Так как в кибернетических системах основным параметром является информация, то в современном понимании, кибернетика - это наука об управлении, связи и переработки информации.

Кибернетическая система - упорядоченная совокупность объектов (элементов системы) взаимодействующих и взаимосвязанных между собой, которые способны воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться информацией.

Системность - это общий системный подход.

Например, внешней средой вещественной Вселенной, скорее всего, выступает физический вакуум. Любая подсистема Вселенной, например, галактика, Солнечная система, планета, биосфера, человек и т.д., предстает как цельное естественное тело, обладающее определенной автономией и собственным путем развития, но остающееся неотъемлемой составной частью целого.

Виды систем: материальные, абстрактные.

Среди материальных систем выделяют системы неорганической и органической природы.

Материальные системы неорганической природы - это физические, геологические, химические и т.п.

Пример схемы материальной системы неорганической природы приведен на рис. 7, где отражена система термостата.



Рис.7. Схема материальной системы неорганической природы

УУ - управляющее устройство, УО - объект управления,

ОС - источник сигналов обратной связи

Материальные системы органической природы - это биологические (живые) системы. К таким системам относятся простейшие, биологические, организмы, популяции, виды, экосистемы.

В современном понимании биология - совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

На рис. 8 представлена обобщенная биологическая система органа зрения.

Рис.7. Биологические системы

ЦНС - центральная нервная система, ИО - исполнительный орган,

ОС - обратные связи в системе.

Особый класс материальных биологических систем представляют социальные системы (от простейших социальных объединений до социально-экономической структуры общества).

Биологические системы представляют собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, которые обладают свойствами целостности, относительной устойчивости, а также способностью к адаптации (приспособление к внешней среде), развитию, самовоспроизведению и эволюции.

Классификация современной биологии (рис.8а) может быть представлена в виде «здания», где по оси ординат (Y) классифицируются уровни организации (сложности) материи в пределах биосферы, по оси абсцисс (X) - методологические аспекты, а по оси Z дается классификация по биологическим функциям.

Рис.20. Классификация современной биологии

1-й этаж - самый верхний уровень - биосфера

2-й этаж - экология (изучает сообщества различных видов живых существ, из взаимосвязь между собой и окружающей средой.

3-й этаж - биологические виды - биология видов (животных, растений и бактерий и их систематику в целом: зоология, ботаника, микробиология и вирусология)

4-й этаж - анатомия и физиология (науки изучают структуру и жизнедеятельность индивидуального организма и его органов)

5-й этаж - клеточная биология (цитология)

6-й этаж субклеточная биология (исследование внутриклеточных органелл и их фрагменты, гомогенатов, «теней» клеток и других бесклеточных надмолекулярных систем.

7-й этаж - молекулярная биология (изучает функционирование макромолекул и их комплексов) - это последний уровень, где еще не утрачена биологическая функция.

8-й уровень - биоорганическая химия (здесь изучаются структуры и физико-химические характеристики веществ, составляющих живой организм здесь объектом исследования служит органические соединения (наука биоорганическая химия).

Обменные энергетические процессы, происходящие в живых системах, изучаются термодинамикой (наукой о законах превращения энергии из одного вида в другой).

Происходящие в системах процессы различных энергетических преобразований изучаются наукой - термодинамикой. Отсюда иногда такие системы называют термодинамическими.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делят на три типа.

изолированная - это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией

замкнутая - это система, которая обменивается с окружающей средой веществом, и энергией.

открытая - это система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией, и информацией

Живыми системами являются клетки, ткани, органы, системы органов, организмы, популяции организмов, экологические системы, биосфера в целом.

Живые системы характеризуются рядом особенностей, которые отличают их от неживых систем. Важнейшая особенность живых систем заключается в том, что их жизнь невозможна без притока в них энергии, обмена веществ и обмена информацией. Можно сказать, что они взаимодействуют со средой и по этой причине являются открытыми системами. Далее для живых систем характерна способность к самовоспроизводству, саморегуляции и самовосстановлению, в основе которого лежит способность к восстановлению повреждений собственного генетического материала. Наконец, всем живым системам присуща строгая пространственно-временная и основанная на единстве структурно-функциональных связей между их частями.

