Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Богданова Ирина Юрьевна

Но и для классической механики равновесие такой системы считалось неустойчивым. Согласно наблюдательной астрономии Вселенная однородна и изотропна. Согласно расчетам она либо не бесконечна, либо изменяется со временем. Изменение со временем в сторону расширения было установлено Хабблом.

Теория расширения Вселенной связана с: а) исследованиями Больцмана и выведенным им законом необратимости энтропии для больших систем; б) исследованиями спектрального анализа, который показал увеличивающееся расхождение между линиями красного спектра излучения звезд, то есть центробежное движение космических объектов. Космос по определению является мегамиром, то есть совокупностью огромных объектов, и поскольку количество объектов бесконечно велико, относится к большим системам.

В

этих системах должны работать законы термодинамики и, в частности, H-формула Больцмана: W = (1/2) · N и его формула энтропии: S = k · LnW. Теория расширения Вселенной предполагает, что есть некий центр, где прежде помещалось сжатое до предела вещество огромной массы, которое при каких-то условиях утратило равновесность и стало расширяться, пока не расширилось до состояния относительного равновесия, образовав весь видимый космос. Наличие увеличения расхождения линий красного спектра показывает, что процесс не закончен, равновесие не достигнуто, и именно поэтому галактики удаляются друг от друга, а не сближаются друг с другом.

Но существует и другое мнение: если бы происходило расширение космического пространства, кроме расхождения галактик должен был бы наблюдаться эффект расширения всех тел в галактике, то есть увеличение размеров космических объектов, включая и нашу планету. Но такого расширения ученые не отметили.

38. Понятие «стрелы времени»

Первые определения времени относятся к субъективному восприятию. Время в физике определялось следующим образом: время есть порядок смены физических состояний материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека. Позднее был принят такой постулат: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Ньютон оперировал двумя разновидностями времени – относительным , то есть рассматриваемым как длительность, вмещающая определенные события для определенного наблюдателя, и математическим , рассматриваемым как абсолютное, равномерное, не зависящее от физических процессов. По Ньютону, время бесконечно и имеет одно измерение.

Согласно механике достаточно задать направление движения, то есть начальные координаты, чтобы рассчитать результаты для любого действия в прошлом, настоящем и будущем, поэтому в механике возможно использовать время со знаком «минус» и получить результат. Исследуя большие системы термодинамики, Больцман вывел закон, по которому время необратимо, поскольку необратим процесс нарастания энтропии, а нарастание энтропии показывает движение

системы к хаосу, система уходит безвозвратно от начальных условий и не сможет к ним вернуться ни при каких условиях: согласно второму началу термодинамики, в изолированной системе все процессы протекают только в одном направлении – в сторону повышения энтропии и возрастания хаоса. Необратимость времени, то есть его движение только в одну сторону, от прошлого к будущему, получило название стрелы времени . Материалистически «стрела времени» (и невозможность повернуть время вспять) обосновывалась тем, что протекающие в системах процессы деформируют или разрушают вещество, запуская термодинамические процессы, и поскольку эти процессы могут происходить только в одном направлении, то и время может двигаться тоже только в одном направлении. «Стрела времени» связана также с понятием термодинамической шкалы времени, подразумевающей существование трех вариантов временной шкалы: 1) для космологии (расширение Вселенной); 2) для психологии (субъективное движение по «стреле времени» от прошлого к будущему); 3) для термодинамики как таковой (нарастание энтропии), которые совпадают по направлению.

39. Теория тепловой смерти Вселенной

Принципы необратимости и нарастания энтропии были положены в теорию тепловой смерти Вселенной, которую разработал Клаузиус. Он распространил на Вселенную статистический способ исследований больших систем. Поскольку Вселенная является системой с неисчислимым количеством космических объектов, она

автоматически подпадает под правила для больших систем. В таких системах, как известно, по второму закону термодинамики все происходящие физические процессы идут в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Если закон верен для большой системы под названием Вселенная, то можно предположить, что и в ней происходит очень медленный, но необратимый процесс выравнивания температуры, который завершится, когда данная большая система войдет в равновесное состояние.

Для Вселенной это означает, что когда-нибудь все объекты в ней, то есть все космические тела достигнут одинаковой температуры, а вся мировая энергия превратится в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. То есть большая система «Вселенная» войдет в равновесное состояние с максимальной энтропией и в ней прекратятся все физические процессы. Теория недаром получила название теории тепловой смерти Вселенной.

Вывод из теории Клаузиус сделал следующий: 1) энергия мира постоянна; 2) энтропия мира стремится к максимуму.

Свои построения он построил на двух предположениях: 1) Вселенная представляет собой замкнутую систему (то есть она конечна); 2) эволюция системы может быть описана как смена ее состояний.

В наше время теория тепловой смерти Вселенной считается устаревшей, поскольку, по современным воззрениям, Вселенная бесконечна и не может считаться изолированной, а состояние с максимальной энтропией имеет смысл только для конечных систем. Но в то же время все существующие теории исходят из положения, что было некое начало Вселенной, а поскольку существовало начало движения, то существует и его конец, то есть гибель Вселенной или переход ее в новое качество (циклические теории) неизбежны.

40. Теория флуктуаций

Больцман, посвятивший много времени исследованиям больших систем, пытался рассмотреть будущее развитие Вселенной, исходя из теории эволюции Чарльза Дарвина. Больцман был большим поклонником учения Дарвина и взял из дарвиновской теории понятия эволюции и флуктуации. Флуктуацией физической величины называется отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы. В физике флуктуация является фактором нестабильности системы; наличие в ней необратимости процессов разрушает порядок и несет хаос. Флуктуации в термодинамических системах ведут к нарастанию энтропии, расшатывают систему, делают ее неустойчивой, любое незначительное воздействие может привести систему к саморазрушению.

Флуктуации в биологии имели иной смысл. Дарвиновская теория придавала флуктуациям большое значение, поскольку сама эволюция является движением от случайных флуктуаций видов к возрастанию сложности их организации, упорядочиванию, улучшению. Больцман рассматривал Вселенную не только как большую замкнутую изолированную систему, но и как самоорганизующуюся систему, в которой флуктуации не имеют значения, приводящего к хаосу.

Говоря о Вселенной, Больцман подразумевал только ее видимую часть, то есть незначительную область космического пространства. Для этой видимой части он считал допустимыми такие флуктуации, которые выводят систему из состояния равновесия, тем самым предотвращая ее неотвратимое эволюционное движение к хаосу и обещанной Клаузиусом тепловой смерти. Больцман пытался теоретически обосновать возможность такого развития Вселенной, при котором флуктуации могли воздействовать на развитие не как фактор, ведущий к уничтожению, а как фактор, отводящий с пути самоуничтожения.

Для самоорганизующихся систем характерны три этапа развития: равновесие, саморазрушение, новая организация системы. На уровне пути к саморазрушению существует граница, где есть возможность выбора наилучшего пути. Флуктуации Больцмана были теми самыми отклонениями от движения к хаосу и гибели, которые переводили систему в более безопасный режим.

Дальнейшее развитие теория флуктуаций получила в работах Эйнштейна, Смолуховского и легла в основу современной синергетики.