Критерии выделения различных структурных уровней материи

2. Перечислите основные критерии  для выделения различных структурных  уровней материи.

Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10~8 до №~[6см, а время жизни от бесконечности до 10 24с. Для характеристики ансамблей частиц микромира (атомов, ионов, молекул), находящихся в переходном состоянии от дискретного к непрерывному (континуальному), Г. Хакеном выделен особый уровень описания объектов, названный мезоскопическим.

Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

3. При каких условиях  система может перейти в целостность?

Система - есть комплекс элементов, находящихся во взаимодействии.(Л. Берталанффи)

Система - упорядочение взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое (словарь Уэбстера).

Основные инвариантные (постоянно повторяющиеся) значения термина "система":

1. система представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных элементов;
2. она образует особое единство со средой;
3. как правило, любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого порядка;
4. элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, обычно выступают как системы более низкого порядка.

Система может  быть понята как целое лишь в сопоставлении с ее окружением - средой.

Открытые и замкнутые  системы (закрытые и изолированные):

• Открытая система - система, которая обменивается со средой энергией и/или веществом.
• В закрытой системе происходит обмен только энергией, обмена веществом нет.
• Изолированная система закрыта для обмена как веществом, так и энергией.

Открытые системы и  гомеостазис (способность к устойчивому равновесному состоянию). Саморегуляция открытых систем - системы с обратной связью (петлей управления); положительная и отрицательная обратная связь. Регуляция типа гомеостазиса или обратной связи широко представлены в зрелом организме, экосистемах, биосфере. Действие принципа Ле Шате-лье-Брауна в открытых системах: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Противоположность свойств  открытых и замкнутых систем. Замкнутые системы - тенденция перехода от упорядоченного состояния к хаосу.

Развитие открытых систем - переход от менее организованных уровней к более высоким уровням организации.

4. Перечислите фундаментальные  законы физики. В чем заключается  их суть.

Закон – действующее в природе количественное обобщение (подразумевающее измеряемость). Закон представляется математически строгой формулой или уравнением. При формулировке законов физики обязательно используются физические величины. Пример: ускорение тела обратно пропорционально массе тела, a = F / m. (второй закон Нютона)

Закон (теорема) Гаусса: Поток электрического смещения через замкнутую поверхность равняется алгебраической сумме зарядов, окруженных этой повехностью. Все заряды, окруженные данной замкнутой поверностью, участвуют в создании электрического поля на поверхности.

Закон Ампера: сила  F действующая на провод с током пропорциональна силе тока  I в проводе, длине провода  l  и синусу от угла a  между направлением тока и магнитного поля. Итак         F = B I l sin a..

Закон Бугера утверждает, что при поглощении интенсивность света уменьшается в веществе экспоненциально : I = I₀ e^{-k l}_, где I - интенсивность света на расстоянии l  от поверхности, I₀- интенсивность падающего света и k – коэффициент поглощения.

Закон Вина утверждает, что длина волны максимума в спектре излучения абсолютно черного тела обратно пропорциональна абсолютной температуре тела: l_m = b/T. Величина b называется постоянной Вина  b = 2,9 ^. 10 ^–3 м ^.K = 2900 mm^.K.  Чем выше температура тела, тем короче длина волны теплового излучения тела (тем выше энергия кванта теплового излучения).

Закон всемирного тяготения утверждает, что любые два тела взаимодействуют друг с другом силой притяжения, которая пропорциональна  произведению гравитационных зарядов или тяжелых масс обеих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними  F = G  m₁ m₂ / r ². Коэффициент пропорциональности G = 6,67 ^. 10 ^-11 N ^. м² / кг²  называют гравитационной постоянной. Так как все эксперименты, до сих пор четко показали пропорциональность инертной и тяжелой массы, то при создании системы единиц их считают равными. В общей теории относительности равноценность инертной и тяжелой массы является основным посту-латом теории. Если на тело массой m  воздействовать силой тяжести, F_r = m g = G  M m / R² , где М – масса Земли и R  ее радиус, то ускорение силы тяжести (ускорение свободного падения) g = G  M / R².  Численно g = 9,81 м /с².

