Положения и следствия принципа неопределенности в квантовой механике (по В. Гейзенбергу).

1. Чем точнее определяется одна из сопряженных величин, тем менее точной оказывается другая величина.

2. Невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы.

3. Возможно с большой точностью определить положение микрочастицы, но в таком случае ее импульс (скорость) будет определен неточно. Наоборот, если импульс будет определен с возможной степенью точности, тогда ее положение станет известным недостаточно точно.

4. В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью «волновой функции».

Раздел 3. Естественнонаучная картина мира

в термодинамике и космологии

Тема 1. Теории и концепции в термодинамике и космологии

 

Лекция 7.

«Концепция детерминизма и статистические законы»

План лекции:

1. Введение.

2. Вероятностные, или статистические законы.

3. Классический и вероятностный детерминизм.

4.Выводы по лекции.

 

1. Введение. Законы классической механики универсальны и относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Отличительная черта этих законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер. Например, закон всемирного тяготения действителен для всех материальных тел, больших и малых.

Наряду с ними в науке с середины XIX века стали применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятными. Именно это обстоятельство долгое время служило препятствием для признания их в науке в качестве полноценных законов. Поэтому они рассматривались как вспомогательные средства для обобщения и систематизации эмпирических фактов. Положение коренным образом изменилось после того, как квантовая механика показала, что существование неопределенности коренится в самом фундаменте материи − в мире ее мельчайших частиц, поведение которых можно предсказать лишь с той или иной степенью вероятности.

2. Вероятностные, или статистические законы. Вероятностные, или статистические законыполучили свое название от характера той информации, которая используется для их формулировки и получения заключения. Вероятностными они называются потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Сама информация носит статистический характер, то и законы называют статистическими, и этот термин получил в науке распространение.

Использование термина " вероятность" для характеристики статистических законов более обоснованно с теоретической точки зрения. Сегодня существует минимум три интерпретации этого термина.

Первая из них связана с классическим периодом развития теории вероятностей, когда вероятность события определялась как отношение числа случаев, благоприятствующих появлению события, к общему числу всех возможных случаев (французский математик П. С. Лаплас). С помощью такого определения легко подсчитать вероятности, или шансы, появления события в азартных играх, из анализа которых и появилась сама теория. Но в природе и обществе равновозможные события встречаются редко. Поэтому для количественной оценки возможности появления тех или иных событий необходимо было найти другую интерпретацию.

Вторая интерпретация термина. Со временем ученым удалось найти «вероятность» путем сравнения числа появления исследуемого события к общему числу всех наблюдений: чем чаще происходит событие, тем выше вероятности его появления. Очевидно, что численное значение вероятности при таком определении зависит от количества наблюдений, частоты появления события. Поэтому чем больше сделано наблюдений, тем точнее будет вычислена и вероятность события. Эта величина в каждом конкретном случае должна определяться условиями конкретной задачи, т.е. вероятность Р (А) равно:

Р (А) = т/п, где т − число появления события, а п − число всех наблюдений.

Такое определение вероятности называют частотным, поскольку в нем фигурирует понятие относительной частоты при длительных наблюдениях. Последние анализируются обычно статистическими методами. При статистической, или частотной, интерпретации нельзя говорить о вероятности отдельного, единичного события.

Частотная, или статистическая, интерпретация вероятности получила широкое применение в естественных и технических науках, а в последние десятилетия в социальном и гуманитарном познании. Главное применение частотная интерпретация вероятности находит при открытии и анализе статистических законов.

Всюду, где мы встречаемся с массовыми случайными или повторяющимися событиями, при тщательней исследовании можно обнаружить, что все они, несмотря на отклонения и разнообразие в своем поведении, обладают определенной регулярностью, а именно: устойчивой относительной частотой. Эта закономерность была выявлена еще в античном мире на примере относительны устойчивости количества рождающихся за год мальчиков и девочек. Впоследствии были найдены другие статистические законы в физике, биологии, демографии, страховом деле, социальной статистике и т.д.

