Создание классической механики и экспериментального естествознания

С О Д  Е Р Ж А Н И Е:

1. Создание  классической механики и экспериментального  естествознания.. 3

2. Самоорганизация  в открытых неравновесных системах  ...………..….….. 8

3. Исторические этапы развития жизни на Земле……………………………  15

 Список использованной литературы …………..…………………………..… 21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. СОЗДАНИЕ  КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

 Механика [от греч. mechanike (téchne) — наука о машинах, искусство построения машин], наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве. Примерами таких движений, изучаемых методами механики, являются: в природе — движения небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения, тепловое движение молекул и т. п., а в технике — движения различный летательных аппаратов и транспортных средств, частей всевозможных двигателей, машин и механизмов, деформации элементов различных конструкций и сооружений, движения жидкостей и газов и многие др. Рассматриваемые в механике взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, результатом которых являются изменения механического движения этих тел. Их примерами могут быть притяжения тел по закону всемирного тяготения, взаимные давления соприкасающихся тел, воздействия частиц жидкости или газа друг на друга и на движущиеся в них тела и др. Обычно под механикой понимают классическую механику, в основе которой лежат Ньютона законы механики и предметом которой является изучение движения любых материальных тел (кроме элементарных частиц), совершаемого со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Движение тел со скоростями порядка скорости света рассматривается в относительности теории, а внутриатомные явления и движение элементарных частиц изучаются в квантовой механике.

