Лекции по "Концепция современного естествознания"

Вокруг общей теории относительности до сих пор не затихают споры. Сторонники этой теории в качестве решающих доказательств ее справедливости выдвигают экспериментальное подтверждение важнейших следствий общей теории относительности. Так, биографы Эйнштейна считают самым сильным эмоциональным событием за всю научную жизнь Эйнштейна, а может быть, и за всю его жизнь объяснение искажения орбиты Меркурия с помощью общей теории относительности.

Другим важным следствием общей теории относительности является следующее предсказание: лучи света, проходящие вблизи Солнца, обязаны искривляться. Опыты, проведенные во время солнечных затмений в 1919 и 1922 годах, показали полное совпадение с выводами общей теории относительности.

Эффекты общей теории относительности в Солнечной системе малы из-за относительно слабого гравитационного поля Солнца, что ограничивает рамки возможных экспериментов. Общая теория относительности получила, таким образом, экспериментальное подтверждение лишь для слабого гравитационного поля, на что и указывают скептики.

Итак, согласно ОТО, все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы, а пространственно-временные свойства окружающего мира зависят от расположения и движения тяготеющих масс. Эйнштейн показал, что движение в поле тяготения вызывается не действием особых гравитационных сил, приложенных к движущимся телам, а представляет движение по инерции, но в неевклидовом пространстве. В ОТО не только пространство и время по отдельности, но и пространственно-временной континуум лишаются абсолютности.

В дополнение к реляционной концепции сформулируем основные свойства пространства и времени:

• пространство и время объективны, т.е. существуют независимо от сознания людей и их познания, они связаны с материей как формы координации материальных объектов;

• они являются универсальными, всеобщими формами бытия материи, отсюда ничто не может существовать вне времени и пространства;

• пространство трехмерно, т.е. положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин (координат); в прямоугольной декартовой системе координат — это X, Y, Z (длина, ширина и высота), в сферической системе координат — это будут радиус-вектор r и углы ϕ и θ, в цилиндрической системе — высота Z, радиус-вектор r и угол ϕ; наряду с трехмерным пространством в науке используется и понятие многомерного (n-мерного) пространства; реальное пространство трехмерно, а понятие n-мерного пространства — пример математического обобщения, математической абстракции;

• необратимость времени и его одномерность. Одномерность времени означает, что для фиксации положения объекта во времени достаточно одной величины— промежутка времени t, протекшего от начала отсчета (t = 0). Время необратимо течет от прошлого через настоящее в будущее. В нашей литературе наиболее распространена точка зрения, согласно которой необратимость времени выводится из причинности, так как причина всегда предшествует следствию. Хотя некоторые авторы не согласны с такой трактовкой, утверждая, что речь должна идти не о дедукции одной категории из другой, а о том, находит ли необратимость времени выражение в фундаментальных естественнонаучных законах; так, в макроскопических процессах данная необратимость находит свое выражение в законе возрастания энтропии (для микромира также характерна физическая неэквивалентность двух направлений времени, связанная с процессом взаимодействия квантового объекта с классическим объектом); однородность времени, а также однородность и изотропность пространства; однородность пространства означает равноправие всех его точек; изотропность — равноправие всех возможных направлений; однородность времени проявляется в равноправии всех его моментов.

Перечисленные свойства связаны с фундаментальными законами физики — законами сохранения: симметрия относительно сдвига времени (т.е. однородность времени) соответствует закону сохранения энергии; симметрия относительно пространственного сдвига (т.е. однородности пространства) — закону сохранения импульса; симметрии относительно поворота координатных осей (т.е. изотропностипространства) — закону сохранения момента импульса (углового момента). Данные свойства пространства и времени лежат и в основе галилеевского принципа относительности и в основе специальной теории относительности.

В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени (например, особенности пространственно-временных параметров органического мира характеризуют биологическое пространство и время, психологическое связано с особенностями психологического восприятия пространства и времени, а социальное описывает особенности временного разворачивания социальных явлений и процессов). 

 ЛЕКЦИЯ 4. КОНЦЕПЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ. ПРИНЦИП ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ.  

