Закономерности саморегуляции. Принципы универсального эволюционизма

Синергетика:

- область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизаций.

- является теорией самоорганизации в природных и социальных системах.

- междисциплинарная универсальная теория самоорганизации процессов самой разной природы. Возникла на стыке физики, биологии и других наук.

Самоорганизация:

- спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного действия многих подсистем.

- необратимый процесс спонтанного возникновения порядка и организации из хаоса и беспорядка в открытых неравновесных системах.

- при самоорганизации энтропия системы уменьшается за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой.

Объектами исследования синергетики могут быть системы, которые удовлетворяют следующим необходимым условиям, т.е. системы должны быть:

- открытыми

- нелинейными

- диссипативными

- неравновесными

Нелинейные системы – это системы, для которых даже малые изменения в исходном состоянии приводят к быстронарастающему отклонению ее от исходного состояния. В этом проявляется неустойчивость системы.

Диссипативные систем ы – способные рассеивать (перераспределять) энергию. К диссипативным системам относится любой живой организм.

Неравновесные системы – системы в которых присутствуют неоднородность в пространстве того или иного макропараметра (например, наличие в системе перепадов температур, давления, концентрации химических веществ и др.) Признаками неравновесности системы является перетекание в ней потоков веществ, энергии и др.

Большинство реально существующих систем – это открытые неравновесные системы.

Процесс самоорганизации характеризуется переходом системы из одного состояния в принципиально новые более упорядоченные состояния. Для возникновения упорядочения в системах необходим приток энергии и ее диссипация в системе. За счет энергии поступившей извне возникает некая обобщенная движущая сила (например, перепад давления, перепад концентраций вещества и т.п.) Под действием этой силы система из равновесного или слаборавновесного состояния постепенно переходит к неравновесному состоянию, система становится нелинейной и возникшие флуктуации начинают играть все более заметную роль. В конце концов, наступает момент времени – точка бифуркации, когда система становится перед выбором одного из нескольких принципиально возможных состояний. Этот выбор возможных состояний носит непрогнозированный вероятностный характер.

После осуществления выбора, система становится более упорядоченной, по сравнению с исходной, а ее поведение прогнозируемой. Если движущая сила будет увеличиваться, то система может придти к новой точке бифуркации и т.д.

Точка бифуркации (точка ветвления) – критическое состояние системы, при котором она становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности.

В масштабе Вселенной самоорганизация проявляется в эволюции космологических сильно неравновесных систем. Процессы самоорганизации имеют место и при формировании геологического облика Земли (геологическая эволюция).

Живой организм, биологический вид, популяция, экосистема и био сфера представляют собой открытые системы, далекие от равновесия, которые характеризуются определенной упорядоченностью.

К процессам самоорганизации относятся:

- кооперативное поведение насекомых

- эффекты самодостраивания (регенерация живых тканей)

- интуиция в процессе мышления

- вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.

Примерами самоорганизации могут служить:

- ячейки Бенара: возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемых снизу.

- реакция Белоусова-Жаботинского – класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

- лазер (переход лазера в режим генерации): при накачке энергии лазер работает как обычная лампа, причем микроскопические ячейки, подобно антеннам, излучают свет независимо друг от друга. При определенном значении энергии антенны начинают работать самостоятельно в одной фазе, что приводит к мощному излучению. Таким образом, происходит скачкообразный переход к новому качественному состоянию.

- возникновение кристаллов в достаточно концентрированном растворе

Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации:

К закономерностям самоорганизации в любой системе относится внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры,т.к.развитие кризисной ситуации достигается быстрым переходом диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности.

