Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Основные принципы и законы синергетики

СОДЕРЖАНИЕ

1. Основные принципы и законы синергетики…….………………………………………2

2.Характеристика современного антидарвинизма………………………………………...9

3.Задача………………………………………………………………..……………………….21

Основные принципы и законы синергетики.

Теория самоорганизации имеет давние истоки. Возможно, первым сформулированным принципом этой теории является принцип древнекитайской философии «ли» - принцип естественного порядка. Тысячелетнюю историю имеет идея о синергии Бога и человека.

Классическая термодинамика XIX в. изучала механическое действие теплоты, причём предметом её исследований были закрытые системы, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика ХХ в. изучает открытые системы в состояниях, далёких от равновесия. Это направление и получило название синергетики (от «синергия» - сотрудничество, совместное действие).

Синергетика возникла в 60-70 гг. ХХ в., но до сих пор её нельзя считать сложившейся наукой.

Синергетика—это наука о самоорганизации. Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, у которых мы живём.

С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, и не только механическую, но и работу по созиданию новых структур. Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества, она характеризует результат.

В XIX в. Ч.Дарвином была создана теория эволюции живой природы, которая выявила условия и механизмы возникновения новых видов жизни. Синергетика делает тоже самое в отношении неживых уровней организации материи – элементарных частиц и т.д.

Синергетика отвечает на вопрос, за счёт чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой. Для описания процессов самоорганизации уже нельзя пользоваться представлениями линейной термодинамики необратимых процессов.

Синергетический подход не вскрывает внутреннего механизма, не показывает, как связаны между собой макроскопические параметры порядка и характеристики явлений на микроуровне.

Синергетику часто связывают с именами Г. Хакена и И. Пригожина, называя их основоположниками синергетики.

Хакен дал такое определение синергетике: это спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счёт совместного, синхронного действия многих подсистем. Для самоорганизующихся систем непременным атрибутами являются сложное движение, описываемое нелинейными уравнениями, и пороговый характер возникновения. Хаотичное состояние содержит в себе неопределённость – вероятность и случайность, которые описываются при помощи понятий информации и энтропии. Случайное событие вызывает неустойчивость, а неустойчивость служит толком для возникновения новых конфигураций (мод). Зародышем самоорганизации служит вероятность; упорядоченность возникает через флуктуации, устойчивость – через неустойчивость.

Синергетика изучает системы, состоящие из огромного множества взаимодействующих частиц. Эта наука изучает общие принципы, лежащие в основе всех явлений самоорганизации. 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.

Основы этой науки были заложены применительно к физической химии профессором Свободного университета в Брюсселе Ильей Романовичем Пригожиным, награжденным за полученные им результаты Нобелевской премией. Он назвал эту науку наукой о самоорганизации, или наукой о сложном. Позже немецкий физик Г.Хакен успешно применил те же принципы к исследованию явлений в квантовых генераторах и предложил ныне широко используемое название «синергетика».

Важным понятием теории самоорганизации (синергетики) является критическая размерность пространства, в котором существует рассматриваемая система.

Одна из целей науки — это прогнозирование развития событий. Синергетика приближается к тому, чтобы понять механизмы самоорганизации сложных нелинейных систем и их балансирования на краю хаоса. Строит новое мировидение. Это наука о процессах развития и самоорганизации сложных систем произвольной природы. Её язык и методы во многом опираются на математику и точное естествознание, изучает эволюцию сложных систем.

Синергетика- это междисциплинарная исследовательская область, которая имеет дело с системами, состоящих из многих подсистем. Фокусирует своё внимание на ситуациях, в которых развиваются новые структуры.

Итак, весь процесс эволюции системы – процесс самоорганизации. Мир всё время меняется. Мы не можем утверждать, что процесс самоорганизации направлен на достижение состояния равновесия (под которым понимается абсолютный хаос), у нас нет для этого опытных оснований, гораздо больше данных для утверждения обратного - мир непрерывно развивается, и в этом изменении просматривается определённая направленность, отличная от стремления к равновесию. В процессе самоорганизации происходит непрерывное разрушение старых и возникновение новых структур, новых форм организации материи, обладающих новыми свойствами.

