Методическая разработка для лекций по теме «Хаос и порядок в природе» дисциплины «Концепции современного естествознания»

Кислинский В.Б.
Сызранский филиал
ФГБОУ ВПО
«Самарский государственный экономический университет»
2015 год

Хаос и порядок в природе.

С точки зрения нашей современной науки, да и с точки зрения здравого смысла, мир вообще не может приниматься вне содержащихся в нем закономерностей. Но если бы всё сводилось только к закономерностям, мир перестал бы быть миром и превратился бы в математические уравнения.
1. Происхождение понятия «хаос».
Хаос в переводе с греческого (chaos) означает бесформенное состояние мира, бесконечное пространство, неупорядоченную первопотенцию мира. Как первичное бесформенное состояние материи, хаос извергает из себя ряды оформленных элементов. В античной философии хаос – это начало всякого бытия. Хаос как беспорядочное буйство стихий все раскрывает, всему даёт возможность выйти наружу. В этом качестве он выступает как основа мировой жизни, как нечто животворное. Хаос – это не только буйство слепых стихий, сумбур необузданных страстей и желаний, искушение абсурдным действием. Это также и рождение новых возможностей, их спонтанное появление в бурлящем, клокочущем вихре перемен.
В целом хаос представляется как величественный, трагический образ космического первоединства, где расплавлено все бытие, из которого оно появляется и в котором оно погибает. Поэтому хаос есть универсальный принцип сплошного и непрерывного, бесконечного и беспредельного становления.
Античный хаос есть предельное разряжение и распыление материи, и потому он – вечная смерть для всего живого. Но он является также и предельным сгущением всякой материи. Он – континуум, лишенный всяких разрывов, всяких пустых промежутков и даже вообще всяких различий. И поэтому он – принцип и источник всякого становления, вечно творящее живое лоно для всех жизненных оформлений.
Античный хаос всемогущ и безлик, он все оформляет, но сам бесформен. Он – мировое чудовище, сущность которого есть пустота и ничто. Это – бесконечность и нуль одновременно. Все элементы слиты в одно нераздельное целое.
Однако хаос – не только мифопоэтический образ, но и одно из научных понятий, без которого не могли обойтись ни античные, ни более поздние мыслители. Можно выделить два основных положения, сохраняющих свое значение и при использовании понятия «хаос» в современной науке.
По представлениям Платона и его учеников, хаос, говоря современным языком, есть такое состояние системы, которое остается по мере устранения возможностей проявления её свойств.
С другой стороны, из системы, находящейся изначально в хаотическом состоянии, возникает все, что составляет содержание мироздания. Все существующие структуры появляются из хаоса.