При самоорганизации происходит;

- синхронизация частей системы

- понижение энтропии системы

- повышение энтропии окружающей систему среды

Универсальный эволюционизм, его причины (положения):

- все существует в развитии

-развитие есть чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций)

- законы природы как принцип отбора допустимых состояний из всех мыслимых

- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности

- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации: прошлое влияет на настоящее и будущее, но не предопределяет его

- устойчивость и надежность природных систем, как результат их постоянного обновления

- эволюция Вселенной и ее структур обусловлены ее собственными законами, действующими объективно и познаваемыми рационально

- Вселенная существует и может существовать лишь в развитии

Приведем несколько положений, следующих из вышеизложенного:

- общие закономерности самоорганизации изучают синергетика, неравновесная термодинамика

- примерами самоорганизации систем могут служить:

а) возникновение кристаллов

б) генерация лазерного излучения

в) возникновение ячеек Бенара

г) колебательные реакции Белоусова-Жаботинского

д) популяции

е) планета Земля (геологическая эволюция)

- в точке бифуркации:

а) система пребывает в критическом состоянии, переход из которого осуществляется скачком

б) неоднозначен выбор пути дальнейшего развития

- поведение системы вблизи точки бифуркации:

а) по мере приближения к точке бифуркации флуктуации в системе нарастают

б) элементы возникающие в точке бифуркации упорядоченной структуры формируются из флуктуаций, случайно возникших до точки бифуркации

- состояние, когда человек тяжело болен и имеются варианты развития: либо выздороветь либо умереть, либо болезнь примет хроническую форму – и есть точка бифуркации

- в ходе самоорганизации системы:

а) в системе происходит превращения хаоса в порядок и энтропия системы уменьшается

б) в окружающей среде системы увеличивается беспорядок и ее энтропия возрастает

 

Космология (мегамир)

 

Космология – это наука о Вселенной в целом, ее свойствах, структуре, эволюции.

Космологические представления Аристотеля:

- Вселенная ограничена сферой на которой находятся звезды. За этой сферой ничего нет. В центре Вселенной – земля.

- шарообразная Вселенная неоднородна: в подлунном мире все состоит из земли, воды, воздуха, огня; в надлунном мире вплоть до ограничивающей сферы все заполнено гипотетическим эфиром.

Геоцентрическая система Птолимея (развитие идей Аристотеля):

В центре Вселенной сферическая Земля, а вокруг нее обращаются Луна, Солнце, планеты по сложной системе окружностей – «эпициклов», «деферентов», и, наконец, все это было заключено в сферу неподвижных звезд.

Гелиоцентрическая система Коперника: в центре мира неподвижное Солнце, вокруг которого обращаются планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутоний)

Ньютоновская космология (в ее основе лежит система Коперника): Вселенная – безграничная, бесконечная, однородная, неизменная.

Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества.

Космологическая модель Фридмана: основана на уравнениях, выведенных из общей теории относительности и описывает нестационарную эволюцию Вселенной.

Выводы из модели Фридмана указывали на то, что материя в однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое – Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Если плотность материи меньше некоторого критического значения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность материи больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратиться и начнется сжатие. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток, возникнут условия для нового Большого Взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Наблюдаемая часть Вселенной (метагалактика) представляется с Земли:

- однородной и изотропной на больших масштабах (более 200 мегапарсек)

- сильно неоднородной на меньших масштабах

Спектральный анализ является одним из основных методов исследования Вселенной: он позволяет на основе анализа, пришедшего из космоса света, установить количественный и качественный состав небесных тел, их температуру, скорость движения по лучу зрения и т.п.

Химический состав Вселенной полученный на основе спектрального анализа более чем на 99 % - водород и гелий и в незначительных количествах все остальные элементы.

Из модели однородной изотропной Вселенной, при ее расширении должно наблюдаться удаление Галактик от Земли. Однако астрономы могут наблюдать только так называемое «красное смещение». Связь между «красным смещением» и скоростью удаления Галактик устанавливается с помощью эффекта Доплера (изменение частоты и длины волны излучения, регистрируемое приемником, в результате движение источника или движения приемника). Если источник света приближается к наблюдателю, то длина видимой им волны укорачивается, и он наблюдает так называемое фиолетовое смещение (из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник света удаляется, то происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн).

В 1929 году Э.Хаббл с помощью телескопа оснащенного приборами спектрального анализа обнаружил, что свет, идущий от Галактик, которые он наблюдал, смещался в красную часть цветового спектра видимого света. Это говорило о том, что наблюдаемые Галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя. Эффект «красного смещения» был использован Хабблом для измерения расстояния до галактик и скорости их удаления.