В. А. Копцик, дает такое определение этой науки: "Синергетика представляет собой современную теорию эволюции больших, сверхсложных, открытых, термодинамических неравновесных, нелинейных динамических систем, обладающих обратной связью и существующих лишь в условиях постоянного обмена веществом, энергией и информацией с внешней средой. К таким системам относятся: Вселенная, саморазвивающаяся природа, человеческое общество как ее (жизни) высшая форма и продукт создаваемой им самим (человечеством) материальной и духовной культуры. В этом списке находятся и бесконечно разнообразные подсистемы названных систем, характеризующиеся (на своих уровнях) синергетическими признаками". ( Такими как гомеостатичность, иерархичность, нелинейность, незамкнутость (открытость), неустойчивость, динамическая иерархичность, наблюдательность).

Важнейшим из вариантов синергетики можно считать неравновесную термодинамику. Синергетическими по существу теориями являются математическая теория бифуркаций, теория хаоса, теория нелинейных колебаний и волн, нелинейная динамика, теория фазовых переходов и некоторые другие.

Синергетика прогрессирует вместе с математическим аппаратом описания нелинейных и неустойчивых систем и соответствующими вычислительными методами. Эти методы опираются на использование компьютерного моделирования, поэтому синергетика могла возникнуть и развиваться только в эпоху мощной компьютерной техники. 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. На основе общих положений синергетики можно осмысливать ход исторического в исторических катаклизмах.

В открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым регулировать образование диссипативных структур. При неравновесных процессах, начиная с какого-то критического для данной системы значения внешнего потока, из неупорядоченных и хаотических состояний за счёт потери их неустойчивости могут возникнуть упорядоченные состояния. Упорядоченность может быть временная, пространственная и пространственно-временная.

Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка Бенара. В 1990 г. появилась статья Х.Бенара с фотографией возникшей структуры, которая напоминала пчелиные соты. Он наблюдал её в ртути, налитой в широкий сосуд, подогреваемый снизу. Слой ртути после того, как градиент температуры достиг некоего критического значения, распадался на одинаковые шестигранные призмы с определённым соотношением между стороной и высотой. В центральной части такой призмы жидкость поднималась наверх, а по граням – опускалась. По поверхности жидкость растекалась от центра к краям, а в придонном слое – к центру. Начиная с критического значения разницы температур, возникли устойчивые структуры, названные ячейками Бенара. Температурный градиент в данном случае называют инверсным, т.к. жидкость у нижней поверхности из-за теплового расширения имеет меньшую плотность, чем вблизи верхней. Из-за силы тяжести и выталкивающей архимедовой силы система оказывается неустойчивой, слои «хотят» поменяться местами. При меньшей разнице температур между поверхностями из-за вязкости движения жидкости не возникало, тепло распространялось лишь путём теплопроводности.

Хакен выделил коллективные процессы во всех самоорганизующихся системах: коллективно самоорганизуются молекулы в узлах кристаллической решётки, коллективно выстраиваются элементарные магнитные моменты (спины) в ферромагнетике, коллективно и согласованно самоорганизуются вихри внутри жидкости, порождая видимую на макроскопическом уровне структуру. Итак, кооперативность – общая черта процессов самоорганизации.

Для самоорганизующихся систем непременными атрибутами являются сложное движение, описываемое нелинейными уравнениями, и пороговый характер возникновения.

Синергетика достаточно полно раскрывается понятиями «неравновесность», «сложность», «нелинейность», «беспорядок». Неравновесность встречается как в замкнутых, так и в открытых системах: в замкнутых – за счёт начальных условий, в открытых – за счёт потоков энергии и вещества через границы системы из окружающей среды. Сложность в природе включает в себя как сложные системы, так и их сложное поведение. Сложность может быть физико-химической, биологической, алгоритмической и проявляться на различных условиях организации природы – космическом, планетарном, молекулярном и т.п.

Большое значение в настоящее время приобрело исследование хаоса и беспорядка. Беспорядок – это не только хаос, но также и нарушенный порядок. Имеются различные типы порядка (ячеистый, топологический, континуальный) и многочисленные конкретные модели беспорядка в рамках этих типов. Среди последних можно отметить беспорядок замещения, магнитный беспорядок, «ледовый» беспорядок, а так же более общие модели беспорядков, нарушающие соответственно модели ближнего и дальнего беспорядков.

Законы синергетики.

Процессы самоорганизации следуют определённым правилам, законам. К числу таких законов относятся, прежде всего, законы сохранения и 2-е начало термодинамики (да и другие законы тоже). Таким образом, среди мыслимо допустимых процессов в неживой природе существуют (наблюдаемы, или доступны наблюдению) лишь определённые классы движений, подчиняющиеся определённым правилам. Подобные же правила существуют в природе и обществе. Вот эти правила и называют принципами отбора. Иными словами, принципы отбора - это те же самые законы физики, химии, биологии, законы общественного развития, которые из мыслимо допустимых движений "отбирают" те, которые мы и наблюдаем.

