Мегамир. Кибернетика.Термодинамика

Содержание  

1. Краткая характеристика мегамира……………………………………..3
2. Вероятностный характер законов мегамира…………………………...6
3. Термодинамика и концепция необратимости…………………………8
4. Кибернетика-наука о сложных системах……………………………..11
5. Библиографический список…………………………………………...14

1.Краткая характеристика мегамира 

     С точки зрения современной науки, мегамир - взаимодействующая и развивающаяся  система всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд, звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики. Расстояние измеряется световыми годами, время –миллионами и миллиардами лет.

     Начальной ступенью в иерархии объектов мегамира являются планеты (в переводе с греческого — "блуждающие"). Планеты — это небесные тела, обращающиеся обычно вокруг звезд, отражающие их свет и не имеющие собственного видимого излучения. По размерам и массам они значительно меньше звезд. Солнечной системе принадлежат также кометы и метеорные тела. В настоящее время неизвестно, имеются ли в Солнечной системе планеты, еще более удаленные от Солнца, чем Плутон; Можно только утверждать, что если такие планеты и есть, то они сравнительно невелики.

     Наиболее  распространенными объектами окружающего  нас материального мира являются звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. Изученная нами часть окружающего пространства заполнена огромным количеством звезд — самых больших небесных тел, подобных нашему Солнцу, вещество которых находится в состоянии плазмы. Они имеют собственные видимые излучения и характеризуются различными размерами, массами, светимостями и временами жизни. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы — так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды, выбрасывающие ее в пространство и виде мощного потока газа. Звезды объединены также в еще большие группы — звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления насчитывают несколько сотен отельных звезд, шаровые скопления — многие сотни тысяч.

     Перечисленные звездные системы являются частями  более общей системы — Галактики, включающей в себя помимо звезд и  диффузную материю. По своей форме  галактики разделяются на три  основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные. В неправильных галактиках наблюдаются вихревые движения газов и тенденция к вращению, вероятно, ведущие к образованию спиральных ветвей. В настоящее время астрономы насчитывают около 10 миллиардов галактик. Большинство галактик имеет эллиптическую или спиралевидную форму. Галактика, внутри которой расположена Солнечная система, является спиральной системой, состоящей приблизительно из 120 миллиардов звезд. Она имеет форму утолщенного диска. Наибольший диаметр равен 100 тысяч световых лет. По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что наша Галактика имеет четыре спиральные ветви. Ближайшей галактической системой является туманность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2 700 000 световых лет. Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик. Галактики, как правило, встречаются в виде так называемых «облаков» или «скоплений галактик». Эти «облака» содержат до нескольких тысяч отдельных систем. Распределение галактик в пространстве указывает на существование определенной упорядоченной системы — Метагалактики. Метагалактика, или система галактик, включает в себя все известные космические объекты.

     Для объяснения структуры мегамира наиболее важным является гравитационное взаимодействие. Всякое тело притягивает другое тело, но сила гравитации, согласно закону всемирного тяготения, быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними. В газово-пылевых туманностях под действием сил гравитации происходит формирование неустойчивых неоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам — плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменно или вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения

     Во  Вселенной все находится в  движении. Движутся планеты и их спутники, кометы и метеорные тела; движутся Солнце и звезды в галактиках, движутся галактики относительно друг друга. Как нет пространства без материи, так нет и материи без движения. 
 
 
 
 
 

2. Вероятностный характер законов микромира

     В пространственном смысле выделяют законы мегамира, макромира, микромира. У последних, выделяется их вероятностный характер, а также возможности в теории отображать посредством специального аппарата математики (например, квантовомеханических операторов, волновой функции как в уравнении Шредингера, и др.) свойства дискретности (квантованности) частиц и полей, закон взаимопревращаемости этих последних друг в друга, дуализма волн и частиц как объектов микромира и др. Они влекут за собой такие особенности закона и аппарата уравнений движения и взаимопревращений,  как неоднозначность и неопределенность утверждений об их положении (в принципе неопределенностей Гейзенберга), о величине параметров, взаимодействиях, о причинности и состояниях и др.

     Подчеркнем  то, что одним из наиболее важных утверждений квантовой механики является то, что законы в области микромира являются вероятностно-статистическими. Например, из теории Бора известно, что если мы возбудим атом «перебросив» электрон на более высокую по энергии «орбиту», то спустя некоторое время он может потерять избыток энергии и возвратиться на более низшую «орбиту», испустив при этом излишек энергии в виде фотона. Однако промежуток времени, в течение которого атом находился в возбужденном состоянии, является совершенно неопределенным и его нельзя точно предсказать заранее. Можно только вычислить вероятность испускания фотона, т.е. некое среднее время жизни в возбужденном состоянии. В макромире вероятности различных явлений из-за большого числа микрочастиц, образующих макротела и участвующих в тех или иных процессах, оказываются  всегда близкими к нулю или единице, т.е. являются практически достоверными. По принципу Гейзенберга в квантовой теории точно измеряется либо пространственно-временная, либо энергетическая сторона явления, но не обе одновременно. Человек изучает микромир с помощью приборов – макроскопических аппаратов. Одни из них дают возможность узнавать пространственно-временные характеристики микрочастиц, а другие для определения энергетических свойств микрочастиц, и эти два класса приборов в известном смысле «враждебны» друг другу. Взаимодействие их с объектами микромира таково, что применение одного типа приборов исключает применение одновременно другого, что, согласно положениям квантовой механики, заложено в самой природе микрочастиц и не зависит от конструкции прибора, а только от его класса. Вероятностный подход к описанию явлений микромира совершенно не означает, что движение микрочастиц непредсказуемо и произвольно. Зная волновую функцию, можно определить вероятность появления частицы в любом месте и в любое время. На смену жестко детерминизированным законам классической физики, справедливым в макромире, пришли вероятностные законы, работающие в микромире. Они являются отражением специфики микрообъектов, проявлением новых свойств материи на уровне ее мельчайших структурных единиц. Принцип соответствия работает и здесь — при переходе к макрообъектам квантово-механический аспект движения становится неощутим из-за малости постоянной Планка. Динамические законы есть предельный случай более общих вероятностных закономерностей. Последние не являются свидетельством неполноты нашего знания, а отражают глубокое понимание свойств материи на новом качественном уровне.

