Достижения современного естествознания: информационные технологии

Содержание

1. Достижения современного естествознания: информационные технологии
2. Начала термодинамики
3. Понятие « Энтропия». Тепловая смерть Вселенной
4. Строение и свойство атома углерода, определившее его роль в природе
5. Эволюция. Геологические эры и эволюция  жизни

            Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Достижения современного естествознания: информационные технологии

Современная, удивительно многообразная техника  выросла из естествознания, которое  и по сей день является основной базой для развития многочисленных перспективных направлений.от наноэлектроники  до сложнейшей космической техники, и это очевидно для многих.Удовлетворение все возрастающих потребностей общества при неуклонном росте народонаселения  земного шара требует резкого  повышения эффективности всех сфер общественной деятельности, непременным  условием, которого выступает адекватное повышение эффективности информационного  обеспечения. Под информационным обеспечением понимается предоставление необходимой  информации с соблюдением требований своевременности, актуальности и толерантности  выдаваемой информации. Решение весьма важной проблемы повышения эффективности информационного обеспечения чаще всего связывается с абсолютизацией роли средств электронно-вычислительной техники (ЭВТ), которые представляются в виде универсальных преобразователей в самой широкой интерпретации понятия универсальности. В теоретическом отношении абсолютизация роли ЭВТ неизбежно ведет к существенному сужению рамок и неадекватности интерпретации того научного направления, которое уже почти повсеместно получило название информатики и вполне обоснованно представляется как научно-методологический базис информатизации современного общества. А поскольку информатизация общества уже в настоящее время (не говоря о перспективе) приобретает решающее значение в обеспечении его жизнедеятельности, то сужение рамок и неадекватная интерпретация научно-методологического базиса информатизации таят в себе серьезную угрозу выработки неадекватных (и даже ложных) решений со всеми вытекающими последствиями.

      Информатика — наука, изучающая информационные процессы и системы в социальной среде, их роль, методы построения, механизм воздействия на человеческую практику, усиление этого воздействия с помощью вычислительной техники. Возникла как дополнение и конкретизация теории информации из потребностей автоматизации социально-коммуникативных процессов и начала формироваться в 70-е годы как научная база использования электронных вычислительных машин в управлении, науке, проектировании, образовании, сфере услуг и т. д.

      Но  если средства ЭВТ предоставляют  все необходимые и достаточные  условия для эффективного решения  всех проблем информатизации общества, то в рамках информатики должны быть сформулированы и научно обоснованы концепции рационального решения  этих проблем. Работы в данном направлении  интенсивно ведутся весьма продолжительное  время. Наиболее общим их результатом  стала концепция так называемого искусственного интеллекта, которая и предлагается в качестве основного базиса решения проблем информатизации.

      Первые  работы по искусственному интеллекту велись, с учетом предпосылки, что  человек не может мыслить без  мозга, но может создать мозг, который  будет мыслить без человека. Когда  задача в такой постановке оказалась  нерешимой, она была сужена до уровня разработки так называемых эвристических  программ, которые имитировали бы мыслительные функции мозга человека. Комплексированием таких программ предполагалось создать системы, способные  решать интеллектуальные задачи без  участия человека. Из проектов подобных систем наибольшую известность получил  универсальный комплекс эвристических  программ, параметрически настроенный  на решение широкого спектра интеллектуальных задач.

      Когда в данной постановке задачу решить не удалось (с помощью эвристических  программ решались лишь такие задачи, которые только с натяжкой могут  быть отнесены к интеллектуальным), ее постановка была еще более сужена и сведена до разработки так называемых экспертных систем, каждая из которых  представляет собой комплекс программ, способных воспринимать, синтезировать, хранить и выдавать информацию о  способах и методах решения задач  соответствующего класса экспертами — специалистами определенного профиля. Предполагается, что после накопления и обработки достаточно большого объема сведений, поступивших от экспертов, такие системы могут стать эффективными советчиками широкому кругу специалистов данного профиля при решении ими сложных задач. В теории и практике искусственного интеллекта данное направление получило название инженерии знаний. Такое название объясняется тем, что поступающая от экспертов информация представляет собой знания по соответствующей специальности, а посредниками между экспертами и экспертными системами выступают специалисты особого профиля — инженеры знаний.

