Научно-техническая революция. 7

31. Научно-техническая  революция (первая половина XX в.) и ее естественно-научная составляющая. Естествознание на пороге четвертой  научной революции, какой?

Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в первой половине XX века, подготовили уникальное в истории общества событие, получившее наименование научно-технической революции (НТР).

Естественнонаучные и  технические революции, имевшие  место в истории общества, никогда  ранее не совпадали, не сливались  в единый поток. Они происходили  порознь. Особенностью второй половины XX столетия стали революции в естествознании и в технике, которые не только совпали по времени, но и оказались глубоко связанными между собой. Единство этого революционного процесса адекватно отразилось в самом понятии «научно-техническая революция».

Современной научно-технической  революции предшествовал своеобразный подготовительный период, относящийся к первой половине XX в. Именно в этот период были сделаны важные естественнонаучные открытия, заложившие фундаментальные основы последующего грандиозного научно-технического переворота. Среди естественнонаучных направлений, в значительной степени определивших наступление НТР, были атомная физика и молекулярная биология.

Важной вехой в драматической  истории атомного века стало экспериментальное  наблюдение в конце 30-х годов немецкими  физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом процесса деления ядер урана и объяснение этого явления в работе Л. Майтнер и О. Фриша. Стало ясным, что физикам удалось осуществить цепную ядерную реакцию, которая может привести к ядерному взрыву с выделением огромной энергии. Это открытие привело в середине 40-х годов к созданию в США первой атомной бомбы.

Советский Союз во второй половине 40-х годов предпринял беспрецедентные усилия для создания собственной атомной бомбы. При этом вклад отечественных ученых в решение проблем атомной физики оказался достаточно весомым. Не случайно СССР стал пионером в освоении «мирного атома» (первая в мире атомная электростанция была пущена в 1954 году в городе Обнинске).          

XX в. в целом и особенно  его вторая половина, характеризовавшаяся научно-технической революцией, принесли громадные достижения в области молекулярной биологии. На основе полученных данных о структуре живого вещества удалось воссоздать строение ряда белков и полипептидных гормонов, а также синтезировать некоторые менее сложные вещества. Химия белков, которая ранее казалась малоперспективной областью естествознания, выдвинулась на передний край науки, а раскрытие в середине XX века структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии. Наибольших успехов биологическая наука достигла в последние десятилетия, когда она сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий.

Отмеченные выше достижения в области атомной физики и биологии, а также появление кибернетики обеспечили естественнонаучную основу первого этапа НТР, начавшегося в середине XX в. и продолжавшегося примерно до середины 70-х годов. Основными техническими направлениями этого этапа НТР стали атомная энергетика, электронно-вычислительная техника (явившаяся технической базой кибернетики) и ракетно-космическая техника.

Со второй половины 70-х  годов начался второй этап НТР, продолжающийся до сих пор. Важной Характеристикой  второго этапа НТР стали новые технологии, которых не было в середине XX в. К ним относятся гибкие автоматизированные производства, лазерная технология, биотехнология и др.

На втором этапе НТР  существенно возросло значение генной инженерии, что характеризуется существенным расширением ее диапазона: от получения новых микроорганизмов с заранее заданными свойствами (путем направленного изменения их наследственного аппарата) и до клонирования высших животных (а в возможной перспективе — и самого человека). Конец XX столетия ознаменовался небывалыми успехами в расшифровке генетической основы человека. В 1990 году «стартовал» международный проект «Геном человека», поставивший целью получение полной генетической карты Homo sapiens. В этом проекте принимают участие более двадцати наиболее развитых в научном отношении стран, включая и Россию.

Важной характеристикой  второго этапа НТР стала невиданная ранее информатизация общества на основе персональных компьютеров (появившихся в конце 70-х годов) и Всемирной системы общедоступных электронных сетей, получившей наименование «Интернет».

Еще одним направлением второго  этапа НТР, заложившим физические основы принципиально новых информационных и коммуникационных технологий, стали исследования в области физики полупроводниковых наногетероструктур. Достигнутые успехи в этих исследованиях, имеющие огромное значение для развития оптоэлектроники и электроники высоких скоростей, были отмечены в 2000 году Нобелевской премией по физике, которую разделили российский ученый, академик Ж.И. Алферов и американские ученые Г. Кремер и Дж. Килби.

Такого рода исследования обещают технологический прорыв, который должен превзойти достижения полупроводниковой революции приведшей к замене вакуумных электронных ламп кремниевыми кристаллами.

