Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 2.06 Mb.
|
Семинар 5. Современная физическая картина мира.
а) закон сохранения массы и энергии; б) закон сохранения импульса; в) законы сохранения в микромире.
Литература:
Контрольные вопросы
Методические рекомендации. Представления о строении материи находят свое выражение в борьбе двух концепций: прерывности (корпускулярная концепция) и непрерывности (континуальности). В основе корпускулярной теории лежит атомистическое учение, которое берет свое начало в античности. При рассмотрении первого вопроса необходимо проанализировать эволюцию атомизма от Левкиппа и Демокрита до середины XIX в. Следует отметить, что общая тенденция атомистики выражалась в стремлении свести все многообразие свойств материальных объектов к ограниченному числу исходных объективных свойств и закономерностей элементарных материальных частиц. Основополагающими принципами атомистики являлись: неизменность атомов и признание объективности пространства и движения. Сложившиеся к концу XIX в. представления о строении материи были односторонними и не давали возможности объяснить ряд экспериментальных факторов. Разработанная М. Фарадеем и Дж. Максвеллом в XIX в. теория электромагнитного поля показала, что признанная концепция не может быть единой. Таким образом, в науке произошла определенная переоценка основополагающих принципов. Дальнодействие, обоснованное еще И.Ньютоном, заменялось близкодействием, а вместо представлений о дискретности выдвигалась идея непрерывности, получившая свое выражение в электромагнитных полях. При рассмотрении сущности корпускулярно-волнового дуализма в представлении о материи важно раскрыть содержание ряда принципов физики, таких, как, например, принцип единства прерывности и непрерывности, принципы дополнительности и соотношения неопределенностей, и показать их мировоззренческое значение для формирования квантово-релятивистской картины мира. Особое внимание следует обратить на характеристику основных свойств и параметров элементарных частиц. Во-первых, раскрыть современные представления о структуре элементарных частиц, некоторые подходы к их систематизации на основе выделения лептонов (легких частиц), адронов (тяжелых частиц, состоящих из мезонов, нуклонов и гиперонов) и поиска фундаментальных частиц-кварков и перонов, подтверждающих идею неисчерпаемости материи вглубь. Во-вторых, рассмотреть некоторые свойства элементарных частиц - их универсальную взаимосвязь и взаимопревращаемость. Также необходимо показать, как на основании квантово-полевой теории решается задача построения единой теории, охватывающей все виды взаимодействий элементарных частиц. В настоящее время представление о структуре материи связано с существованием объективных физических законов и находит отражение в фундаментальных физических теориях. Фундаментальные физические законы - это отражение объективных процессов в природе. Различные формы движения материи описываются различными фундаментальными теориями. Существуют и более общие законы в структуре фундаментальных физических теорий, охватывающие все формы движения материи и все процессы. Это законы симметрии, или инвариантности, и связанные с ними законы сохранения физических величин, которые утверждают, что численные значения этих величин не меняются со временем в любых процессах. Следует кратко остановиться на этих законах. Рассматривая закон сохранения массы, следует отметить, что с древних времен люди задумывались над проблемой неуничтожимое™ материи. Др. греческий философ Демокрит писал: "Из ничего нечто произойти не может, ничто существующее не может быть уничтожимо". Русский ученый М.Ломоносов был твердо убежден в неуничтожимости материи, сформулировал закон сохранения массы, который в настоящее время является одним из основных законов, лежащих в основе наук о природе. В физических процессах действует закон сохранения и превращения энергии: при любых физических взаимодействиях энергия не возникает, а превращается из одной формы в другую. В тех областях научного знания, которые описывают явления микромира, существуют специфические законы сохранения: закон сохранения барионного или ядерного заряда, выполняющегося при всех видах взаимодействий. Согласно ему, ядерное вещество сохраняется, т.е. разность между числом тяжелых частиц (ба-рионов) и числом их античастиц не изменяется при любых процессах. Легкие элементарные частицы- пептоны (электроны, нейтрино) также сохраняются. Изучая четвертый вопрос, следует отметить, что все физические законы делятся на две большие группы: динамические и статистические. Динамическими называют законы, отражающие объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин. Статистические законы описывают вероятностную характеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Следует отметить, что статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, распространяются на больший круг явлений, недоступных динамическим теориям. Рассматривая принцип дополнительности, представляется важным остановиться на истории его возникновения и применении в современной науке. Он был сформулирован физиком Н.