В класс биологических систем относят экологические системы. Обобщенно-структурная схема такой системы представлена на рисунке 9, которая выполнена на основных экологических законах.

Экологические законы биологических систем

1. Закон биогенетический Мюллера - Геккеля: индивидуальное развитие особи (онтогенез) в общих чертах повторяет (рекапитулирует) основные этапы развития своих передковых форм (филогенез)

2. Закон внутреннего динамического равновесия - один из фундаментальных экологических законов: всякая природная система обладает внутренней энергией, веществом, информацией и динамическими качествами, связанными настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает изменения в другом или том же, но в другое время изменения, сохраняющие всю сумму перечисленных показателей.

3. Закон сохранения. В биологической системе должны сохраняться потоки энергии, вещества и информации.

4. Закон условия существования биологических систем: является обмен энергией, веществом и информацией, как между отдельными частями системы (или ее подсистемами), так и с окружающей средой.

5. Закон (принцип) энергетической проводимости (закон сохранения жизни): жизнь может существовать только в процессе движения через биологическую систему потоков вещества, энергии и информации. Прекращение движения в этом потоке прекращает жизнь. Поток энергии, вещества и информации в системе как в целом должен быть сквозным, охватывающим всю систему. Иначе система не будет иметь единства.

6. Закон (правило) основного обмена: любая большая динамическая система в стационарном состоянии использует приход извне потоков энергии, вещества и информации главным образом для своего самоподдержания и саморазвития.

7. Принцип Ле-Шателье-Брауни: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

8. Закон развития системы: любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающего ее среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно.

9. Закон исторической необратимости - процесс развития человечества не может идти от более поздних форм развития к начальным, т.е. общественно-экономическим формации не могут сменяться в обратном порядке.

Рис.21. Экологическая система

Уровень I - материальный (низший). Материальный носитель этого уровня «костные» части системы (организма, материи). Это «аппаратная реализация» материи. Без этого уровня невозможны проявления более высоких уровней.

Уровень II - энергетический. Это уровень совокупности взаимосвязей частей системы в одно единое целое. Носитель - поле электромагнитной или иной природы.

Уровень III - уровень информационный. Это уровень описания возможных состояний системы. Носитель - нематериальная информация как свойства, отражение других уровней в плане идей, т.е. это уровень проявления идей.

Энергия - мера движения материи, количественная мера определенного вида движения материи при ее превращении из одного вида в другой.

Будучи характерной движения материи, энергией всегда определяет способность системы совершать определенную работу.

Формы энергии: механическая (кинетическая, потенциальная, гравитационная, тепловая, химическая, электрическая.

Энергетические превращения в организме происходят в основном в пределах этих форм.

Работа - это мера превращения энергии из одной формы в другую (мера изменения энергии).

Абстрактные системы могут быть представлены в виде понятий, гипотез, теорий, научных знаний, лингвистических систем (языковых) и др.

На рис. 10 приведена обобщенная структурная схема абстрактной системы организации и построения картины мира в мышлении индивидуума в процессе познания окружающего мира и его социологизации.

Рис.8. Абстрактные системы

БД - база данных; СУБД - система управления БД; КМ - картина мира.

Системные принципы:

целостности (принципиальная несводимость свойства системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого; зависимость каждого элемента свойства и отношения системы от его места, функции и т.д. внутри целого)

структурности (возможности описания системы через установление ее структуры, т.е. сети связей и отношений системы, обусловленности поведения системы поведением ее отдельных элементов и свойствами ее структуры.

взаимозависимости системы и среды (система формирует и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой, являясь при этом ведущим активным компонентом взаимодействия) - принцип внешнего дополнения.

иерархичности (каждый компонент системы, в свою очередь, может рассматриваться как система, а исследуемая в данном случае система представляет собой одни из компонентов более широкой системы) принцип «черного ящика»;

множественности описания каждой системы (в силу принципиальной сложности каждой системы ее адекватное познание требует построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определенный этап системы.

Происходящие в системах процессы различных энергетических преобразований изучаются наукой - термодинамикой. Поэтому, иногда такие системы называют термодинамическими.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы бывают трех типов:

1) изолированные - системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией;

2) замкнутые - системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом, и энергией;

3) открытые - системы, которые обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией, и информацией.

