«Марусина Мария Яковлевна Современные проблемы науки и техники Учебное пособие 2012 Оглавление ВВЕДЕНИЕ Раздел 1. МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ 1.1. Теоретико-методологические основы научно-исследовательской деятельности. 6 ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики»

Марусина Мария Яковлевна

Современные проблемы науки и техники

Учебное пособие

2012 Оглавление ВВЕДЕНИЕ

Раздел 1. МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

1.1. Теоретико-методологические основы научно-исследовательской деятельности................. 6 1.1.1. Типология методов научного познания

1.1.1.1. Понятие науки

1.1.1.2. Классификация наук

1.1.1.3. Методы научного познания

1.1.2. Процесс научного и технического познания

1.1.2.1. Термины, характеризующие процесс научного и технического познания............ 1.1.2.2. Соотношение науки, техники и технологии

1.2. Контрольные вопросы по первому разделу

Раздел 2. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ

2.1. Проблемы космологии

2.1.1. Гипотеза Большого взрыва

2.1.2. Пространство и время

2.1.3. Темная материя и темная энергия

2.1.4. Антропный принцип Вселенной

2.2. Порядок и Хаос

2.2.1. Детерминированные и недетерминированные процессы

2.2.2. Энтропия

2.2.3. Информация

2.2.4. Шумовые процессы

2.3. Синергетика

2.3.1. От существующего к возникающему

2.3.2. Виды самоорганизации

2.3.3. Примеры самоорганизации в неживой природе

2.3.4. Примеры самоорганизации в живой природе

2.3.5. Самоорганизация в социально-экономических системах

2.4. Нанотехнологии

2.4.1. Нанотехнологии и наноматериалы

2.4.2. Применение наноразмерных материалов

2.4.3. Ограничения в использовании наноматериалов

2.5. Метаматериалы

2.5.1. Отрицательная рефракция и левые среды

2.5.2. Отрицательно преломляющие среды для света

2.5.3. Перспективы практического использования метаматериалов

2.5.4. Недостатки существующих метаматериалов и возникающие проблемы

2.6. Тридцать самых актуальных проблем физики и астрофизики

2.7. Контрольные вопросы по второму разделу

Раздел 3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ, ТЕХНИКИ И

ТЕХНОЛОГИЙ РФ

3.1. Особенности современного состояния развития науки, техники и технологий в Российской Федерации

3.2. Приоритетные направления развития науки, техники и технологий в Российской Федерации

3.3. Основные направления инновационно-технологического развития науки, экономики и образования в России

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

В условиях сложного и динамичного развития современного мира проблема состояния научных знаний приобретает новый смысл и значение, поскольку перед изменившимся и изменяющимся обществом стоят принципиально новые задачи, возникают потребность и необходимость осмысления происходящих преобразований в политике, науке, экономике, культуре и пр.

Современный уровень развития науки, техники и технологии, сущностные изменения в политике и экономике заставляют отказываться от традиционных методов решения научных задач и переходить к методам, основанным на современных инновационных технологиях. Поэтому данный курс направлен на формирование у магистрантов навыков научного обоснования теоретических и прикладных исследований.

Цель данного учебного пособия – представить обзор наиболее крупных научных достижений в области естественных, технических и социально-экономических наук в их тесной взаимосвязи на основе теории самоорганизации. Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

– продемонстрировать универсальность методов, законов и моделей современной науки, ее междисциплинарный характер;

– показать динамический, развивающийся характер современного научного знания, его направленность от изучения существующего к стремлению понять возникающее;

– на конкретных примерах ознакомить обучающихся с обликом современной науки, предоставить им возможность систематизировать и закрепить полученные знания посредством выполнения тестовых заданий, приведенных в конце каждого раздела.

Дисциплина «Современные проблемы науки и техники» в федеральном государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования ФГОС ВПО для подготовки магистров относится к блоку дисциплин общенаучного цикла. Общая трудоемкость дисциплины по учебному плану составляем 108 часов или 3 зачетные единицы (в том числе, лекции – 34 часа, практические занятия – 17 часов, самостоятельная работа – 57 часов). Текущий контроль осуществляется контрольными опросами на лекциях и практических занятиях, защита отчетов (рефератов). Итоговый контроль – экзамен.

Целью освоения дисциплины является достижение следующих результатов образования:

знания:

на уровне представлений: проблем современной науки и техники, пути их решения;

на уровне воспроизведения: основных понятий, терминов и определений в области науки и техники; основ теории и практики научных исследований, методов научного поиска, получения информации, ее анализа, обобщения результатов;

на уровне понимания: закономерностей становления и развития научного знания.