Четвертая научная революция  происходит в современную эпоху, начиная с последней трети XX в. В ходе этой научной революции  рождается новая, постнеклассическая наука. Характер научной деятельности меняется в связи с применением  научных знаний практически во всех сферах социальной жизни, а также  вследствие радикальных изменений  в средствах хранения и получения  знаний (компьютеризация науки, появление  сложных приборных комплексов и  т.д.). На передний план науки выдвигаются  междисциплинарные и проблемно  ориентированные формы исследовательской  деятельности. Если классическая наука  была ориентирована на постижение все  более сужающегося, изолированного фрагмента действительности - предмета конкретной научной дисциплины, то специфику современной науки  определяют комплексные исследовательские  программы, в которых принимают  участие специалисты из различных  областей знания. Кроме того, в процессе определения исследовательских  приоритетов наряду с собственно познавательными целями все большую  роль начинают играть цели экономического и социально-политического характера.

В настоящее время усиливаются  процессы взаимодействия частных картин мира, они становятся взаимозависимыми и предстают как фрагменты  целостной общенаучной картины  мира. На ее развитие оказывают влияние  и достижения фундаментальных наук, и результаты междисциплинарных  прикладных исследований. В их рамках приходится сталкиваться со сложными системными объектами, которые в  отдельных дисциплинах обычно изучаются  лишь фрагментарно, поэтому эффекты, обусловленные их системностью, могут  быть обнаружены только при синтезе  фундаментальных и прикладных задач  в проблемно ориентированном  поиске.

Объектами современных междисциплинарных  исследований все чаще становятся открытые и саморазвивающиеся системы, что  начинает определять характер современного, постнекласси-ческого естествознания. Ориентация современного естествозна-

ния на исследование сложных, развивающихся систем приводит к  трансформации идеалов и норм исследовательской деятельности. Историчность комплексного объекта и изменчивость его поведения предполагают построение возможного поведения системы в точках бифуркации (раздвоения). В естествознание начинает внедряться идеал исторической реконструкции, причем не только в дисциплинах, традиционно изучающих эволюционные объекты (геология, биология, география), но и в современной космологии и астрофизике. Например, современные модели, описывающие развитие такого уникального объекта, как Метагалактика, могут быть расценены как исторические реконструкции, посредством которых воспроизводятся основные этапы его эволюции.

93. Статистическая  природа второго начала термодинамики.  Энтропия – мера неупорядоченности  систем (или мера беспорядка). Микро  – и макросостояния системы.  Понятия «термодинамическая вероятность». Статистическое обоснование второго  начала термодинамики Больцманом. Уравнение Больцмана. Постоянная  Больцмана.

Энтропия (от греч. entropia — поворот, превращение) (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна. Понятие «энтропия» введено в 1865 Р. Клаузиусом. Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии (Больцмана принцип). Понятием энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.

Микросостояние — это состояние системы, определяемое одновременным заданием координат и импульсов всех составляющих систему частиц. Знание микросостояния в некоторый момент времени позволяет однозначно предсказать эволюцию системы во все последующие моменты.

Макросостояние — это  состояние системы, характеризуемое  небольшим числом макроскопических параметров. Одно макросостояние может  быть реализовано большим числом микросостояний за счет перестановки частиц, не меняющей наблюдаемого состояния.

Статистическое описание больших систем существенно опирается  на следующие постулаты.

1. Все разрешенные микросостояния  равновероятны.

2. Термодинамически равновесным  является то макросостояние, которое  реализуется наибольшим числом  микросостояний, т. е. является  наиболее вероятным состоянием.

Термодинамическая вероятность — число способов, которыми может быть реализовано состояние физической системы. В термодинамике состояние физической системы характеризуется определёнными значениями плотности, давления, температуры и др. измеримых величин. Перечисленные величины определяют состояние системы в целом (её макросостояние). Однако при одной и той же плотности, температуре и т. д. частицы системы могут различными способами распределиться в пространстве и иметь различные импульсы. Каждое данное распределение частиц называется микросостоянием системы. Вероятность термодинамическая (обозначается W) равна числу микросостояний, реализующих данное макросостояние, из чего следует, что   . Вероятность термодинамическая связана с одной из основных макроскопических характеристик системы энтропией S соотношением Больцмана:  , где   — Больцмана постоянная.