Системная организация знаний. Научные картины Мира

Самое широкое представление о Мире дает общая научная картина Мира (ОНКМ), описывающая и Природу, и общество с его устоями и проблемами.

Научные картины Мира (НКМ) - это система научных теорий, описывающая реальность (по Т.Куну НКМ это парадигма).

Американский историк и социолог Томас Кун рассматривает все движения научного познания как складывающиеся из целого ряда взаимосвязанных систем, учений и понятий, которые он называет парадигмами. Переход от одной парадигмы к следующей совершается путем научной революции, которая ломает устаревшую парадигму и открывает дорогу к выработке и установлению новой парадигмы, пока та, в свою очередь не устареет и подвергнется революционной ломке.

Основная идея, на которой в настоящее время строится эта картина -- идея единства эволюции Вселенной и человека как космического, биологического и социального существа. Естественные науки формируют естественнонаучную картину Мира (ЕНКМ).

ЕНКМ - это система важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего нас мира.

ЧНКМ - частные научные картины мира - это картины отдельных естественных наук, например, физическая (ФКМ), химическая (ХКМ), биологическая (БКМ), астрономическая (АКМ), геологическая, геотехническая и техническая (техносфера), экологическая, кибернетическая и т.д.

СКМ - социальная картина мира,

ЧКСМ - частные социальные картины мира.

На рис. 11 приведена классификация научных картин мира.



Рис.11. Классификация научных картин мира.

Этапы развития научных картин Мира

Представления древних о Вселенной

Первая физико-космологическая КМ

Механистическая КМ

Электромагнитная КМ

Квантово-полевая КМ

Современная ЕНКМ

Современная ФКМ

Информационная КМ

Энергоинформационная КМ

Представления древних о Вселенной

Хронология основных этапов познания природы человеком

Биологическая эволюция человека длилась - около 14 млн. лет

Время зарождения астрономии - около 470 тыс. лет до н.э.

Предки человека научились добывать огонь - около 150 тыс. лет до н.э.

Начало формирования современного типа человека - около 50-40 тыс. лет до н.э.

Появление интереса предков к небесным явлениям ~ 40 тыс. лет до н.э.

Разделение труда, обмен продуктами труда ~ 40-10 тыс. лет до н.э.

Приобретение навыков, умения в приготовлении пищи ~ 30 тыс. лет до н.э.

Появление ремесел:

гончарное дело, первые города ~ 8 тыс. лет до н.э.

обработка металлов ~ 7-6 тыс. лет до н.э.

выплавка металла и стекла, строительство оросительных систем, измерение площадей ~ 4-5 тыс. лет до н.э.

Появление египетских иероглифов, цифровых символов, определение затмения луны (шумеры), календарные расчеты (майя) ~ 4 тыс. лет до н.э.

Строительство египетских пирамид ~ 4 тыс. лет до н.э.

Знания о мире вплоть до VII века до н.э. приобретались путем накопления опыта и наблюдений за цикличностью процессов и явлений, происходящих в природе. К этому времени известно уже было 5 планет и их движение, мудрецы умели определять периоды лунных и солнечных затмений, решать уравнения 1-й, 2-й и 3-й степени, определять площади фигур, рассчитывать календари. Египетские жрецы имели практические познания в химии и медицине, умели бальзамировать трупы.

Несмотря на обилие накопленных фактов, знания о мире были фрагментарны.

По представлениям древних, всеми явлениями в природе правили и двигали боги, наделенные сверхъестественными силами.

Натурфилософские школы (Древняя Греция)

Греция в VII-VI веках до н.э. характеризуется расцветом ионических городов Милета и Эфеса. Родоначальник греческой науки Фалес из Милета (624-547 гг. до н.э.). На основе философских рассуждений о природе здесь сформировались многочисленные натурфилософские школы. Наиболее популярными из этих школ были: ионийская, пифагорейская и элеатская.

Ионийская школа положила начало представлению о мире как о едином целом, в котором все явления (астрономические, физико-химические и биологические) - вытекают из единого начала. В основе каждой из систем мира лежало одно “первовещество” - земля, вода, воздух, огонь или некая особая “первоматерия”, из которой под влиянием “воздействий” - тепла, холода, сухости и влажности развивалось все.