Бором в 1127 г. С его точки зрения, получение информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым, (координата частицы и её скорость, напряженность электрического поля и число фотонов) Таким образом, состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенное значение, принципиально невозможны, причем если одна из таких величин определена точно, то значение другой полностью не определено. Следует отметить, что в современной науке принцип дополнительности находит широкое применение от описания собственно физических систем до исследования общественно-исторических процессов, где для выявления параметров познаваемой системы различные методы исследования объединяются на основе принципа дополнительности . Изучение принципа относительности рекомендуется начать с принципа относительности Г.Галилея: "Никакими механическими опытами, произведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется эта система прямолинейно и равномерно или находится в покое". Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея на все явления природы: не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Принцип относительности явился важным постулатом, который Эйнштейн положил в основу созданной им теории относительности. Как мы уже отмечали, в релятивистской механике масса, скорость и геометрические размеры тел являются также относительными величинами. При подготовке пятого вопроса рекомендуется начать с общефилософского анализа понятия "симметрия", определения симметрии как эстетической категории. Необходимо также остановиться на истории возникновения категорий симметрии: симметрия как воплощение гармонии и покоя в античной культуре (космологические теории Анаксимандра и Эмпедокла, золотое сечение Пифагора), симметрия как основа равновесия и пропорциональности в эстетической теории Возрождения (Леонардо да Винчи), понятие о симметрии в современной науке. Анализируя понятие асимметрии (отсутствие симметрии), для наглядности, можно остановиться на примерах из области молекулярной биологии и кристаллографии: отсутствие идеальной симметрии в структуре кристаллов (асимметрия кристаллов кварца), обнаружение Л. Пастером левых и правых кристаллов винной кислоты, ярко выраженный асимметричный характер молекул органических веществ. Следует отметить, что на разных уровнях развития материи присутствует то симметрия, то асимметрия, но всегда эти две тенденции едины и их борьба абсолютна. В структуре биологического познания, асимметрия всегда связана с движением и неравновесным состоянием. Всеобщий закон биологии: принцип устойчивого термодинамического равновесия живых систем выступает в качестве ключевого принципа постановки и решения проблемы о происхождении жизни на Земле. Следует также уделить внимание и основным понятиям классической симметрии: зеркальное отражение, поворотная симметрия, инверсия (отражение в центре симметрии), трансляция (перенос фигуры на расстояние), винтовые повороты (комбинация трансляции с отражением или поворотом). Семинар 6. Кибернетика и синергетика.
Литература:
Контрольные вопросы
Что изучает синергетика? 5. Объясните значение следующих понятий: «открытость», «неравно весность», «нелинейность», «самоорганизация», «диссипация», «дис- сипативная структура», «флуктуации», «бифуркации», «аттракторы». 6. Дайте определение и опишите механизм образования диссипативной структуры. Методические рекомендации. Рассматривая кибернетическую теорию, необходимо, прежде всего, уяснить сущность ключевых категорий: это понятия информации и обратной связи. Под информацией понимается передача формы, структуры, или особенностей поведения в результате взаимодействия друг с другом материальных систем. Свойство системы реагировать на внешние воздействия называется обратной связью. Поведение системы может усиливать внешние воздействия (положительная обратная связь), уменьшать (отрицательная обратная связь), либо сводить внешние воздействия к нулю (гомеостатическая обратная связь). Покажите влияние обратной связи на поведение различных природных и технических систем. Подумайте, почему механизм обратной связи делает систему принципиально иной, что дает возможность говорить о самоорганизации в данной системе? Рассматривая информационно-энтропийные свойства систем, остановитесь на понятии информации как меры организованности и энтропии как меры неорганизованности. Покажите, в чем заключается сущность информационных процессов, без