Вероятность термодинамическая  не является вероятностью в математическом смысле. Она применяется в статистической физике для определения свойств  систем, находящихся в термодинамическом  равновесии (для них Вероятность  термодинамическая имеет максимальное значение). Для расчёта Вероятность  термодинамическая существенно, считаются  ли частицы системы различимыми  или неразличимыми. Поэтому классическая и квантовая механика приводят к  разным выражениям для Вероятность  термодинамическая

Второе начало термодинамики, устанавливает уществование энтропии как ф-ции состояния макроскопич. системы и вводит понятие абс. термодинамич. температуры. Утверждает, что все процессы, протекающие с конечной скоростью, в принципе необратимы, и дает термодинамич. критерии для определения направленности процессов. Вместе с первым началом термодинамики - основа классич., или феноменологич, термодинамики, которую можно рассматривать как развитую систему следствий этих двух начал.

Существует неск. разл. формулировок второго начала термодинамики и способов его обоснования, однако все они взаимосвязаны и в конечном счете эквивалентны. В частности, второе начало термодинамики можно формулировать как невозможность создания вечного двигателя второго рода - устройства, в котором рабочее тело совершало бы в периодич. цикле работу, находясь в тепловом контакте с одним источником теплоты

(В. Оствальд, 1888). Во всех  реальных тепловых двигателях  превращение теплоты в работу  обязательно сопровождается передачей  определенного кол-ва теплоты  окружающим телам и изменением  их термодинамич. состояния, т.е.  необратимо. Согласно второму началу термодинамики, необратимость того или иного процесса означает, что систему, в которой произошел процесс, невозможно вернуть в исходное состояние без к.-л. изменений в окружающей среде. Процессы, допускающие возвращение в исходное состояние как самой системы, так и внеш. среды без к.-л. изменений в них, наз. обратимыми. Обратимы лишь квазистатич. процессы, представляющие собой непрерывную последовательность состояний равновесия и протекающие бесконечно медленно. Все естеств. процессы, происходящие с конечными скоростями, необратимы; они протекают самопроизвольно в одном направлении. Помимо перехода теплоты в работу в циклич. процессах, необратимыми являются, например, процессы выравнивания температуры (теплопроводность) или концентрации компонентов системы (диффузия), хим. реакции.

Согласно наиболее общей  формулировке второе начало термодинамики, бесконечно малое кол-во тепла  , переданное системе в обратимом процессе, отнесенное к абс. температуре Т, является полным дифференциалом ф-ции состояния S, наз. энтропией. Для обратимых процессов   dS; для необратимых   < dS. Для любых процессов (обратимых и необратимых) В. н.т. может быть обобщено записью dS   . В изолированных (замкнутых) системах   и dS  0, т.е. возможны лишь процессы, сопровождающиеся увеличением энтропии (закон возрастания энтропии). В состоянии равновесия энтропия изолированной системы достигает максимума и никакие макроскопич. процессы в такой системе невозможны.

Первое начало термодинамики, представляющее собой закон сохранения энергии для систем, в которых  происходят тепловые и мех. процессы, не позволяет судить об эволюции термодинамич. системы. Значение второго начала термодинамики состоит в том, что оно позволяет выделить фактически возможные в системе процессы из всех допускаемых первым началом и определить состояние термодинамич. равновесия системы, в котором никакие макроскопич. процессы без изменения внеш. условий невозможны. Сочетание второго начала термодинамики в форме  TdS с первым началом dU —  , где  -совершенная системой работа, приводит в общем случае необратимых процессов к неравенству: dU  . Это неравенство позволяет устанавливать направление протекания самопроизвольных (необратимых) процессов в закрытых системах и критерии равновесия при постоянных значениях любой из пар параметров состояния. Т, р; Т, V; S, р; S, V. Так, в системах, находящихся при постоянных Т и р, процессы самопроизвольно идут в направлении убыли энергии Гиббса G = U + pV— TS, а в состоянии равновесия энергия Гиббса достигает минимума. Это относится, в частности, к хим. реакциям, растворению, изменениям агрегатного состояния и др. превращениям в-в. Последовательное применение второго начала термодинамики к неравновесным системам и протекающим в них необратимым процессам составляет содержание термодинамики необратимых процессов.