Фалес считал, что единой материальной основой окружающего мира является вода, его ученик Анаксимандр считал, что основой всего является первовещество «апейрон», ученик Анаксимандра Анаксимен считал, что это - воздух.

Дальнейшее учение ионийцев развил Гераклит (544-483), который считал, что в основе всего лежит - огонь

Пифагорейская школа искала сущность окружающих их предметов и явлений в числах, признавали математические начала за начала всего существующего.

Их взгляды на строение Вселенной - сначала пироцентрическая система мира (Филолай), затем гелиоцентрическая (Аристарх Самосский).

Пироцентрическая система - сферическая Земля движется вокруг центрального огня; вокруг него обращаются еще 9 сфер Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, Солнца, Луны, сфера «звезд» и сфера противоземли.

В более поздней гелиоцентрической системе (III в. до н.э.) были выброшены центральный огонь и противоземля, а в центр было помещено Солнце. Земля имеет шарообразную форму и обращается вокруг своей оси.

Пифагорейцы впервые обратили внимание на существование в мире количественных зависимостей, что предопределило переход от образного мышления к логическому.

Элеатская школа в противовес ионийской считала, что не существует движения и множественности вещей, что бытие едино, непрерывно и неизменно (Ксенофан, Парменид, Зенон). Идея атомистического строения материи впервые была выдвинута Левкиппом (500-440) и развита его учеником Демокритом (460-370).

Суть учения Демокрита

Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства (пустоты), все другое только воззрение

Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме

Из ничего не происходит ничего

Ничто не совершается случайно, но все случается по какому-нибудь основанию и с необходимостью

Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами не существует

Далее учение развил Эпикур, который пытался объяснить на основе атомистических представлений все естественные, психические и социальные явления, что атомы в постоянном движении имеют свой вес, что жизнь возникла естественным путем.

Первая картина мира была создана Аристотелем (384-322), на основе проработки имеющихся фрагментарных знаний и представлений о мире всех натурфилософских школ.

Основные принципы первой картины мира

Четыре основных и противоположных качества (холод и тепло, сухость и влажность) попарно образуют элементы, из которых состоят все материальные вещи: земля, огонь, воздух, вода и небесный - вечно движущийся эфир.

Всем вещам придаются «абсолютные» свойства тяжести и легкости.

Понятие пространства, времени и материи взаимосвязаны и не существуют одно без другого.

Под движением понимал изменение вообще, превращение возможного (потенциального) в действительное. Механические перемещения считались одним из видов движения.

Резко разграничивал «небесное» и «земное».

Трактовка «места», «материи», «движения» такова, что не допускает существования пустоты.

Материя непрерывно распределена в пространстве.

Движение в пустоте вообще невозможно.

Скорость падения пропорциональна весу тела («закон» Аристотеля о механике движения).

Модель Вселенной по Аристотелю

Земля - центр Вселенной, Вселенная сферична и конечна, вечное движение небесных тел по сферам, окружающим неподвижную Землю. Чтобы сферы, окружающие Землю вращались, должна быть некая движущая сила - эта сила исходила из самой внешней по отношению к Земле сферы (неподвижная сфера звезд). Таким образом, Аристотелем была создана первая и всесторонне продуманная логическая геоцентрическая система мира: центр - Земля, вокруг которой обращались планеты вместе со своими сферами - Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и замыкающая сфера - сфера неподвижных звезд.

Сторонником геоцентрической системы мира был царь Клавдий Птолемей (87-165 г.г н.э.), который впервые построил математическую теорию сложных видимых движений планет и разработал основы геометрической картины мира. На рис. 12 приведена картина мира Птолемея.

Рис.12. Картина мира Птолемея

В 150 г. н.э. Птолемей создал труд «Великое математическое построение астрономии» в 13 томах («Альмагест»), который до середины XVI в. являлся самой полной астрономической энциклопедией. Птолемей окончательно закрепил и узаконил геоцентрическую систему Аристотеля.

Механистическая картина мира

Формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира (МКМ) происходило по двум направлениям:

Обобщение полученных ранее результатов и, прежде всего, законов движения свободно падающих тел, открытых Галилео Галилеем и законов движения планет, сформулированных Кеплером.