умения:

теоретические: использовать современные фундаментальные знания по естественнонаучным направлениям подготовки;

практические: совершенствовать интеллектуальный и общекультурный уровень; осознавать и формулировать основные проблемы своей предметной области, применять универсальные методы и средства для их решения.

навыки:

способен анализировать, синтезировать и критически резюмировать научную информацию; формулировать задачи и разрабатывать план научного исследования.

Перечисленные результаты образования являются основой для формирования следующих компетенций:

общекультурных ОК.СЛ.1 - способен совершенствовать и повышать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, воспринимать и генерировать новые идеи;

ОК.ОН.3 - способен использовать современные фундаментальные знания по естественно-научным направлениям подготовки (физике, экологии, информатике и др.);

профессиональных ПК.ОП.2 - способен осознавать и формулировать основные проблемы своей предметной области, применять универсальные методы и средства для их решения;

ПК.ОП.4 - способен анализировать, синтезировать и критически резюмировать научную информацию.

Междисциплинарные связи. В информационном и логическом планах дисциплина последовательно развивает дисциплины общенаучного и профессиональных циклов подготовки бакалавров по ФГОС. В свою очередь, она служит информационной и методологической основой при изучении дисциплин профессионального цикла магистерских программ, а также при подготовке магистерской диссертации по ФГОС.

Раздел 1. МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ 1.1. Теоретико-методологические основы научно-исследовательской деятельности 1.1.1. Типология методов научного познания 1.1.1.1. Понятие науки Существует достаточно много определений понятия «наука». В [4] указано, что «наука – это сфера человеческой деятельности, функцией которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности, одна из форм общественного сознания».

Можно определить науку как [1, 2, 3]:

- сферу человеческой деятельности, направленную на выработку и систематизацию новых знаний о природе, обществе, мышлении и познании окружающего мира (результат этой деятельности – система полученных научных знаний);

- одну из форм общественного сознания, социальный институт (система взаимосвязей между научными организациями и членами научного сообщества, а также системы научной информации, нормы, ценности науки и т.п.).

В книге [7] под наукой понимается форма общественного сознания, включающая в себя как деятельность, направленную на получение новых знаний о природе, так и результат этой деятельности – сумму знаний, составляющих основу научной картины мира. Отношение общества к науке определяется степенью понимания ее ценности в данный момент времени: что полезного она дает отдельным людям и обществу в целом, кроме удовлетворения познавательного любопытства сравнительно небольшой группы людей, занимающихся ей профессионально? Ответ на этот вопрос опирается на понимание цели науки как описания, объяснения и предсказания процессов и явлений действительности, без чего не может существовать ни одна цивилизация.

Науку можно рассматривать [7] как систему, состоящую из:

• теории;

• методологии (учение об организации деятельности), методики и техники исследований;

• практики внедрения полученных результатов При рассмотрении науки как результата взаимодействия субъекта и объекта познания, где под объектом понимается то, что изучает конкретная наука, на что направлено научное познание, а под субъектом понимается конкретный исследователь, научная группа или организация. Науку можно определить как деятельность субъектов, применяющих определенные приемы, операции и методы для постижения объективной истины и выявления законов действительности.

Цели науки можно определить как – описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет е изучения на основе открываемых ею законов, т.е. в широком смысле – теоретическое отражение действительности [1]. Непосредственные цели науки – получение знаний об объективном и о субъективном мире, постижение объективной истины.

Можно выделить следующие задачи науки:

• сбор, описание, анализ, обобщение и объяснение фактов;

• обнаружение законов движения природы, общества, мышления и познания;

• систематизация полученных знаний;

• объяснение сущности явлений и процессов;

• прогнозирование событий, явлений и процессов;

• установление направлений и форм практического использования полученных знаний.

1.1.1.2.

Существует достаточно много различных классификаций, отличающихся признаком систематического деления и упорядочения наук.

По самой общей классификации в зависимости от сферы, предмета и метода познания различают науки:

• о природе – естественные;

• об обществе – гуманитарные и социальные;

• о мышлении и познании – логика, гносеология и др.