Законы синергетики обеспечивают гармоничность и согласованность существования мира косного и мира живого.

1. Всякая целостность существующая в настоящем, содержит в себе прошлое и элементы будущего;

2. Любая целостность представлена в виде пространства (физического, газового, информационного и пр.), существует во времени, имеет свой способ локализации, консервации.

3. Любая целостность состоит из элементов, знаков, которые через свои признаки, значения связаны между собой и с другими целостностями, сохраняя свое качество или смысл.

4. Любая целостность может быть достигнута в бессознательном и сознательном понимании через выделение дискретных фактов, знаний, связанных между собой через различные формы взаимодействия, ассоциации, которые реализуются через умения и закрепляются в устойчивых связях и навыках.

5. Целостность памяти любого живого существа образуется взаимодействием трех видов памяти: знаковой, зрительной памятью, ассоциативной и смысловой или инстинктивной памятью.

Возможность изменения, развития и существования жизни обеспечивается законами флуктуации (переходить в «свое иное» состояние Ф. Гегель), Впервые эти законы обнаружил Сократ.

Характеристика современного антидарвинизма.

Элементы эволюционного естествознания.

Сама по себе идея эволюции изучается многими науками: создание последовательной теории эволюции потребовало привлечение многих идей из физики и химии. Отдельные эволюционные проблемы также изучались в рамках космологии и геологии. Например, в космологии рассматривается вопрос об эволюции галактик, то есть количественные и качественные изменения, которые претерпевают галактики за очень длительные промежутки времени. Сюда включается первоначальное обособление под действием гравитационных сил огромного газового облака — протогалактики, ее сжатие, процессы звездообразования и формирования различных звездных подсистем, гибель звезд, изменение химического состава межзвездной среды со временем. Очень часто говорят о звёздной эволюции - изменение со временем физических характеристик и химического состава звезд. Изучают звездную эволюцию на основе сопоставления физических характеристик множества звезд, находящихся на разных стадиях эволюции. Основные этапы звездной эволюции — образование протозвезды в результате гравитационной неустойчивости межзвездных газа и пыли, возникновение в центре сжимающейся звезды термоядерного источника энергии, превращение звезды в гиганта, а затем в белого карлика (для звезд солнечной массы), образование нейтронных звезд или черных дыр.

Теория эволюции в антропологии заслуживает отдельного рассмотрения. Происхождение человека, формирование когнитивных структур мозга, возникновение речи и письма, формирование памяти, мышления и способности к познанию природы – основные проблемы теории эволюции в антропологии. Рассматривая проблемы антропогенеза, уже выходишь за рамки природы. И в этом случае в поле зрения оказывается биосоциальная природа человека. Здесь важнейшее значение приобретают глобальные проблемы и кризисы человеческого общества. Многие понятия и терминология эволюционного естествознания были взяты из биологии. Принято говорить об онтогенезе и филогенезе основных природных объектов.

Теория эволюции занимает центральное положение в современной биологии. Именно в биологии, начиная с появления выдающейся работы Ч. Дарвина (1859 г.), эволюционные взгляды получили наибольшее развитие. Для самой биологии концепция эволюции имеет фундаментальное значение. Это привело к формированию ещё одной отрасли в биологии – эволюционной биологии, самостоятельная область знания о живой природе. Эволюционное учение в биологии - комплекс знаний об историческом развитии живой природы. Согласно эволюционному учению, все ныне существующие виды организмов произошли от ранее существовавших, путем длительного их изменения. Эволюция в биологии, это необратимое историческое развитие живой природы. Она определяется изменчивостью, наследственностью и естественным отбором организмов. Сопровождается приспособлением их к условиям существования, образованием и вымиранием видов. Создание Дарвином первой теории эволюции сыграло выдающуюся роль для всего естествознания. Конечно, за прошедшее время теория эволюции Дарвина прошла ещё очень большой путь развития, но основные идеи Дарвина оказались верны до сих пор. С современной точки зрения исходные идеи теории эволюции, заложенные Дарвином, применимы к любому эволюционному процессу в естествознании.

Теория эволюции в эпоху Нового времени.