Создание методов для количественного анализа механического движения в целом.

Основателями МКМ были ученые - «первооткрыватели»:

- Николай Коперник (1473-1543)

- Тихо Браге (1546-1601)

- Кеплер (1571-1630)

- Галилео Галилей (1564-1642)

- Исаак Ньютон (1643 -1727)

Модель Вселенной Н. Коперника: в центре всех орбит, по которым обращаются планеты, находится Солнце (гелиоцентрическая система), Земля обращается вокруг Солнца, делая один оборот за 12 месяцев, и одновременно вращается вокруг своей оси. Движение небесных тел в системе относительно, система замкнута - ограничена сферой неподвижных звезд.

Рис.13. Система мира по Копернику

Уточнив расчеты Коперника, Кеплер устанавливает три закона:

Описывает орбиты планет: планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

Об изменении орбитальной скорости планет: прямая, проведенная от Солнца к заданной планете за равные промежутки времени охватывает равные площади.

Связывает время, за которое планета делает один оборот вокруг Солнца со средним арифметическим наибольшего и наименьшего из расстояний от планеты до Солнца.

Галилео Галилей заложил основу механики - науки о движении тел и о силах, вызывающие эти движения и влияющие на них. Он ввел экспериментально-математический метод - метод опытного естествознания. В становлении механики экспериментальный метод сыграл решающую роль.

Ньютон выдвинул совершенно новый принцип исследования природы: «… вывести два или три общих начала движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал».

Эти начала движения и представляют собой основные законы механики:

- закон инерции,

- закон количества движения,

- закон действия и противодействия.

Ньютон считал, что принципы механики устанавливаются с помощью двух противоположных, но в то же время взаимосвязанных методов - анализа и синтеза, причем анализ должен предшествовать синтезу.

МКМ как форме синтеза физического знания ХVII-ХVШ вв. присущи следующие черты:

- жесткий или однозначный (лапласовский) детерминизм, суть которого в признании точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием; объективный характер случайности отрицается;

- абсолютность пространства и времени: пространство и время не связаны с движением тел;

- мгновенность действия и дальнодействия: считалось, что физические воздействия в принципе могут распространяться из одного места пространства в другие места мгновенно, с бесконечно большой скоростью;

- обратимость времени;

- механический редукционизм - тенденция сведения закономерностей более высших и сложных форм движения к законам механики.

Основные понятия МКМ: материя - вещество, состоящее из неделимых частиц; движение - механическое перемещение частиц; пространство - пустое вместилище тел; время - чистая длительность процессов; физическое поле (эфир) - вспомогательное понятие; масса - мера инертности и мера тяготения; инвариантность законов Ньютона

Основные принципы МКМ: относительность Галилея; инерция - равенство действия и противодействия; дальнодействие, причинность и т.д.

МКМ продолжает оставаться справедливой в области механических движений макротел, где скорости намного меньше скорости света.

Электромагнитная картина мира

Основной вклад в становление электромагнитной картины мира (ЭКМ) внесли английские ученые: М. Фарадей и Дж. Максвелл.

Экспериментальную ЭКМ создал выдающийся английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791-1867) в 30-е годы XIX в. Для описания электромагнитных явлений он впервые ввел понятие поля. Электромагнитное поле, как особый вид материи, свойства и закономерности которого изучаются электродинамикой.

Экспериментальная ЭКМ, может быть охарактеризована следующими открытиями Фарадея:

1831 г. - открытие закона электромагнитной индукции;

1834 г.- открытие законов электролиза;

1837 г. - обнаружение поляризации диэлектриков;

1843 г. - экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда;

1845 г. - открытие диамагнетизма;

1846 г. - выдвижение идеи об электромагнитной природе света;

1847г. - открытие парамагнетизма.

В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля - по сути, теоретическую электромагнитную картину мира.

Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления некоторые основные идеи, лежащие в основе данной теории.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле - в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Итак, теоретическая ЭКМ Максвелла включает систему, состоящую из 20 уравнений:

- три уравнения магнитной силы;

- три уравнения электрических токов;

- три уравнения ЭДС;

- три уравнения электрической упругости;

- три уравнения электрического сопротивления;

- три уравнения полных токов;

- уравнение свободного электричества;

- уравнение непрерывности.