Закон Гука утверждает, что упругая сила F_e пропорциональна удлинению тела x: F_e = -  k  x. Минус в законе Гука показывает, что упругая сила по направлению противоположна удлинению. Коэффициент пропорциональности k  в законе Гука называется коэффициентом упругости. Коэффициент упругости характеризует тело. Он показывает, какая упругая сила возникает при единичном удлинении тела. Единица коэффициента упругости один ньютон на метр 1 Н/м.

Закон Дальтона утверждает, что давление смеси газов равно сумме компонент парциальных давле-ний. Парциальным называется давление, которое создавалось бы данным газом, если бы другие компоненты в смеси отсутствовали.

Закон Джоуля-Ленца: количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике под действием элек-трического тока, пропорциональна квадрату силы тока I, сопротивлению R и длительности тока t: Q = I ² R t.

Закон индукции Фарадея: электродвижущая сила индукции, возникающая в контуре, пропорцио-нальна скорости изменения магнитного потока в контуре. В системе СИ коэффициент пропорциональности выбран равным единице и следовательно                                                                    e_i = - dF /dt.      Знак минус выражает правило Ленца.

Закон Кирхгоффа утверждает, что отношение тепловой излучательной и поглощательной способности тела постоянно при определенной температуре тела и частоте (длине волны) излучения. Эта постоянная называется излучательной способностью абсолютно черного тела.

Закон Кулона аналогичен закону всемирного тяготения, электрический заряд аналогичен тяжелой массе, кулоновский коэффициент пропорциональности  k  аналогичен гравитационной постоянной  G.  Обратно-пропорциональная зависимость обеих сил от квадрата расстояния обусловлена равномерным распределением соответствующего поля на поверхности, в точках которой существует это поле.

Закон Кулона: два точечных заряда действуют друг на друга силой, пропорциональной произ-ведению этих зарядов и обратно-пропорциональной квадрату расстояния между этими зарядами  F = k  q₁ q₂ / r ². Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды и зависит от вещества, в котором они находятся. Коэффициент пропорциональности  k  в вакууме выражается формулой  k = 1/(4p e₀),  где величину e₀ называют электрической постоянной. При этом  k = 9 ^. 10 ⁹ Н^.м ²/ Кл². Это означает, что на расстоянии один метр между двумя точечными зарядами 1 Кл в вакууме действует сила 9 ^. 10 ⁹ Н.

Закон Мозли утверждает, что частота характеристического рентгеновского излучения пропорци-ональна квадрату зарядового числа Z (порядкового номера в таблице Менделеева) материала анода. Энергия кванта самой интенсивной линии (K_a -линии) характеристического излучения выражается формулой hf = 3/4  R (Z - 1)², где R постоянная Ридберга (13,6 eV).

Закон Ома для полной цепи : I = e /(R + r)  или e = I R + I r, сила тока цепи пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна полному сопротивлению (сумме внешнего R  и внутреннего r  сопротивления).

Закон Ома: сила тока в проводнике пропорциональна напряжению:   I = G U = U /R. Коэффициент пропорциональности  G  называется проводимостью, а её обратное значение – сопротивлением  R  проводника. 

Закон отражения  света утверждает, что падающий луч, отраженный луч и нормаль отражающей поверхности находятся в одной плоскости. Угол отражения b  равен углу падения a. В физике эти углы всегда измеряются относительно нормали поверхности (не самой поверхности!)

Закон полного тока (теорема  Ампера о циркуляции) магнитное напряжение на замкнутой линии (магнито-моторная сила) равно полному току, текущему через поверхность, окруженную этой линией. Все токи текущие через поверхность, участвуют в создании магнитного поля на граничной линии данной поверхности.