Статистич. физика связывает  энтропию с вероятностью осуществления  данного макроскопич. состояния  системы. Для системы из N частиц, обладающей энергией E, энтропия определяется как логарифм статистич. веса  данного равновесного состояния:   , т.е. числа квантовых состояний в узком интервале   вблизи значения Е (k-постоянная Больцмана). Возрастание энтропии изолированной системы обусловлено ее переходом из менее вероятного в более вероятное состояние. Иными словами, эволюция такой системы осуществляется в направлении наиб. вероятного распределения энергии по отдельным частицам или подсистемам (см. Статистическая термодинамика). Однако вследствие флуктуации, обусловленных хаотич. движением образующих систему частиц, возможен переход системы из более вероятного в менее вероятное состояние; при этом энтропия системы уменьшается. Наличие флуктуации приводит к тому, что закон возрастания энтропии выполняется только в среднем для достаточно большого промежутка времени.

Уравнение Больцмана описывает эволюцию во времени (t) функции распределения плотности f(x, p, t) в одночастичном фазовом пространстве, где x и p — координата и импульс соответственно. Распределение определяется так, что

пропорционально числу частиц в фазовом объёме d³x d³p в момент времени t. Уравнение Больцмана

Здесь F(x, t) — поле сил, действующее на частицы в жидкости или газе, а m — масса частиц. Слагаемое в правой части уравнения добавлено для учёта столкновений между частицами и называется интегралом столкновений. Если оно равно нулю, то частицы не сталкиваются вовсе. Этот случай часто называют одночастичным уравнением Лиувилля.

Если поле сил F(x, t) заменить подходящим самосогласованным полем, зависящим от функции распределения  , то получим уравнение Власова, описывающее динамику заряженных частиц плазмы в самосогласованном поле. Классическое же уравнение Больцмана используется в физике плазмы, а также в физике полупроводников и металлов (для описания кинетических явлений, то есть переноса заряда или тепла, в электронной жидкости).

В гамильтоновой механике уравнение Больцмана часто записывается в более общем виде

,

где L — оператор Лиувилля, описывающий эволюцию объёма фазового пространства и C — оператор столкновений. Нерелятивистская форма L   а в общей теории относительности

где Γ — символ Кристоффеля.

Постоянная Больцмана дает возможность напрямую связать характеристики микромира с характеристиками макромира — в частности, с показаниями термометра. Ключевая формула, устанавливающая это соотношение:    

1/2 mv² = kT

где m и v — соответственно масса и средняя скорость движения молекул газа, Т — температура газа (по абсолютной шкале Кельвина), а k —постоянная Больцмана. Это уравнение прокладывает мостик между двумя мирами, связывая характеристики атомного уровня (в левой части) с объемными свойствами (в правой части), которые можно измерить при помощи человеческих приборов, в данном случае термометров. Эту связь обеспечивает постоянная Больцмана k, равная 1,38 x 10^–23 Дж/К.

160. Функциональные группы организмов (по способу питания) в экосистеме. Автотрофы (продуценты) и гетеротрофы  (консументы и редуценты)

Механизм  взаимодействия живого и косного  вещества состоит в вовлечении неорганической материи в сферу жизни, в ее превращениях в живом веществе и  возвращении в прежнее состояние  косного вещества. В связи с  этим в любой экосистеме можно  выделить по типу питания три функциональные группы организмов: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты - зеленые растения, производящие живое вещество из неживого. Они способны аккумулировать солнечную энергию в процессе фотосинтеза и создавать органические вещества.

Консументы , или потребители, - организмы, использующие органические вещества продуцентов. К ним относятся животные. Травоядные животные употребляют растительную пищу, а плотоядные - животную.

Редуценты - грибы и бактерии, превращающие органическое вещество в минеральное, разлагая остатки мертвых растений, животных микроорганизмов. Продукты минерализации вновь используются продуцентами.

Продуценты, консументы и редуценты существуют во всех наземных (хвойные и лиственные леса, тундры, степи, пустыни, луга) и водных (океаны, моря, реки, озера, пруды) экосистемах. Например, экосистемы леса и пруда различаются средой обитания, видовым составом популяций, но содержат все три функциональные группы. Продуценты в лесу - это деревья, кустарники, травы, мхи, а в пруду - водные растения, водоросли, синезеленые. В состав консументов леса входят звери, птицы, насекомые, беспозвоночные животные, населяющие лесную подстилку и почву. В пруду к консументам относятся рыбы, земноводные, ракообразные, насекомые. Редуценты представлены в лесу наземными, в пруду - водными формами.

Таким образом, в экосистеме пищевые и  энергетические связи идут в следующем  направлении: продуценты - консументы - редуценты.

В каждую функциональную группу входит множество популяций и только тесное взаимодействие всех трех групп  обусловливает функционирование экосистемы.