В подтверждении справедливости полевых представлений Фарадея-Максвелла решающую роль сыграли опыты немецкого физика Г. Герца (1857-1894), в которых были получены и исследованы электромагнитные волны, существование которых предсказал Максвелл.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом - они образуют единое электромагнитное поле.

К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, так как факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью не совместим с принципом относительности Галилея.

После создания Максвеллом электромагнитной теории поля, во второй половине XIX в., началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио русским физиком и электромехаником А.С. Поповым (1859-1906) - одно из первых важнейших применений принципов новой, электромагнитной теории. Если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

Принципы дальнодействия и близкодействия. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность принципа дальнодействия. Сам Ньютон признавал невероятность и даже невозможность подобного рода взаимодействий тел.

Основоположник принципа дальнодействия - французский математик, физик и философ Рене Декарт. Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие принципа дальнодействия физическому опыту. Кроме того, она находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т.е. взаимодействие передается через «посредника» - электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте - примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность принципа близкодействия, который распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно этому принципу взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

Дискретность и непрерывность материи. В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство - с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира - его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает - «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

Только с развитием понятия «поля», позволило понять диалектическое единство - в современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

Основные понятия ЭКМ: континуальность материи, материальность физического поля; физическая относительность пространства и времени; непрерывность причинно-следственных связей; масса - мера инертности, тяготения и полной энергии тела; инвариантность законов физики и т.д.

Основные принципы ЭКМ: относительность Эйнштейна, постоянство скорости света, эквивалентность инерции и тяготения; соответствие между механикой и электродинамикой, причинность и др.

Квантово-полевая картина мира

Квантово-полевая картина мира (КПКМ) началась с «ломки» ЭКМ, с представлений о строении атомов.

Первую модель атома представил английский физик Дж. Томпсон, которым в 1897 году был открыт электрон. Эта модель представляла собой сгусток материи, обладающей положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что в целом атом представлял электрически нейтральное образование.

В 1911 году английский физик Резерфорд предложил свою модель атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами. Эта, так называемая, планетарная модель атома.

В 1913 году датский физик Нильс Бор усовершенствовал модель атома Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.

Этот постулат находится в противоречии с классической теорией. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.

Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т. е. осуществляется переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на более близлежащую. Поглощение - при переходе атома в состояние с большей энергией, т. е. осуществляется переход электрона на более удаленную от ядра орбиту.

Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электронов в атоме имеет мало общего с движением планет по орбитам.

В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств любых элементов.

Французский ученый Луи де Бройль (1892- 1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия и импульс, а с другой, - волновые характеристики - частота и длина волны.

Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками К. Дэвиссоном (1881- 1958) и Л. Джермером (1896- 1971).

Подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства: для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

В 1930 г. швейцарский физик Паули выдвинул гипотезу о нейтрино - микрочастиц не имеющих массы и заряда и уносящих собой половину энергии испускаемой ядром при в-распаде. Английский ученый Дж. Чедвик открыл нейтрон, который обладал массой, но не имел заряда.

В 1934 г. супруги Жолио-Кюри сделали открытие: искусственную радиоактивность легких элементов, доказав этим что свойства радиоактивного распада присуще всем элементам, а не только тяжелым, стоящим в конце периодической системы Д. Менделеева. При этом выявилась определяющая роль атомной массы, а не заряда ядра химических элементов.

Таким образом, на место односторонней ЭКМ пришла двусторонняя КМ, учитывающая взаимосвязи и свойства массы и свойства электрического заряда. Поэтому открытия связанные со строением вещества и взаимосвязи вещества и энергии лежат в основе КПКМ.

Основные понятия КПКМ: дискретность излучения; квант действия (h); единство корпускулярно-волновых свойств материи; волновое уравнение для частиц; физические поля - совокупность квантов; обменный характер взаимодействия; виртуальные частицы и античастицы; взаимопревращаемость элементарных частиц и т.д.

Основные принципы КПКМ: квантование; соотношение неопределенностей; относительность к средствам наблюдения; дополнительность; соответствие; причинность (квантово-механическая) и др.



