виды экспериментальных погрешностей и способы их количественной оценки

Виды погрешностей: экспериментальная; абсолютная; относительная абсолютная; относительная экспериментальная; практическая; абсолютная; относительная. По природе (причине) погрешности делятся на: систематические; случайные; постоянные малые; большие разовые; постоянные 24. Любая связь между законами случайной величины и вероятностью её появления это закон распределения вероятностей закон распределения случайной величины распределение случайной величины по вероятности распределение вероятности.

Статические и динамические погрешности, присущие как средствам, так и методам измерений, различают по их зависимости от скорости изменения измеряемой величины во времени.

Погрешности, не зависящие от этой скорости, называются статическими.

Погрешности же, отсутствующие, когда эта скорость близка к нулю, и возрастающие при её отклонении от нуля, называются динамическими.

Таким образом, динамические погрешности являются одной из разновидностей дополнительных погрешностей, вызываемой влияющей величиной в виде скорости изменения во времени самой измеряемой величины.

Систематическими называются погрешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определённых параметров. Основной отличительный признак систематических погрешностей состоит в том, что они могут быть предсказаны и благодаря этому почти полностью устранены введением соответствующих поправок.

Особая опасность постоянных систематических погрешностей заключается в том, что их присутствие чрезвычайно трудно обнаружить.

В отличие от случайных, прогрессирующих или являющихся функциями определённых параметров погрешностей, постоянные систематические погрешности внешне себя никак не проявляют и могут долгое время оставаться незамеченными.

Единственный способ их обнаружения состоит в поверке прибора путём повторной аттестации по образцовым мерам или сигналам.

Примером систематических погрешностей второго вида служит большинство дополнительных погрешностей, являющихся не изменяющимися во времени функциями вызывающих их влияющих величин (температур, частот, напряжения и т. п.).

Эти погрешности, благодаря постоянству во времени функций влияния, также могут быть предсказаны и скорректированы введением дополнительных корректирующих преобразователей, воспринимающих влияющую величину и вводящих соответствующую поправку в результат измерения.

Прогрессирующими (или дрейфовыми) называются непредсказуемые погрешности, медленно изменяющиеся во времени. Эти погрешности, как правило, вызываются процессами старения тех или иных деталей аппаратуры (разрядкой источников питания, старением резисторов, конденсаторов, деформацией механических деталей, усадкой бумажной ленты в самопишущих приборах и т. п.).

Особенностью прогрессирующих погрешностей является то, что они могут быть скорректированы введением поправки лишь в данный момент времени, а далее вновь непредсказуемо возрастают.

Поэтому в отличие от систематических погрешностей, которые могут быть скорректированы поправкой, найденной один раз на весь срок службы прибора, прогрессирующие погрешности требуют непрерывного повторения коррекции, и тем более частой, чем меньше должно быть их остаточное значение.

Другая особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что их изменение во времени представляет собой нестационарный случайный процесс, и поэтому в рамках хорошо разработанной теории стационарных случайных процессов они могут быть описаны лишь с оговорками.

Случайными погрешностями называют непредсказуемые ни по знаку, ни по размеру (либо недостаточно изученные) погрешности. Они определяются совокупностью причин, трудно поддающихся анализу.

Присутствие случайных погрешностей (в отличие от систематических) легко обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса получаемых результатов.

Таким образом, главной отличительной чертой случайных погрешностей является их непредсказуемость от одного отсчёта к другому. Поэтому описание случайных погрешностей может быть осуществлено только на основе теории вероятностей и математической статистики.

Здесь, однако, необходимы две существенные оговорки. Во-первых, применение методов математической статистики к обработке результатов измерений правомерно лишь в предположении о независимости между собой отдельных получаемых отсчётов. И, во-вторых, большинство приводимых далее формул теории вероятностей правомерно только для непрерывных распределений, в то время как распределения погрешностей вследствие неизбежного квантования отсчётов, строго говоря, всегда дискретны.