По классификации, приведенной в [1], науки делятся на естественные, технические и социально-политические. Характер их влияния на развитие общества различен. Естественные науки (физика, химия, биология, науки о Земле и др.), открывая законы развития живой и неживой природы, создают теоретическую базу для технических наук. В свою очередь, технические науки определяют уровень энерговооруженности, технической оснащенности и степень благосостояния общества.

Социально-политические науки изучают процессы, происходящие в обществе, с целью его улучшения его устройства.

Существуют более детальные классификации, например, для высшего профессионального образования ВПО или для специальностей научных работников.

Классификатор направлений и специальностей ВПО:

• естественные науки и математика (механика, физика, химия, биология, почвоведение, геология, экология и др.);

• гуманитарные и социально-экономические науки (культурология, филология, философия, лингвистика, журналистика, история, политология, психология, социальная работа, социология, регионоведение, менеджмент, экономика, искусство, физическая культура, коммерция, статистика, юриспруденция и др.);

• технические науки (приборостроение, машиностроение, строительство, полиграфия, телекоммуникации, металлургия, горное дело, электроника и микроэлектроника, геодезия, архитектура и др.);

• сельскохозяйственные науки (агрономия, зоотехника, ветеринария, агроинженерия, лесное дело, рыболовство и др.).

По номенклатуре специальностей научных работников различают следующие отрасли наук: физико-математические, химические, биологические, геолого-минералогические, технические, сельскохозяйственные, исторические, экономические, философские, филологические, географические, юридические, педагогические, медицинские, фармацевтические, ветеринарные, искусствоведение, архитектура, психологические, социологические, политические, культурология и науки о земле.науки:

По классификации в зависимости от связи с практикой различают [3]:

• фундаментальные (теоретические) науки, предметом которых является выяснение основных законов объективного и субъективного мира;

• прикладные науки, направленные на решение технических, производственных или социально-технических проблем.

Фундаментальные научные исследования - это теоретические и (или) экспериментальные исследования, направленные на получение новых знаний об основных закономерностях развития природы, человека, общества и искусственно созданных объектов. Итогом реализации фундаментальных исследований может быть не только открытие и описание новых, неизвестных ранее в науке законов, явлений или процессов, раскрытие механизмов и закономерностей их протекания, но и познание новых закономерностей, на основе уже известных законов и явлений.

Фундаментальные исследования закладывают основу для дальнейших прикладных исследований.

Прикладные научные исследования – исследования, направленные на применение результатов фундаментальных научных исследований, достижение практических целей и решение конкретных задач. Они имеют своей целью вполне конкретное использование фундаментальных знаний в практической деятельности людей, обоснование путей использования возможных положительных результатов человечеством в практической деятельности или ограждение человека от отрицательных последствий в экстремальных условиях применения новых знаний. Характерной особенностью таких исследований является возможность прогнозирования с достаточно высокой вероятностью сроков реализации поставленной цели, конечных результатов и их экономической эффективности.

Промежуточными между этими двумя крайними формами являются фундаментально-прикладные исследования – фундаментальные работы, как правило, крупного масштаба, комплексного характера, нацеленные на решение важнейших глобальных народнохозяйственных и социальнокультурных проблем (например, проблем получения термоядерной энергии, сверхмощных лазеров и т.д.)».

Можно определить фундаментальные исследования, как исследования, возникающие в ходе развития самой науки и определяющие облик будущего состояния, как самой науки, так и уровень жизни общества. Прикладные исследования напротив направлены на решение проблем, которые ставятся перед учеными извне, т. е. заказчиком.

Такое разделение научных исследований на фундаментальные и прикладные является довольно условным. Иногда прикладные по своему существу исследования обряжаются в одежды фундаментальных, ошибочно понимаемых как «основные», «важные», а впоследствии выясняется их бесперспективность и неоправданность вложенных в них средств. В других случаях, прикладные исследования могут оказать огромное влияние на развитие самой науки, и перерасти в фундаментальные, а фундаментальные, казалось бы, исследования могут привести к крайне незначительным результатам. В связи с этим приведенное выше деление наук на фундаментальные и прикладные не может служить критерием для финансирования. Истинную важность тех или иных исследований и оправданность вложенных в них финансовых средств покажет время.

Текущее финансирование науки определяется, с одной стороны, потребностями и возможностями государства, а с другой стороны – способностью самих ученых обосновать актуальность и практическую значимость своих исследований [7].

Существует также гносеологическая классификация наук:

• «сильные» науки (математика, физика, отчасти другие естественные науки, теории которых строятся на строго дедуктивной основе);

• «слабые» науки (в частности, гуманитарные и общественные науки в силу чрезвычайной сложности их объектов, слабой предсказуемости явлений и процессов).