Закон Хаббла: Скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них. Т.е. чем дальше Галактика, тем она удаляется быстрее. Коэффициент пропорциональности в этом законе называется постоянной Хаббла.

В 1998 году появились наблюдения, которые убедительно показывают, что Вселенная расширяется не с замедлением, а с ускорением. Возраст Вселенной по современным оценкам 12-15 млрд. лет.

Модель «Большого Взрыва» (Г.Гамов, 1948 г.)

1. «Исходное начало» Вселенной было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.

2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материально-энергетической составляющей Вселенной.

3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.

Состояние Вселенной, когда все вещество Вселенной в начальный момент сосредоточенно в крайне небольшом объеме с бесконечно высокой плотностью, называется сингулярным.

4. Энергия – материя, которая достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом сингулярном состоянии, взорвалась, произошел Большой Взрыв (речь идет не о обычном взрыве).

5. Большой Взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого Взрыва.

6. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры, по всем направлениям расширяющейся Вселенной, в виде так называемого реликтового излучения.

В 1964 г. Было обнаружено реликтовое излучение. Излучение этого фона дали температуру 2,7 К, что достаточно близко к предсказанной Гамовым 10 К.

Обнаруженное реликтовое излучение является подтверждением модели Большого Взрыва.

Последовательность стадий эволюции Вселенной: инфляционное расширение – рождение вещества – формирование звезд первого поколения – образование элементов тяжелее гелия.

Антропный принцип – устанавливает зависимость человека, как сложной системы и космического существа, от физических параметров Вселенной (в частности, от фундаментальных физических постоянных – постоянной Планка, скорости света, массы протона и электрона и др.). Физические расчеты показывают, что если бы изменилась хотя бы одна из фундаментальных постоянных (при неизменности других параметров и сохранении всех физических законов), то стало бы невозможным существование тех или иных физических объектов – ядер, атомов и т.д. Например, если уменьшить массу протона на 30%, то в нашем физическом мире отсутствовали бы любые атомы, кроме атома водорода, а тем самым отсутствовала бы сама жизнь.

Согласно антропному принципу: факт существования во Вселенной сложно устроенного наблюдателя (человека разумного) накладывает сильные ограничения на параметры.

Антропный принцип применяется в слабом и сильном вариантах:

- слабый антропный принцип: фундаментальные константы таковы, какими их видит наблюдатель. Т.е. на свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

- сильный антропный принцип: свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь. Т.е. значения фундаментальных констант находятся в таких пределах, чтобы существовал наблюдатель.

Согласно космологическим моделям:

- происхождение легких химических элементов (вплоть до железа) связано с термоядерными реакциями внутри звезд (в недрах стабильных звезд).

- образование тяжелых химических элементов (тяжелее железа) происходит в результате взрыва звезд.

Резюмируем некоторые положения:

- модель расширяющейся Вселенной подтверждается открытием Хабблом пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием до них

- модель Большого Взрыва подтверждается обнаружением реликтового излучения (т.е. микроволнового фонового излучения)

- оба вышеприведенных наблюдательных факта свидетельствуют и в пользу конечного возраста Вселенной

- сменится ли расширение Вселенной ее сжатием, в модели Фридмана зависит только от средней плотности материи во Вселенной

- в последние годы 20 века и начала 21 века экспериментально обнаружено, что Вселенная расширяется с ускорением

- наиболее общепринятой моделью Вселенной в современной космологии является модель однородной, изотропной горячей нестационарно расширяющейся Вселенной

- современная космология строит модели Вселенной на основе общей теории относительности Эйнштейна

- согласно модели Большого Взрыва: все вещество Вселенной в начальный момент было сосредоточено в небольшом объеме (бескончно малом) с бесконечно высокой плотностью. Такое состояние Вселенной называется сингулярностью.

