Контрольная работа по "Концепция современного естествознания"

ГОУ ВПО «Московский  государственный  открытый университет»

Чебоксарский  политехнический  институт (филиал)

     Кафедра высшей прикладной математики 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа

По  дисциплине: Концепция современного естествознания. 

Вариант:29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

студент 1 курса заочной формы обучения

шифр  специальности 080100

учебный шифр 1311429

Экономика

                                                                                                            Яковлева Анна Николаевна 

Проверил:

Кандидат  биологических наук,доцент

Алтынова  Н.В. 
 

Чебоксары 2012.

Содержание. 
 

1. Характеристики  самоорганизующихся структур. Нелинейность………………………………………...4
2. Квантовая телепортация…………………………….6
3. Теории элементарных частиц. Квантовая хромодинамика. Великое объединение…………....9
4. Мировые константы. Физический смысл…………11
5. Черные дыры. Гравитационный коллапс. Гравитационный радиус. Горизонт событий……..16
6. Список использованной литературы……………...19

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Характеристики  самоорганизующихся  структур. Нелинейность. 

    Классическое  и неклассическое естествознание объединяет одна общая черта: их предмет познания — это простые (замкнутые, изолированные, обратимые во времени) системы. Однако такое понимание предмета познания является сильной абстракцией. Вселенная  представляет собой множество систем. Но лишь некоторые из них могут трактоваться как замкнутые системы, т.е. как «механизмы». Во Вселенной таких «закрытых» простых систем меньшая часть. Подавляющее большинство реальных систем открытые и сложные. Это значит, что они обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

    Человек всегда стремился постичь природу  сложного, пытаясь ответить на вопросы: как ориентироваться в сложном  и нестабильном мире? Какова природа  сложного и каковы законы его функционирования и развития? В какой степени предсказуемо поведение сложных систем? Среди сложных систем особый интерес вызывают самоорганизующиеся системы. К такому рода сложным открытым самоорганизующимся системам относятся биологические и социальные системы, которые более всего значимы для человека.

    В 1970-е гг. начала активно развиваться  теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в  области математического моделирования  сложных открытых систем привели  к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании — синергетики. Как и кибернетика, синергетика — это некоторый междисциплинарный подход. Но если в кибернетике акцент делается на процессах управления и обмена информацией, то синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.

    Мир самоорганизующихся систем гораздо  богаче, чем мир закрытых, линейных систем. Вместе с тем его сложнее  моделировать. Как правило, для (приближенного) решения большинства возникающих здесь нелинейных уравнений (порядок выше первого) требуется сочетание современных аналитических методов и вычислительных экспериментов. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п.

    Методами  синергетики осуществлено моделирование  многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики — существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.

    Но  если большинство систем Вселенной  носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Вследствие этого Вселенная оказывается способной к развитию, эволюции, самоорганизации. Стабильные и равновесные системы не способны к самоорганизации, они являются тупиками эволюции.

    Неравновесные системы благодаря избирательности  к внешним воздействиям среды  воспринимают различия во внешней среде  и «учитывают» их в своем функционировании. При этом некоторые слабые воздействия  могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, на нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции: здесь возможны ситуации, когда эффект от совместного действия причин А и В не имеет ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.

    Процессы  в нелинейных системах часто носят  пороговый характер — при плавном  изменении внешних условий поведение  системы изменяется скачком. Другими  словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению. Для каждой системы существует некий оптимальный «коридор нелинейности», способствующий структурообразованию. Очень сильная нелинейность, так же как и очень слабая нелинейность, несовместима с образованием локальных структур. Зато в пределах только оптимального «коридора» усиление нелинейности увеличивает количество способов образования и форм локальных структур, а также количество вариантов эволюции системы, ее маршрутов в будущее.

    Нелинейные  системы, являясь неравновесными и  открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких  условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными. 
 
 
 
 

    2.Квантовая  телепортация. 

    Ква́нтовая  телепорта́ция — передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве сцепленной пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения, после чего воссоздаётся в точке приёма.