Если говорить о теории эволюции органического мира необходимо знать, как развивались представления о развитии жизни на земле, как формировались эволюционные взгляды. Ещё в древнем мире были собраны некоторые сведения о живой природе. Систематическим изучением животных занимался Аристотель. Он описал более 500 видов различных организмов и расположил их в определённом порядке. Вместе с учениками Аристотель изучал строение растений. На протяжении всего средневековья труды Аристотеля были основой представлений о живой природе. Интерес к биологии возрос в Эпоху Великих географических открытий (XVв.) и развития товарного производства. Интенсивная торговля и открытие новых земель расширяли сведения о животных и растениях. Ботаники и зоологи описывали множество новых, невиданных ранее растений и животных. В практических целях они указывали, какими полезными или вредными свойствами обладают эти растения и животные. Быстро накапливающиеся знания требовали упорядочности и необходимости их систематизировать. Тогда стали создаваться практические системы, в которых растения и животные объединялись в группы в зависимости от их пользы для человека. Например, выделяли лекарственные растения, садовые и огородные культуры.

Теория эволюции Карла Линнея.

На протяжении XVI-XVIIIвв. продолжалась непрерывная и увлекательная работа по описанию животных и растений, по их классификациям. Большой вклад в создание системы природы в XVIIIв. внёс выдающийся шведский естествоиспытатель К. Линней. Он был талантливым, неутомимым исследователем, все свои силы и наблюдения многочисленных путешествий он употребил на создание классификации растительного и животного мира. Впервые последовательно применил бинарную номенклатуру и построил наиболее удачную искусственную классификацию растений и животных, описал около 1500 видов растений. В своём основном труде «Система природы» (1735 г.), он сформулировал принцип классификации животных и растений. За единицу классификации он принял вид – совокупность особей, сходных по строению. К. Линней установил единообразную терминологию и порядок описания видов. Он объединил по строению цветка сходные виды в роды, сходные роды – в отряды, а отряды – в классы. Таким образом, он положил принцип иерархичности т. е подчинённости. Это был очень важный шаг на пути к установлению естественной системы. Линней закрепил использование в науке бинарной номенклатуры для обозначения видов. С тех пор каждый вид называется двумя словами: первое слово означает род и является общим для всех входящих в него видов, второе слово есть само видовое название.

С развитием науки в систему были введены некоторые дополнительные категории: семейство, подкласс, тип и другие. Но принцип построения систем, созданный Линнеем остался неизменным. Например, таким образом можно описать систематическое положение домашней кошки. Кошка домашняя, входит в род мелких кошек семейства кошачьих, отряд хищных, класс млекопитающих, подтип позвоночных, тип хордовых. К. Линней создал самую совершенную для того времени систему органического мира и включил в неё всех известных на тот момент животных и растений. Он во многих случаях правильно объединил виды организмов по сходству строения. Однако выбор для классификации одного признака привёл к ряду ошибок. Учёный выступал в защиту постоянства видов и креационизма. Система К. Линнея была искусственной, потому что отражала родство и сходство растений и животных по совокупности существенных черт строения, и не указывала на единство происхождения живых организмов. Это определялось тем, что в те времена господствовали религиозные представления и учёные полагали, что виды организмов созданы независимо друг от друга Творцом и неизменимы. И все поиски естественной системы природы означали для биологов попытки проникновения в план творения Бога. Такое представление о создании неживого и живого мира Богом и о неизменности видов получило название креационизма. Но, несмотря на это, все остальные глобальные открытия других учёных того времени можно было сделать только после гигантского труда К. Линнея.

Теория эволюции Ж.-Б. Ламарка.