Закон преломления света утверждает, что падающий луч, преломленный луч и нормаль поверхности преломляющей среды находятся в одной плоскости. Отношение синуса угла падения a  к синусу угла преломления g  постоянная которая называется показателем преломления второй среды относительно первой (n₂₁). Следовательно sin a / sin g = n₂₁. Показатель преломления вещества относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления n этого вещества.

Закон радиоактивного распада:  N(t) = N₀ exp (-p t) = N₀ exp (-t/t) = N₀ 2^-t/T, где N₀ – первоначальное число радиоактивных ядер (в момент времени t = 0),  N(t) – число ядер в момент времени  t,   p – вероятность распада ядра за единицу времени, t =1/p – среднее время жизни ядер данного типа (время, за которое число ядер уменьшается в e раз). T - период полураспада. При этом t  = T / ln 2.

Закон распределения показывает, какая часть из рассматриваемых частиц имеет значение некоторого параметра (скорости, энергии и так далее) в единичном промежутке вокруг данного значения. Законы распределения исследует статистическая физика.

Закон сохранения  механической энергии утверждает, что сумма кинетической и потенциальной энергии постоянна.

Закон сохранения момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается постоянным.  Произведение момента инерции на угловую скорость - это момент импульса: L = m v r = (m r ²) ^. (v / r)  = I  ^. w . Это действительно и для вращающегося тела как целого. Единица момента импульса один килограмм на метр в квадрате в секунду (кг м²/с).

Закон сохранения электрического заряда гласит, что полный заряд электрически изолированной системы является постоянной величиной. Заряды могут возникать или пропадать лишь попарно (+q  и –q  вместе).

Закон Стефана-Больцманна утверждает, что интегральная излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре тела в четвертой степени: K = s T ⁴.  Величина  s  называется постоянной Стефана-Больцманна s = 5,68 ^. 10 ^–8 Вт/(м² K⁴).

Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от нас находиться космический объект тем быстрее он от нас удаляется: v = H r. Скорость r удаления определяется по красному смещению в спектрах этих объектов (эффект Допплера). Отношение расстояния и скорости удаления называется постоянной Хаббла H. По значению постоянной Хаббла можно оценить возраст и размер Вселенной.

Благодаря специальной  теории относительности в физике создается новый взгляд на характер физических законов, «наисовершеннейшим выражением которых считается теперь их инвариантное выражение». Несмотря на революционность специальной теории относительности, приведшей к коренному изменению наших представлений о пространстве и времени, тем не менее возникает чувство некоторой незавершенности теории. И связано это с тем, что специальная теория относительности, так же как и классическая механика, сохраняет привилегированное положение наблюдателей, находящихся в инерциальных системах отсчета. А как быть с наблюдателями, находящимися в системах отсчета, движущихся по отношению к первым с ускорением (в неинерци-альных системах отсчета)?