В классической науке статистические законы не считались подлинными законами, так как ученые XIX века предполагали, что за ними должны стоять такие же универсальные законы, как закон всемирного тяготения Ньютона. Статистические же законы признавались в качестве удобных вспомогательных средств исследования. Пример, перепись населения. В принципе мы можем получить о каждом гражданине страны все необходимые сведения, но когда они классифицируются по отдельным пунктам, сводятся в отдельные показатели и обобщаются, то работать с такой информацией значительно удобнее и легче.

Вероятно, главная причина не признания законами по отношению к статистическим законам состояла в том, что заключения их недостоверны, неопределенны, а лишь вероятны в той или иной степени, причем эта степень существенно зависела от количества наблюдений и экспериментов.

Третья интерпретация термина. Эта терминология сохранилась до настоящего времени, когда статистические, или вероятностные, законы квалифицируются как индетерминистские. Единственное, что здесь верно, − это качественное различие между двумя типами законов: универсальными и статистическими. В то же время между ними существуют и глубокая общность, и единство, заключающиеся в том, что все они отображают определенные регулярности в природе и обществе.

Отношение к статистическим законам принципиально изменилось после открытия законов квантовой механики, предсказания которых имеют существенно вероятностный характер.

Попытка найти некие скрытые параметры, с помощью которых можно было бы свести статистические законы к строго детерминистским законам, подобным законам классической механики, пока не увенчалась успехом.

3. Классический и вероятностный детерминизм. Наиболее точная формулировка сущности классического детерминизма принадлежит П. Лапласу, вследствие чего такой детерминизм часто называют также лапласовским детерминизмом. Действительно, лапласовский детерминизм основывается на представлении, согласно которому весь окружающий нас мир − это огромная механическая система, начальное состояние которой является точно заданным и в которой не делается никакого различия между движениями " величайших тел Вселенной и легчайших атомов".

Лаплас отдавал себе отчет в том, что такая ситуация в реальном мире невозможна и поэтому она представляет собой идеализацию. Главный недостаток лапласовского механистического детерминизма, состоит в том, что он представляет мир, Вселенную как систему, полностью детерминированную законами механики. В таком мире не было бы ничего неопределенного и случайного. Сама случайность исключается из природы и общества. Начиная с Демокрита и английского философа Томаса Гоббса (1588-1679), случайное материалисты определяли как " необходимую причину, чего нельзя разглядеть".

Такой взгляд на случайность был продиктован механицизмом старого метафизического материализма, получившего наиболее яркое выражение во французском материализме XVIII в. Подобных же воззрений на случайность придерживались многие ученые той эпохи. Доминирующая в настоящее время частотная, или статистическая, интерпретация вероятности, напротив, подчеркивает объективное содержание понятия вероятности, ибо рассматривает ее как количественную характеристику устойчивости частоты массовых случайных событий. Таким образом, сторонники механистического материализма абсолютизируют категорию необходимости, признавая подлинными лишь универсальные законы, и исключают случайности из мира. Если последовательно придерживаться такой точки зрения, то придется признать и предопределенность всех событий в мире и связанный с ним − фатализм.

Ошибочность таких взглядов − в непонимании диалектической взаимосвязи между случайным и необходимым, когда они рассматриваются обособленно друг от друга и противопоставляются друг другу. В действительности же необходимость возникает как результат взаимодействия многих случайностей, о чем свидетельствуют статистические законы. В свою очередь случайности выступают в форме проявления и дополнения необходимости, поскольку универсальные или строго детерминистские законы в чистом виде не существуют.

Итак, детерминизм исторически выступает в двух формах: лапласовского, или механистического, детерминизма, в основе которого лежат универсальные законы классической физики; вероятностного детерминизма, опирающегося на статистические законы. Поэтому вряд ли целесообразно называть такой детерминизм индетерминизмом.

Когда сравнивают эти формы выражения регулярностей в мире, обращают внимание на степень достоверности их предсказаний. Строго детерминистские законы дают точные предсказания там, где можно абстрагироваться от сложного характера взаимодействия между телами, отвлекаться от случайностей, упрощать действительность. Однако такое упрощение и схематизация возможны лишь при изучении простейших форм движения. Когда же переходят к исследованию сложных систем, состоящих из большого числа элементов, индивидуальное поведение которых трудно описать, тогда обращаются к статистическим законам, опирающимся на вероятностные предсказания.