      Инженерия знаний в настоящее время представляется последним достижением в области  искусственного интеллекта, хотя сведения о широком и высокоэффективном  применении экспертных систем на практике пока отсутствуют.

      С учетом потребностей общества в процессе изучения и представления информационных задач решаются в основном две  проблемы структуризации: технологических  схем осуществления изучаемых видов  деятельности и той информации, которая  необходима для реализации указанных  схем на регулярной основе. Содержание данных проблем и подходы к  их решению рассмотрим на примере  такой важной сферы деятельности, как управление в организационных  системах, составной частью которых  может быть и экономическая деятельность.

      Излишне доказывать, что управление относится  к одной из наиболее нуждающихся  в информационном обеспечении сфер деятельности. Более того, если понятие  управления интерпретировать расширенно, можно утверждать, что информационное обеспечение управления есть монопольная  задача информатики. В то же время  общеизвестно, что управление — наименее продвинутая в плане информатизации сфера деятельности. Попытки лобового решения этой задачи путем массового внедрения печально известных АСУ — автоматизированных систем управления (они внедрялись почти в каждой структурной единице, включая многочисленные организации и предприятия) оказались безуспешными, особенно в экономической сфере деятельности. Углубленный и беспристрастный анализ опыта разработки и использования АСУ привел к выводу: основной причиной их низкой эффективности оказалась неподготовленность самих процессов управления. Новые средства и методы обработки информации внедрялись в старую технологию управления.

      Под структуризацией какой-либо системы  или какого-либо процесса понимается расчленение системы или процесса на составные компоненты, четкое определение  и упорядочение содержания и организации  каждого компонента, характера и  содержания взаимосвязей между ними.

      Применительно к управлению содержание структуризации может быть представлено следующим  образом: формирование и обоснование  необходимого и достаточного перечня  функций управления; разработка и  обоснование алгоритмов (последовательности и содержания ) осуществления каждой из функций; объединение алгоритмов осуществления функций в единый алгоритм — технологическую схему управления.

      Совокупность  решений указанных вопросов методологии  структуризации управления вместе с  их научным обоснованием составляет предмет конструктивной теории управления, находящейся в настоящее время  на стадии становления.

      Один из важных вопросов разработки концепции информатизации заключается в создании унифицированной в широком спектре приложений и полностью структурированной информационной технологии, охватывающей процессы сбора, накопления, хранения, поиска, переработки и выдачи всей информации, необходимой для информационного обеспечения деятельности.

      Чтобы информационная технология была унифицированной  в широком спектре приложений, в неменьшей степени должны быть унифицированы: представление об информации, т. е. ее классификация и описание параметров основных видов, выделенных в классификационной структуре; структура и общее содержание информационного потока, т. е. процессов генерирования, фиксации и циркуляции информации в целях информационного обеспечения деятельности; перечень и содержание процедур обработки информации во все время и на всех этапах информационного обеспечения деятельности; перечень и содержание методов решения задач обработки информации.

      Перечисленные проблемы (особенно последние две) оказались  достаточно сложными, однако к настоящему времени не только доказана принципиальная возможность их решения, но и получены конкретные решения, представляющиеся достаточно эффективными: обоснована системная классификация информации; построена унифицированная структура  информационного потока; доказана возможность  разделения всех процедур обработки  информации на три унифицированных  класса задач — информационно-поисковые, логико-аналитические и поисково-оптимизационные и осуществлена детализация задач в пределах каждого класса; произведена систематизация методов решения задач каждого класса. А это означает, что уже создана практически полная совокупность предпосылок, необходимых для построения унифицированной информационной технологии и полной ее структуризации.

      Возможности унификации информационных технологий открывают широкие перспективы  развития как самих технологий, так  и информатики в целом. На основе естественно-научных предпосылок  уже в настоящее время может  быть создана и реализована информационная технология, унифицированная в такой  степени, что, с одной стороны  она может использоваться в различных  сферах деятельности без дополнительной трансформации и адаптации, а  с другой — она может быть стабильной, не нуждаться в принципиальном совершенствовании достаточно продолжительное время.