1.1.1.3. Методы научного познания Научное познание – особый вид познавательной деятельности, направленный на выработку объективных, системно организованных и обоснованных знаний о природе, человеке и обществе.

Независимо от вида науки, используемые в ней методы научного познания подразделяются на [7]:

К методам эмпирического познания относятся наблюдение, эксперимент и измерение.

Наблюдение – это чувственное отражение предметов и явлений внешнего мира, позволяющее получить некоторую первичную информацию о них. Особенностями научного наблюдения являются планомерность, целенаправленность и активность. По способу проведения наблюдения делятся на непосредственные, опосредованные (с помощью каких-либо приборов) и косвенные.

Эксперимент – это выявление и изучение тех или иных свойств исследуемого объекта или явления путем активного, целенаправленного и строго контролируемого воздействия на них. Особенностями научного эксперимента являются возможность устранения побочных факторов, возможность создания экстремальных условий, возможность вмешиваться в ход эксперимента, воспроизводимость полученных результатов.

Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Измерения делятся на прямые и косвенные, а их результаты выражаются в единицах некоторой системы единиц измерений.

К методам теоретического познания относятся абстрагирование, идеализация, формализация, индукция и дедукция.

Абстрагирование – это мысленное отвлечение от менее существенных признаков конкретного объекта или явления с одновременным выделением его главных признаков. Абстрагирование бывает отождествляющим (например, металл, человек, птица) или изолирующим (например, электропроводность, растворимость, упругость).

В результате абстрагирования теряется полнота, но сохраняется целостность явления.

Идеализация – это мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект или явление в соответствии с целями исследования.

Это могут быть следующие цели: упрощение (например, понятие материальной точки или идеальной жидкости), очищение (например, понятие цикла Карно с сохранением лишь изотермического и адиабатического процессов), отбрасывание деталей, не влияющих на суть явления (например, цвета автомобиля на скорость его движения).

Формализация – это замена слов, характеризующих свойства объекта или явления, некоторыми символами (знаками) с целью математического описания присущих этому объекту или явлению закономерностей. Для этого необходимо задание алфавита (т. е. набора символов), задание правил, по которым из этих символов строятся «слова»

(формулы), задание правил, по которым из «слов» получаются «предложения».

Индукция (от лат. inductio – наведение, стимулирование) – это метод познания, основанный на получении общего вывода на основании частных умозаключений. Основоположником индуктивного метода в науке является английский философ Ф. Бэкон (1561–1626).

Дедукция (от лат. deductio – выведение) – это метод познания, основанный на получении частных выводов на основании общих положений. Основоположником этого метода является французский ученый Р. Декарт (1596–1650).

К общенаучным методам познания относятся анализ и синтез, аналогия и моделирование.

Анализ – это разделение объекта (мысленно или реально) на составные части с целью их отдельного изучения.

Синтез – это переход от изучения отдельных составных частей объекта к изучению его как единого связанного целого.

Под аналогией понимается подобие, сходство каких-то свойств, признаков или отношений у различных объектов. Вероятность правильного умозаключения на основании аналогии тем выше, чем больше общих признаков у сравниваемых объектов, чем существеннее у них общие свойства, чем глубже взаимная закономерная связь этих сходных свойств.

Под моделированием понимается изучение объекта (оригинала) путем замены его на другой объект (модель), свойства которого находятся во взаимно однозначном соответствии со свойствами оригинала. Различают следующие виды моделирования: мысленное, физическое, символическое, в частности, математическое и численное (на компьютере) [7].

Моделью называется некий объект-заместитель, который в определенных условиях может заменять объект-оригинал, воспроизводя интересующие исследователя свойства и характеристики оригинала.

Моделью какой-либо системы называется другая система, изучение которой позволяет сделать выводы о поведении исходной системы (оригинала).

Под моделированием следует понимать процесс адекватного отображения наиболее существенных сторон исследуемого объекта или явления с точностью, которая необходима для практических нужд. В общем случае моделированием можно назвать также особую форму опосредствования, основой которой является формализованный подход к исследованию сложной системы.

Теоретической базой моделирования является теория подобия. Подобие – это взаимно однозначное соответствие между двумя объектами, при котором известны функции перехода от параметров одного объекта к параметрам другого, а математические описания этих объектов могут быть преобразованы в тождественные.

При моделировании модель выступает и как средство, и как объект исследований, находящийся в отношении подобия к моделируемому объекту.

Моделирование является неотъемлемым этапом всякой целенаправленной деятельности. Важнейшим организующим элементом деятельности является цель – образ желаемого будущего, т.е. модель состояния, на реализацию которого направлена деятельность. Целью математического моделирования является анализ реальных процессов (в природе или технике) математическими методами. Однако роль моделирования этим не ограничивается. Системность деятельности проявляется в том, что она осуществляется по определенному плану, или, как чаще говорят, по алгоритму. То есть алгоритм – образ будущей деятельности, ее модель. В алгоритме моделируются все возможные ситуации, в зависимости от различных промежуточных значений параметров, возможные шаги деятельности не выполняются реально, а проигрываются на модели.

Различают следующие виды моделей:

Словесные или вербальные, к ним относятся описания системыоригинала.

Натурные и полунатурные, к ним относятся макеты системыоригинала.

Аналоговые, которые основаны на том, что различные физические явления могут описываться одинаковыми математическими соотношениями. Так, например, с помощью дифференциального уравнения Лапласа можно описать:

• распределение электрического потенциала в области пространства;

• стационарное распределение температуры в сплошной среде;

• течение идеальной (лишенной внутреннего трения) жидкости.

Таким образом, исследование распределения температуры в теле сложной формы можно заменить исследованием распределения электрического потенциала в некоторой области, выполнить которое существенно проще.

Математические модели, которые основаны на анализе и решении математических соотношений (уравнений, систем уравнений, неравенств и т.д.), описывающих характеристики системы-оригинала.

1.1.2. Процесс научного и технического познания 1.1.2.1. Термины, характеризующие процесс научного и технического Научная деятельность – «творческая деятельность, направленная на получение новых знаний о человеке, природе, обществе, искусственно созданных объектах и на использование научных знаний для разработки новых способов их применения».

Научное исследование – «один из видов познавательной деятельности, представляющий собой процесс выработки новых научных знаний». Это целенаправленное познание, комплекс логических построений и экспериментальных операций, выполненных в отношении объекта исследования для определения свойств объекта и закономерностей его поведения. Продуктом научного исследования являются научные знания.

Научные знания появляются лишь тогда, когда поставлена определенная цель, когда в результате применения соответствующие методов получены достоверные экспериментальные данные о рассматриваемых явлениях, систематизация и обработка которых позволила вскрыть закономерности, а также сделать логически обоснованные и аргументированные выводы и сформулировать новые научные положения.

Понятие техника является одним из самых древних и широко распространенное сегодня. До недавнего времени оно применялось для обозначения некоторой неопределенной деятельности или некоторой совокупности материальных образований. Содержание понятия техники исторически трансформировалось, отражая развитие способов производства и средств труда.

Существует множество определений техники:

• греч. «technike» – ремесло, искусство, мастерство;

• совокупность приемов и приспособлений, применяемых для получения наибольших результатов при наименьшей затрате человеческого труда [6];

• круг наук, связанных с изучением и созданием средств производств, орудий труда [5].

В энциклопедическом словаре русского языка понятие «техника»

определяется в двух значениях: «совокупность средств, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества», там же определяется основное ее назначение: «полная или частичная замена производственных функций человека с целью облегчения труда и повышения его производительности».

Второе значение слова: «совокупность приемов и правил выполнения чеголибо».

Техника относится к группе искусственно преобразованных фрагментов природы в отличие от природных объектов, которые человек вовлекает в различные сферы жизнедеятельности. Техническая деятельность на основе природных процессов создает новые неприродные образования, удовлетворяющие потребности человека.

Понятие технический объект обозначает такое техническое явление, которое обладает всеми основными признаками общего класса технических образований. Отдельный технический объект является наиболее полной единичной клеткой технического мира (техносферы).

В процессе развития техники искусственные формы природы постепенно вытесняют используемые естественные формы. Начиная от самых простых, человек последовательно создает искусственные формы все большей сложности. Характер возникновения и развития искусственных образований существенно отличается от естественных, так как, развитие техники обуславливается не естественной эволюцией, а деятельностью человека.

Техника возникла вместе с возникновением человека (Homo sapiens) и долгое время развивалась независимо от всякой науки. Сама наука не имела долгое время особой дисциплинарной организации и не была ориентирована на сознательное применение создаваемых ею знаний в технической сфере.