Несмотря на господство взглядов о неизменности живой природы биологи продолжали накапливать материал, который противоречил этим представлениям. Открытие микроскопа в XVIIв. и его применение в биологических исследованиях значительно расширили кругозор учёных. Появилась наука эмбриология, возникла палеонтология. Ученым, создавшим первую эволюционную теорию, был выдающийся французский естествоиспытатель Ж.-Б. Ламарк (1744 - 1829). Своими трудами он внёс огромный вклад в биологию. Именно Ж.-Б. Ламарк ввел в 1802г. термин «биология». Создал учение об эволюции живой природы (ламаркизм). Он автор первой научной сводки по флоре Франции (1778г.). Занимаясь систематикой животных он обратил внимание на сходство существенных черт строения у животных, не относящихся к одному виду. На основе сходства Ж.-Б. Ламарк выделил 10 классов беспозвоночных вместо двух классов у К. Линнея. Можно сказать, что Ж.-Б. Ламарк заложил основы естественной систематики. Он же впервые поставил вопрос о причинах сходства и различия животных. Впервые этот учёный уверено заявил, что не Бог создал организмы разной степени сложности, а природа на основе естественных законов. Он впервые высказал представление о связи эволюции живых организмов с изменениями условий окружающей среды. Ламарк пришёл к эволюционной идее – идее исторического развития органического мира. Заслуга Ламарка заключается в том, что эта эволюционная идея у него была тщательно разработана, подкреплена многочисленными фактами и выводами, и именно поэтому её можно называть теорией. В основе её лежит стройное представление о развитии, постепенном и медленном, и о роли внешней среды в преобразовании организмов. Основной труд Ламарка «Философия зоологии» был опубликован в 1809г. в нём Ламарк приводит многочисленные доказательства измены видов. Он видел в изменяющихся условиях окружающей среды движущую силу эволюции органического мира. Согласно Ламарку, изменения в окружающей среде вели к изменениям в потребностях животных, и из-за этого было изменение их жизнедеятельности. В течение одного поколения, считал он, в случае перемен в функционировании органа появляются наследственные изменения в этом органе. При этом постоянное упражнение органов укрепляет их, а отсутствие упражнений ослабляет. Поэтому получается, что возникают новые органы, а старые исчезают. Таким образом, Ламарк полагал, что приобретённые под влиянием внешней среды изменения в живых организмах становятся наследственными и служат причиной образования новых видов. Но передача по наследству этих приобретенных изменений ни Ламарком, ни кем-либо из его последователей доказана не была. Изменения строения живых организмов и образования новых видов происходят, по его мнению, очень медленно и поэтому незаметны. Важная роль в возникновении новых видов в историческом прошлом отводится постепенным переменам гидрогеологического режима на поверхности Земли и климатических условий. Учёный включил два важных фактора: время и условия внешней среды. Это стало принципиально новым по сравнению с представлениями сторонников неизменности видов.

Ж.-Б. Ламарк считал, что в основе образования новых видов лежат два механизма: во-первых, стремление организмов к самосовершенствованию, и, во-вторых, прямое влияние внешней среды на развитие признаков. Эти взгляды оказались ошибочными. Но огромная заслуга его теории в том, что впервые был выдвинут, в качестве главной причины изменяемости видов условия внешней среды.

Эволюционная теория Ж.-Б. Ламарка не получила признания современников. Доказательства причин изменяемости видов были не достаточно убедительными. Отводя решающую роль в эволюции прямому влиянию внешней среды, упражнению или неупражнению органов и наследованию приобретённых признаков, Ламарк не мог объяснить возникновение ряда приспособлений. Объяснить факт приспособления с позиции теории Ж.-Б. Ламарка невозможно. Взгляды Ламарка на эволюцию живой природы не получили должного обоснования. Однако это не умаляет его заслуги как создателя первого в истории науки целостного, систематического эволюционного учения.

Хотя представления о неизменности видов окончательно не были поколеблены, их сторонникам становилось всё труднее объяснить новые факты, которые открывали биологи. Клеточная теория, разработанная Т. Шванном, доказывала принципиальное единство живого мира. В переднем отделе пищеварительной трубки зародышей птиц были обнаружены жаберные щели. У наземных животных эти жаберные щели никак нельзя было объяснить иначе, чем происхождением их от предков, обитавших в водной среде.

Успехи анатомии и палеонтологии. Теория катастроф.

В первой четверти XIXв. были достигнуты значительные успехи в сравнительной анатомии и палеонтологии. Большие заслуги в развитии этих областей биологии принадлежат французскому зоологу Ж. Кювье (1769-1832гг.) Он один из реформаторов сравнительной анатомии, палеонтологии и систематики животных. Ввел понятие типа в зоологии. Установил принцип «корреляции органов», на основе которого реконструировал строение многих вымерших животных. Исследуя строение органов позвоночных животных, он установил, что все органы животного представляют собой части одной целостной системы. И из-за этого строение каждого органа закономерно соотносится со строением всех других. Ни одна часть тела не может изменяться без соответствующих изменений других частей. Это значит, что в строении каждой части тела можно найти отражение принципов строения всего организма. Например, если животное травоядное у него строение зубов приспособлено для перетирания растительной пищи, челюсти имеют определённую форму, желудок многокамерный и т.д. Tакое соответствие строения органов животных друг другу Ж. Кювье назвал принципом корреляций. Руководствуясь этим принципом, он успешно изучал кости вымерших животных и восстанавливал их облик. Сравнительно - анатомические исследования показали единство плана строения крупных групп животных – птиц, зверей. Реконструкция строения ископаемых животных позволила установить черты сходства некоторых из них с современными. Возникла мысль о родстве вымерших и существующих форм.