      Современная вычислительная техника, в том числе  и персональные компьютеры, — это продукт поступательного развития естествознания на протяжении длительного времени, результат кропотливой работы естествоиспытателей многих поколений и прежде всего ученых и специалистов разных и в то же время смежных отраслей естественных наук: в первую очередь механики, на всех этапах развития весьма важной математики, с все возрастающей ролью физики, сравнительно молодой микроэлектроники, зарождающейся наноэлектроники и др. Совершенно очевидно, что крупные достижения, прежде всего в физике во второй половине XX в. послужили базой для стремительного развития средств вычислительной техники. Поэтому неслучайно в развитии средств вычислительной техники выделяют четыре поколения, непосредственно связанных с открытиями в прикладной физике.

      ЭВМ первого поколения (40-е — начало 50-х годов) базировались на электронных лампах. С появлением дискретных полупроводниковых приборов связывают второе поколение ЭВМ (середина 50-х — 60-е годы). В 60-е годы создано третье поколение ЭВМ, основанное на интегральных микросхемах. Середина 60-х годов считается началом разработки ЭВМ четвертого поколения, элементная база которых включает большие интегральные схемы. В последнее время проводятся интенсивные работы по освоению не только модернизированной элементной базы ЭВМ, но и принципиально новых средств накопления, хранения и об-раб9тки информации для создания более совершенных ЭВМ следующих поколений.

      ЭВМ 40-х и 50-х годов представляли собой  крупногабаритные устройства, занимавшие огромные помещения. На их создание тратились  колоссальные деньги, и поэтому они  были доступны только лишь крупным  учреждениям и компаниям. Благодаря  применению передовых технологий, основанных на развитии естествознания в целом, современные ЭВМ стали гораздо  компактнее и существенно дешевле. По сравнению с большими ЭВМ и мини-ЭВМ персональные компьютеры выгодны для многих деловых применений. Без преувеличения можно сказать, что персональный компьютер стал важным инструментом в условиях рыночной экономики.

      Стремительный рост индустрии персональных компьютеров  объясняется и другими не менее  важными особенностями, присущими  персональным компьютерам: простота пользования, обеспеченная диалоговым взаимодействием  пользователя с компьютером; удобные  и понятные программы, включающие меню, подсказки, "помощь" и т.п.; возможность  индивидуального взаимодействия с  компьютером без посредника; относительно большие возможности по переработке  информации (типичная скорость — не менее миллионов операций в секунду, емкость оперативной памяти — десятки и более Мбайт; емкость жестких дисков — несколько сотен и более Мбайт); высокая надежность;

      Возможность сочетания ЭВМ с уже существующими  и вновь создаваемыми машинами и  системами машин освобождает  человека от физического труда, связанного с тяжелыми, а иногда вредными и  опасными условиями, а также с  монотонными, однообразными, утомительными  и нетворческими действиями.

      В 90-е годы создаются на базе персональных компьютеров мультимедийные системы  со все возрастающим влиянием их на различные сферы деятельности. Попытаемся рассмотреть их с точки зрения диалектического единства и борьбы противоположностей. Но прежде всего о самом предмете рассмотрения и о том, как его представляют популярные периодические издания, чаще всего в рекламных целях.

      Мультимедиа — это объединение нескольких каналов передачи информации от машины к человеку: звук, изображение, реже — движение реальных предметов. Подразумевается и обратная связь — действия человека должны напрямую и существенно влиять на ход событий в системе. Разработчики современных мультимедийных систем стремятся к возможно более точному моделированию реальности, созданию виртуального мира, в котором человек мог бы совершать то, что недоступно ему в реальности, и в котором он занимал бы ведущее место. Для этого прилагаются всевозможные усилия. Так, создан специальный шлем, позволяющий получить сразу несколько преимуществ: улучшенное восприятие стереофонического (объемного) звучания, возможность создания стереоскопического изображения. Специальные датчики следят за поворотами головы человека, и на мини-дисплеях меняется видеоинформация перед его глазами сообразно той картине, которую он должен увидеть, повернувшись.