Термодинамика как наука возникла из обобщения фактов, описывающих явление передачи, распространения и превращения тепла, т.е. тепло, возникшее в результате механической работы, нельзяснова превратить в энергию для выполнения новой работы. С другой стороны, известно, что частьтепловой энергии превращается в механическую работу. Все эти факты нашли объяснение в законахтермодинамики.

Возникновение классической термодинамики связано с исследованием следующих проблем:

1. Поиск механического эквивалента теплоты, т. е. попытка представить теплоту как результат механического движения частиц, из которых состоят твердые тела, жидкости и газы. Эта проблемавозникла еще в XVII—XVIII вв., но решение ее было найдено только в конце XIX в.

2. Изучение тепловых процессов в машинах, создаваемых промышленностью конца XVIII в. и первой половины XIX в. Речь идет уже не только о паровых машинах, но и электрических.

3. Исследование обмена веществ, теплообмена в организмах. В первой половине XIX в. возникла органическая химия, которая использовала знания неорганической химии о теплообмене при химических реакциях. Немецкий физиолог М. Рубнер (1854—1932) применил законы классической термодинамики к изучению теплообмена в микроорганизмах.

4. Проблемы наблюдательной астрономии, интересовавшейся рассеянием тепла в космосе.

Изучение вышеуказанных проблем привело к введению в науку нового физического понятия —термодинамической системы. Это система живых или неживых тел, частиц или молекул, состояниекоторой определяется значением ее термодинамических параметров (температура, плотность и другие). Например, вода при изменении ее термодинамических параметров может перейти в состояние льда и пара.

Термодинамические системы можно классифицировать следующим способом:

- закрытая термодинамическая система - это система, которая не может обмениваться веществом свнешней средой. ( например, космический корабль).

- открытая термодинамическая система - это система, которая может обмениваться веществом свнешней средой ( например, живые организмы).

- замкнутая (изолированная) термодинамическая система- это система, которая не можетобмениваться ни веществом, ни энергией с внешней средой. (идеализированные системы).

Классическая термодинамика сформулировала два основных закона. Принято формулировать этизаконы в двух видах: как принципы, выражающие физическое содержание термодинамических систем, икак оценка технической возможности создания «вечного двигателя» первого и второго рода.

Закон сохранения энергии формулируется следующим образом: поступающая в термодинамическуюсистему энергия в форме тепла должна быть равна сумме приращений внутренней энергии системы и работы, совершаемой системой против действия внешних сил. Этот закон раскрывает функциональный смысл понятия энергии термодинамической системы.

В другой формулировке: невозможно сделать двигатель первого рода, который бы совершал работубез подвода к нему энергии извне или совершал бы работу в большем количестве, чем то количество энергии, которое было к нему подведено извне.

Второй закон был сформулирован Клаузиусом: «Теплота не может самопроизвольно переходить отменее нагретого тела к более нагретому телу». В формулировке Кельвина: невозможно создать периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара. «Вечный двигатель» первого рода — это периодически действующая машина, имеющая неиссякаемую внутреннюю энергию, которую можно использовать в виде механического движения рабочего тела (механизма) во внешней среде.

Первый закон классической термодинамики запрещает возможность подобного «вечного двигателя»,поскольку в этом случае существовал бы изолированный от внешней среды вечный источник производства энергии, передающий энергию в форме механического движения в окружающую среду. Эта машина имела бы конечные размеры и бесконечный источник внутренней энергии.

«Вечный двигатель» второго рода не противоречит первому закону классической термодинамики: холодное состояние — это также энергетическое состояние. «Вечный двигатель» второго рода великаямечта инженеров. Подобная машина противоречит второму закону классической термодинамики: невозможно самопроизвольное, прямое преобразование хаотического теплового движения частиц (молекул)во внешнее механическое движение машины.

Для уточнения физического содержания второго закона термодинамики Клаузиус ввел понятие энтропии. Энтропия выражала у Клаузиуса меру неупорядоченности изолированной термодинамической системы, т.е.переход подобной системы со временем к состоянию хаотического движения составляющих ее элементов.