Геологическая эволюция

Земля:

- третья по дальности от Солнца планета

- находится от Солнца на расстоянии 1 а.е.= 150 млн.км

- форма Земли слегка сплюснутый шар – эллипсоид

- средний радиус Земли 6371 км

- средняя плотность земного вещества 5,5 кг/м куб

- наклон оси Земли к плоскости орбиты 66,5 град

В начале 20 века было открыто явление радиоактивности. Это позволило разработать метод определения абсолютного возраста геологических объектов (и любых веществ). Метод получил название изотопного (радиоактивного) датирования. С помощью этого метода установлен возраст Земли. Земля возникла примерно 4,5 млрд. лет назад.

Атмосфера Земли

Окружающая Землю атмосфера условно делится на несколько слоев. Приведем их в порядке от Земли и выше.

1. Тропосфера – высота примерно 11 км, содержит ¾ всего воздуха атмосферы.

2. Стратосфера – находится над Землей на высоте 11-50 км. Это самый спокойный слой атмосферы. Там не бывает ветров, разреженный воздух и там предпочтительней летать самолетом.

3. Мезосфера – 50-80 км над Землей. Именно в этом слое сгорают метеориты.

4. Термосфера – слой очень разреженного воздуха на высоте 80-480 км над Землей. Этот слой включает в себя ионосферу – слой электрически заряженных частиц, от которого отражаются радиоволны, исходящие от Земли.

5. Экзосфера – верхний слой почти не содержащий воздуха.

Внутри атмосферы находится тонкий слой газа – озон. Озон – разновидность кислорода. Он поглощает испускаемые Солнцем ультрафиолетовые лучи. Если бы не было озонового слоя излучение, достигнув Земли,убило бы все живое.

Химический состав атмосферы: азот - 78%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, водяной пар - 0,1% и далее по нисходящей: метан – 0,0006%, углекислый газ – 0,00003 %, аммиак – 0,00001 % и т.д.

Внутреннее строение Земли

Не имея прямой информации о глубинах Земли (самая глубокая буровая скважина имеет глубину около 12 км), используются данные, которые дают геофизические исследования. Свойства глубоких частей планеты известны по наблюдениям за тем, с какой скоростью и в каком направлении распространяются в Земле ударные волны, возникающие при землетрясениях (их называют еще сейсмическими волнами). Сейсмические волны бывают различных типов: продольные, поперечные и поверхностные. Сквозь разные вещества эти волны двигаются с разной скоростью, их удается «уловить» и записать с помощью сейсмографов. Некоторые типы волн не распространяются через жидкие среды. Установлено, что они не проходят через внешнюю часть ядра, указывая тем самым на его жидкое состояние. Исследуя границы изменения скоростей сейсмических волн, удалось установить внутреннее строение Земли. Приведем установленные слои в порядке от поверхности Земли вглубь:

1. Земная кора – верхний слой горных пород, выходящий на поверхность Земли. Толщина Земной коры на континентах до70 км, а в океанах – всего 6 км. Температура у основания порядка 1000 град.С.

2. Мантия – это слой горных пород. Температура у основания порядка 3700 град.С. Вещество мантии (магма) находится в состоянии одновременно напоминающем и твердое. И жидкое. Мантия не находится в покое. В ней происходит круговорот веществ. Нагретые в глубине массы вещества поднимаются вверх к земной коре. Там они остывают и опускаются. Возникают гигантского масштаба вертикальные кольцеобразные течения. Вместе с верхней частью мантии земная кора образует слой толщиной около ста километров под океанами и еще больше под материками – литосферу.

Под литосферой находится узкий слой – астеносфера, находящийся частично в расплавленном состоянии таком, что его вязкость гораздо меньше, чем вязкость остальной части мантии. Толщина слоя мантии около 2900 км.

3. Внешнее ядро состоит из расплавленного железа. Температура у основания порядка 2200 град.С Толщина внешнего ядра около 2200 км.

4. Внутреннее ядро – твердый железоникелевый шар. Температура порядка 4500 град. С. Радиус ядра около 1055 км.

Химический состав земной коры: кислород – 47%, кремний – 28 %, алюминий – 8%, железо – 5%, кальций – 3,6 %, натрий – 2,8%, калий – 2,6 %, магний – 2%.

Тектоника литосферных плит.

