Правительство Москвы Московский комитет образования Московский городской педагогический университет Юридический факультет
Скачать 3.86 Mb.
|
12. Динамические и стохастические системы. Динамическая система – система элементов различного типа, причины движения которой можно свести к действию каких-либо конкретных движущих сил, которые, в свою очередь, можно свести к некоторой равнодействующей (эффективной) силе, обусловливающей закономерности развития этой системы. Все свойства динамических систем могут быть выражены с помощью одной функции – т.н. гамильтониана, который с учетом начальных условий конкретно поставленной задачи позволяет однозначно и непротиворечиво описать эволюцию системы в пределах любого интервала времени. Физический смысл гамильтониана (или функции Гамильтона) – это полная энергия системы, т.е. сумма кинетической и потенциальной энергии, всегда остающаяся постоянной (инвариант, сохраняющийся при любых изменениях во времени координат и импульсов всех элементов внутри данной системы). Математическая формулировка задач динамики, соответствующая гамильтонову формализму, дает интегрируемые уравнения и системы уравнений, позволяющие получать точные решения задач механики с любым количеством элементов. Это явилось математической основой подхода к описанию мира, получившего название механистического детерминизма (П.С. Лаплас, Г.Р. Кирхгоф и др.), сводящего движение и изменения любого типа к только механическому движению, и трактующему весь мир как динамическую систему отношений, допускающую точные и однозначные прогнозы развития. Однако в начале 20-го века было показано (А. Пуанкаре и др.), что понятие динамических систем является физической идеализацией, с высокой точностью моделирующей и математически описывающей ограниченный круг реальных механических процессов, причем главным образом для тех систем, к которым можно применить приближенное допущение о внутренней динамической стабильности и однородности. Реальные системы оказались принципиально сложнее, поскольку наличие в их поведении внутренней нестабильности и стохастичности не поддавалось формализму динамики, а требовало статистических методов моделирования и соответствующей этому вероятностной интерпретации. Стохастический – (от греч. угадывать), то же, что неопределенный, случайный, вероятностный. Интересно то, что первоначальный смысл греческого слова «стохастикос» – это умеющий целить, попадать, умеющий верно отгадывать, судить, - в европейском мышлении трансформировался в противоположный. Понятие стохастический процесс или стохастическая система пменяется по отношению к каким-либо процессам, событиям или сложным системам, закономерности поведения которых не описываются детерминистскими законами ньютоновской динамики, а подчиняются статистическим моделям. 13. Информация – потоки вещества и (или) энергии, которые, упорядочиваясь в процессе восприятия органами чувств человека или регистрирующими приборами, расширяющими пределы восприятия, могут быть в соответствующем знаково-семантическом пространстве (языке) перекодированы в смыслосодержащие структуры. Бытовое и общекультурное представление об информации наделяет это понятие очень широким смысловым спектром. В житейском, повседневном смысле оно означает некоторое количество сведений, которое человек получает из окружающей среды – из своих наблюдений, от других людей, книг, СМИ и т.д. В результате, с помощью этих сведений человек упорядочивает свои отношения с окружающим миром, а человечество в целом создает информационно-культурное пространство, в котором осуществляются социальные процессы и которое постепенно превращается как бы во вторую природу, преодолевающую хаос и энтропию первой природы. По определению известного отечественного культуролога Ю.М. Лотмана вся человеческая культура есть устройство, создающее информацию. Это, конечно, структурно-сциентистская трактовка культуры, которая однако, позволяет использовать методы естествознания для изучения соответствующих аспектов культурных явлений в той их части, которая естественным наукам доступна. В этом контексте любое произведение, созданное человеком, или любой природный феномен, осваиваемый человеком в сфере языка, или природная структура, преобразованная людьми с определенной целью, несут информацию постольку, поскольку могут быть восприняты и осмыслены в уже сложившейся системе образов, представлений и понятий. Язык, понимаемый в самом широком смысле этого слова, служит для закрепления информации и является открытой активной средой, в которой осуществляются процессы спонтанного смыслопорождения, т.