     Механика — одна из древнейших наук. Её возникновение и развитие неразрывно связаны с развитием производительных сил общества, нуждами практики. Раньше других разделов механики под влиянием запросов главным образом строительной техники начинает развиваться статика. Можно полагать, что элементарные сведения о статике (свойства простейших машин) были известны за несколько тысяч лет до н. э., о чём косвенно свидетельствуют остатки древних вавилонских и египетских построек; но прямых доказательств этого не сохранилось. К первым дошедшим до нас трактатам по Механика, появившимся в Древней Греции, относятся натурфилософские сочинения Аристотеля (4 в. до н. э.), который ввёл в науку сам термин «Механика». Из этих сочинений следует, что в то время были известны законы сложения и уравновешивания сил, приложенных в одной точке и действующих вдоль одной и той же прямой, свойства простейших машин и закон равновесия рычага. Научные основы статики разработал Архимед (3 в. до н. э.). Его труды содержат строгую теорию рычага, понятие о статическом моменте, правило сложения параллельных сил, учение о равновесии подвешенных тел и о центре тяжести, начала гидростатики. Дальнейший существенный вклад в исследования по статике, приведший к установлению правила параллелограмма сил и развитию понятия о моменте силы, сделали И. Неморарий (около 13 в.), Леонардо да Винчи (15 в.), голландский учёный Стевин (16 в.) и особенно — французский учёный П. Вариньон (17 в.), завершивший эти исследования построением статики на основе правил сложения и разложения сил и доказанной им теоремы о моменте равнодействующей. Последним этапом в развитии геометрической статики явилась разработка французский учёным Л. Пуансо теории пар сил и построение статики на её основе (1804). Другое направление в статике, основывавшееся на принципе возможных перемещений, развивалось в тесной связи с учением о движении. Проблема изучения движения также возникла в глубокой древности. Решения простейших кинематических задач о сложении движений содержатся уже в сочинениях Аристотеля и в астрономических теориях древних греков, особенно в теории эпициклов, завершенной Птолемеем (2 в. н. э.). Однако динамическое учение Аристотеля, господствовавшее почти до 17 в., исходило из ошибочных представлений о том, что движущееся тело всегда находится под действием некоторой силы (для брошенного тела, например, это подталкивающая сила воздуха, стремящегося занять место, освобождаемое телом; возможность существования вакуума при этом отрицалась), что скорость падающего тела пропорциональна его весу, и т. п. Периодом создания научных основ динамики, а с ней и всей Механика явился 17 век. Уже в 15—16 вв. в странах Западной и Центральной Европы начинают развиваться буржуазные отношения, что привело к значительному развитию ремёсел, торгового мореплавания и военного дела (совершенствование огнестрельного оружия). Это поставило перед наукой ряд важных проблем: исследование полёта снарядов, удара тел, прочности больших кораблей, колебаний маятника (в связи с созданием часов) и др. Но найти их решение, требовавшее развития динамики, можно было только разрушив ошибочные положения продолжавшего господствовать учения Аристотеля. Первый важный шаг в этом направлении сделал Н. Коперник (16 в.), учение которого оказало огромное влияние на развитие всего естествознания и дало механике понятия об относительности движения и о необходимости при его изучении выбора системы отсчёта. Следующим шагом было открытие И. Кеплером опытным путём кинематических законов движения планет (начало 17 в.). Окончательно ошибочные положения аристотелевой динамики опроверг Г. Галилей, заложивший научные основы современной механики. Он дал первое верное решение задачи о движении тела под действием силы, найдя экспериментально закон равноускоренного падения тел в вакууме. Галилей установил два основных положения механики — принцип относительности классической механики и закон инерции, который он, правда, высказал лишь для случая движения вдоль горизонтальной плоскости, но применял в своих исследованиях в полной общности. Он первый нашёл, что в вакууме траекторией тела, брошенного под углом к горизонту, является парабола, применив при этом идею сложения движений: горизонтального (по инерции) и вертикального (ускоренного). Открыв изохронность малых колебаний маятника, он положил начало теории колебаний. Исследуя условия равновесия простых машин и решая некоторые задачи гидростатики, Галилей использует сформулированное им в общем виде т. н. золотое правило статики — начальную форму принципа возможных перемещений. Он же первый исследовал прочность балок, чем положил начало науке о сопротивлении материалов. Важная заслуга Галилея — планомерное введение в механику научного эксперимента. Современник Галилея Р. Декарт в основу своих исследований по механике положил сформулированный в общем виде закон инерции и высказанный им (но не в векторной форме) закон сохранения количества движения; он же ввёл понятие импульса силы. Дальнейший крупный шаг в развитии Механика был сделан голландским учёным Х. Гюйгенсом. Ему принадлежит решение ряда важнейших для того времени задач динамики — исследование движения точки по окружности, колебаний физического маятника, законов упругого удара тел. При этом он впервые ввёл понятия центростремительной и центробежной силы и понятие о моменте инерции (сам термин принадлежит Л. Эйлеру), а также применил принцип, по существу эквивалентный закону сохранения механической энергии, общее математическое выражение которого дал впоследствии Г. Гельмгольц. Заслуга окончательной формулировки основных законов механики принадлежит И. Ньютону (1687). Завершив исследования своих предшественников, Ньютон обобщил понятие силы и ввёл в механику понятие о массе. Сформулированный им основной (второй) закон механики позволил Ньютону успешно разрешить большое число задач, относящихся главным образом к небесной механике, в основу которой был положен открытый им же закон всемирного тяготения. Он формулирует и 3-й из основных законов механики — закон равенства действия и противодействия, лежащий в основе механики системы материальных точек. Исследованиями Ньютона завершается создание основ классической механики. К тому же периоду относится установление двух исходных положений механики сплошной среды. Ньютон, исследовавший сопротивление жидкости движущимися в ней телами, открыл основной закон внутреннего трения в жидкостях и газах, а английский учёный Р. Гук экспериментально установил закон, выражающий зависимость между напряжениями и деформациями в упругом теле. В 18 в. интенсивно развивались общие аналитические методы решения задач механики материальной точки, системы точек и твёрдого тела, а также небесной механики, основывавшиеся на использовании открытого Ньютоном и Г. В. Лейбницем исчисления бесконечно малых. Главная заслуга в применении этого исчисления для решения задач механики принадлежит Л. Эйлеру. Он разработал аналитические методы решения задач динамики материальной точки, развил теорию моментов инерции и заложил основы механики твёрдого тела. Ему принадлежат также первые исследования по теории корабля, теории устойчивости упругих стержней, теории турбин и решение ряда прикладных задач кинематики. Вкладом в развитие прикладной механики явилось установление французскими учёными Г. Амонтоном и Ш. Кулоном экспериментальных законов трения.

