Шпаргалка по "Концепции современного естествознания"

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.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие же – только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних симметриях.

Внутренние принципы симметрии действуют в микромире. В релятивистской квантовой теории предполагается взаимное превращение элементарных частиц:

-                        при всех превращениях элементарных частиц сумма элементарных зарядов частиц остается неизменной

-                        барионный или ядерный заряд остается постоянным.

-                        заряд лептона сохраняется.

16. Золотое сечение – закон проявления гармонии природы

          «Золотое сечение» – это закон пропорциональной связи целого и составляющих его частей. Правило золотого сечения показывает, что большее относится к меньшему, как целое – к большему. Пифагор первым обратил внимание на это гармоническое деление любого отрезка, а Леонардо да Винчи ввёл сам термин «золотого сечения». Классический пример золотого сечения – это деление отрезка в среднепропорциональном отношении: a/b=(a+b)/a. У человека золотое сечение – это отношение его роста к расстоянию от пупка до подошвы ног: при рождении оно равно 2, а к 21 году у мужчин – 1,625, у женщин – 1,6. Феномен золотого сечения – одно из ярких проявлений гармонии природы. Он рассматривается в общей картине исторического становления архитектуры, обнаруживается в формах живой природы, в области музыкальной гармонии, в искусстве, в технике, в астрономии и т.д.

17. Принципы суперпозиции, неопределённости, дополнительности

          Принципы суперпозиции, неопределённости и дополнительности являются одними из основополагающих принципов теоретической физики.

Принцип суперпозиции – это допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым эффектом в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга. Принцип суперпозиции   позволяет получать результатирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими волновыми функциями, то она также может находиться  в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.

              Принцип неопределённости впервые сформулировал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Этот принцип представляет собой фундаментальное положение квантовой теории, состоящее в том, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения. Иначе говоря, чем точнее одна из сопряжённых величин, тем менее точной оказывается другая. Принцип неопределённости выражается формулой: ΔхΔр = h, где, h – постоянная Планка (h = 6,626*10-34 Дж с), х – координата, р – импульс. Таким образом, квантовая теория отличается от классической тем, что её предсказания имеют лишь вероятностный характер и потому она не обеспечивает точных предсказаний.

              По современным воззрениям квантовый объект – это не частица и не волна, и даже ни то и другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, для выражения которого у нас нет соответствующих понятий, соответствующего языка. Мы вынуждены говорить на классическом языке. Но для возможно более полного представления о микрообъекте мы должны использовать два типа микроприборов: один – позволяющий изучать волновые свойства микрообъекта, другой – его корпускулярные свойства. Эти свойства являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, но они оба в равной мере характеризуют микрообъект, а потому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея была высказана Х.Д. Бором и положена им в основу принципа дополнительности. Принцип дополнительности как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих, дополнительных понятий. Например, иллюстрацией принципа дополнительности в какой-то мере может служить совместное существование науки искусства как двух различных способов изучения окружающего мира.

18. Проблемы детерминизма и причинности. Динамические и статистические закономерности в природе. Законы сохранения энергии в макроскопических системах. Закон возрастания энтропии. Принцип минимума диссипации энергии.

           Одной из наиболее актуальных проблем современного естествознания является вопрос о природе причинности и причинных отношениях в мире. В решении этой проблемы возникли два направления – детерминизм и индетерминизм – занимающие противоположные позиции. Сущностью детерминизма является идея о том, что всё существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определённых причин. Напротив, индетерминизм – учение, отрицающее объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.

              В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей, которые подразделяются на динамические и статистические. Динамическими называются закономерности, выражающие однозначные связи физических объектов и описывающие их абсолютно точно посредством определённых физических величин. Например, по заданным значениям координат и импульсов всех частиц системы в начальный момент времени второй закон Ньютона позволяет однозначно определить координаты и импульсы в любой последующий момент времени.

              В отличие от динамических законов, заключения, основанные на статистических закономерностях, не являются достоверными и однозначными. Представления о таких закономерностях  впервые ввёл Максвелл в 1859 г. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Для этого Максвелл ввёл в физику понятие вероятности и указал на то, что нужно отказаться, например, от неразрешимой задачи определения точного значения импульса молекулы в данный момент, а попытаться найти вероятность этого значения. Тем самым однозначно определяется среднее значение физической величины. Такие средние значения в статистических теориях играют ту же роль, что и сами физические величины в динамических теориях.