Современная естественнонаучная картина мира

В современной картине мира выделяют три части пространства (мега-, макро- и мегамир) со своими уровнями организации материи, которые изучают соответствующие науки. Этот отражено в таблице 6.

Таблица 6

Современная естественнонаучная картина мира

Структурные уровни организации материи	Часть пространства	Наука	Вид эволюции
Вселенная Метагалактика	мегамир	космология -“-	космический -“-
Сверхгалактика Галактика Звездные Системы, звезды Планеты (со спутниками)		астрономия -“- -“- геология	-“- -“- -“- геологический
Биосфера Сообщество Вид Популяция Индивид	макромир	экология, этология биология -“-	экологический биологический -“- -“-
Клетка Молекула Атом Элементарная частица Субэлементарная частица (кварк)	микромир	генетика химия физика -“- -“-	-“- химический физический -“- -“-

Основной вклад в построение современной естественнонаучной картины мира вносят следующие науки:

Этология - наука о генетически обусловленном поведении животных; изучает формы поведения организмов.

Биология - изучает живые системы и модели происхождения жизни.

Экология - изучает взаимодействие живых систем со средой

Генетика - механизм воспроизводства жизни.

Астрономия - модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Геология - тектоника литосферных плит

Физика - смещение точки отсчета от материи к энергии и от вещества к полю.

Теория относительности - относительность пространства и времени

Квантовая механика - корпускулярно-волновой дуализм

Синергетика - становление новых структур в природе, самоорганизация сложных систем

Социобиология - соотношение естественного и социального в живых системах

Кибернетика - управление в неживой и живой природе

Психология - роль бессознательного в человеческой психике

Космология - изучение происхождения устройства Вселенной, исследует организацию и структуру всего физического мира

Выделенные уровни организации материи формируют свои пространственные уровни (мега-, макро- и микромир), однако, между этими уровнями нет явно выраженных связей. Одним из объединяющих эти уровни звеном может быть - информация.

Информационная картина мира

Информация связана с категорией отражения и является объективной характеристикой всех материальных объектов и их взаимодействия на всех уровнях организации материи. В зависимости от уровня организации материи имеет место различные определения информации, т.е. уровень организации материи создает многообразие определений:

1. Совокупность каких-либо сведений, знаний о чем-либо.

2. Совокупность количественных данных, выражаемых при помощи цифр или кривых, графиков и используемых при сборе и обработке каких-либо сведений.

3. Сведения, сигналы об окружающем мире, которые воспринимают организмы в процессе жизнедеятельности.

4. В генетике - совокупность химически закодированных сигналов, передающихся от одного живого объекта к другому (от родителей потомкам) или от одних клеток, тканей, органов другим в процессе развития особи.

5. В математике, кибернетике - количественная мера устранения энтропии (неопределенности), мера организации системы.

6. В философии - свойство материальных объектов и процессов сохранять и порождать определенное состояние, которое в различных вещественно-энергетических формах может быть передано от одного объекта другому; степень, мера организованности каких-либо объектов, системы.

Рис.14. Общая информационная картина мира

На рис. 14 представлена информационная картина мира в упрощенной форме. Здесь физическая информация - это та, которая присуща процессам отражения в неорганической природе, биологическая информация - циркулирующая в живой природе и формирующая ее структуры; социальная информация передающаяся в человеческом обществе в процессе коммуникаций между людьми.

Физическая информация переставляет геогенез и подразделяется по видам движения материи: механическая, физическая, химическая, ядерная. Биологическая информация включает биогенез и психогенез и по видам подразделяется на генетическую, физиологическую, психологическую и эволюционную. Социальная информация представляет собой ноогенез и подразделяется на массовую (функции общения) и специальную (функции созидания).

Способы восприятия информации

1. Генетическая

2. Сенсорная: зрительная, слуховая, осязательная, обонятельная, вкусовая.

Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей организации зависит от генетической информации, которая сохраняется в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК - это вещество, из которого состоят гены.

Модель строения ДНК в форме регулярной двойной спирали предложена Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, так как каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности другой цепи.

Генетическая информация записана в цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех гетероциклических оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т).

В живых системах ДНК является главным носителем генетической информации.