Таким образом, условия непрерывности и независимости для случайных погрешностей соблюдаются лишь приближённо, а иногда могут и не соблюдаться, т. е. в математике под термином «непрерывная случайная величина» понимается существенно более узкое, ограниченное рядом условий понятие, чем под термином «случайная погрешность» в измерительной технике.

Тем не менее, так как большинство составляющих погрешностей средств и результатов измерений являются случайными погрешностями, то единственно возможным разработанным способом их описания является использование положений теории вероятностей и её дальнейшего развития применительно к процессам передачи информации в виде теории информации, а для обработки получаемых экспериментальных данных, содержащих случайные погрешности, - методов математической статистики.

Поэтому именно эта группа фундаментальных разделов математики является основой для развития современной теории оценок погрешностей средств, процессов и результатов измерений.

С учётом указанных ограничений процесс проявления случайных погрешностей средств и результатов измерений за вычетом систематических и прогрессирующих погрешностей обычно может рассматриваться как центрированный стационарный случайный процесс с использованием для его описания хорошо разработанной в математике теории статистически независимых случайных величин и стационарных случайных процессов.

В заключение описанного деления погрешностей средств и результатов измерений на случайную, прогрессирующую и систематическую составляющие необходимо обратить внимание читателя на то, что такое деление является весьма упрощенным приёмом их анализа.

Поэтому всегда следует помнить, что в реальной действительности эти составляющие погрешности проявляются совместно и образуют единый нестационарный случайный процесс.

Изложите основные положения электромагнитной теории и определите ее вклад в естественнонаучную картину мира. Изменила ли она фундаментальные положения механистического мировоззрения?

К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован целый ряд важных закономерностей: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Наиболее популярной стала теория В. Вебера, которая пыталась объединить электростатику, электродинамику и теорию магнетизма идеей об активности движущихся электрических зарядов (по сути, первой электронной теории).

Однако единства во взглядах физиков на электрические и магнитные явления не было. Так, резко отличалась от корпускулярных подходов полевая концепция Фарадея. Но на нее смотрели как на заблуждение, ее замалчивали и остро не критиковали только потому, что слишком велики в развитии физики были заслуги Фарадея. И тем не менее именно полевой подход оказался наиболее плодотворным в создании единой теории электрических и магнитных явлений. Это была революционная по своему значению теория Максвелла.

Д ж. К. Максвелл, в 1854 г. окончив Кембриджский университет, начал свои исследования электричества и магнетизма при подготовке к профессорскому званию. Взгляды Максвелла на электрические и магнитные явления формировались под влиянием работ М. Фарадея. Максвелл тонко почувствовал и понял характер основного противоречия, которое сложилось в середине XIX в. в физике электрических и магнитных процессов. С одной стороны, были установлены многочисленные законы различных электрических и магнитных явлений (которые не вызывали возражений и к тому же выражались через количественные величины), но они не имели целостного теоретического обоснования. С другой стороны, построенная Фарадеем полевая концепция электрических и магнитных явлений не была математически оформлена. Максвелл и поставил перед собой задачу, основываясь на представлениях Фарадея, построить строгую математическую теорию, получить уравнения, из которых можно было бы вывести, например, законы Кулона, Ампера и др., т.е. перевести идеи и взгляды Фарадея на строгий математический язык.

Будучи блестящим теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж. К. Максвелл справился с этой сложнейшей задачей -- создал теорию электромагнитного поля, которая была изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», опубликованной в 1864 г. Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем, которые связывают величины, характеризующие электромагнитное поле (напряженность электрического и магнитного полей, электрическая и магнитная индукция), с его источниками, т.е. распределенными в пространстве электрическими зарядами и токами.

Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.

+ Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его. Максвелл определял это поле следующим образом: «...электромагнитное поле -- это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».

+ Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля, и наоборот.

+ Векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны. Это положение объясняло, почему электромагнитная волна исключительно поперечна.