Законы сохранения энергии в макроскопических системах.

              Хорошо известно, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. С другой стороны, путём точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию  в строго определённых количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о её сохранении. Эти и многие другие факты нашли своё обобщение в законах классической термодинамики:

               если к системе подводится количество теплоты Q и над системой производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + W. U – внутренняя энергия системы, которая показывает, что тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы.

               невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре.

Закон возрастания энтропии.

              Второй закон термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». С учётом введённого в термодинамику понятия энтропии как меры беспорядка системы Клаузиус снова сформулировал второй закон: энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Принцип минимума диссипации энергии.

Открытая система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо неё из среды поступает свежая энергия  и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной и ли даже уменьшаться. Таким образом, открытая система не может быть равновесной, и её функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. При этом прежняя структура системы разрушается, а между её элементами возникают новые согласованные отношения. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах, которые связаны с диссипацией, или рассеянием, энтропии в окружающую среду.

19. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем. Дарвиновская триада.

В 1859 г. Ч. Дарвином было создано эволюционное учение, опровергшее существовавшее толкование природы как творение бога. Дарвин выдвинул положение, согласно которому все существующие многочисленные формы растений и животных произошли от более простых организмов путём постепенных изменений, накапливавшихся из поколения в поколение, т.е. эволюционно. Эволюция в переводе с латинского означает развертывание; это непрерывный и необратимый процесс исторического развития природы.

Согласно учению Дарвина, движущими силами эволюции являются изменчивость, наследственность и естественный отбор, составляющие так называемую дарвиновскую триаду.           

Под изменчивостью понимается разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. Дарвин делил изменчивость на две категории (наследственную и ненаследственную) и выделял несколько её основных форм: это групповая изменчивость и неопределённая индивидуальная изменчивость.

Наследственность – это свойство организмов передавать следующему поколению свои признаки и особенности развития, т.е. это способность к воспроизведению себе подобных. Законы наследственности, с одной стороны, выражают повторение в ряду поколений, а с другой стороны  закономерности в передаче изменений от родителей потомкам.

Естественный отбор обеспечивает протекание процесса эволюции в том или ином направлении. В результате его действия в популяции происходит увеличение числа особей, обладающих определённым свойством или качеством. Отбор «подхватывает» случайно возникшие полезные мутации и насыщает ими генофонд. В этом заключается направляющая роль отбора в эволюции. Таким образом, естественный отбор – это сохранение благоприятных индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных. Особи, успешно противостоящие неблагоприятным факторам и лучше использующие ресурсы внешней среды, с большей вероятностью могут оставить потомство.

              Свою теорию Дарвин называл «теорией развития путём изменения», подчёркивая тем самым универсальный характер развития. Развитие представляется как переход из одной стадии в другую, от одного качества к другому и т.д. Причём развитие характеризуется не только приобретением системой более совершенных свойств, но и наличием соответствующих условий для их реализации. Импульс к развитию содержится внутри самой системы.              

20. Классы механизмов эволюции. Закон дивергенции

В явлениях самой различной природы важнейшую роль играют классы механизмов эволюции; среди них можно выделить катастрофические, или пороговые, и адаптационные.  Адаптационный механизм эволюции – это логическая цепочка, которая приспосабливает данную систему (или организм) к окружающей среде. Адаптация обеспечивает развивающейся системе определённую стабильность в данных конкретных условиях. Поэтому, изучая особенности среды, можно предвидеть тенденцию в изменении параметров системы.

Действие пороговых механизмов состоит в том, что существует некоторое критическое значение внешнего воздействия, выше которого прежняя форма уже существовать не может. Переход системы через это пороговое состояние ведёт к резкому качественному изменению протекающих в ней процессов. При этом заранее невозможно предсказать, по какой ветви эволюции пойдёт развитие дальше, т.к. это зависит от неизбежно присутствующих случайных воздействий внешней среды.