Таким образом, в современной концепции детерминизма органически сочетаются необходимость и случайность. Поэтому мир и события в нем не оказываются ни фаталистически предопределенными, ни чисто случайными. Классический детерминизм лапласовского типа чрезмерно подчеркивал роль необходимости за счет отрицания случайности в природе и поэтому давал искаженное представление о картине мира. Признание самостоятельности статистических, или вероятностных, законов, отображающих существование случайных событий в мире, дополняет прежнюю картину строго детерминистского мира. В результате этого в новой картине мира необходимость и случайность выступают как взаимосвязанные и дополняющие аспекты.

Очень часто детерминизм отождествляют с причинностью, но такой взгляд нельзя считать правильным хотя бы потому, что причинность выступает как одна из форм проявления детерминизма. Действительно, когда говорят о причине и следствии, то указывают на связь двух явлений или процессов во времени, изолируя их от других явлений. Явление, которое вызывает или порождает другое явление, называют причиной, а второе явление, представляющее собой результат действия причины, − следствием. Такие определения возникли из практики человека и подчеркивают причинно-следственный характер его деятельности. В современном научном познании преобладает тенденция к определению причинной зависимости с помощью законов, которые в отличие от других законов называют каузальными, или причинными законами.

Соответственно, причинность выступает как одна из форм выражения детерминизма, который с философской точки зрения можно определить как учение о всеобщей закономерной связи явлений и процессов в объективном мире.

 

Основные понятия и термины
Вероятность	Возможность
Детерминизм	Достоверность
Закон	Индетерминизм
Предсказание	Лапласовский детерминизм
Случайность	Причина
−	Статистика

4. Выводы по лекции. Законы классической механики универсальны и относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Наряду с ними в науке с середины XIX века стали применяться законы другого типа, вероятностные, или статистические законы. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятными. Именно это обстоятельство долгое время служило препятствием для признания их в науке в качестве полноценных законов.

Использование термина " вероятность" для характеристики статистических законов более обоснованно с теоретической точки зрения. Сегодня существует минимум три интерпретации этого термина.

Первая из них связана с классическим периодом развития теории вероятностей, когда вероятность события определялась как отношение числа случаев, благоприятствующих появлению события, к общему числу всех возможных случаев (французский математик П. С. Лаплас).

Вторая интерпретация термина. Со временем ученым удалось найти «вероятность» путем сравнения числа появления исследуемого события к общему числу всех наблюдений: чем чаще происходит событие, тем выше вероятности его появления. Частотная, или статистическая, интерпретация вероятности получила широкое применение в естественных и технических науках, а в последние десятилетия в социальном и гуманитарном познании.

Третья интерпретация термина. Статистические, или вероятностные, законы квалифицируются как индетерминистские.

Сторонники механистического материализма абсолютизируют категорию необходимости, признавая подлинными лишь универсальные законы, и исключают случайности из мира. Если последовательно придерживаться такой точки зрения, то придется признать и предопределенность всех событий в мире и связанный с ним − фатализм. Ошибочность таких взглядов − в непонимании диалектической взаимосвязи между случайным и необходимым, когда они рассматриваются обособленно друг от друга и противопоставляются друг другу. В действительности же необходимость возникает как результат взаимодействия многих случайностей, о чем свидетельствуют статистические законы. В свою очередь случайности выступают в форме проявления и дополнения необходимости, поскольку универсальные или строго детерминистские законы в чистом виде не существуют. Поэтому вряд ли целесообразно называть такой детерминизм статистических законов индетерминизмом.

В современной концепции детерминизма органически сочетаются необходимость и случайность. Поэтому мир и события в нем не оказываются ни фаталистически предопределенными, ни чисто случайными.

Причинность выступает как одна из форм выражения детерминизма, который с философской точки зрения можно определить как учение о всеобщей закономерной связи явлений и процессов в объективном мире.

 

Вопросы для контроля и семинара 7.

1. Как определяется частота массовых случайных событий?

2. Какая существует связь между относительной частотой и вероятностью?

3. Чем отличаются универсальные законы от статистических?

4. Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным?

5. Какая связь есть между лапласовским детерминизмом и фатализмом?

6. Почему причинность не совпадает с детерминизмом в целом?