Энтропия как мера дезорганизации

Энтропия (от греч. - поворот, превращение, обозначается S) - это однозначная функция состояния термодинамической системы; изменение энтропии () в равновесном процессе равно отношению количества теплоты (), сообщенного системе или отведенного от нее к термодинамической температуре (Т) системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна. Понятие «энтропия» введено в 1865 г. Р. Клаузиусом. Систематическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии (принцип Больцмана).

Чем меньше энтропия - тем больше упорядоченность и наоборот. Эволюция понятий энтропии представлена на рис. 15.

Рис.15. Эволюция представлений об энтропии

Современная физическая картина мира

Впервые физическую картину мира (ФКМ) представил Сухонос С. в 1981 г., которая приведена на рис. 16.

Посредством шкалирования он выяснил, что размеры электронов, атомов, человека, звезд и галактик отличаются друг от друга на 10 порядков. Аналогично отличаются и размеры ядер атомов, клеток, звезд и т.д. Это означает, что в распределении различных уровней мироздания есть некоторая упорядоченность.

Рис. 16. Современная физическая картина мира

Все существующие силы в природе определяются тем или иным типом взаимодействий. И, несмотря на кажущееся их множество, до сих пор обнаружено лишь четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационные, слабые, электромагнитные, сильные (ядерные).

Таблица 7

Характеристики основных физических взаимодействий

Тип взаимодействия	Источник взаимодействия	Относительная интенсивность взаимодействия	Радиус действия силы
Гравитационное	Масса	~10-38	Сколь угодно далеко
Слабое	Все элементарные частицы	~ 10-15	< 10-18 м
Электромагнитное	Электрические заряды	~ 10-2	Сколь угодно далеко
Ядерное (сильное)	Адроны (протоны, нейтроны, мезоны)	1	~ 10-15м

В связи с этим вся шкала мироздания разделена на три равные зоны в соответствии с тремя (из четырех) типами физических взаимодействий. Зона слабых взаимодействий определяет все процессы и явления, происходящие в микромире, зона электромагнитных взаимодействий - в макромире и зона гравитационных взаимодействий - в мегамире (сильные взаимодействия - только в зоне ядер атомов).

Гравитационное взаимодействие (открыто в XVII в.) характерно для всех материальных объектов, вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Гравитационные силы действуют на любые массы и порождаются массой, действуя на расстоянии.

Электромагнитное взаимодействие (открыто в XIX в.) связано с электрическими и магнитными полями, определяет структуру и поведение атомов, отвечает за связи между молекулами (то есть определяет химические и биологические процессы). Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле - при их движении. Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитные силы действуют на заряды и токи, и их источниками являются заряды и токи. Поскольку атомы состоят из заряженных электронов и протонов, то силы, действующие между атомами, по существу также относятся к электромагнитным. Более того, обычное вещество построено из атомов, и поэтому большинство сил, с которыми нам приходится иметь дело в повседневной жизни, являются электромагнитными. Это и реакция растянутой или сжатой пружины, и другие силы, возникающие при соприкосновении тел. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

Сильное взаимодействие (открыто в середине XX в.) обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами - мезонами.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи. Энергия связи определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом. Ядерные и слабые силы имеют малый радиус действия, они не проявляются на расстоянии свыше 10^-14 м. Именно ядерные силы скрепляют ядро, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между протонами.

Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений, например такие, как превращение нейтронов в протоны. Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1931 г. благодаря, преимущественно, работам Э. Ферми.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия.

В современной ФКМ выделена также «зона жизни», которая находится в центре всего мироздания, где человеку отведена центральная роль.

Здесь можно видеть, что в создании жизни участвует все мироздание: объекты меньшего размера, чем живые существа, составляют их внутреннюю структуру, а большего - создают условия необходимые для их существования.

В таком представлении ФКМ хорошо просматривается проблема «великого объединения». Способность элементарных частиц к взаимным превращениям с соблюдением законов сохранения позволяет предполагать наличие единого общего поля, различными «квантовыми состояниями» которого и являются эти частицы. В последнее десятилетие достигнуты успехи в создании единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий (теория электрослабого взаимодействия). Новое поколение физиков надеется, что объединенная теория объяснит сильное, слабое и гравитационное взаимодействия с позиций единства мироздания.

Размещено на Allbest.ru

...