е. процессы самоорганизации семантически упорядоченных информационных структур, ранее в этой системе не существовавших. Такое толкование поведения знаковых систем (или семиосфер) вписывается в общую синергетическую модель, описывающую закономерности развития сложных неравновесных самоорганизующихся систем любого типа. Содержание понятия информации в естественных науках неоднозначно и зависит от того научного контекста, в котором оно определяется. Так, в кибернетике обычно абстрагируются от содержательной (смысловой) стороны информации и рассматривают процессы взаимодействия элементов любой кибернетической системы, обеспечивающие устойчивость и управляемость этой системы, с точки зрения теории передачи сигналов, когда на первый план выступает проблема оптимальной взаимной передачи и приема данных о состоянии отдельных элементов системы. При этом материальная форма, в которую облечены эти сведения, имеет второстепенное значение и является делом техники (в искусственных системах) или определяется спецификой тех или иных естественных природных сред (сообществ организмов, ценозов, экосистем (см.) и даже всей биосферы в целом). В естествознании информация трактуется как некоторая совокупность данных, полученных в процессе эксперимента в прямых или косвенных измерениях, а также в результате обработки и обобщения данных в рамках какой-либо гипотезы или теории. В этом смысле то, что недоступно измерениям, что не является источником научных данных, не может быть предметом естествознания и научной информацией не обладает. С такой точки зрения, все явления природы, недоступные наблюдению невооруженными органами чувств, содержат метаинформацию, которая актуализируется при использовании человеком соответствующих приборов, расширяющих пределы восприятия скрытых энергетических потоков. Например, количество информации «оптического» происхождения можно увеличить, применяя, помимо телескопа и микроскопа, детекторы инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, недоступного человеческому глазу. В гуманитарной сфере любой информации, кроме смыслового содержания, присущ еще и ценностный аспект, зависящий от системы мировидения, в которую эта информация встраивается. Отвлекаясь от смыслового и ценностного аспектов сообщения, можно любую информацию формально рассматривать как совокупность сведений о некотором определенном событии, которое в принципе может произойти в рассматриваемой системе. Событием в кибернетике называют состояние системы в определенный момент времени. Передаваемые и принимаемые сведения содержат данные о том, в каком из множества возможных состояний находилась эта система в конкретный момент времени. Эти данные могут быть закодированы определенным образом с использованием некоторого количества элементарных символов, составляющих алфавит кода, а число таких символов называется основанием кода. Из теории передачи сообщений следует, что каким бы ни было основание используемого кода, длина последовательности сигналов, необходимой для передачи некоторого конкретного сообщения, прямо пропорциональна логарифму числа всех возможных сообщений. Такой формализованный подход к информации позволяет производить измерение её количества, но без учета смысла, а только с точки зрения возможности кодировки её при помощи последовательности сигналов, построенной, как принято в кибернетике, на основании двоичной системы счисления, где существуют только числа 0 и 1 – т.н. двоичный код. Тогда за единицу измерения принимается то количество информации, которое заключается в одном двоичном разряде и определяется выбором одного из двух возможных сообщений, т.е. «да / нет», - эта единица называется бит. Эти соображения привели К. Шеннона к выводу, что количество информации в битах Н связано со степенью неопределенности в сообщении следующей формулой: H=log2 N. Здесь она приводится в упрощенном виде для случая, когда все «трактовки» равновероятны, а 1/N - вероятность каждого варианта. Данная формула аналогична выражению для энтропии (см.) как мере беспорядка или хаоса в термодинамической системе, полученному Л. Больцманом в рамках статистической физики. Обнаружившая себя аналогия далеко не случайна, - она вскрывает факт глубокой связи между теорией информации и статистической физикой и вводит информатику, как науку, в контекст всего естествознания. Отсюда также следует, что устойчивая циркуляция потоков информации в живых и неживых системах обеспечивает их стабильность и управляемость, а получение информации о внешнем мире в процессе человеческой деятельности приводит к упорядочиванию отношений в суперсистеме «человек-природа». Существующая в настоящее время сциентистская тенденция абсолютизировать понятие информации и распространять его на все без исключения процессы, в которых существуют хотя бы некоторые формы самоорганизации, связана с желанием иметь некоторый универсальный научный язык, описывающий любые системные феномены как в неживой, так и в живой природе. Это, в целом, весьма удобно, т.к. данный подход позволяет одним термином охватить широкий спектр конкретных понятий, и к тому же поддается количественному описанию. Однако все процессы, происходящие в неживых системах, могут быть вполне адекватно описаны и традиционным способом - на языке фундаментальных законов сохранения и соответствующих конкретному случаю физико-химических законов, и не требуют никаких дополнительных понятий. В то же время в области изучения системных закономерностей эволюции живых организмов (и тем более социально-культурных феноменов человеческой истории), принципиально необходима категория информации, но не столько с формальным количественным учетом её объема, сколько с анализом смыслового и ценностного содержания, поскольку эти процессы, хотя и не противоречат законам физики и химии, но полностью ими не описываются. 