Шпаргалка по "Естествознанию"

 

12. Этимология понятия «хаос». Хаос и мифы. Хаос и его проявления. Причины хаоса. Роль энтропии как меры хаоса.

 

Этимология понятия «хаос».

Хаос в переводе с греческого означает бесформенное состояние мира, бесконечное пространство, неупорядоченную первопотенцию  мира. Хаос – понятие, происходящее от греческого «зев», «зияние», развернутое пространство. Как первичное бесформенное состояние материи и первоматерия мира, хаос, разверзаясь, извергает из себя ряды животворно оформленных элементов. Хаос совмещает в себе принципы универсального порождения и универсального поглощения, является излюбленным образом античной философии на протяжении всей ее истории. Хаос – это не только буйство слепых стихий, это еще и рождение новых возможностей, их спонтанное появление в бурлящем, клокочущем вихре перемен.

Хаос и мифы.

Мифология –  совокупность мифов, рассказов, преданий, повествований о жизни богов, героев, демонов, духов. Одна из существенных особенностей мифологического творчества заключается в стремлении компенсировать фундаментальную потребность всего живого способствовать понижению меры хаоса. Заполняя пустоты неведомого, расширяя могущество человека до масштабов всеведения, миф всегда был направлен на упорядочивание чувственной сферы.

Зло и мрак, хаос и бездна не вписываются во всеобщую гармонию и мыслились изначально как чуждые. Неузнаваемо искажая зеркальное отражение божественной красоты, они пугали существо, устремленное к всеобщей благодати, и поэтому объявлялись запредельными и вытеснялись на «тот свет». Хаос всегда находил отражение в мифах. Например, первое историческое описание хаоса связано с сказанием о Всемирном потопе. В Греции, например, хаос олицетворен культом Диониса. Он жизнерадостный, жизнью упоенный, славящий вакханалии.

Примеры хаоса.

Хаос – широко распространенное нелинейное явление, которое встречается во всех дисциплинах. Проявление хаоса разнообразно. Это и турбулентные клубы сигаретного дыма, и водный след за судном на подводных крыльях, и вихреобразное образование по ходу плывущего судна, и «штопор» самолет при выходе из «пике», и неожиданная выдача компьютером потока случайных данных, и разрушительное действие компьютерного вируса, и возникновение фибрилляции сердца у сердечного больного.

Хаос – это  события, способные приводить к  катастрофам. Сообщения о тех  или иных проявлениях хаоса встречаются почти во всех научных дисциплинах: астрономии, физике, биологии, химии, геологии, медицине, математике, общественных науках и т.д.

Причины хаоса.

Можно выделить ряд причин, в результате которых  происходит потеря устойчивости и переход к хаосу:

1.шумы и внешние  помехи, возмущающие факторы.

2.Наличие большого  числа степеней свободы, которыми  обладает система в процессе  своего функционирования.

3.Достаточно  сложная организация системы

4.«эффект бабочки», суть которого сводится к тому, что нелинейные системы чрезвычайно чувствительны к начальным условиям и обладать свойством быстро разводить первоначально близкие траектории (мушка, летящая перед носом короля может вызвать изменения в целом государстве).

Роль энтропии как меры хаоса.

Энтропия, в переводе с греческого означает превращение. Все процессы в природе протекают  в направлении увеличения энтропии. Термодинамическому равновесию системы  соответствует состояние с максимумом энтропии. Равновесие, которому соответствует  максимум энтропии, называется абсолютно устойчивым. Таким образом, увеличение энтропии системы означает переход в состояние, имеющее большую вероятность. То есть энтропия характеризует вероятность, с которой устанавливается то или иное состояние, и является мерой хаотичности или необратимости. Это мера хаоса в расположении атомов, фотонов, электронов и других частиц. Чем больше порядка, тем меньше энтропия. 

 

13. Порядок и беспорядок в природе. Упорядоченность строения физических объектов. Два возможных подхода в объяснении порядка. Пространственная модель соотношения порядка и хаоса. Диалектическое единство 0-мерной точки.

