Природные системы на грани хаоса и порядка

Содержание

Введение          3

Глава 1. Этимология понятия «хаос».  
Соотношение порядка и беспорядка в природе      4

1. Хаос как основа порядка        4
2. Естественные процессы       5
3. Хаос и порядок         7
4. Понятие структуры        8

Глава 2. Хаос и мифы        12

Глава 3. Хаос и его проявления.       12

Глава 4. Причины хаоса        18

Глава 5. Роль энтропии как меры хаоса     19

 

Заключение           21

Список используемой литературы      24

 

 

Введение

 

Наш мир, всё, что доступно в нём  наблюдению претерпевают непрерывные  изменения – мы наблюдаем его  непрекращающуюся эволюцию. Все подобные изменения происходят за счёт сил  внутреннего взаимодействия, во всяком случае, никаких внешних по отношению  к нему сил мы не наблюдаем. Согласно принципу Бора, существующим мы имеем  право считать лишь то, что наблюдаемо или может быть сделано таковым. Следовательно, подобных сил не существует. Таким образом, всё, что происходит вокруг нас, мы можем считать процессом  самоорганизации, то есть процессом, идущим за счёт внутренних стимулов, не требующих  вмешательства внешних факторов, не принадлежащих системе. К числу  таких процессов относится также  и становление и действие Разума, ибо он родился в системе в  результате её эволюции.

Природа – сложная система, для  которой характерны неравновесные  состояния. Человек должен всячески стремиться обеспечить совместную эволюцию природы и общества.

Итак, весь процесс эволюции системы  – процесс самоорганизации. Мир  всё время меняется. Мы не можем  утверждать, что процесс самоорганизации  направлен на достижение состояния  равновесия (под которым понимается абсолютный хаос), у нас нет для  этого опытных оснований, гораздо  больше данных для утверждения обратного - мир непрерывно развивается, и в  этом изменении просматривается  определённая направленность, отличная от стремления к равновесию.

В процессе самоорганизации происходит непрерывное разрушение старых и  возникновение новых структур, новых  форм организации материи, обладающих новыми свойствами. Причём это качественно  не те же самые образования, отличающиеся только геометрическими размерами, формой или другими физическими  особенностями. Во Вселенной возникают  уникальные образования, непрерывно возникают  новые перестройки (бифурикации), в  результате которых рождаются качественно  новые структуры, не имевшие до сих  пор аналогов. Они обладаю новыми неповторимыми свойствами. А как  эти свойства связаны со свойствами исходных элементов, из которых составлены системы? Это очень глубокий вопрос, который имеет как философское, так и практическое значение.

 

1. Этимология понятия «хаос». Соотношение порядка и беспорядка в природе.

 

Хаос, понятие окончательно оформившееся в древнегреческой  философии - это трагический образ  космического первоединства, начало и  конец всего, вечная смерть всего  живого и одновременно принцип и  источник всякого развития, он неупорядочен, всемогущ и безлик.

1.1 Хаос как основа порядка

 

Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг окажется, что все частицы  движутся в одном и том же направлении  с одинаковыми скоростями, то вся  система, подобно теннисному мячу, будет  находится в состоянии полета. Система ведет себя в этом случае аналогично одной массивной частице, и к ней применимы обычные  законы динамики, такое движение называется движением центра масс.

Существует, однако, и другой вид движения. Можно представить  себе, что частицы системы движутся не упорядоченно, а хаотически: полная энергия системы может быть той  же самой, что и в первом случае, но теперь отсутствует результирующее движение, поскольку направления  и скорости движения атомов беспорядочны. Если бы мы могли проследить за какой-либо отдельной частицей, то увидели бы, что она проходит небольшое расстояние вправо, затем, соударяясь с соседней частицей, смещается немного влево, снова соударяется и т. д. Основная черта этого вида движения состоит  в отсутствии корреляции между движениями различных частиц; иными словами, их движения некогерентны (неупорядочены).

Описанное случайное, хаотическое, некоррелированное, некогерентное, неупорядоченное  движение называется тепловым движением. Очевидно, понятие теплового движения неприменимо к отдельной частице, поскольку бессмысленно говорить о  некоррелированном движении одной  частицы. Иными словами, когда мы переходим от рассмотрения движения отдельной частицы к системам многих частиц и при этом возникает  вопрос о наличии корреляций в  их движениях, мы по существу переходим  от обычной динамики в новую область  физики, которая называется термодинамикой.

Итак, существует два вида движения частиц в сложных системах: движение может быть когерентным (упорядоченным), когда все частицы движутся согласованно (“в ногу”), или, напротив, неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически.