14. Ионизирующее излучение (радиация) – это поток заряженных частиц или жестких фотонов (квантов электромагнитного поля), которые способны ионизировать атомы вещества, передавая им соответствующую энергию. Альфа-излучение – поток атомных ядер химического элемента гелия – т.н. «альфа-частиц» (2 протона + 2 нейтрона), возникающий при альфа-распаде тяжелых радиоактивных элементов (радий, радон, полоний, торий, уран, плутоний и т.п.). Открыто выдающимся английским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Современная теория объясняет его механизм проявлением т.н. туннельного эффекта. Альфа-излучение обладает высокой энергией (от 4 до 5 Мэв), но малой проникающей способностью через вещество, что обусловлено очень интенсивным взаимодействием альфа-частиц с электронными оболочками атомов (высокой плотностью ионизации атомов поглотителя) и, следовательно, быстрой отдачей окружающей среде своей кинетической энергии при поглощении. Интересной особенностью процесса поглощения альфа-частиц веществом является резкий максимум потерь энергии непосредственно перед окончательной остановкой частицы. Это делает альфа-излучающие изотопы особо опасными в радиобиологическом отношении при попадании их внутрь организма, когда, находясь в непосредственном контакте с тканями органов, даже при малой концентрации, они создают в небольшом объеме очень высокую дозу облучения, приводящую к гибели клеток. Бета-излучение – поток быстрых электронов (или позитронов) – т.н. бета-частиц, образующихся при бета-распаде атомных ядер в результате т.н. слабого взаимодействия. Впервые бета-распад экспериментально изучался Эрнестом Резерфордом в 1899 году, а в 1933 Энрико Ферми разработал количественную теорию бета-распада. Новая теория бета-распада (она же объединенная теория электрослабого взаимодействия) была разработана С. Вайнбергом и А. Саламом в 1967 году посредством введения в рассмотрение неизвестных ранее силовых полей специфического типа и, соответственно, новых частиц – квантов-переносчиков энергии этих полей. Простейшим примером бета-распада является распад свободного нейтрона на протон, отрицательную бета-частицу (электрон) и антинейтрино. Бета-распад характерен для широкого класса радиоактивных элементов как искусственных, так и естественных (реликтовых). Энергия бета-излучения и его проникающая способность (пробег) в веществе варьируют в широких пределах, достигая в некоторых случаях, например, для искусственных радиоактивных изотопов фосфор-32 (максимальная энергия бета-спектра 1,7 Мэв) или иттрий-90 (максимальная энергия бета-спектра 2,27 Мэв) нескольких метров в воздухе или нескольких сантиметров в воде и теле человека, что может создавать значительную дозу облучения. С бета распадом, из-за исчезающе малой вероятности регистрации антинейтрино и нейтрино, связаны философские дискуссии в первой четверти 20 века о возможности нарушения закона сохранения материи-энергии в некоторых физических процессах. Однако, именно осознание этого закона сохранения как фундаментального принципа естествознания позволило теоретически обосновать существование электрически нейтральной и чрезвычайно легкой (а может быть и не имеющей массы покоя) частицы вещества, а затем (в 50-х годах) экспериментально обнаружить эту элементарную частицу. Её предсказал еще в 1931 году швейцарский физик Вольфганг Паули, и назвал, в честь выдающегося итальянского физика Энрико Ферми, нейтрино (по-итальянски - маленький нейтрон). Гамма-излучение – поток фотонов (квантов электромагнитного поля) высокой энергии, возникающих при т.н. изомерных переходах в атомных ядрах, когда в результате предшествующего альфа- или бета-распада образуется ядро-продукт в возбужденном состоянии, и избыток энергии с большей или меньшей вероятностью «высвечивается» в виде гамма-фотонов. При этом не происходит «изотопных» превращений в структуре ядра, а только переход ядра в основное энергетическое состояние. Гамма излучение, как не имеющее электрического заряда, относительно слабо взаимодействует с атомами вещества и поэтому обладает высокой проникающей способностью – до нескольких десятков сантиметров в свинце, (в зависимости от начальной энергии), и соответственно до многих сотен метров в воздухе. Это позволяет наблюдать за радиационной обстановкой в различных районах Земли со спутников, а также вести радиогеологоразведку. Изучение потоков гамма-излучения в составе космических лучей (см.) имеет большое значение в астрофизике, позволяя исследовать закономерности процессов, происходящих в звездах и ядрах галактик. 15. Квантовая механика – (также волновая механика), неклассическая теория, позволяющая описать закономерности различных процессов движения, взаимодействия и превращения элементарных частиц вещества и полей в масштабах микромира – субатомной реальности. В основе квантового подхода лежит гипотеза выдающегося немецкого физика Макса Планка (см.), выдвинутая в 1900 году (позднее подтвержденная экспериментально), о том, что в микромире все процессы изменения и превращения энергии происходят не непрерывно, а скачками, т.е. квантами (порциями), причем наименьшая порция энергии соответствует т.