Чем объясняется неинвариантность законов физики в неинерциальных системах отсчета? Правомерно ли это? Подобное положение дел казалось неудовлетворительным. Эйнштейн, повторяя вопрос Э. Маха: «Почему инерциальные системы физически выделены относительно других систем отсчета?» — первым обращает внимание на то, что специальная теория относительности не дает на него ответа. Следующая проблема возникла при попытке представить в рамках СТО тяготение. Оказалось, что тяготение укладывается в рамки специальной теории относительности только в том случае, если потенциал гравитационного поля постоянен. Эйнштейном была выяснена причина этого: она состоит в том, что не только инертная масса зависит от энер-1>1и, но и гравитационная. Галилеем был установлен закон,согласно которому все тела падают, при отсутствии сопротивления среды, с одинаковым ускорением. Это является следствием равенства инертной и гравитационной (весомой) массы. Равенство инертной и гравитационной массы соблюдается с точностью выше одной двадцатимиллионной, что было показано в серии весьма точных опытов, проделанных Р. Этвешем. Тем не менее это равенство не получило объяснения в физической теории. В 1908 г. Эйнштейн доказывает, что каждому количеству энергии в гравитационном поле соответствует энергия, по величине равная энергии инертной массы величиной Е/с², и делает вывод о том, что закон этот выполняется не только для инертной, но и для гравитационной массы. Рассматривая факт равенства инертной и гравитационной массы, Эйнштейн приходит к выводу о том, что гравитационное поле (в котором проявляется гравитационная масса) эквивалентно ускоренному движению (в котором проявляется масса инертная) и формулирует принцип эквивалентности, который и был положен в основу создания общей теории относительности: «Факт равенства инертной и весомой массы, или, иначе, тот факт, что ускорение свободного падения не зависит от природы падающего вещества, допускает и иное выражение. Его можно выразить так: в поле тяготения (малой пространственной протяженности) все происходит так, как в пространстве без тяготения, если в нем вместо «инер-циальной» системы отсчета ввести систему, ускоренную относительно нее». Эйнштейн приходит к выводу о том, что главная задача состоит не в том, как включить тяготение в СТО, а в том, как использовать тяготение для обобщения требования инвариантности к любым типам движения, в том числе и ускоренным. Оказалось, что тяготение не может быть полностью заменено ускорением (гравитационные силы — силами инерции) в больших областях с неоднородным гравитационным полем. Сведение гравитационного поля к ускоренным системам отсчета требует ограничения принципа эквивалентности бесконечно малыми масштабами. Иными словами, принцип эквивалентности имеет локальное значение.

Локальный характер принципа эквивалентности приводит к Представлениям о мире, отличном от плоского евклидова пространства, для которого сумма углов треугольника всегда рав-на 180°. Это мир — с кривизной пространственно-временного континуума. Случилось так, что в математике уже были развиты теории неевклидовой дифференциальной геометрии — теория Лобачевского и теория Римана. В общей теории относительности инвариантность физических законов в системах отсчета, в которых действуют гравитационные силы (или которые являются неинерциальными), достигается относительно локальных преобразований в римановом четырехмерном пространстве-времени положительной кривизны. Иными  словами, гравитационное поле может интерпретироваться следствие искривления пространства.

7. Назовите структурные  компоненты процесса самоорганизации.

В последние десятилетия  стало ясно, что переходы в более  упорядоченное состояние, то есть самоорганизация, присуща любым открытым системам, любым видам материи. Нужны только подходящие условия для проявления этого процесса. Процесс перехода на более высокий уровень самоорганизации в различных самоорганизующихся системах, физических, химических, биологических, социальных, имеет единый алгоритм перехода к более высокоорганизованному (упорядоченному) состоянию.

Теория самоорганизации разрабатывается  в трех научных дисциплинах: синергетике, термодинамике неравновесных процессов и теории катастроф. Наиболее часто теория самоорганизации ассоциируется с синергетикой.

Во всех трех разделах для процесса самоорганизации необходимо несколько условий:

1. открытость системы,
2. существенная неравновестность, достигающая при определенных состояниях критического состояния (точка бифуркации), сопровождаемая потерей устойчивости,
3. выход из критического состояния происходит скачком типа фазового перехода. Переход носит характер коллективной флюктуации с неоднозначными последствиями.

Важный момент самоорганизации - это процесс скачка. Перед скачком  в системе, в ответ на изменение  внешних факторов, параметры системы менялись линейно. При достижении критического состояния линейная зависимость нарушается, и возникают нелинейные зависимости. Можно сказать, что новая парадигма, описывающая самоорганизацию, есть парадигма нелинейности. Другой важный момент процесса перехода (скачка) из критического состояния в устойчивое состояние - этот скачок неоднозначен: неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний. В какое именно - дело случая.