которых немыслима работа ЭВМ и систем управления. Какова связь энергии и информации, что представляет собой закон необходимого разнообразия? Обратите внимание на философское, социальное, общеметодологическое и техническое значение кибернетики. Приступая к изучению второго вопроса, вначале следует остановиться на понятии самоорганизации. Под самоорганизацией понимается возникновение и развитие упорядоченных структур, возникновение систем высокой степени сложности из более простых. Эти процессы происходят в открытых, неравновесных системах, описать поведение которых невозможно при помощи классических методов. Научной теорией, исследующей законы развития и функционирования сложных, открытых, нелинейных систем, далеких от состояния равновесия, является синергетика. Для уяснения специфики этой теории рекомендуется рассмотреть понятие сложной системы, а также остановиться на понятии открытости, не линейности, неравновесности. Сложные системы состоят из большого количества элементов, а математическое описание таких систем будет содержать множество переменных. Классическая физика выделяет три типа систем (по характеру связи с внешней средой): открытые, закрытые и изолированные. Открытые системы могут обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Закрытые системы могут обмениваться с окружающей средой только энергией и информацией, а изолированные существуют автономно, не поддерживая никакой связи с внешней средой. Обратите внимание, что именно открытые системы встречаются наиболее часто в живой и неживой природе, и установление законов функционирования таких систем представляет наибольший научный интерес. В этих системах проходят две группы важнейших процессов: процесс наращивания неоднородности, связанный с образованием определенной структуры и процессы диссипации (распада структуры). Образование шестигранной межмолекулярной структуры жидкости, близкой к температуре кипения, появление волокнистых образований в плазме при протекании электрического тока, появление зон ламинарности в турбулентных потоках — вот некоторые примеры, описанные экспериментальной наукой. Подумайте над другими примерами, демонстрирующими спонтанные образования упорядоченных структур. Образование структуры и её последующий распад ведет к повышению уровня структурной организации системы, усложнению существующей структуры. Однако, при таком развитии системы встречаются критические состояния (так называемые точки бифуркации). В этих условиях система становится неустойчивой. Под действием флуктуации (случайных факторов) один или несколько доминирующих параметров могут измениться. Обратите внимание на роль флуктуации в процессе самоорганизации. Как отмечает Е.Князева8, флуктуации выполняют две важные функции. Во-первых, они могут играть роль зародыша нового состояния: при благоприятных условиях отдельная флуктуация способна вызвать разрастание островка неоднородности и кумулятивное усиление возмущения может разрушить прежнее состояние системы. Во-вторых, флуктуации могут играть роль спускового крючка или "последней капли", когда в системе, уже достигшей высокой степени нестабильности, потенциально готовой к скачку, он мгновенно инициируется возникшим возмущением.1 Очень важно то, что в точке бифуркации решающую роль играет случайный фактор, и он как бы подталкивает систему на один из возможных путей развития: возврат в прежнее состояние, распад, переход на более высокий уровень упорядоченности, связанный с образованием диссипативной структуры (диссипативной, т.е. рассеивающей энергию). Следует отметить, что теория самоорганизации по новому решает философскую проблему о соотношении необходимых и случайных факторов в развитии: в точке бифуркации решающую роль играет случайность, а между этими точками вступает в силу детерминизм. Изучая синергетическую теорию, обратите внимание, как синергетика и неравновесная термодинамика подходят к развитию материи на микро- и макроскопическом уровнях. Обратите внимание на гипотезу рождения материи в свете синергетики, где неустойчивость и неравновесность играют ключевую роль. Необходимо остановиться также на общемировоззренческом и общеметодологическом значении синергетики. В этом контексте следует отметить, что при управлении сложными системами необходимо учитывать тенденции собственного развития и выводить систему на один из естественных для неё путей. Важно помнить, что даже самые малые воздействия (флуктуации) при определенных условиях могут привести к существенным изменениям. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 Елена Князева - научный сотрудник Института философии РАН, ведущий специалист в области синергетических исследований. 1См. подробнее: Князева Е., Туробов А. Единая наука о единой природе. // Новый мир.2001. №3 |