 

Хаос, беспорядок, как и порядок, гармония – понятия  достаточно близкие. Беспорядок – это  такое состояние, когда налицо много  вещей, но нет основания отличать одну вещь от другой. Порядок есть не что иное, как различимое отношение совокупности вещей.

Существует два  механизма, которые могут производить  упорядоченные явления – статистический механизм, создающий порядок из беспорядка, на котором базируется поведение живого вещества. Живой организм противится переходу к атомарному беспорядку. На протяжении своей непродолжительной жизни он проявляет способность поддерживать себя и производить упорядоченные явления.

   В математизированном  подходе преобладают рассуждения, обосновывающие исчисления всех прошлых и будущих состояний Вселенной на основании того, что относительно какого-то момента известны все силы и положения частей.

   В организмическом  подходе будущее становится неизвестным  не в силу изначальной определенности всех начальных положений объектов, начальных скоростей материальных частиц, действующих сил и результирующих уравнений.

Пространственная модель соотношения  порядка и хаоса существует в 2-х вариантах.

В первом варианте хаосу отводится периферия, т.е. все, что ниже упорядоченного мира. Хаос понимается как движение вниз, в недра. Но он не только пугает буйством преисподней, но и привлекает скрытыми там несметными богатствами.

Второй вариант  этой концепции представляет хаос как  физическое место, необходимое для существования тел. Это бездна, пустота, т.е. хаос противопоставляется пространственной оформленности вообще. Этот вариант близок к концепции, рассматривающей n-мерную длительность, которая несет в своем потоке и позволяет чередоваться хаотическим и упорядоченным фазам становления. 

Структура пространства дает возможность обсудить истоки полного  хаоса и высшей упорядоченности. Они находятся в диалектическом единстве 0-мерной точки. Расходящиеся во все стороны направления олицетворяют полную неупорядоченность (хаос). Сходящиеся в одну точку направления являются воплощением полной упорядоченности. 0-мерных точек бесконечное множество. Поэтому возможности хаоса неограниченны. Отсюда следует возможность образования центров сходящихся направлений, т.е. хаос направлений содержит в себе возможность упорядоченности. Разнозначность точек и направлений говорит о равновесном состоянии пространства и является основой его существования. Однако структура пространства не допускает ни полного хаоса, ни полного порядка. Но и положение 50/50 в природе также не наблюдается. У природы есть некий набор средств противостоять нарастанию хаоса.

14. Принципы симметрии. Определение категорий симметрии, асимметрии, дисимметрии, антисимметрии. Операции симметрии. Универсальный характер симметрии и асимметрии в живой и неживой природе, математике, физике, техники, космологии.

 

Симметрия – однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований. Это признак полноты и совершенства. Лишившись элементов симметрии, предмет утрачивает свое совершенство и красоту.

Четыре  категории симметрии:

-- симметрия  - однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального  объекта относительно его преобразований;

-- асимметрия  – это несимметрия, т. е. такое состояние, когда симметрия отсутствует;

-- дисимметрия  – внутренняя, или расстроенная, симметрия, т. е. отсутствие  у объекта некоторых элементов  симметрии;

-- антисимметрия  – противоположная симметрия,  связанная с переменой знака  фигуры.

   Операции симметрии:

• отражение в плоскости симметрии;
• поворот вокруг оси симметрии;
• отражение в центре симметрии;
• перенос фигуры на расстояние;
• винтовые повороты.

Виды симметрий.

Среди разных типов  симметрии различают пространственно-временные  симметрии и внутренние симметрии.

Пространственно-временные  симметрии можно разделить на симметрии, связанные  с непрерывными и дискретными преобразованиями.

К непрерывным  преобразованиям относятся:

• Перенос (сдвиг) системы как целого в пространстве.
• Изменение начала отсчета времени (сдвиг во времени).
• Поворот системы как целого в пространстве. Симметрия физических законов относительно этого преобразования означает эквивалентность всех направлений в пространстве.
• Переход к системе отсчета, движущейся относительно данной системы с постоянной скоростью

Среди дискретных пространственно-временных симметрий  различают СРТ-симметрию и зеркальную симметрию. Симметрия СРТ заключается  в том, что для любого движения частиц может осуществляться в природе  симметричное ему движение античастиц. Зеркальная симметрия осуществляется в процессах, вызываемых сильными и электромагнитными взаимодействиями, а также в системах, связанных с помощью этих взаимодействий (атомах, атомных ядрах, молекулах, кристаллах).