Явления самоорганизации  в различных системах: возникновение ячеек Бенара в подогреваемой жидкости, протекание циклических химических реакций типа Белоусова-Жаботинского, поведение лазерной системы - возникновения лазерного луча, развитие Вселенной, эволюция живых организмов, палеонтологические вымирания (катастрофы) и эволюция биосферы, процессы самоорганизации в явлениях жизни, самоорганизация в популяциях, самоорганизация в экосистемах, самоорганизация в социально-экономических процессах, самоорганизация в обществе, явления самоорганизации в культуре и т.д.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

Новый взгляд на концепцию  детерминизма:

• в окружающем нас мире действуют и жесткий детерминизм, характерный для плавного, эволюционного развития систем,
• и случайность, характерная для состояния системы в точке бифуркации. После того как путь для системы выбран (один из многих возможных) вновь вступает в силу детерминизм.

Для всех изученных  явлений найден ряд принципиально  важных признаков:

• самоорганизующаяся система является сложной, состоит из большого числа элементов;
• она открытая, неравновесная и нелинейная;
• при увеличении неравновесности системы выше определенного предела она переходит в неустойчивое состояние;
• выход из неустойчивости происходит скачком за счет быстрой перестройки элементов системы;
• при этом наблюдается согласованное поведение элементов системы, которое проявляется в переходе системы в качественно новое состояние с упорядоченной структурой (это может быть какая-либо пространственная или временная упорядоченность);
• выбор одного из возможных состояний случаен.

Осмысление различных  процессов самоорганизации привело  к становлению нового междисциплинарного направления в науке — синергетике. Эта наука изучает общие принципы, лежащие в основе всех явлений самоорганизации — в физике, химии, биологии, в технике и теории вычислительных систем, в социологии и экономике. Конкретными подсистемами, составляющими в совокупности сложную систему, могут быть электроны, фотоны, атомы, молекулы, живые клетки, нейроны мозга, части технических устройств или организмов, животные, люди, социальные образования. Таким образом, под синергетикой понимают теорию самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. Это новая наука, занимающаяся изучением возникновения, поддержания, устойчивости и распада самоорганизующихся структур, кооперативных эффектов в них.

Синергетика заметно  отличается от традиционной научной  дисциплины: она не сложилась пока как единая наука, а существует как бы в нескольких вариантах, отличающихся не только названиями, но и степенью общности, и полнотой результатов, и непосредственным предметом исследований. Важнейшим из таких вариантов синергетики можно считать неравновесную термодинамику (теорию диссипативных структур). Синергетическими теориями по существу являются математическая теория бифуркаций, теория хаоса, теория нелинейных колебаний и волн, нелинейная динамика, теория фазовых переходов и некоторые другие.

Можно сказать, что синергетика  на современном этапе ее развития — это совокупность общих идей о принципах самоорганизации и вместе с тем сумма общих математических методов для ее описания. Предпринимаются все более активные попытки использования этих идей и методов в экологии, медицине, социологии, экономике и вообще в области социально-гуманитарного знания.

5. В чем суть принципа  минимума диссипации энергии?

Принцип минимума потенциальной  энергии гласит, что все самопроизвольные процессы протекают в сторону уменьшения потенциальной энергии системы тел. Система склонна к переходу в состояние с минимальной потенциальной энергией.

1. Что означают термины: детерминизм, синергетика.

Синергетика - теория самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. Это новая наука, занимающаяся изучением возникновения, поддержания, устойчивости и распада самоорганизующихся структур, кооперативных эффектов в них. это совокупность общих идей о принципах самоорганизации и вместе с тем сумма общих математических методов для ее описания.

Детерминизм. Новый взгляд на концепцию детерминизма:

• в окружающем нас мире действуют и жесткий детерминизм, характерный для плавного, эволюционного развития систем,
• и случайность, характерная для состояния системы в точке бифуркации. После того как путь для системы выбран (один из многих возможных) вновь вступает в силу детерминизм.

6. Назовите четыре  категории симметрии.