+ Распространение в электромагнитном поле электромагнитных волн происходит с конечной скоростью. Таким образом обосновывался принцип близкодействия.

+ Скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света (с). Из этого следовала принципиальная тождественность электромагнитных и оптических явлений. Оказалось, что они различаются только частотой колебаний электромагнитного поля.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1888 г. в опытах Г. Герца, обнаружившего существование электромагнитных волн, произвело большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла получает признание подавляющего большинства ученых. Возникает идея использовать электромагнитные волны для установления беспроводной связи на дальние расстояния, разработка которой привела к изобретению радио (А.С. Попов, 1896) и созданию радиотехники. Но тем не менее еще долгое время теория Максвелла представлялась физикам лишь совокупностью математических уравнений, конкретный физический смысл которых был совершенно непонятным. Физики того времени говорили: «Теория Максвелла -- это уравнения Максвелла».

После создания теории электромагнитного поля стало понятно, что существует только одна среда -- эфир, по которому распространяются электрические, магнитные и световые волны. Значит, судить о природе эфира можно на основе изучения закономерностей распространения электромагнитных волн. Но этим проблема эфира не была разрешена, а, наоборот, еще больше усложнилась -- надо было объяснять, как в нем распространяются электромагнитные волны. Сначала эту задачу пытались решить на пути поисков механистических моделей эфира. И сам Дж.К. Максвелл рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механистических процессов в эфире.

Однако механистические модели эфира -- носителя электромагнитных волн -- несмотря на все попытки их усовершенствовать, оказывались противоречивыми и бесплодными. Предлагались различные модели эфира: на основе сплошных, прерывистых сред и др. Среди них были такие, которые основывались на представлениях об электромагнитном поле как о совокупности вихревых трубок, образуемых в эфире, и т.д. Появились работы, в которых эфир рассматривался даже не как среда, а как машина; строились модели с колесами и проч. В итоге, после множества безуспешных попыток построить механистическую модель эфира, стало ясно, что эта задача не выполнима, а электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, распространяющуюся в пространстве, свойства которой не сводимы к свойствам механистических процессов. В конце XIX в. существование эфира начали вообще подвергать сомнению, а главное внимание с проблемы построения механистических моделей эфира было перенесено на вопрос о том, как распространить систему уравнений Максвелла, созданную для описания покоящихся систем, на случай движущихся тел (источников или приемников света).

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). Но долгое время электрические и магнитные явления изучались независимо друг от друга. И только в середине XIX в. Дж. К. Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме в единой теории электромагнитного поля. А существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 1890-е гг. Но не все элементарные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. Этим электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные -- притягиваются. Но в отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами -- северный полюс и южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс -- монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования магнитного монополя.

Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неотрывно от этих частиц. Но при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и участвует в независимой форме электромагнитных волн. При этом радиоволны (10³--10¹² Гц), инфракрасное излучение (10¹²-- 3,7 10¹⁴ Гц), видимый свет (3,7 10¹⁴--7,5 10¹⁴ Гц), ультрафиолетовое излучение (7,5 10¹⁴--3 10¹⁷ Гц), рентгеновское излучение (3 10¹⁷-- 3 10²⁰ Гц) и гамма-излучение (3 10²--10²³ Гц) представляют собой электромагнитные волны различной частоты. Причем между соседними диапазонами резких границ нет (длина электромагнитной волны с ее частотой связана соотношением: л = c/v, где л -- длина волны, v -- частота, с-- скорость света).

Электромагнитное взаимодействие (как и гравитация) является дальнодействующим, оно ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи -- в мегамире, макромире и микромире.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны). Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления, явления ионизации, многие реакции в мире элементарных частиц и др.