Энтропия обозначается символом S, а ее изменение — ∆S. В дальнейшем это понятие уточнялось наоснове новых термодинамических моделей, отличающихся от моделей термодинамической системы в классической термодинамике. В частности, во второй половине ХХ в. стали рассматривать прирост энтропии за единицу времени в единице объема в открытых термодинамических системах как функцию диссипации (рассеяния) энергии.

Диссипативными системами называют термодинамические системы в которых функция диссипации не равна нулю.

Немецкий астроном Г. Ольберс (1758—1840) сформулировал загадочный вопрос: почему звездное небо выглядит темным при бесконечно огромном скоплении звезд на небе? На современном уровне этот вопрос формулируется таким образом: какова природа несветящейся материи, темноты, окружающей звезды, галактики, и каков предел ее распространения?

Кельвин высказал предположение, что правильный ответ на этот вопрос зависит от того, является ли Вселенная бесконечной или конечной в пространстве. Второй          закон термодинамики устанавливает направление изменения от упорядоченной системы к системе менее упорядоченной. Поэтому У. Кельвин высказал мысль, что со временем Земля не будет пригодной для жизни. Энтропия, ее рост, является как бы стрелой времени. В свою очередь Л. Больцман высказал идею флуктуационной гипотезы Вселенной.Термин «флуктуация» при переводе с латинского означает колебание, отклонение от средней величины. Л. Больцман полагал, что приблизительно каждые 70 млн земных лет во Вселенной происходят самопроизвольно возникающие термодинамические процессы, которые препятствуют росту энтропии. Немецкий физик Вальтер Нернст (1864—1941) сформулировал в 1906 г. теорему, которая получиланазвание третьего закона термодинамики.

При стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния термодинамической системы не изменяют ее энтропию. Другая формулировка: при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.

Теорема Нернста интересна своим космологическим следствием: существует ли во Вселенной механизм, который препятствует переходу энергии на такой структурный уровень, который делает невозможной энергетическую эволюцию Вселенной. Эта проблема является актуальной и в настоящее время для современных моделей эволюции Вселенной. С учетом теоремы Нернста об энтропии сегодня говорят как о критерии различения открытых и закрытых термодинамических систем, а также как о критерии различения обратимых и необратимых термодинамических процессов. 

 ЛЕКЦИЯ 5. КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ. СИНЕРГЕТИКА. 

Современные физические концепции строения материи приписывают ей свойства динамизма, развития, эволюционный характер. Научному мировоззрению, по крайней мере, с XIX века была присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) - самого простого из всех возможных состояний системы, не обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной маловероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Следовательно, упорядоченное состояние вещества, которое наблюдается в доступной части Вселенной, возникло случайно, жизнь, как самая высокая из всех известных науке форм упорядоченности, тем более случайна и противоестественна. Это подтверждала, распространенная в 19 веке в космологии модель стационарной Вселенной. Что же заставило изменить этот, казалось бы, незыблемый взгляд на развитие, прийти к идее самоорганизации материи, которая внедрилась в научное мировоззрение во второй половине ХХ века и коренным образом изменила старые взгляды на материю и процессы ее развития?

Истоки идеи самоорганизации систем. Эта идея порождена увеличением числа исследований в различных областях естествознания, посвященных кооперативным эффектам в открытых неравновесных системах. Первоначально в 60–х годах ХХ столетия такие исследования проводились независимо в разных дисциплинах, позже (в 70–х годах) они стали предметом сравнения, и в них обнаружилось много общего. Необходимо отметить, что в научной литературе одни авторы используют термин «самоорганизация», другие «синергетика». К концепции самоорганизации через разработку термодинамики открытых систем пришел бельгийский ученый Илья Пригожин. А термин «синергетика» ввел немецкий физик Герман Хакен. Слово «синергетика» древнегреческого происхождения, означает «сотрудничество, совместное действие». Лингвистический смысл слов различен, но концептуальных расхождений между этими научными направлениями нет. Как синергетика, так и теория самоорганизации исследуют процессы самоорганизации и самодезорганизации в открытых системах физической, химической, биологической, экологической, социальной и другой природы. Сегодня наука считает все известные системы от самых малых (элементарные частицы), до самых больших (Вселенная) – открытыми, обменивающимися энергией, (или) веществом и (либо) информацией с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. А развитие таких систем, как стало известно, протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем. В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.