7. Как можно определить современный детерминизм?

Задания к занятию:

Проблемно-аналитическое задание (аналитическая записка), тема:

1. Соотношение законов статичного, случайного и закономерного в науке.

2.Лапласовский и современный детерменизм.

Информационно-исследовательский проект (презентацию) по теме на выбор:

1. Методы определения частоты массовых случайных событий.

2. Связь между относительной частотой и вероятностью.

3. Отличие универсальных законов от статистических.

4. Лапласовский детерминизм.

5. Лапласовский детерминизм и фатализмом.

6. Причинность и детерминизм.

7. Современное понимание детерминизма.

Литература

1. Зарипова Р.С. Естественнонаучная картина мира. Организация и проведение семинарских занятий и самостоятельной работы студентов [Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие/ Зарипова Р.С., Хасанова А.Р., Махубрахманова В.Р.— Электрон. текстовые данные.— Набережные Челны: Набережночелнинский государственный педагогический университет, 2016.— 66 c.— Режим доступа: http: //www.iprbookshop.ru/60699.— ЭБС «IPRbooks»

2. Садохин А.П. Концепции современного естествознания [Электронный ресурс]: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления/ Садохин А.П.— Электрон. текстовые данные.— М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2015.— 447 c.— Режим доступа: http: //www.iprbookshop.ru/40463.— ЭБС «IPRbooks»

3. Степин В.С. Философия и методология науки [Электронный ресурс]/ Степин В.С.— Электрон. текстовые данные.— М.: Академический Проект

Лекция 8.

«Концепция необратимости и термодинамика»

План лекции:

1. Введение.

2. Понятие времени в классической термодинамике.

3. Открытые системы и новая термодинамика.

4. Самоорганизация в открытых системах.

5.Выводы по лекции.

 

1. Введение. В классической и квантовой механике, время выступало как особый параметр, знак которого можно менять на обратный. Такое представление о времени противоречит повседневной практике и теоретическим воззрениям в естественных науках, изучающих конкретные изменения явлений во времени (история, геология, палеонтология, биология и др.). Если классическая физика и механика изучали обратимые процессы, то биологические, социальные и гуманитарные науки ясно показывали, что предметом их исследования служат процессы необратимые, изменяющиеся во времени и имеющие свою историю.

Наиболее резкое противоречие в XIX веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. В механике все процессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина доказывала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе.

Физика приближалась к разрешению указанного выше противоречия через пересмотр и создание ряда промежуточных концепций, одной из которых является идея об эволюции систем, но не в сторону усиления их организации и сложности, а напротив, − в сторону дезорганизации и разрушения систем.

2. Понятие времени в классической термодинамике. До возникновения термодинамики понятие времени отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, но оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение изменилось после того, как физика занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, отвлекаясь от внутренних изменений, то термодинамика исследовала процессы преобразования тепловой энергии.

Распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Тепло, возникшее в результате трения или другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и использовать для работы. Или другой пример, тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.

С другой стороны, путем экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в определенных количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о ее сохранении. Все эти многочисленные факты и нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики. Законы термодинамики отражают связи, которые существуют между тепловой энергией и полученной за ее счет работой:

1. Это закон о сохранении энергии. Если к системе подводится тепло Q и над ней производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U= Q + W.

Эту энергию называют внутренней энергией системы, и она показывает, что тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы, т. е. Q = U-W.

2. Это закон о невозможности производства работы исключительно за счет изъятия тепла из одного резервуара при постоянной температуре. Процесс, единственным результатом которого было бы изъятие тепла из резервуара, невозможен.

Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного резервуара при установившейся температуре. Иногда этот закон выражают в еще более простой форме: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему. В дальнейшем немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман (1844-1906) интерпретировал в терминах изменения порядка в системе.

Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует: энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.

А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Энтропия выступает в качестве своеобразной стрелы времени. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший период прошла система в своей эволюции.

Такое понятие о времени и эволюции системы отличается от понятия эволюции в теории Дарвина. В дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным до 1960-х гг., появилась неравновесная термодинамика, опирающаяся на концепцию необратимых процессов.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял один из основателей этой теории − Р. Клаузиус, выдвинувший два постулата: энергия Вселенной всегда постоянна; энтропия Вселенной всегда возрастает. Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.

Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению " тепловой смерти" во Вселенной. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.

3. Открытые системы и новая термодинамика. В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации.

В открытых системах также производится энтропия, т.к. в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, то можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды.

Классическая термодинамика в анализе систем абстрагировалась от их реальной сложности, отвлекалась от их взаимодействия с внешней средой. Поэтому ее исходное понятие закрытой, или изолированной, системы не отражало действительного положения вещей и приводило к противоречию с результатами исследований в биологии и социальных науках.

Действительно, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика и другие социальные и гуманитарные науки показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги и движение вспять, в целом наблюдается также прогресс.

В противоположность этому классическая термодинамика утверждала, что. физические и другие системы неживой природы эволюционируют в направлении усиления их беспорядка, разрушения и дезорганизации. Тогда не понятно, каким образом из неживой природы, системы которой имеют тенденцию к дезорганизации, могла появиться когда-либо живая природа, где системы, напротив, стремятся к совершенствованию и усложнению своей организации. Все это показывало, что результаты исследования классической термодинамики находились в явном противоречии с тем, что было хорошо известно из биологии, истории, социологии и других общественных наук.

Важно также подчеркнуть, что понятия времени и эволюции по-разному интерпретировались в прежней термодинамике, с одной стороны, и в биологии, социологии и истории, с другой. Так называемая стрела времени связывалась в термодинамике с возрастанием энтропии системы, с усилением ее беспорядка и дезорганизации, тогда как в биологии и социологии она рассматривалась, наоборот, с точки зрения становления и совершенствования системы, увеличения в ней порядка и организации. В чем же заключаются причины такого противопоставления точек зрения на понятия времени и эволюции? Как можно было разрешить противоречие, возникшее между представлениями классической термодинамики и биологии, социологии и истории?

Очевидно, что для этого необходимо было пересмотреть те исходные понятия и принципы, которых придерживалась старая, классическая термодинамика, потому что они не соответствовали действительности, нашим наблюдениям, а также результатам исследований в биологических и социальных науках. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и огрубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой, состоящей также из систем.

Поэтому в новой термодинамике место закрытой, изолированной, системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы. Одно из первых определений этого понятия принадлежит австрийскому физику Эрвину Шредингеру (1887-1961) в своей книге " Что такое жизнь? С точки зрения физика". В ней он указал, что законы физики лежат в основе образования биологических структур, а характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество или свежую энергию и одновременно выводить в среду использованное вещество и отработанную энергию. Поскольку между веществом (массой) и энергией существует глубокая взаимосвязь, то в ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а следовательно, производит энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия.

Такого рода материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду.

Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов. Так могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

Изучая процессы самоорганизации, немецкий физик Герман Хакен (р. 1927) назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.

На их экспериментальной основе бельгийскими учеными во главе И.Р. Пригожиным (русским по происхождению, р. 1917 г.) была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (по имени столицы Бельгии − Брюсселя). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую часто называют неравновесной, или нелинейной.

Как отмечает И.Р. Пригожин: переход от термодинамики (правильнее термостатики) равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.

Поясним, что понимается под нелинейностью в термодинамике и теории самоорганизации вообще. Линейные уравнения и до сих пор часто применяются в физике и естествознании в целом, они оказываются неадекватными для описания открытых систем или же при весьма интенсивных воздействиях на системы. Именно с подобными системами и процессами имеет дело новая термодинамика и поэтому ее нередко называют нелинейной.

4. Самоорганизация в открытых системах. Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы (в физике и химии), имеет научное и философско-мировозренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого " здания материи", и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, основой любой эволюции.

Как же объясняет современная наука, и в частности, синергетика процесс самоорганизации систем?

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

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее самодезорганизации. 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.

3. 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 неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к " расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового порядка.

Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер (с них начинается возникновение нового порядка и структуры), то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. В этом выводе находит свое подтверждение догадка античных философов Эпикура (341-270 до н. э.) и Лукреция Кара (99-45 до н. э.), требовавших допущения случайности для объяснения появления нового в развитии мира.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип − положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. 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 появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: