Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма

Синергетика – теория, исследующая процессы самоорганизации, устойчивости и распада и возрождения самых разнообразных структур живой и неживой природы. Основные положения (Г. Хаккен):

1. исследуемые системы состоят из частей, взаимодействующих друг с другом.

2. системы нелинейные

3. системы открытые и далеки от теплового равновесия

4. системы подвержены внутренним и внешним колебаниям

5. в системах наблюдаются флуктуации-случайные отклонения систем от равновесного состояния.

6. все процессы в системах необратимы во времени.

7. при самоорганизации энтропия системы понижается

Самоорганизация – спонтанный переход открытой неравновесной сист от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Самоорганизация в природных и социальных системах – возникновение упорядоченных неравновесных структур в силу объектив законов природы и общества.

Необходимые условия самоорганизации.

Объектом синергетики могут быть системы: нелинейные, т е. самоорганизующиеся, неравновесные, т е далеки от состояния термодинамического равновесия. В цикле развития открытой и неравновесной системы наблюдается 2 фазы:

1. период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуем линейными изменениями, приводящий систему к некоторому неустойчивому, критическому состоянию.

2. выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчив состояние с большой степенью сложности и упорядоченности. Точка бифуркации – момент потери устойчивости системы, после прохождения система не возвращается в исходное состояние. Для синергетики неравновесность – это основание для установления упорядоченности. Переход системы в неравновесное состояние побуждает элементы устанавливать связь, корреляцию. Происходит «резонансное возбуждение», которое не проходит бесследно. Оно продолжает существовать в качестве центрального параметра диссипативной структуры, свойство которой необычная чувствительность. Диссипативная структура – структура, рассеивающая свою энергию. Рассеяние – переход энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных. Флуктуации – изменения во внеш среде. Принцип минимума диссипации энергии: если допустимо не единственное в состояние в системе, а целая совокупность, то реализуется то состояние, кот соответствует минимальному рассеянию энергии, или минимуму роста энтропии. Человечество – сложная система, а сложные системы обладают чувствительностью к флуктуациям.

Понижение энтропии системы

Физический смысл возрастания энтропии: состоящая из некоторого множества частиц изолированная система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия. Материя способна совершать работу и против термодинамическое равновесие, самооранизовываться и самоусложняться. При минимальной диссипации энергии, уменьшающаяся энтропия системы, вызывает увеличение энтропии окружающей среды. Синергетика является основой для программы современнного эволюционизма:

1. всё сущ в развитии

2. развитие-чередование бифуркаций

3. неустранима роль случайности и неопределенности

4. устойчивость и надежность природных сист есть результат их постоянного обновления

5. непредсказуемость выхода из т. бифуркации,т е прошлое влияет на будущее,но не определяет его.

Синергетика — теория самоорганизации

Междисциплинарный характер синергетики

Самоорганизация в природных и социальных системах как самопроизвольное возникновение упорядоченных неравновесных структур в силу объективных законов природы и общества

Примеры самоорганизации в простейших системах: ячейки Бенара, реакция Белоусова-Жаботинского, спиральные волны

Необходимые условия самоорганизации: неравновесность и нелинейность системы

Признак неравновесности системы: протекание потоков вещества, энергии, заряда и т.д.

Диссипация (рассеяние) энергии в неравновесной системе

Диссипативная структура — неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации

Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации

Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости

Синхронизация частей системы в процессе самоорганизации

Понижение энтропии системы при самоорганизации

Повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации

Универсальный эволюционизм как научная программа современности, его принципы:

- всё существует в развитии;

- развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);

- законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;

- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

- устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления

Эволюционное естествознание

Космология (мегамир)

Космология - наука о Вселенной в целом. Модель Большого взрыва.

Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией. Согласно существующим представлениям космологии 10-15млрд лет назад произошел Большой взрыв.

Модель Большого взрыва:

1)В расширяющейся Вселенной на ранней стадии ее развития и вещество и излучение имели очень высокую температуру и плотность

2)В результате Большого взрыва произошло расширение, которое привело материю к постепенному охлаждению и образованию атомов

3)В результате конденсации под воздействием гравитации образовались протогалактики, которые представляли собой непрерывно-дискретную форму существования материи, затем сформировались галактики, т.е. звездные системы,состоящие из звезд и др космических тел.

Начальным состоянием Вселенной является физический вакуум—наинизшее энергетическое состояние всех полей, это форма материи лишена вещества и излучения, но активна и способна находиться в одном из состояний с разной энергией и отрицательным давлением. Такое состояние вакуума может создать гигантскую силу космического отталкивания, что и привело к расширению Вселенной. Скорость расширения была выше световой. Представление о Вселенной включает в себя такие понятия, как Метагалактика, галактики, звезды, планетные системы, малые планеты—астероиды, кометы. Структуру Вселенной можно представить так: Земля и Луна—Солнечная система—Галактика—скопление галактик — Сверхскопление галактик—Сетчатая структура Вселенной.

Вселенная Эйнштейна.

Впервые в науке Вселенная предстала как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени характеристика. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно. Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Космологическая модель Фридмана.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством. Решение уравнений А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной не известна, то и не известно, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

Созданная А. Эйнштейном ОТО позволила по-новому подойти к разработке крупномасштабной структуры и эволюции Вселенной. ОТО связывает тяготение с кривизной пространства-времени, рассматривая их как две неотделимые друг от друга стороны физической реальности. Тяготеющие массы через гравитационное поле вызывает «искривление» пространства-времени, а последнее, в свою очередь, влияет на движение тел, которое происходит по геодезическим линиям. Уравнения тяготения Эйнштейн связывает кривизну пространства-времени с плотностью массы, ее импульсом, потоком массы и потоком импульса. На основе этих уравнений Эйнштейн разработал так называемую «статическую», «цилиндрическую» модель Вселенной. Вселенная – бесконечно протяженный цилиндр. В основе данной модели было предположение об однородности распределения галактик в пространстве Вселенной и стационарность Вселенной во времени.

А. А. Фридман в 1922 г. сумел найти иное решение уравнений ОТО, отказавшись от предположения о статичности Вселенной, но приняв допущение об однородности и изотропности распределения вещества. Из решения А. А. Фридмана уравнений тяготения следовало, что Вселенная нестационарна и ее пространство обладает переменной во времени кривизной, одинаковой во всех малых масштабах. При этом А. А. Фридман допускал три следствия из предложенных им решений: Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени; Вселенная сжимается; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

Естественное возникновение гипотезы расширяющейся Вселенной от сингулярности в результате «Большого взрыва». Предложена в 1948 г. Г. Гамовым. Причины возникновения сингулярности, характер пребывания материи в этом состоянии, а также причины большого взрыва и перехода к расширению во всех моделях «горячей Вселенной» считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории.

Итог

Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции

Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная

Геоцентрическая система мира Птолемея

Гелиоцентрическая система мира Коперника

Ньютоновская космология: безграничная, бесконечная, однородная и неизменная Вселенная

Общая теория относительности как теоретическая основа современной научной космологии

Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества

Космологическая модель Фридмана: Вселенная нестационарна

Понятие о космологической сингулярности

Наблюдаемая однородность Вселенной в очень больших масштабах

Наблюдательное подтверждение нестационарности Вселенной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря эффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик)

Закон Хаббла: скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них

Постоянная Хаббла

Возраст Вселенной — понятие (время, прошедшее с момента начала расширения) и современные оценки (12–15 млрд. лет)