Что такое синергетика? Приведите основные положения, области приложения

Синергетика - научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (биологической, физико-химической и др.) благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности, т. е. уменьшается энтропия (т. н. самоорганизация). Основа синергетики - термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Классическое и неклассическое естествознание объединяет одна общая черта: их предмет познания -- это простые (замкнутые, изолированные, обратимые во времени) системы. Однако такое понимание предмета познания является сильной абстракцией. Вселенная представляет собой множество систем. Но лишь некоторые из них могут трактоваться как замкнутые системы, т.е. как «механизмы». Во Вселенной таких «закрытых» простых систем меньшая часть. Подавляющее большинство реальных систем открытые и сложные. Это значит, что они обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

Человек всегда стремился постичь природу сложного, пытаясь ответить на вопросы: как ориентироваться в сложном и нестабильном мире? Какова природа сложного и каковы законы его функционирования и развития? В какой степени предсказуемо поведение сложных систем? Среди сложных систем особый интерес вызывают самоорганизующиеся системы. К такого рода сложным открытым самоорганизующимся системам относятся биологические и социальные системы, которые более всего значимы для человека.

В 1970-е гг. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании -- синергетики. Как и кибернетика, синергетика -- это некоторый междисциплинарный подход. Но если в кибернетике акцент делается на процессах управления и обмена информацией, то синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.

Мир самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем мир закрытых, линейных систем. Вместе с тем его сложнее моделировать. Как правило, для (приближенного) решения большинства возникающих здесь нелинейных уравнений (порядок выше первого) требуется сочетание современных аналитических методов и вычислительных экспериментов. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п.

Методами синергетики осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики -- существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.

Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присущи природе, -- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.

Основные свойства самоорганизующихся систем -- открытость, нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия.

Вместе с тем уже во второй половине XIX в., и особенно в XX в., биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к снижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. История и эволюция Вселенной развивают ее от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. Такая возможность появилась только с переходом естествознания к изучению открытых систем.

Открытые системы -- это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне и (или) стока вовне вещества, энергии или информации. Причем приток и сток обычно носят объемный характер, т.е. происходят в каждой точке данной системы. Так, во всех компонентах биологического организма (ткани, органы, клетки и т.д.) происходит обмен веществ, приток и отток вещества (с помощью кровеносных сосудов, эндокринной и других систем). Постоянный приток (и сток) вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных, неустойчивых состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию.

Неравновесность, неустойчивость открытых систем порождается постоянной борьбой двух тенденций. Первая -- это порождение и укрепление неоднородностей, структурирования, локализации элементов открытой системы. И вторая -- рассеивание неоднородностей, «размывание» их, диффузия, деструктурализация системы. Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая -- открытая система рассеивается, превращаясь в хаос. А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль -- наряду с закономерным и необходимым -- могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается.

Открытые системы -- это системы необратимые; в них важен фактор времени.

Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Вследствие этого Вселенная оказывается способной к развитию, эволюции, самоорганизации. Стабильные и равновесные системы не способны к самоорганизации, они являются тупиками эволюции.

Неравновесные системы благодаря избирательности к внешним воздействиям среды воспринимают различия во внешней среде и «учитывают» их в своем функционировании. При этом некоторые слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, на нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции: здесь возможны ситуации, когда эффект от совместного действия причин А и В не имеет ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.

Процессы в нелинейных системах часто носят пороговый характер -- при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению. Для каждой системы существует некий оптимальный «коридор нелинейности», способствующий структурообразованию. Очень сильная нелинейность, так же как и очень слабая нелинейность, несовместима с образованием локальных структур. Зато в пределах только оптимального «коридора» усиление нелинейности увеличивает количество способов образования и форм локальных структур, а также количество вариантов эволюции системы, ее маршрутов в будущее.

Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние -- диссипативность, т.е. своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Диссипация -- это тенденция к размыванию организации, но в нелинейных, неравновесных системах она проявляет себя и через противоположную функцию -- структурообразование. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно формироваться новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и др.

