10 Синергетика . Порядок и беспорядок в природе.

Динамические и статистические закономерности в природе

Детерминизм (жёсткий) как идея полной предопределённости всех будущих событий Критика концепции детерминизма Эпикуром, его учение о неустранимой случайности в движении атомов

Механистический детерминизм как:

утверждение о единственно возможной траектории движения материальной точки при заданном начальном состоянии;

лапласова концепция полной выводимости всего будущего (и прошлого) Вселенной из её современного состояния с помощью законов механики

Детерминистское описание мира: динамическая теория, которая однозначно связывает между собой значения физических величин, характеризующих состояние системы

Примеры динамических теорий:

механика,

электродинамика,

термодинамика,

теория относительности,

эволюционная теория Ламарка,

теория химического строения.

Невозможность абсолютно точного задания начального состояния системы вследствие неизбежной погрешности измерений.

Невозможность достаточно точного задания начального состояния систем с динамическим хаосом, для которых любая допущенная в измерениях или расчётах погрешность очень быстро нарастает с течением времени.

Примеры систем с динамическим хаосом:

погода и климат,

турбулентность,

фондовые рынки

Отличие хаоса (непредсказуемость возникает вследствие слишком сильной

чувствительности поведения системы к начальным условиям) от беспорядка (поведение системы определяется постоянно действующими на неё неконтролируемыми факторами).

Описание систем с хаосом и беспорядком: статистическая теория, которая однозначно связывает между собой вероятности тех или иных значений физических величин.

Основные понятия статистической теории:

случайность (непредсказуемость)

вероятность (числовая мера случайности)

среднее значение величины

флуктуация (случайное отклонение системы от среднего (наиболее вероятного) состояния)

Примеры статистических теорий:

молекулярно -кинетическая теория (исторически первая статистическая теория),

квантовая механика, другие квантовые теории

эволюционная теория Дарвина,

молекулярная генетика.

Соответствие динамических и статистических теорий: их предсказания совпадают, когда можно пренебречь флуктуациями; в остальных случаях статистические теории дают более глубокое, детальное и точное описание реальности

Концепции квантовой механики

Корпускулярные свойства света: фотоэффект

Волновые свойства частиц. Дифракция электронов

Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи

Мысленный эксперимент «микроскоп Гейзенберга»

Соотношение неопределенностей координата-импульс (скорость)

Соотношение неопределенностей энергия-время

Принцип дополнительности как утверждение о том, что: невозможны невозмущающие измерения (измерение одной величины делает невозможным или неточным измерение другой, дополнительной к ней величины) полное понимание природы микрообъекта требует учёта как его корпускулярных, так и волновых свойств, хотя они не могут проявляться в одном и том же эксперименте(в широком смысле) для полного понимания любого предмета или процесса необходимы несовместимые, но взаимодополняющие точки зрения на него

Описание состояния в квантовой механике: волновая функция

Статистический характер квантового описания природы

Соответствие квантовой и классической механики: их предсказания совпадают для

Макроскопических объектов, для которых несущественны соотношения неопределённостей и корпускулярно-волновой дуализм

Принцип возрастания энтропии

Формы энергии:

тепловая,

химическая,

механическая,

электрическая.

Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии при ее превращениях

Первый закон термодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя первого рода

Изолированные и открытые системы

Термодинамическое равновесие как состояние, к которому самопроизвольно стремится любая изолированная система.

Признаки равновесного состояния:

- однородность

- отсутствие потоков вещества, энергии, заряда и т.п.

Второй закон термодинамики как принцип возрастания энтропии в изолированных системах

Энтропия как измеряемая физическая величина (приведенная теплота)

Изменение энтропии тел при теплообмене между ними

Второй закон термодинамики как принцип направленности теплообмена (от горячего к холодному)

Качество (ценность) энергии

Высококачественные формы энергии: механическая, электрическая

Низкокачественная форма энергии: теплота

Понижение качества тепловой энергии с понижением температуры

Энтропия как мера некачественности энергии

Второй закон термодинамики как принцип неизбежного понижения качества энергии

Второй закон термодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя второго рода

Энтропия как мера молекулярного беспорядка

Второй закон термодинамики как принцип нарастания беспорядка и разрушения структур

Закономерность эволюции на фоне всеобщего роста энтропии

Энтропия открытой системы: производство энтропии в системе, входящий и выходящий потоки энтропии

Термодинамика жизни: добывание упорядоченности из окружающей среды.

Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма

Синергетика — теория самоорганизации

Междисциплинарный характер синергетики

Самоорганизация в природных и социальных системах как самопроизвольное возникновение упорядоченных неравновесных структур в силу объективных законов природы и общества

Примеры самоорганизации в простейших системах:

-лазерное излучение,

-ячейки Бенара,

-реакция Белоусова-Жаботинского,

-спиральные волны.

Необходимые условия самоорганизации:

-неравновесность,

-нелинейность системы.

Признак неравновесности системы:

-протекание потоков вещества,

-энергии,

-заряда и т.д.

Диссипация (рассеяние) энергии в неравновесной системе.

Диссипативная структура — неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации.

Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации.

Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости

Рост флуктуации по мере приближения к точке бифуркации (теоретическое положение и примеры).

Стабилизация флуктуации за точкой бифуркации (порядок из хаоса.)

Синхронизация частей системы в процессе самоорганизации.

Понижение энтропии системы при самоорганизации.

Повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации.

Универсальный эволюционизм как научная программа современности, его принципы:

- всё существует в развитии;

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

- законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;

- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

- устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного

обновления.

11. мегамир

Космология - наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции

Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная

Геоцентрическая система мира Птолемея

Гелиоцентрическая система мира Коперника

Ньютоновская космология: безграничная, бесконечная, однородная и неизменная Вселенная

Общая теория относительности как теоретическая основа современной научной космологии

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

Космологическая модель Фридмана: Вселенная нестационарна

Наблюдаемая однородность Вселенной в очень больших масштабах

Наблюдательное подтверждение нестационарности Вселенной:

-красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря эффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик.)

-Закон Хаббла: скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них

Постоянная Хаббла

Возраст Вселенной — понятие (время, прошедшее с момента начала расширения) и современные оценки (12-15 млрд. лет)

Понятие о космологической сингулярности.

Три фридмановских модели эволюции Вселенной, критерий выбора между ними:средняя плотность материи во Вселенной.

Современная оценка средней плотности материи во Вселенной - с высокой точностью равна критическому значению.

Вклад основных видов материи в её среднюю плотность во Вселенной:

- обычное вещество (в основном, звезды в галактиках) — менее 5%

- «тёмное вещество» (взаимодействует с обычным веществом только гравитационно, распределено в пространстве неоднородно)

- «тёмная энергия» (строго однородна, создает всемирное отталкивание) — более 70%

12.Планета Земля и науки о Земле Геологическая эволюция

Земля как планета, ее отличия от других планет земной группы

Химический состав Земли

Магнитное поле Земли, его структура и роль для жизни на планете

Внутреннее строение Земли (ядро внутреннее и внешнее, мантия, земная кора), методы исследования (сейсморазведка)

Формирование прото-Земли из планетезималей, её гравитационное сжатие, разогрев и начало дифференциации.

Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит, её движущие силы

Возраст Земли, методы его оценки (радиометрия земных горных пород и метеоритов)

Возникновение океанов и атмосферы

Атмосфера Земли, ее структура (тропосфера, стратосфера, ионосфера) и химический состав

Циркуляция атмосферы и климат Земли

Гидросфера.

Заселение Земли

(эволюция и развитие живых систем)

Первичная атмосфера Земли

Абиогенный синтез

Предбиологический отбор

Коацерваты

Гетеротрофы

Автотрофы

Анаэробы

Аэробы

Прокариоты

Эукариоты

Голобиоз

Генобиоз

Исторические концепции происхождения жизни: креационизм, гипотеза панспермии, биохимическая эволюция, постоянное самозарождение, стационарное состояние.