Качественные изменения техники связаны с такими этапами ее прогрессивного развития, которые до этих изменений выполнялись человеком. Современная техника вслед за функциями непосредственного воздействия на объект деятельности и энергетической функции становится способной выполнять управленческие функции.

Развитие функций техники – это развитие функций человека, их усиление, усложнение. Если представить, что техника сможет выполнять функции, которых нет у человека, то это будет уже не техника.

Анализируя современное состояние в развитии техники, можно выделить два главных взаимообусловленных аспекта ее развития. Первый – это автоматизация существующего производства. С понятием автоматизации производства связывают самые различные явления от автоматического станка до автоматизированного производства. Автоматизированное производство существует пока скорее гипотетически, и каким должно быть автоматическое производство – это вторая и наиболее сложная сторона развития современной техники.

Основные закономерности развития техники детерминируются основными отношениями техники в системе социальной материи и выражаются обусловленностью техники мерой человека и мерой природы, с одной стороны, и влиянием техники на человека и природу, с другой. Таким образом, функционально-морфологические изменения системы технических объектов можно свести к следующим основным взаимообусловленным закономерностям:

• тенденция к усилению степени опосредования в отношении человекприрода;

• усложнение и развитие системы вариативных социальных функций техники;

• качественное усложнение морфологической структуры системы техники, которое выражается в формировании многоуровневых технических объектов.

Итак, под техникой следует понимать:

совокупность технических устройств, артефактов – от отдельных простейших орудий до сложнейших технических систем;

совокупность различных видов технической деятельности по созданию этих устройств – от научно-технического исследования и проектирования до их изготовления на производстве и эксплуатации, от разработки отдельных элементов технических систем до системного исследования и проектирования;

совокупность технических знаний – от специализированных рецептурнотехнических до теоретических научно-технических и системотехнических знаний.

Понятие технология трактуется в [4] следующим образом: «Технология – совокупность приемов и способов получения, обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов или изделий, осуществляемых в различных отраслях промышленности, строительстве и т.д.; научная дисциплина, разрабатывающая такие приемы и способы, сами операции добычи, обработки, переработки, хранения, которые являются основной составной частью производственного процесса; описание производственных процессов, инструкции по их выполнению, технологические правила, требования, карты, графики и др.»

Более узкую и несколько иную по содержанию трактовку дают авторы политехнического словаря [3]: «Технология – это совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, применяемых в процессе производства, для получения готовой продукции, наука о способах воздействия на сырье, материалы и полупродукты соответствующими орудиями производства».

Приборостроение – отрасль науки и техники, являющаяся отраслью машиностроения, разрабатывающая и производящая средства измерения, обработки и представления информации, автоматические и автоматизированные системы управления.

1.1.2.2. Соотношение науки, техники и технологии Можно выделить следующие основные подходы к соотношению науки и техники:

• техника рассматривается как прикладная наука;

• процессы развития науки и техники рассматриваются как автономные, но скоординированные процессы;

• наука развивалась, ориентируясь на развитие технических аппаратов и инструментов;

• техника науки во все времена обгоняла технику повседневной жизни;

• до конца XIX в. регулярного применения научных знаний в технической практике не было, но оно характерно для современных технических наук.

Долгое время (особенно в 50-60-е гг. прошлого столетия), одной из наиболее распространенных моделей, была так называемая линейная модель, рассматривающая технику в качестве простого приложения науки или даже – как прикладную науку. Однако эта точка зрения в последние годы подверглась серьезной критике как слишком упрощенная. Такая модель взаимоотношения науки и техники, когда за наукой признается функция производства знания, а за техникой – лишь его применение, вводит в заблуждение, так как утверждает, что наука и техника представляют различные функции, выполняемые одним и тем же сообществом.

Процессы развития науки и техники часто рассматриваются как автономные, независимые друг от друга, но скоординированные. Тогда вопрос их соотношения решается так: (а) полагают, что наука на некоторых стадиях своего развития использует технику инструментально для получения собственных результатов, и наоборот - бывает так, что техника использует научные результаты в качестве инструмента для достижения своих целей; (б) высказывается мнение, что техника задает условия для выбора научных вариантов, а наука в свою очередь - технических. Последнее называют эволюционной моделью. В эволюционной модели соотношения науки и техники выделяются три взаимосвязанные, но самостоятельные сферы:

наука, техника и производство. Внутренний инновационный процесс происходит в каждой из этих сфер по эволюционной схеме.