Понятие диссипативности тесно связано с понятием хаоса. Синергетика переосмысливает понятие хаоса, характерное для классического и неклассического естествознания: хаос как пассивное, разрушительное, деструктивное начало, как окончательный продукт разложения, дезорганизации материи, как воплощение максимальной энтропийности, абсолютной неопределенности и неконструктивности. В этической плоскости такое представление дополнялось еще и нравственно-оценочной характеристикой хаоса как образа абсолютного зла.

Синергетика определяет хаос как многоликое материальное начало, которое не только разрушает и само является продуктом разрушения, но и способствует созиданию нового. (В этических оценках: хаос не только зло, но и добро.) Благодаря хаосу материя деструктурируется и насыщается неопределенностью, в то же время она порождает структурные организации, оказывается способной к самоорганизации, потенциально готова к новаторству. Потенциальная способность хаоса к творчеству порождается тем, что, философски выражаясь, случайность сама случайна, а значит, она не всегда несущественна, иногда она закономерна. А если закономерна, то направлена на порождение и поддержание некоторой структурности, организованности. Синергетика конкретизирует эту общую идею и показывает, при каких условиях хаос оказывается конструктивной силой.

В нелинейных (неравновесных открытых) системах постоянно действует диссипативный, рассеивающий, хаотизирующий фактор. Однако в силу избирательности такой системы, ее различной чувствительности к разным воздействиям (и внешним, и внутренним) диссипативный фактор действует также избирательно: он рассеивает одни образования и усиливает другие, способствуя тем самым их структурированию и локализации. Итак, хаос содействует стабилизации и самоструктурированию нелинейной среды, проявляет себя как творческое начало. Следовательно, хаос и деструктивная, и созидательная сила; хаос не только разрушает то, что он сам создал, но и способствует созиданию качественно нового, самоорганизации мира.

Синергетика конкретизирует созидательные функции хаоса. Во-первых, хаос необходим для исходного структурирования нелинейной среды. Во-вторых, он способствует резонансному объединению простых структур в единую сложную структуру, согласованию темпов их эволюции, объединению, «склеиванию» «темпомиров». В-третьих, «хаос может выступать как механизм переключения, смены различных режимов развития системы, переходов от одной относительно устойчивой структуры к другой».

Итак, синергетика подводит нас (разумеется, на совершенно новом уровне) к тому образу, который сформулировала еще древнегреческая философия (и мифология): все существующее (Космос) рождается из Хаоса и рано или поздно возвращается в Хаос.

Главная идея синергетики -- идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями -- взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни.

Самоорганизующиеся системы -- это обычно очень сложные открытые системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название аттракторов. Аттракторы характеризуют те направления, в которых способна эволюционировать открытая нелинейная среда. (В закрытой системе аттрактор один, и он определяется вторым началом термодинамики -- максимальная энтропия.) Иначе говоря, аттракторы -- это те структуры (и цели), по направлению к которым протекают процессы самоорганизации в нелинейных средах. Для наглядной иллюстрации понятия аттрактора часто используют образ конуса «воронки», который втягивает в себя траектории эволюции нелинейной системы.

В процессе самоорганизации возникает множество новых свойств и состояний. Очень важно, что обычно соотношения, связывающие аттракторы, намного проще, чем математические модели, детально описывающие всю новую систему. Это связано с тем, что аттракторы отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому задача определения аттракторов -- одна из важнейших при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты -- точки бифуркации. Вблизи точек бифуркаций в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.

В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры -- лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы колеблется перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

Переход от Хаоса к Порядку вполне поддается математическому моделированию. Более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых разных сферах действительности (в природе и обществе -- его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.

Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы -- это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации -- от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).

Какова роль живого вещества на планете Земля в представлении В.И, Вернадского?

В.И. Вернадский и целый ряд его последователей, принимают гипотезу о космическом переносе латентных форм жизни, так как, согласно Вернадскому, «жизнь есть явление космическое, а не специально земное». Именно эта теория породила представление о едином живом веществе, обладающем внеземной природой. Важным моментом в этой теории оказывается привнесение на Землю живого вещества из глубин космоса. Но этот источник был привнесен не в молекулярном плане (то есть не в виде совокупности живых молекул), а в форме постоянно действующих во вселенной биологических полей. Функционирование этих полей таково, что живые молекулы формируются везде, где имеются для этого необходимые условия. В последнее время появились доказательства реального существования этого всепроникающего биологического поля.

Живое вещество существует только в образе биосферы большого тела, отдельные части которого выполняют взаимоподдерживающие и взаимодополняющие функции, как бы оказывающие друг другу услуги по поддержанию жизни. Если есть организмы, накапливающие некоторые вещества, то логично предположить, что должны также существовать и организмы с противоположной биогеохимической функцией, для поддержания равновесия. Эти организмы второго вида разлагают данное вещество до простых минеральных составляющих, снова затем пускаемых в оборот.

Далее, если есть окисляющие бактерии, значит, должны быть - и они всегда есть - восстанавливающие бактерии. Один или несколько организмов сколько-нибудь долго продержаться на Земле не смогут. Можно привести интересный и показательный пример, подтверждающий взаимодополняющие функции живого вещества. Когда создавались первые космические корабли для длительных полетов, то конструкторы этих кораблей первыми ощутили необходимость ввести системы, выполняющие самоподдержание жизни на борту: как бы «почки», «легкие», и т.п. для корабля. Тем самым они выполняли функции, аналогичные функциям живого вещества в природе.

В большом космическом корабле по имени Земля если что и неизменно, то это функции жизни. И недаром Вернадский, назвав поначалу биосферу «механизмом», в дельнейшем отказался от этого слова, заменив его на более адекватное - организм. Вернадский считал константным количество атомов, захваченный в жизненный круговорот. Точнее, количество атомов считалось колеблющимся около какой-то средней величины. Именно на этом основании современные ученые, взявшие на вооружение гипотезу о вечности и космическом происхождении жизни, опровергают расхожие представления о том, что в невообразимо далекие времена жизнь была хилой и слабой, ютящейся разве что в каких-то отдельных оазисах.

Таким образом, именно биогенез современная наука считает основным свойством живого и вместе с тем величайшей тайной природы, ее неразрешимой загадкой, неподвластной человеческому разуму. К другим версиям происхождения жизни автор концепции живого вещества Вернадский относился отрицательно, справедливо подчеркивая, что накопившийся в естествознании огромный фактический материал с несомненностью доказывает происхождение всех современных живых организмов путем биогенеза.

Признавая биогенез, согласно научному наблюдению, за единственную форму зарождения живого, неизбежно приходится допустить, что начала жизни в том космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала у самого этого космоса. Жизнь вечна постольку, поскольку вечен космос, и передавалась она всегда биогенезом. То, что верно для десятков и сотен миллионов лет, протекших от архейской эры до наших дней, верно и для всего бесчисленного хода времени космических периодов истории Земли, а значит, справедливо и применительно ко всей вселенной.

В результате наука приходит к выводу, что в безначальном космосе такими же вечными являются четыре его основных компонента: материя, энергия, эфир и жизнь.

С самого начала своего возникновения земная биосфера представляла собой область земной коры, в которой энергия космических излучений трансформировалась в такие виды земной энергии, как электрическая, химическая, механическая и тепловая. Благодаря этому история биосферы резко отлична от истории других частей планеты, и ее значение в планетарном механизме совершенно исключительное. Она в такой же, если не в большей, степени есть создание Солнца, как и выявление процессов Земли.