     Важным этапом развития механики было создание динамики несвободных механических систем. Исходными для решения этой проблемы явились принцип возможных перемещений, выражающий общее условие равновесия механической системы, развитию и обобщению которого в 18 в. были посвящены исследования И. Бернулли, Л. Карно, Ж. Фурье, Ж. Л. Лагранжа и др., и принцип, высказанный в наиболее общей форме Ж. Д’Аламбером и носящий его имя. Используя эти два принципа, Лагранж завершил разработку аналитических методов решения задач динамики свободной и несвободной механической системы и получил уравнения движения системы в обобщённых координатах, названные его именем. Им же были разработаны основы современной теории колебаний. Другие направление в решении задач механики исходило из принципа наименьшего действия в том его виде, который для одной точки высказал П. Мопертюи и развил Эйлер, а на случай механической системы обобщил Лагранж. Небесная механика получила значительное развитие благодаря трудам Эйлера, Д’Аламбера, Лагранжа и особенно П. Лапласа. 
Приложение аналитических методов к механике сплошной среды привело к разработке теоретических основ гидродинамики идеальной жидкости. Основополагающими здесь явились труды Эйлера, а также Д. Бернулли, Лагранжа, Д’Аламбера. Важное значение для механики сплошной среды имел открытый В. Ломоносовым закон сохранения вещества.

     В 20 в. начинается развитие ряда новых разделов механики. Задачи, выдвинутые электро- и радиотехникой, проблемами автоматического регулирования и др., вызвали появление новой области науки — теории нелинейных колебаний, основы которой были заложены трудами Ляпунова и А. Пуанкаре. Другим разделом Механика, на котором базируется теория реактивного движения, явилась динамика тел переменной массы; её основы были созданы ещё в конце 19 в. трудами И. В. Мещерского. Исходные исследования по теории движения ракет принадлежат К. Э. Циолковскому.

   В механике сплошной среды появляются два важных новых раздела: аэродинамика, основы которой, как и всей авиационной науки, были созданы Жуковским, и газовая динамика, основы которой были заложены Чаплыгиным. Труды Жуковского и Чаплыгина имели огромное значение для развития всей современной гидроаэродинамики. 
 
 

2. САМООРГАНИЗАЦИЯ В ОТКРЫТЫХ НЕРАВНОВЕСНЫХ  СИСТЕМАХ

   _Общая диалектическая идея саморазвития материального мира получала свою эмпирическую и теоретическую конкретизацию постепенно. Причем «сверху вниз»: от высших форм движения материи — к низшим. Сначала тенденцию самопроизвольного нарастания сложности и порядка обнаружили в обществе (просветители, Гегель, Маркс), затем ту же закономерность зафиксировали в живой природе (Ламарк, Дарвин). И только в XX в. ту же способность признали и за всем остальным материальным миром, начиная с элементарных частиц и заканчивая Метагалактикой, или Вселенной в целом. В классической науке и недиалектической философии вплоть до середины XX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию. Ну кто же не знает, что вода всегда течет под уклон, а любая предоставленная самой себе материальная вещь неизбежно разрушается? Теоретический базис под эти «здравомыслящие» соображения подвела классическая термодинамика — наука о взаимопревращениях различных видов энергии. Ею было установлено, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. И легче всего различные виды энергии переходят в самую простую ее форму — тепловую. Теплота же, как известно, может «перетекать» только в одну сторону — от горячего тела к холодному, стремясь к состоянию термодинамического равновесия. Знаменитое второе начало термодинамики гласит: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Энтропия — это мера беспорядка системы. Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это — наиболее простое и одновременно наиболее вероятное состояние системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Максимум энтропии означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу. Но если возрастание энтропии — фундаментальный закон природы, и, следовательно, материальный мир может эволюционировать только к хаосу, то как же наша Вселенная смогла возникнуть и сорганизоваться до ее нынешнего упорядоченного состояния? И если этот закон столь фундаментален, почему же ему не подчиняется живая природа, демонстрирующая стремление прочь от термодинамического равновесия и хаоса, т.е. непрерывный рост сложности и организованности своих структур (уменьшение энтропии)? Частично ответ на эти вопросы заключается в том, что второе начало термодинамики действительно только для закрытых систем, которые не обмениваются веществом или энергией с внешней средой. Но живые организмы — системы открытые, существующие за счет обмена веществ. Поэтому уменьшение в них энтропии (при формировании организма, например) компенсируется ее увеличением во внешней среде.