      Создание  искусственной информационной природы — мультимедийной среды с ее альтернативной реальностью — виртуальным миром — имеет в определенном смысле те же характерные признаки. Исходная задача создания искусственной информационной природы заключалась, прежде всего, в управлении машинами. В качестве примера можно привести первый автоматический регулятор паровой машины Уатта. Усложнялась конструкция машин, и вместе с этим становились все сложнее устройства управления, многие из которых по "интеллектуальным" возможностям превосходят даже самого подготовленного специалиста. Профессионалы создают устройства управления микроклиматом жилища, различными средствами транспорта и технологическими комплексами. Программирование работы устройств искусственной информационной природы требует знания не только возможностей технических средств управления, их структуры и специфики, но и свойств рецепторного и рефлекторного аппаратов человека, а также законов психологии восприятия визуальных, акустических и тактических образов.

      Программы функционирования таких устройств  довольно сложны и доступны лишь узкому кругу специалистов. И вне всякого  сомнения развитие работ в данном направлении вполне органично вписывается  в более общую проблему совершенствования  мультимедийных систем — именно в этом проявляется их неоспоримое положительное качество.

      Стремительный рост информационного потока активизирует защитную реакцию человека, и неосознанно  начинает появляться желание отгородиться от внешнего информационного воздействия: люди нашего поколения, как никогда  ранее, почувствовали усталость  от различного рода политической информации и прежде всего от явных идеологических спекуляций. В этом заключается одна из причин чрезвычайно большой популярности современной аудио- и видеотехники, позволяющей в определенной степени отгородиться от внешнего информационного потока. Но при этом не нужно забывать, что. индивидуальные устройства памяти любых любимых видео- и аудиосюжетов выбираются из общего идеологического "корыта", заполняется которое чаще всего зарубежными "доброжелателями", преследующими вполне определенные политические цели. 

2. Начала термодинамики

Термодинамика  -         наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями. Термодинамика  строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности в соотношениях между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, имеют универсальный характер.         

 Первое  начало термодинамики. Существуют  два принципиально различающихся  способа изменения состояния  системы: первый связан с работой  системы по перемещению на  макроскопические расстояния окружающих  тел (или работой этих тел  над системой); второй — с сообщением  системе теплоты (или с отводом  теплоты) при неизменном расположении  окружающих тел. В общем случае  переход системы из одного  состояния в другое связан  с сообщением системе некоторого  количества теплоты ΔQ и совершением  системой работы ΔА над внешними  телами. Как показывает опыт, при  заданных начальном и конечном  состояниях ΔQ и ΔА существенно  зависят от пути перехода. Другими  словами, эти величины являются  характеристиками не отдельного  состояния системы, а совершаемого  ею процесса. Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл (то есть возвращается в конечном счёте в исходное состояние), то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе.        

 Первое  начало Термодинамики представляет  собой по существу выражение  закона сохранения энергии для  систем, в которых существенную  роль играют тепловые процессы. Энергетическая эквивалентность  теплоты и работы, то есть возможность  измерения их количеств в одних  и тех же единицах и тем  самым возможность их сравнения  была доказана опытами Ю. Р. Майера (1842) и особенно Дж. Джоуля. Первое начало термодинамики было сформулировано Майером, а затем в значительно более ясной форме Г. Гельмгольцем (1847). Приведённая выше формулировка первого начала равнозначна, очевидно, утверждению о невозможности вечного двигателя) 1-го рода.        

 Из  первого начала следует, что  в случае незамкнутого процесса (когда система не возвращается  в исходное состояние) разность  ΔQ — ΔА ≡ ΔU хотя и  не равна, вообще говоря, нулю, но во всяком случае не зависит от пути перехода между данными состояниями. Действительно, произвольный процесс в обратном направлении образует с каждым из прямых процессов замкнутый цикл, для которого указанная разность обращается в нуль. Таким образом, ΔU представляет собой приращение величины U, имеющей в каждом состоянии вполне определённое значение, или, как говорят, являющейся функцией состояний системы. Эта величина называется внутренней энергией (или просто энергией) системы. Таким образом, из первого начала Т. вытекает, что существует характеристическая функция состояния системы — её энергия. Если речь идёт об однородном теле, которое способно совершать работу только при изменении объёма, то ΔА = pdV и бесконечно малое приращение (дифференциал) U равно:         

dU = dQ –  pdV, (1)        