н. кванту действия и выражается фундаментальной величиной - постоянной Планка h = 6,626*10-34 Дж*сек. Любой энергетический переход измеряется только целым числом квантов энергии, например, энергия электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого орбитальными электронами атомов, равна произведению постоянной Планка на частоту колебаний его волны, -эту закономерность впервые осознал Эйнштейн в 1905 году, а в 1913 году ее применил Н. Бор для объяснения структуры атома. Из этой модели следовало, что движение электронов в атоме квантовано, т.е. в аналогиях классической механики (для наглядности) это соответствует тому, что радиусы орбит электронов вокруг ядра, а значит и их потенциальная энергия, могут принимать только дискретные значения, кратные натуральному ряду чисел (квантовым числам). Числу 1 соответствует основное энергетическое состояние, следующим числам – возбужденные. Квантование не нарушает закон сохранения энергии, он в квантовой механике выполняется дискретно и описывает переход электрона с одной орбиты на другую (энергетический скачок) с излучением фотона (кванта электромагнитного поля) с энергией, равной разности потенциальных энергий электрона на этих орбитах: hn=E2 -E1 , где n – частота электромагнитных колебаний. Динамическое поведение частиц, взаимодействующих с полями, (в частности электрически заряженной частицы с электромагнитным полем), описывает т.н. волновое уравнение Шредингера, - квантовомеханический аналог классического гамильтониана, описывающего в ньютоновской механике поведение макроскопической динамической системы. Уравнение Шредингера (см.) наиболее просто моделирует поведение одной элементарной частицы в силовом поле, но применяется и для системы многих частиц, для которых задана потенциальная энергия во внешнем поле и энергия их взаимодействия. Решением уравнения Шредингера является набор волновых функций, аналогичных таким, которые в классической механике описывают процесс распространения волновых колебаний в среде (т.н. «пси»-функций), но собственные частоты которых подчиняются законам квантования. Задача нахождения волновой функции в общем случае может быть очень сложной, а в ряде случаев (большие, сложные системы атомов – т.н. статистические квантовые ансамбли) волновое описание недостоверно и, как и в классической механике, требует статистических подходов. Помимо дискретности энергетических состояний объектов микромира, существует еще одно принципиальное отличие его от макромира – это наличие у частиц материи волновых свойств, а у волн электромагнитного поля – корпускулярных (т.н. корпускулярно-волновой дуализм). Волновое уравнение Шредингера как раз соответствует волновому характеру движения в пространстве объектов микромира, а решения его в виде волновых функций («пси»-функций) в квантовой механике описывают специфические особенности вероятностного поведения микрообъектов, обусловленные явлением нелокальности, несуществующим в классической механике, но совершенно обычном в мире элементарных частиц. (См. также: Поле, Шредингер). |
Похожие:
 | Московский городской педагогический университет Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы |  | Московский городской психолого-педагогический университет Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования города Москвы |
| Учебно-методический комплекс дисциплины ооп 050100. 62 «Педагогическое образование» Департамент образования города Москвы Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы... | | Программа вступительных испытаний в магистратуру по направлению 44.... Департамент образования города москвы государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования... |
| Повышение эффективности взаимодействия участников учебного процесса Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы «Московский городской педагогический... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы «Московский городской педагогический... |
| Московская Городская Педагогическая Гимназия-лаборатория» «Московский... Руководитель – К. Х. Н., доцент кафедры «Органическая химия мгпу» Ройтерштейн Дмитрий Михайлович | | Московский городской психолого-педагогический университет |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Программа предназначена для поступающих на второй и последующие курсы Педагогического института физической культуры и спорта Государственного... | | «московский психолого-социальный университет» юридический факультет утверждаю Автор-составитель – Вериго Сергей Александрович, кандидат экономических наук, доцент |
| К детям в образовательном процессе Международных Педагогических Чтений, руководитель лаборатории гуманной педагогики при гоу впо московский Городской Педагогический... | | Московский городской педагогический университет Научная специальность: 13. 00. 02 Теория и методика обучения и воспитания (иностранные языки) (педагогические науки) |
| Московский городской психолого-педагогический университет Факультет... Министерством образования и науки Российской Федерации. В 2012-2013 учебном году литературное образование в школе на базовом уровне... | | Отчет по исполнению I этапа Государственного контракта №05. 043.... Исполнитель (Поставщик): Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы... |
| Московский государственный университет имени м. В. Ломоносова юридический факультет ... | | Отчет по исполнению I этапа Государственного контракта №05. 043.... Исполнитель (Поставщик): Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы... |
