Критерии выделения различных структурных уровней материи

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.