Характерной особенностью современного периода развития общества является то, что практические задачи по созданию новых веществ и материалов, обоснованию оптимальных вариантов производств, внедрению новых современных технологий, невозможно без комплексного научного исследования, имеющего признаки фундаментальности. При этом временной период, разделяющий фундаментальные разработки и их практическую реализацию, резко сократился. То, что раньше осуществлялось в науке на протяжении нескольких лет, а иногда и десятилетий, сегодня в условиях ужесточения конкурентной борьбы за рынки сбыта занимает месяцы. Это приводит к постоянному формированию все новых и новых направлений в науке.

Тот факт, что исследование является фундаментальным, еще не означает, что его результаты не утилитарны. Работа же, направленная на прикладные цели, может быть фундаментальной. Критериями их разделения являются в основном временной фактор и степень общности. Вполне правомерно сегодня говорить и о фундаментальном промышленном исследовании.

Хороший техник ищет решения, даже если они еще не полностью приняты наукой, а прикладные исследования и разработки все более и более выполняются людьми с исходной подготовкой в области фундаментальной науки. Таким образом, в научно-технических дисциплинах необходимо четко различать исследования, включенные в непосредственную инженерную деятельность (независимо от того, в каких организационных формах они протекают), и теоретические исследования, которые мы будем далее называть технической теорией.

На всех иерархических уровнях организации технология делится на практическую (объективную), научную и теоретическую (субъективную). С практической технологией непосредственно связана научная, а с научной – теоретическая.

Практическая технология – это отработанная опытом совокупность процессов и операций по созданию определенного вида потребительной стоимости. Данная технология может быть представлена, изображена, описана и т.д.

Задачи действующей технологии меняются от условий ее функционирования. К основным задачам в области материального производства относят:

• изыскание и реализацию средств интенсификации технологических процессов;

• контроль технологических средств производства, изменение условий производства;

• подготовку производства к выпуску новых товаров или товаров улучшенного качества.

Характерными признаками объективной, действующей технологии являются: динамизм, конкретность, материальная обусловленность и логичность (строгая последовательность действий, операций, движений).

Динамизм технологии отражает выполнение каких-либо процессов, движений, действий, промежуточные состояния которых можно изобразить в виде условных обозначений, рисунков, схем, чертежей, а полностью – с помощью современных технических средств. Это могут быть производственные, управленческие (как обработать информацию и принять решение), а также творческие (как получить новые технологии) процессы.

Конкретность технологии отражается в целенаправленности ее процессов к достижению определенного результата.

Конкретность тесно связана с материальной обусловленностью технологии, которая предполагает наличие трех компонентов объективного мира: предметов труда, средств труда и самого труда. Современные масштабы этих компонентов таковы, что требуют строгого контроля, как внутренних процессов, так и внешнего взаимодействия с природой.

Современная научная технология призвана не просто изучать и проектировать производственные системы, а реализовывать из них наиболее эффективные или обеспечить новые воздействия на предметы труда, которые бы значительно превосходили существующие по производительности, скорости, безопасности и экономичности.

Логичность (строгая последовательность действий, операций, движений) технологии – это упорядоченность во времени и пространстве основных, вспомогательных и обслуживающих процессов, их полная взаимоувязка по всем параметрам (производительность, скорость и т.д.). Логичность обычно отрабатывается длительное время опытным путем, практикой, испытанием и проверкой, как отдельных процессов, так и их совокупности в реальных условиях производства и окружающей среды. В этом случае вырабатываются также необходимые навыки у исполнителей, требования к производственному процессу, соблюдению мер безопасности и т.д.

Научная технология изучает и обобщает опыт создания потребительных стоимостей. Предмет ее исследования – процессы взаимодействия средств труда, предметов труда и окружающей среды при создании всего многообразия потребительных стоимостей. В области материального производства ее задачи следующие:

• изучение закономерностей протекания процессов преобразования предметов труда в продукцию или товары;

• изыскание прогрессивных способов воздействия на предметы труда, их проверка; разработка мероприятий по защите природы; выбор и проектирование наиболее эффективной и безопасной практической технологии.

Теоретическая технология изучает диалектику технологии и возможность использования законов развития природы и общества для преобразования материального и духовного мира человека. Предмет ее исследования – процессы развития познающей и преобразующей деятельности человека. Основные задачи:

• познание законов взаимодействия человека с природой;

• изучение возможностей и условий практического применения познанных законов или закономерностей;

• разработка, обоснование и экспериментальная проверка новых технологических процессов.