Перенос тепла из центра Земли вызывает перемещение магмы (вещества мантии). Горячая магма из глубины мантии поднимается, охлаждается, а затем вновь погружается, замещаясь новым горячим веществом. Это классический пример конвективной ячейки. Можно сказать, что магма бурлит так же, как вода в чайнике: и в том, и в другом случае тепло переносится в процессе конвекции.

Наверху конвективных ячеек земной мантии плавают породы, составляющие твердую поверхность Земли – так называемые литосферные плиты. Эти плиты перемещаются по слою, называемом – астеносфера. Таким образом, по поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты. Континенты и океаны это лишь попутные пассажиры.

Механизм движущий литосферные плиты это непрерывно движущиеся конвективные ячейки магмы, увлекающие плиты в движение. Со временем плиты сдвигаются, вызывая их столкновение и растрескивание, вплоть до образования новых плит или исчезновение старых. Именно благодаря этому медленному, но непрерывному перемещению литосферных плит поверхность нашей планеты все время находится в динамике, постоянно изменяясь. Так, 175 млн. лет назад все сегодняшние континенты входили в один суперконтинент – Пангею. Там, где литосферные плиты сталкиваются, там отмечаются активные вулканы и землятресения. Литосферные плиты движутся со скоростями порядка нескольких сантиметров в год. Впервые концепцию движения материков предложил А.Вегенер в 1915 году.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли устроено примерно так же, как если бы внутри ее находился мощный прямоугольный магнит в виде бруска, помещенный под небольшим углом к оси вращения Земли. Основная гипотеза о происхождении магнитного поля Земли связана с движением электропроводящего вещества в жидком ядре Земли, создающее своеобразное гидромагнитное динамо.

Околоземное космическое пространство, которое контролируется магнитным полем Земли называется магнитосферой. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитного поля Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечные корпускулярные потоки, как бы огибают земную магнитосферу. Магнитное поле Земли защищает живые организмы (и человека) от губительных воздействий космических частиц. К этим частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле Земли через магнитосферу изменяет траектории их движения, направляя частицы вдоль линий поля прочь от Земли.

Формирование прото-Земли из планетозималей

Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва. По мере эволюции Вселенная остывала. Новообразованные атомы собирались в гигантские облака пыли и газа. Частицы пыли сталкиваясь друг с другом, сливались в единое целое. Гравитационные силы притягивали маленькие объекты к более крупным. Материя распределялась по пространству не равномерно. Более плотные области, благодаря гравитационным силам, притягивали к себе все больше пыли и газа. Постепенно пылинки собирались в тела километрового размера, называемые планетозималями, которые на последней стадии формирования планеты сгребают почти всю пыль. Вначале рост тела происходит в силу случайности, но чем больше становится планетозималь, тем сильнее ее гравитация, тем интенсивней она поглощает своих маломассивных соседей. Когда масса планетозималей становится сравнимой с массой Луны, их гравитация возрастает настолько, что они встряхивают окружающие тела и отклоняют их в стороны еще до столкновения. Этим они ограничивают свой рост. Так возникают «олигархи» - зародыши планет со сравнимыми массами, конкурирующие друг с другом за оставшиеся планетозимали. Таким же образом образовалась наша планета и в ней образовалось ядро, которое стремительно сжималось. Из-за ядерных реакций и распада радиоактивных элементов в недрах Земли выделялось так много тепла, что образующие ее горные породы расплавились. Более легкие вещества, богатые кремнием, отделились в земном ядре от более плотного железа и никеля и образовали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда Земля существенно охладилась, Земная кора затвердела и превратилась в прочную внешнюю оболочку нашей планеты, состоящую из твердых горных пород.

Остывая, Земля выбрасывала из своего ядра множество различных газов. Обычно это происходило при извержении вулканов. Легкие газы, такие, как водород или гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство. Однако сила притяжения Земли была достаточно велика, чтобы удержать у ее поверхности более тяжелые газы. Они-то и составили основу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировались и на Земле. Возникли океаны. Теперь наша планета была готова к тому, чтобы стать колыбелью жизни.