1.2 Естественные процессы

 

Естественное стремление энергии к рассеянию определяет и направление, в котором происходят физические процессы в природе. Под  этим понимается рассеяние энергии  в пространстве, рассеяние частиц, обладающих энергией, и потеря упорядоченности, свойственное движению этих частиц. Первое начало термодинамики в принципе не отрицает возможности событий, казалось бы противоречащих здравому смыслу и  повседневному опыту: например, мяч  мог бы начать подскакивать за счет своего охлаждения, пружина могла  бы самопроизвольно сжаться, а кусок  железа мог бы самопроизвольно стать  более горячим, чем окружающее пространство. Все эти явления не нарушили бы закона сохранения энергии. Однако в  действительности ни одно из них не происходит, поскольку нужная для этого энергия, хотя и имеется в наличии, но недоступна. Если не принимать всерьез существующий  в принципе, но чрезвычайно небольшой шанс, можно смело утверждать, что энергия никогда не может сама по себе локализоваться, собравшись в избытке в какой-либо небольшой части Вселенной. Однако, если бы даже произошло, еще менее вероятно, что подобная локализация была бы упорядоченной.

Естественные процессы - это всегда процессы, сопровождающие рассеяние, диссипацию энергии. Отсюда становится ясным, почему горячий объект охлаждается до температуры окружающей среды, почему упорядоченное движение уступает место неупорядоченному и, в частности, почему механическое движение вследствие трения полностью переходит  в тепловое. Столь же просто осознать, что любые проявления асимметрии, так или иначе сводятся к рассеянию  энергии. Проявление любых диспропорций в организационной структуре  объекта приводит к образованию  асимметрии как по отношению к  окружающей среде, так и для самой  структуры в частности, это может    привести к увеличению потенциальной  энергии или, при большом скоплении  этой энергии, к распаду системы, как противоречащей законам природы (общества).

Организация создается из хаоса (общества) одним или несколькими  возбужденными атомами (предпринимателями) и в хаос проваливается при  ликвидации. Естественные, самопроизвольно происходящие процессы - это переход от порядка к хаосу.

Поставим теперь следующий  вопрос: сколькими способами можно  произвести перестройку внутри системы, так чтобы внешний наблюдатель  не заметил ее. Отметим, что в формулировке вопроса учтено то существенное, что  характеризует переход от мира атомов к макроскопической системе, а именно “слепота” внешнего наблюдателя  по отношению к “индивидуальностям”  атомов, образующих систему. Термодинамика  имеет дело только с усредненным  поведением огромных совокупностей  атомов, причем поведение каждого  отдельного атома не играет роли. Если внешний наблюдатель, изучающий  термодинамику, не заметил, что в  системе произошло изменение, то состояние системы считается  неизменным. лишь “педантичный” наблюдатель , тщательно следящий за поведением каждого атома, будет знать, что  изменение все-таки произошло.

Сделаем теперь последний  шаг на пути к полному определению  хаоса. Предположим, что частицы  вселенной не закреплены и могут, подобно состоянию возбуждения  и энергии, свободно перемещаться с  места на место; например, такое могло  бы случиться, если бы Вселенная была газом. Предположим также, что мы создали начальное состояние  вселенной, пустив струю газа в правый нижний угол сосуда. Интуитивно мы понимаем, что произойдет: облако частиц начнет самопроизвольно распространяться и через некоторое время заполнит весь сосуд.

Такое поведение вселенной  можно трактовать как установление хаоса. Газ — это облако случайно движущихся частиц (само название “газ”  происходит от того же корня, что и  “хаос”). Частицы мчатся во всех направлениях, сталкиваясь и отталкиваясь друг от друга после каждого столкновения. Движения и столкновения приводят к  быстрому рассеиванию облака, так  что вскоре оно равномерно распределяется по всему доступному пространству. Теперь существует лишь ничтожно малый  шанс, что все частицы газа когда-нибудь спонтанно и одновременно вновь  соберутся в угол сосуда, создав первоначальную конфигурацию. Разумеется, их можно собрать в угол с помощью  поршня, но это означает совершение работы, следовательно, процесс возврата частиц в исходное состояние не будет  самопроизвольным.

Ясно, что наблюдаемые  изменения объясняются склонностью  энергии к рассеянию. Действительно, теперь состояние возбуждения атомов оказалось физически рассеянным в пространстве вследствие спонтанного рассеяния атомов по объему сосуда. Каждый атом обладает кинетической энергией, и потому распространение атомов по сосуду приводит и к распространению энергии.