2. Беспорядок и хаос в больших системах.
Хаотичные эффекты, нарушавшие стройную картину классической науки с первых дней её становления, в основном воспринимались как досадные недоразумения. Считалось, что закон – это однозначное и точное соответствие между изучаемыми явлениями, он должен исключать неопределенность и хаотичность. Отсутствие однозначности в науке Нового времени рассматривалось как свидетельство слабости и ненаучного подхода к явлениям. Постепенно из науки изгонялось все, что нельзя формализовать, чему нельзя придать однозначный характер. Так пришли к механической картине мира и лапласовскому детерминизму.
Необратимость процессов в термодинамике нарушила универсальный характер механических законов. По мере накопления фактов менялись представления, в результате Клаузиус ввёл принцип «элементарного беспорядка». Поскольку проследить за движением каждой молекулы газа невозможно, следует признать ограниченность своих возможностей и согласиться с тем, что закономерности, наблюдаемые в поведении массы газа как целого, есть результат хаотического движения составляющих его молекул. Беспорядок при этом понимается как независимость координат и скоростей отдельных частиц друг от друга при равновесном состоянии. Эту идею Больцман положил в основу своей молекулярно-кинетической теории. Максвелл указал на принципиальное отличие механики отдельной частицы от механики большой совокупности частиц, подчеркнув, что большие системы характеризуются параметрами (давление, температура и др.), не применимыми к отдельной частице. Так было положено начало новой науке – статистической механике. Идея элементарного беспорядка, или хаоса, устранила противоречие между механикой и термодинамикой. На основе статистического подхода удалось совместить обратимость отдельных механических явлений (движений отдельных молекул) и необратимый характер движения их совокупности (рост энтропии в замкнутой системе).
В дальнейшем оказалось, что идеи хаоса характерны не только для явлений тепловых, а более фундаментальны. При изучении теплового излучения возникли противоречия: электромагнитная теория Фарадея – Максвелла описывала обратимые процессы, однако процессы обмена световой энергией между телами, находящимися при разных температурах, ведут к выравниванию температур, т.е. должны рассматриваться как необратимые. Гипотеза Планка о «естественном излучении», соответствующая гипотезе молекулярного беспорядка, может быть сформулирована так: отдельные электромагнитные волны, из которых состоит тепловое излучение, ведут себя независимо и являются полностью некогерентными. Эта гипотеза привела к представлению о квантовом характере излучения. Хаотичность излучения оказалась связанной с его дискретностью. Квантовый подход позволил Планку объяснить ряд законов и явлений, которые не находили объяснения в классической электродинамике.
После установления связи между механическими и тепловыми явлениями, открытия закона сохранения энергии и понятия необратимости была определена роль энтропии как меры хаоса, беспорядка.
Все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии. Термодинамическому равновесию системы, в которую не поступает извне энергия, соответствует состояние с максимумом энтропии. Равновесие, которому соответствует наибольший максимум энтропии, называется абсолютно устойчивым. Таким образом, увеличение энтропии системы означает переход в состояние, имеющее большую вероятность. Необратимые процессы протекают самопроизвольно до тех пор, пока система не достигнет состояния, которому соответствует наибольшая вероятность, а энтропия при этом достигает своего максимума.
Энтропия характеризует вероятность, с которой устанавливается то или иное состояние, и является мерой хаотичности или необратимости. Чем больше порядка, тем меньше энтропия. Вообще, понятие энтропии было первоначально использовано в термодинамике для определения меры рассеяния энергии. Деградация качества энергии означает увеличение беспорядка в расположении атомов в системе и в характере электромагнитного поля внутри системы. Другими словами, все процессы, «пущенные на самотёк», всегда протекают так, что их беспорядок увеличивается.

3. Примеры хаоса.
Хаос – широко распространенное нелинейное явление, которое встречается в самых разных областях. Это реальное устойчивое явление. Проявления хаоса разнообразны. Это турбулентные слои сигаретного дыма; водный след за судном на подводных крыльях; вихреобразное образование по ходу плывущего судна; разрушительное действие компьютерного вируса; возникновение фибрилляции сердца у сердечного больного и многое другое.
Хаос – это события, способные приводить к катастрофам. Потеря предсказуемости и устойчивости рождает турбулентность – хаос. В теории хаоса он представляет собой довольно необычную форму поведения какой-либо системы в том случае, когда характер существования этой системы оказывается очень чувствительным к начальным условиям. Можно выделить ряд причин и обстоятельств, в результате которых происходит потеря устойчивости и переход к хаосу. К ним относятся:
Шумы, внешние помехи, возмущающие факторы.
Наличие большого числа степеней свободы, которыми обладает система в процессе своего функционирования. Она может в этом случае реализовать совершенно случайные последовательности.
Достаточно сложная организация системы.
Нелинейность системы, что приводит к большой чувствительности, к начальным условиям (известный «эффект бабочки»).
В открытых системах в некоторые моменты времени – моменты неустойчивости – могут возникать малые возмущения, флуктуации, способные разрастаться в макроструктуры. Таким образом, хаос и случайности в нем могут выступать в качестве активного начала, приводящего к развитию новых самоорганизаций.
Самоорганизация в сложных системах свидетельствует о невозможности установления жесткого контроля за системой. То есть самоорганизующейся системе нельзя навязать путь развития. Управление такой системой может рассматриваться лишь как способствование собственным тенденциям развития системы с учетом, присущих ей элементов саморегуляции. Кроме того, для самоорганизующихся из хаоса систем существует несколько различных путей развития. Изменение управляющих параметров будет уводить систему из равновесного состояния все дальше и дальше. В конце концов вдали от равновесия система достигает некоторой критической точки, называемой точкой бифуркации. Начиная с этого момента, на дальнейший ход эволюции системы могут оказывать воздействие даже ничтожно малые флуктуации, которые обычно в равновесном состоянии попросту неразличимы. Поэтому невозможно точно предсказать, какой путь эволюции выберет система за порогом бифуркации.