   При изучении микромира мы тесно связаны с макроусловиями, так как человек, познающий объекты микромира, сам является макроприбром, и его чувства подвластны только макронаблюдениям. Человек, через свои совершенные макропиборы, познает микромир, получая своеобразную проекцию микромира на макропоказания  своих макроприборов.

3.Термодинамика  и концепция необратимости

     История открытия закона сохранения и превращения  энергии привела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом, изучающем тепловые процессы без  учета молекулярного строения вещества, и молекулярно-кинетическом, исследующем тепловые явления как результат совместного действия огромной совокупности движущихся частиц, из которых состоит вещество. Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Молекулярно-кинетическое направление характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результат суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая физика. Оформившись к середине XX в., оба эти направления подходят к рассмотрению изучения состояния вещества с различных точек зрения и дополняют друг друга, образуя одно целое.

     Работа  Д. Джоуля, Ю. Майера и других установили так называемое первое начало термодинамики. Р. Клаузиус первым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики. Всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус назвал "теплом содержащимся в теле" (U) в отличие от "тепла, сообщенного телу" (Q). Величину U можно увеличить двумя эквивалентными способами — произведя над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q).

     Общепризнанным  является тот факт, что распространение  тепла представляет собой необратимый  процесс и тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. Важной концепцией термодинамики является то, что Клаузиус определил, что при работе тепловой машины не все количество теплоты, взятое у нагревателя, передается холодильнику. Часть этой теплоты превращается в работу, совершаемую машиной (рис. 1). Клаузиус показал, что объяснение превращения теплоты в работу основывается еще на одном принципе, сформулированном С. Карно, утверждающим, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача теплоты холодильнику. Совершаемая при этом тепловая работа (А) оценивается коэффициентом полезного действия (h) следующим образом:      h =A/Q1, где Q — количество теплоты, переданное нагреванием. Максимальный коэффициент полезного действия имеет идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, коэффициент полезного действия которой определяется как h=(Т1-Т2)/Т1, где Т1 — абсолютная температура нагревателя; Т2 — абсолютная температура холодильника.                                 

                  Таким образом, имеет место общее свойство теплоты, заключающееся в том, что теплота "всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным". Это положение Клаузиус предложил назвать "вторым основным положением механической теории теплоты", и в современную науку оно вошло как второе начало термодинамики. Классическую  термодинамику Клаузиуса  издавна  называют королевой наук. Это замечательная  научная система, детали которой  ни по красоте, ни по блестящей законченности  не уступают всей системе в целом. Такую славу она снискала благодаря предельной широте и универсальности  своего фундамента - первого и второго , начал, которым призвано подчиняться  все сущее. Именно поэтому термодинамике  было суждено сыграть роль стартовой  площадки при разработке общей теории природы. 

     Но классическая термодинамика не знакома со временем и пространством: она признает только такие понятия, как покой (равновесие), для которого не существует времени, и однородность, для  которой  безразлична протяженность  в  пространстве. Этот недостаток особенно ощутим для  инженера, сильно стесненного  рамками  времени   и  пространства. Чтобы справиться с указанной трудностью, Онзагером была предложена термодинамика необратимых процессов, уже содержавшая и время, и пространство, и эффекты выделения теплоты трения в необратимых (неравновесных) процессах. Это был революционный шаг принципиальной важности. Однако теория Онзагера по-прежнему имеет в своей основе второй закон классической термодинамики, с помощью которого вводится понятие энтропии, справедливой только для состояния равновесия. Поэтому, строго говоря, применение термодинамики Онзагера ограничивается лишь процессами, бесконечно мало отклоняющимися от состояний равновесия. Это направление получило широкое развитие, особенно в рамках нидерландско-бельгийской школы; термодинамика необратимых процессов стала именоваться термодинамикой неравновесных процессов, но фундамент ее не претерпел, изменений. Наука, которая первой начала исследование подобных систем, получила название кибернетики.

4. Кибернетика-наука о сложных системах

     Кибернетика (от греч. kybernetike - искусство управления) — это наука об управлении сложными системами с обратной связью. Она  возникла на стыке математики, техники  и нейрофизиологии, и ее интересовал  целый класс систем, как живых, так и неживых, в которых существовал механизм обратной связи. Основателем кибернетики по праву считается американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу, которая так и называлась «Кибернетика».