    Квантовая телепортация не передаёт энергию или вещество на расстояние. Обязательным этапом при квантовой телепортации является передача информации между точками отправления и приёма по классическому, неквантовому каналу, которая может осуществляться не быстрее, чем со скоростью света, тем самым не нарушая принципов современной физики.

    В тонких физических экспериментах удалось, кажется, сделать то, что самые  смелые фантасты считали не более  чем нереалистичной фантастикой: исследуя одну из связанных когда-то частиц, можно мгновенно (со сверхсветовой скоростью!) с любых расстояний получать информацию о состоянии другой частицы.

    Герои научно-фантастических фильмов и  романов давно освоили телепортацию - удобный способ мгновенного перемещения во времени и в пространстве. Что же касается реальной жизни, то здесь подобное продолжает оставаться лишь мечтой.

    Тем не менее еще в 1935 году Альберт  Эйнштейн совместно со своими коллегами  Б. Подольским и Н. Розеном предложил  эксперимент по телепортации если не вещества, то информации. Этот способ сверхсветовой связи получил название "Парадокс ЭПР".

    Суть  парадокса состоит в следующем. Есть две частицы, которые какое-то время взаимодействуют, образуя  единую систему. С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некоей волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы неизвестно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий ее параметры, у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными!) соответствующие характеристики. То есть возможна мгновенная "пересылка" квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние. Телепортации самой частицы, передачи массы при этом не происходит.

    Похожим образом ведет себя разорвавшийся  на две части снаряд: если до взрыва он был неподвижен, суммарный импульс  его осколков равен нулю. "Поймав" один осколок и измерив его импульс, можно мгновенно назвать величину импульса второго осколка, как бы далеко он ни улетел.

    Сегодня по крайней мере две научные группы - австрийские исследователи из университета в Инсбруке и итальянские из университета "La Sapienza" в Риме - утверждают, что им удалось осуществить телепортацию характеристик фотона в лабораторных условиях.

    Эксперименты  в Инсбруке передавали "послания" в виде поляризации фотона ультрафиолетового  излучения. Этот фотон взаимодействовал в оптическом смесителе с одним из пары связанных фотонов. Между ними в свою очередь возникала квантово-механическая связь, приводящая к поляризации новой пары. Таким образом экспериментаторы добились очень интересного результата: они научились связывать фотоны, не имеющие общего происхождения. Это открывает возможность для проведения целого класса принципиально новых экспериментов.

    В результате измерения второй фотон  первоначальной связанной пары также  приобретал некоторую фиксированную  поляризацию: копия первоначального состояния "фотона-посланника" передавалась удаленному фотону. Наиболее сложно было доказать, что квантовое состояние действительно телепортировано: для этого необходимо точно знать, как установлены детекторы при измерении общей поляризации, и потребовалось тщательно синхронизовать их.

    Вместо  того чтобы использовать отдельный "фотон-посланник", итальянские  исследователи предложили рассматривать  одновременно две характеристики каждой связанной частицы: поляризацию  и направление движения. Это позволяет теоретически описывать их как отдельные частицы и в то же самое время, проводя измерения только с первой частицей, получать характеристики второй, не трогая ее, - осуществлять телепортацию.

    Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами - электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более стабильной. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды.

    После создания надежных методов квантовой  телепортации возникнут реальные предпосылки  для создания квантовых вычислительных систем (см. "Наука и жизнь" ? 6, 1996 г.). Телепортация обеспечит надежную передачу и хранение информации на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными, и может быть использована для связи между несколькими квантовыми компьютерами. Кроме того, и сами разработанные исследователями методы имеют огромное значение для будущих экспериментов по квантовой механике, для проверки и уточнения целого ряда современных физических теорий.  

Схема эксперимента по квантовой телепортации, проведенного в лаборатории Инсбрука. Детекторы, Линейная поляризация, Неполяризованный свет, Кристалл,Ультрафиолет.