где dQ —  бесконечно малое приращение теплоты, не являющееся, однако, дифференциалом какой-либо функции. При фиксированном  объёме (dV = 0) вся сообщаемая телу теплота  идёт на приращение внутренней энергии, и поэтому, в частности, Теплоёмкость тела при постоянном объёме cv = (dU/dT) v. Вводя другую функцию состояний H = U + pV (энтальпию), дифференциал которой         

dH = dU + Vdp, (2)

можно получить выражение для теплоёмкости, измеряемой при постоянном давлении: ср = (dH/dT) p. В случае идеального газа, который описывается уравнением состояний Клапейрона pV = nRT (n — число  молей газа в объёме V, R — Газовая постоянная), как свободная энергия, так и энтальпия определённой массы газа зависят только от Т, что подтверждается, например, отсутствием охлаждения в процессе Джоуля — Томсона. Поэтому для идеального газа cp — cv = nR.        

 Второе  начало термодинамики. Запрещая  вечный двигатель 1-го рода, первое  начало Т. не исключает возможности  создания такой машины непрерывного  действия, которая была бы способна  превращать в полезную работу  практически всю подводимую к  ней теплоту (так называемый  вечный двигатель 2-го рода). Однако  весь опыт по конструированию  тепловых машин, имевшийся в  начале 19 в., указывал на то, что  кпд этих машин (отношение затраченной  теплоты к полученной работе) всегда существенно меньше единицы:  часть теплоты неизбежно рассеивается  в окружающую среду. С. Карно первым показал (1824), что это обстоятельство имеет принципиальный характер, то есть любая тепловая машина должна содержать помимо нагревателя (источника теплоты) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пара), также и холодильник, имеющий температуру, обязательно более низкую, чем температура нагревателя. Второе начало термодинамики представляет собой обобщение вывода Карно на произвольные термодинамические процессы, протекающие в природе. Р. Клаузиус (1850) дал 2-му началу следующую формулировку: теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. Независимо в несколько иной форме этот принцип высказал У. Томсон (Кельвин) в 1851: невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (совершению механической работы) и соответствующему охлаждению теплового резервуара. Несмотря на качественный характер этого утверждения, оно приводит к далеко идущим количественным следствиям.         

 Прежде  всего оно позволяет определить  максимальный кпд тепловой машины. Если машина работает на основе  цикла Карно , то на протяжении изотермического контакта с нагревателем (Т = T1) рабочее тело получает количество теплоты Δ Q1, а на другом изотермическом участке цикла, находясь в контакте с холодильником (Т = Т2), отдаёт ему количество теплоты Δ Q2. Отношение ΔQ2/ΔQ1 должно быть одним и тем же у всех машин с обратимым циклом Карно, у которых одинаковы соответственно температуры нагревателей и холодильников, и не может зависеть от природы рабочего тела. Если бы это было не так, то машину с большей величиной указанного отношения можно было бы заставить работать в обратном направлении (поскольку циклы обратимы), приводя её в действие с помощью машины с меньшей величиной отношения. Эта комбинированная машина обладала бы тем свойством, что в ней теплота от холодильника передавалась бы нагревателю без совершения работы. Согласно 2-му началу Т. это невозможно, и поэтому отношение ΔQ2 /ΔQ1 у обеих машин должно быть одинаковым. В частности, оно должно быть тем же, что и в случае, когда рабочим телом является идеальный газ. Здесь это отношение легко может быть найдено, и, таким образом, оказывается, что для всех обратимых циклов Карно        