Автоматическое регулирование живого вещества биосферы, обусловленное единством порядка и хаоса, объясняет и происхождение жизни, поскольку существование хаоса и регулярного, циклического движения играет огромную роль в образовании разнообразных биологических структур. Ведь хаотическое поведение является типичным свойством многих систем (как природных, так и технических). Оно зафиксировано в периодически повторяющихся стимуляциях клеток сердца, в химических реакциях, при возникновении турбулентности в жидкостях и газах, в электрических цепях и других нелинейныхдинамических системах, оно проявляется в диссипативных структурах, как их назвал другой крупный ученый Илья Пригожин.

Такие диссипативные структуры обладают следующими признаками, без которых невозможна самоорганизация системы: они открытые, нелинейные и необратимые. В процессе возникновения земной жизни основную роль сыграли самоорганизующиеся системы. Результат их специфического отбора на пути длительной эволюции и есть жизнь. Следовательно, природа «изобрела» не только принцип программного регулирования по разомкнутому циклу, но и принцип автоматического управления в замкнутом цикле с обратной связью в живых системах.

Космические излучения, генерируемые ядром Галактики, нейтронными звездами, ближайшими звездными системами, Солнцем и планетами, пронизывают всю биосферу, проникают все в ней.

В этом потоке самых разнообразных излучений основное место принадлежит солнечному излучению, которое обусловливает существенные черты функционирования механизма биосферы, космопланетарного по своему существу. В. И. Вернадский пишет об этом следующее:

«Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена биосфера. В значительной мере биосфера является проявлением его излучений; она составляет планетный механизм, превращающий их в новые разнообразные формы свободной живой энергии, которая в корне меняет историю и судьбу нашей планеты».

Если инфракрасные и ультрафиолетовые лучи Солнца косвенно влияют на химические процессы биосферы, то химическая энергия в ее действенной форме получается из энергии солнечных лучей при помощи живого вещества - совокупности живых организмов, которые выступают в качестве преобразователей энергии. Это значит, что земная жизнь отнюдь не является чем-то случайным, она входит в космопланетарный механизм биосферы.

Данные, которыми располагает современная наука, свидетельствуют, что живое вещество только в том случае прогрессивно развивается, если оно своей жизнедеятельностью увеличивает упорядоченность среды своего обитания. Это основной и чрезвычайно важный признак живого вещества.

Для разумной формы живого вещества эти законы имеют особое, решающее значение. Земная разумная форма жизни - человечество - выполняет их, обеспечивая два вектора своего бессмертия: биологическое продолжение рода (общее свойство всего живого вещества) и духовно-культурное, в конечном счете космическое бессмертие (творческий вклад в создание ноосферы).

Именно творческая активность как чисто человеческое свойство разумной жизни для каждого человеческого существа является основой и гарантией его индивидуального, личностного развития и продолжительной активной жизни. В целом это выражается в прогрессе человеческих популяций, всего человечества, в развитии его психофизиологического, биологического, глобального здоровья.

Понять сущность жизни, живого планетарного вещества, его разумной формы - человека, рассматривая только изолированное пространство Земли, видимо, не удастся. Земная жизнь неотрывна от космических процессов, включена во всеединство мирового целого (универсума). Пути прогресса человечества, так же как сопровождающие его жизнь противоречия, напряженность, катастрофы, могут быть постигнуты и подвергнуты регулированию только на основе широкого понимания антропокосмического характера социально-природной эволюции человека и его перспектив.

экспериментальный классический естествознание

Список литературы

1.Баландин О.К. Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие. М., 1988

2.Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. М., 1989.

3.Гиренок Ф. И. Экология, цивилизация, ноосфера. М., 1997.

4.Казначеев В.П. Учение В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере. М., 1999.

5.Мотылева Л. С. Концепции современного естествознания. Учеб. для вузов. М., 2000.

6.Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. М., 2004.

7.Пахомов Б.Я. Становление современной научной картины мира. М., 1995.

8.Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. Курс лекций. М., 2004.

9.Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. М., 1998.

10.Спиркин А.Г. Философия. М., 2002.

Размещено на Allbest.ru