Под внутренней симметрией понимают симметрию между частицами с различными внутренними квантовыми числами. Среди внутренних симметрий можно выделить глобальные и локальные симметрии. Симметрия одномерная характерна для фигур с одним особенным направлением – бордюров, лент, стержней. Симметрия двумерная присуща фигурам с двумя особенными направлениями: сетчатым орнаментам и слоям.

Симметрия в механике.

Однородность  пространства.

Пространство  вблизи земной поверхности физически  неоднородно: все тела стремятся  занять самые низкие положения, поближе к Земле. Столь же неоднородно пространство вблизи Солнца. Но вся Солнечная система как целое движется прямолинейно, по крайней мере, в течение миллионов лет отклонений от прямолинейного движения не было. Пространство, в котором она движется, свободно от тяготеющих к нему тел и здесь можно говорить о его однородности. Из второго закона Ньютона следует прямолинейность и равномерность движения центра инерции системы тел в однородном пространстве. Никакие внутренние силы не нарушают однородности пространства по отношению к системе как к целому.

Изотропия пространства – еще один вид симметрии – относительно поворотов координатных систем. В физике это проявляется в том, что вокруг любой прямой можно повернуть координатную систему на любой угол, и повернутая система будет во всех отношениях равноценна первоначальной.

Однородность  времени.

Пространство  имеет группу симметрии относительно произвольных переносов по трем взаимно  перпендикулярным направлениям. Симметрия  же времени напоминает симметрию  прямой относительно переносов. Время однородно, т.е. все его моменты равноценны, по крайней мере по отношению к чисто механическим явлениям.

Симметрия в живой природе.

Если рассматривать  царство живого, то любому его представителю, от простейшей водоросли до эвкалипта, от крошечного жучка до кита, от червяка до человека, можно приписать одну из групп симметрии (точечных или пространственных), выведенных для материальных фигур.

Живой организм не имеет кристаллического строения, однако, упорядоченные структуры  в ней представлены очень широко. Если они жидкие, то их называют жидкими кристаллами. Это и желчь, и кровь, и хрусталик глаза, и серое вещество мозга.

 

15. Симметрия подобия как глобальная генетическая программа. Пространственно-временные и внутренние принципы симметрии. Иерархия принципов симметрии в законах сохранения физических величин.

 

Симметрия подобия. Представляет собой своеобразные аналогии трансляций, отражений в плоскостях, повороты вокруг осей, связанные с одновремен6ным увеличением или уменьшением подобных частей фигуры и расстояний между ними.

Симметрия подобия повсеместно  проявляется в природе, во всем, что  растет. Природа обнаруживает подобие  как свою глобальную генетическую программу. Подобие правит живой природой в  целом. Геометрическое подобие – общий принцип пространственной организации живых структур.  Лист клена подобен листу клена, березы – березе. Клетка, принадлежащая целостному организму, выполняет функцию его воспроизведения в новый. Она является точкой «начала», которая в итоге деления окажется преобразована в объект, подобный первоначальному. Этим объединяются все виды живых структур, по этой причине и существуют стереотипы жизни.

Пространственно-временные  и внутренние принципы симметрии.

Принципы симметрии делятся  на пространственно-временные (геометрические или внешние) и внутренние, описывающие свойства элементарных частиц.

Пространственно-временные  принципы симметрии:

• сдвиг системы отсчета не меняет физических законов, т.е. все точки пространства равноправны. Это означает однородность пространства.
• Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными, т.е. все свойства пространства одинаковы по всем направлениям, пространство изотропно.
• Сдвиг во времени не меняет физических законов, т.е. все моменты времени объективно равноправны. Время однородно. Любой момент времени можно взять за начало отсчета.
• Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
• Зеркальная симметрия природы не меняет физических законов.
• Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака времени.
• Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не меняет характера процессов природы.