   Американский  физик С. Хоукинг проделал любопытный подсчет. Если мы запомнили каждое слово  в книге из двухсот страниц, то наша память записала около двух миллионов  единиц информации. Именно на столько  единиц увеличился порядок в нашем  мозгу (уменьшилась энтропия). Но за время чтения книги мы переработали не менее 1000 ккал упорядоченной энергии  в виде пищи в неупорядоченную  в виде рассеянного в атмосфере  тепла. Эта распыленная тепловая энергия увеличила беспорядок во Вселенной в 1020 раз больше, чем  увеличился порядок в нашем мозгу. Таким образом, уменьшение энтропии в маленьком фрагменте материального  мира дает существенный ее рост для  более широкой системы, и второе начало термодинамики в целом  не страдает. 
___А как быть со Вселенной в целом? Ей-то где увеличивать беспорядок, чтобы образовать свои разномасштабные структуры? Современная наука полагает, что такой внешней средой для нашей Вселенной является вакуум, нарушение упорядоченных структур которого и привело когда-то к ее возникновению. 
___Таким образом был обойден запрет на возрастание порядка для обширного класса систем. Стало ясно, что материальные объекты в принципе способны осуществлять работу против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться. Но объявить эту способность законом, т.е. всеобщей характеристикой материального мира, решилась только синергетика — наука о самоорганизации систем. Это междисциплинарное научное направление, разработка которого началась несколько десятилетий назад (И. Пригожий, Г. Хакен), претендует на роль новой научной парадигмы.

 __Один из ее основателей, немецкий исследователь Герман Хакен (р. 1927), пытаясь объяснить широкой публике суть синергетических построений, изложил их так: Я бы выбрал следующие ключевые положения, раскрывающие сущность синергетики.

1. Исследуемые  системы состоят из нескольких  или многих одинаковых или  разнородных частей, которые находятся  во взаимодействии друг с другом. 
2. Эти системы являются нелинейными. 
3. При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия. 
4. Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям. 
5. Системы могут стать нестабильными. 
6. Происходят качественные изменения. 
7. В этих системах обнаруживаются эмерджентные новые качества. 
8.Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры. 
9. Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими. 
10. Во многих случаях возможна математизация.

     Говоря  в более общем плане, производимые синергетикой мировоззренческие сдвиги можно выразить следующим образом: 
• процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равновозможны; 
• процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе. 
___Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. 
___Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям: 
• они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой; 
• они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. 
___Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики — это определенная идеализация, в реальности такие системы — исключение, а не правило. 
___Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы: 
1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию, 
2) выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности. 
___Описанный процесс сильно напоминает механизм действия диалектического закона перехода количественных изменений в качественные. Однако в синергетических представлениях об этом механизме есть важная отличительная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана, решает случай! Но после того, как «выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда, между прочим, следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем — однозначно спрогнозировать нельзя. 
___Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности — хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении им некоторого критического значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. 
___Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики совершенно невероятно. Ведь оно свидетельствует о том, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости как по команде начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в совершенно хаотическом движении. Создается впечатление, что каждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Само слово «синергетика», кстати, как раз и означает «совместное действие».) Классические статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образовалась бы случайно, что почти невероятно, то она тут же распалась бы. Но она не распадается при поддержании соответствующих условий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникновение таких структур нарастающей сложности — не случайность, а закономерность. 
___Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других классах открытых неравновесных систем вроде бы обещает быть успешным: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова — Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур, все это примеры самоорганизации систем самой различной природы. 
___Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями: 
1) хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность). Порядок и хаос не исключают, а дополняют друг друга: порядок возникает из хаоса; 
2) линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а скорее исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции; 
3) развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Значит, случайность — не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. А еще это значит, что нынешний путь эволюции системы может быть и не лучше отвергнутых случайным выбором. 
___Такое видение процессов развития сложных систем является крупным научным достижением последней трети XX века. Оно существенно конкретизирует и видоизменяет общедиалектические принципы анализа материального мира. Некоторые философы даже полагают, что «диалектика трансформируется в синергетику» как теорию универсальной эволюции. 
___Прививая современному мышлению нелинейность и универсальный эволюционизм, синергетика по-новому освещает и проблему бесконечности и необратимости развития. Создатель неравновесной термодинамики (одного из направлений синергетики) бельгийский физик И. Пригожий считает, что прежняя физика «свела бесконечное к бесконечному повторению одного и того же». В классической динамике, равно как и в динамике квантовой, релятивистской время выступает лишь как внешний параметр, не имеющий выделенного направления. Из классических дисциплин необратимость времени вводила лишь термодинамика (законом возрастания энтропии). То есть фактически стрела времени определялась лишь деградацией материальных структур. Постулируя всеобщность противоположных процессов в открытых неравновесных системах, синергетика, по мнению И. Пригожина, дает физике «новую точку опоры в открытии времени во всех областях физической реальности».