4. Поиск механизмов объяснения порядка и хаоса.
О чём бы ни шла речь: о вихрях, смерчах, вулканических извержениях – везде при характеристике хаоса отличительной чертой является колоссальный переизбыток энергии. Поэтому понимание энергетической стороны является весьма важным при исследовании процессов хаотизации.
В XX веке было доказано, что на макроуровне хаос выполняет функции генетического начала. Э. Шредингер, один из создателей квантовой механики, пришел к выводу, что «могущественный порядок точных физических законов возникает из атомной и молекулярной неупорядоченности». Известно, что в нелинейных системах вдали от состояния равновесия могут спонтанно возникать новые типы структур. В сильно неравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса, к порядку. Хаос при этом выступает как сверхсложная упорядоченность, а среда, предстающая перед нами как совершенно беспорядочное, случайное скопление элементов, на самом деле включает в себя необходимое для рождения огромное число упорядоченных структур разного типа, сколь угодно сложных и законченных.
Хаос и порядок – понятия достаточно близкие. Хаос – это наличие испорченного порядка, т.е. такое состояние, когда налицо много вещей, но нет оснований отличать одну вещь от другой. Порядок есть не что иное, как различимое отношение совокупности вещей.
Оказывается, высокая чувствительность к начальным условиям, приводящая к хаотическому и непредсказуемому поведению во времени, - это не исключение, а типичное свойство многих систем.
Шредингер указывал на наличие двух механизмов, которые могут производить упорядоченные явления – статистический механизм, создающий порядок из беспорядка, которому следует природа, и новый механизм, создающий порядок из беспорядка, на котором базируется поведение и развитие живого вещества. Если система предоставлена сама себе, то она переходит из наименее вероятного состояния к наиболее вероятному, которому сопутствует разупорядочивание, хаотизация.
Живой организм сопротивляется переходу к атомарному хаосу. На протяжении своей непродолжительной жизни он проявляет способность поддерживать себя и производить упорядоченные явления. Организм обладает уникальным свойством – концентрировать в себе поток порядка, впитывать упорядоченность из внешней среды. В мире живого проявляется направленность к положительному приспособительному эффекту.
Ученые, работающие над проблемой самоорганизации материи, выделяют такие структуры, как аттракторы – притягивающие элементы. Они как бы образуют центры, к которым тяготеют элементы. Когда, например, скапливается большое количество народа, почти невозможно пройти мимо и не примкнуть к ним. В обыденной жизни это называется любопытством, а в природе это получило название «сползание в точку скопления». Аттракторы притягивают и концентрируют вокруг себя случайные элементы, которые как бы вбирают в себя хаос, одновременно структурируют среду, являются участниками созидания порядка (можно, например, вырастить кристаллы, поместив в концентрированный солевой раствор шерстяную нитку).



Контрольные вопросы:
1. Содержание хаоса в античности.
2. Что означает «принцип элементарного беспорядка» Клаузиуса?
3. В чем заключается принципиальное отличие механики одной частицы от механики больших систем частиц?
4. Приведите примеры проявления хаоса.
5. В каком направлении протекают процессы в замкнутых системах?
6. Какие факторы могут привести к потере устойчивости системы и переходу ее к хаосу?
7. Что такое аттракторы?


Примерные темы рефератов:
1. Хаос и современность. Хаос и социальные катаклизмы.
2. Роль энтропии как меры хаоса.
3. Этимология понятия хаос. Соотношение порядка и беспорядка в природе.
4. Диалектическое единство 0-мерной точки.
5. Неопределенностные процессы в биологии, кибернетике, искусстве.


Тестовые задания:
1. Отклонение физической величины от среднего значения, носящее случайный характер – это:
1. Флуктуация.
2. Бифуркация.
3. Погрешность.
4. Поляризация.

2. Как изменяется с течением времени энтропия замкнутой системы?
1. Уменьшается.
2. Увеличивается.
3. Остается всегда неизменной.
4. То увеличивается, то уменьшается.

3. Энтропия характеризует:
1. Беспорядок в системе.
2. Порядок в системе.
3. Энергию системы.
4. Изменения в системе.










HYPER13PAGE HYPER15


HYPER13PAGE HYPER141HYPER15










HYPER15Основной шрифт абзаца

Приложенные файлы

  • doc file14.doc
    Размер файла: 69 kB Загрузок: 3