Это выражение  называется пропорцией Карно. В результате для всех машин с обратимым  циклом Карно кпд максимален и  равен η= (T1 — T2)/T1. В случае, если цикл необратим, то кпд оказывается меньше этой величины. Необходимо подчеркнуть, что пропорция Карно и кпд  цикла Карно имеют указанный  вид только в том случае, если температура измерена в абсолютной температурной шкале. Пропорция  Карно положена в основу определения  абсолютной температурной шкалы. Следствием 2-го начала Т. (пропорции Карно) является существование энтропии как функции состояний. Если ввести величину S, изменение которой при изотермическом обратимом сообщении системе количества теплоты ΔQ есть ΔS = ΔQ/T, то полное приращение S в цикле Карно будет равно нулю; на адиабатических участках цикла ΔS = 0 (так как ΔQ = 0), а изменения на изотермических участках компенсируют друг друга. Полное приращение S оказывается равным нулю и при осуществлении произвольного обратимого цикла, что доказывается разбиением цикла на последовательность бесконечно тонких циклов Карно (с малыми изотермическими участками). Отсюда следует (как и в случае внутренней энергии), что энтропия S является функцией состояния системы, то есть изменение энтропии не зависит от пути перехода. Используя понятие энтропии, Клаузиус (1876) показал, что исходная формулировка 2-го начала Т. полностью эквивалентна следующей: существует функция состояния системы, её энтропия S, приращение которой при обратимом сообщении системе теплоты равно        

dS = dQ/T; (4)        

при реальных (необратимых) адиабатических процессах  энтропия возрастает, достигая максимальное значения в состоянии равновесия.         

 Термодинамические  потенциалы. Определение энтропии  позволяет написать следующие  выражения для дифференциалов  внутренней энергии и энтальпии:          

 dU = TdS – pdV, dH = TdS + Vdp. (5)        

Отсюда  видно, что естественными независимыми параметрами состояния для функций U и Н являются соответственно пары S, V и S, р. Если же вместо энтропии в качестве независимого параметра используется температура, то для описания системы  более удобны свободная энергия  (Гельмгольцева энергия, или изохорно-изотермический потенциал) F = U — TS (для переменных Т и V) и термодинамический потенциал G = Н — TS для переменных Т и р (Гиббсова энергия, или изобарно-изотермический потенциал), дифференциалы которых равны         

 dF = – SdT – pdV, dG = –SdT + Vdp. (6)        

Функции состояний U, Н, F и G называются потенциалами термодинамическими системы для  соответствующих пар независимых  переменных. Метод термодинамических  потенциалов (Дж. Гиббс, 1874—1878), основанный на совместном применении 1-го и 2-го начал  Т., позволяет получить ряд важных термодинамических соотношений  между различными физическими свойствами системы. Так, использование независимости  вторых смешанных производных от порядка дифференциро 

3. Понятие « Энтропия».  Тепловая смерть  Вселенной

Энтропия (от греч. entropia - поворот, превращение) - мера неупорядоченности больших  систем. Впервые понятие "энтропия" введено в XIX в. в результате анализа  работы тепловых машин, где энтропия характеризует ту часть энергии, которая рассеивается в пространстве, не совершая полезной работы (отсюда определение: энтропия - мера обесценивания энергии). Затем было установлено, что энтропия характеризует вероятность определенного состояния любой физической системы среди множества возможных ее состояний. В закрытых физических системах все самопроизвольные процессы направлены к достижению более вероятных состояний, т. е. к максимуму энтропии . В равновесном состоянии, когда этот максимум достигается, никакие направленные процессы невозможны. Отсюда возникла гипотеза о тепловой смерти Вселенной. Однако распространение на всю Вселенную законов, установленных для закрытых систем, не имеет убедительных научных оснований. В XX в. понятие " энтропия " оказалось плодотворным для исследования биосистем, а также процессов передачи и обработки информации. Эволюция в целом и развитие каждого организма происходит благодаря тому, что биосистемы, будучи открытыми, питаются энергией из окружающего мира. Но при этом биопроцессы протекают таким образом, что связанные с ними "производство энтропии " минимально. Это служит важным руководящим принципом и при разработке современных технологических процессов, при проектировании технических систем. Количественная мера информации формально совпадает с "отрицательно определенной " энтропией. Но глубокое понимание соответствия энтропии физической и информационной остается одной из кардинальных недостаточно исследованных проблем современной науки. Ее решение послужит одним из важных факторов становления нового научно-технического мышления.