1.3 Хаос и порядок

 

В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны  бесцельной “деятельностью” хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими достижениями Больцмана: он установил, каким образом хаос  определяет направление изменений и как  он устанавливает скорость этих изменений. Мы убедились также в том, что  именно непреднамеренная и бесцельная деятельность хаоса переводит мир  в состояния, характеризующиеся  все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные  изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к  порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в  свою очередь могут возникать  сложные структуры, иногда огромного  масштаба. При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок  может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности  где-то в ином месте. Таковы причины  и движущие силы происходящих в природе  изменений.

 

1.4 Понятие структуры

 

Каждый из нас в общих  чертах знает, что такое структура ; как правило, это определенное расположение, конфигурация частиц — атомов, молекул  или ионов. Так, вполне определенную структуру представляет собой кристалл. Он отличается от газа, от жидкости и  от куска масла, так как во всех этих веществах взаимное расположение частиц не является строго определенным, фиксированным. Но имея дело с кристаллом, мы можем быть уверены, что обнаружим  частицы на строго определенном расстоянии друг от друга. В бесструктурных состояниях вещества — в газах, жидкостях  и аморфных твердых телах —  относительные расположения частиц совершенно неопределены.

Обобщая эти предварительные  наблюдения (в дальнейшем мы будем  иметь дело с более сложными примерами), нетрудно заметить, что частицы в  кристаллических твердых телах  расположены упорядочено (или, как  иногда говорят, обладают пространственной когерентностью); иными словами, расположение частиц взаимно коррелированно. В  противоположность этому в газах (и в меньшей степени в жидкостях) подобная пространственная упорядоченность  практически отсутствует: расположения частиц не обладают взаимной корреляцией. Таким образом, можно сказать, что  понятие структуры равнозначно  понятию упорядоченности, когерентности, когда частицы организованы в  строго определенные конфигурации; напротив, отсутствие структуры означает и  отсутствие упорядоченности, когда  расположения частиц вполне случайны. В такое понимание связи структуры  и порядка хорошо вписываются  как твердое тело, обладающее структурой, так и бесструктурные газы.

Такое предварительное определение  структуры через описание вещества, состоящего из частиц с упорядоченным  расположением, можно уточнить с  тем, чтобы дать более адекватное описание природы жидкого состояния. При изменении расположения частиц в жидкостях одним из методов  рентгеноструктурного анализа, столь  широко используемых ныне для исследования строения твердых тел, обнаруживается вполне определенное локальное расположение частиц. Однако чем дальше мы отходим  от данной частицы, тем все с меньшей  уверенностью можем ожидать, что  действительно обнаружим следующую  частицу там, где ей следовало  бы находиться согласно установленному локальному порядку. Иными словами, с удалением друг от друга частицы становятся все более независимыми, а их расположение - неуправляемым (т.е. взаимная корреляция частиц ослабляется). Короче говоря, твердые тела обладают дальним порядком; им присуща глобальная структура или крупномасштабная когерентность — в том смысле, что расположения частиц вполне предсказуемы на больших расстояниях (например, вплоть до границ кристалла). Газы практически полностью лишены подобной глобальной структуры (они не имеют даже границы своего положения); в расположении их частиц отсутствует когерентность даже на самых малых расстояниях. Жидкости, как подсказывает нам интуиция, занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Они обладают лишь локальной структурой и лишены структуры глобальной; на малых расстояниях (порядка нескольких соседних молекул) расположения частиц сохраняют упорядоченность, полностью теряя ее на больших расстояниях. Существуют различные виды жидкостей с большей или меньшей степенью упорядоченности. Например, жидкие кристаллы обладают дальним порядком по некоторым направлениям, тогда как по другим он полностью отсутствует. Можно сказать, что такие анизотропные вещества по одним направлениям являются твердыми телами, а по другим - жидкостями. Подобная анизотропия служит причиной необычных оптических свойств этих веществ, позволяющих использовать их в качестве материала для дисплеев ЭВМ, микрокалькуляторов, наручных часов и т. д.

Уточним теперь наше предварительное  определение структуры и расширим область его применимости. Здесь  и далее мы будем рассматривать  понятия структуры и упорядоченности  как синонимы (лат. structura означает строение, расположение, порядок). Везде и всегда, если только устанавливается состояние  упорядоченности, мы будем рассматривать  это как возникновение структуры. Более того, будем считать, что  упорядоченность — это не только наличие корреляции в пространстве, как в обычных физических объектах; она может также проявляться  — и это имеет принципиальное значение — как корреляция во времени (в последнем случае термин “когерентность”  употребляется в своем буквальном смысле).