Технология прочно объединяет естествознание, с которым взаимодействует на низших уровнях (снизу), науку и технику (средние уровни иерархии), экономику, политику и управление (верхние).

Технология как основа жизни общества дает те потребительные стоимости, образы которых формирует политика. Экономика, являясь своеобразным проводником и регулятором потоков материальных и духовных ценностей, в условиях глубокого разделения труда стала играть исключительную роль в развитии производительных сил общества. Поэтому разрыв связей между технологией, естествознанием, техникой, экономикой и политикой недопустим. Проникая в область экономики, политики и управления, технология конкретизирует цели, принципы и решения практических задач развития общества, отдельных регионов и цивилизации в целом.

1.2. Контрольные вопросы по первому разделу Дайте определение понятию «наука».

Что такое методология?

Сформулируйте цели и задачи науки.

Приведите примеры классификации наук, отличающиеся признаками систематического деления и упорядочения наук.

5. Опишите цели и задачи фундаментальных и прикладных научных исследований. Является ли такая классификация научных исследований условной? Обоснуйте Ваше мнение. Приведите примеры фундаментальных и прикладных научных исследований.

6. Дайте определение понятию «научное познание» и перечислите методы научного познания.

7. Приведите определения эмпирических методов научного познания:

наблюдение, эксперимент и измерение.

8. Приведите определения теоретических методов научного познания:

абстрагирование, идеализация, формализация, индукция и дедукция.

9. Приведите определения общенаучных методов научного познания:

анализ и синтез, аналогия и моделирование.

10. Дайте определения понятиям «научная деятельность» и «научные исследования».

11. Дайте определение понятию «техника». Поясните историческую трансформацию этого понятия.

12. Определите основные закономерности развития техники на современном этапе.

13.Опишите линейную и эволюционную модель соотношения науки и техники. Докажите принципиальные отличия этих моделей.

14.Дайте определение понятию «технология». Опишите особенности практической (объективной), научной и теоретической (субъективной) технологий.

15.Опишите соотношение (сходство, различие, взаимодействие) науки, техники и технологии.

Раздел 2. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ Проблемы космологии 2.1.

2.1.1. Гипотеза Большого взрыва Космология (от греч. – мир, Вселенная, а также строй, порядок, в противоположность хаосу, и – слово, учение) – учение о Вселенной как целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной как части этого целого [1].

Древнейшие космологические представления нашли отражение в мифах, в дальнейшем космология развивалась как раздел астрономии.

Нередко ее рассматривают также как раздел физики или философии.

Фактически современная космология является пограничной наукой на стыке астрономии, физики и философии. Наиболее общие положения космологии имеют непосредственно философский характер, поэтому космология являлась и является ареной борьбы мировоззрений [2].

Сколько существует человек, столько времени он пытается понять происхождение и устройство окружающего мира. Ранние попытки объяснить, как возникли Земля, Солнце, Луна, планеты и звезды содержатся в космогонических мифах всех народов. Большинство из этих мифов связывают возникновение гармонично устроенной Вселенной из первородного хаоса с деятельностью какого-либо духа или бога – творца мира. Эти представления вошли затем в религию. Религиозные мифы всех народов можно разделить на космогонические (о сотворении) и эсхатологические (об уничтожении) существующего мира.

Становление научной космологии было подготовлено победой гелиоцентризма над геоцентризмом и открытием закона всемирного тяготения.

Возникновение современной космологии связано с развитием в XX веке общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и физики элементарных частиц. Первое исследование на эту тему, опирающееся на ОТО, Эйнштейн опубликовал в 1917 году под названием «Космологические соображения к общей теории относительности». В ней он ввл предположения: Вселенная однородна, изотропна и стационарна. Чтобы обеспечить последнее требование, Эйнштейн ввл в уравнения гравитационного поля дополнительный «космологический член».

Полученное им решение означало, что Вселенная имеет конечный объм (замкнута) и положительную кривизну.

В 1922 году А. А. Фридман предложил нестационарное решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная Вселенная расширялась из начальной сингулярности. Подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в 1929 году американским астрономом Э. Хабблом космологического красного смещения галактик. Таким образом, возникла общепринятая сейчас теория Большого взрыва.

Э. Хаббл объяснил смещение излучения удаленных галактик в красную часть спектра тем, что галактики удаляются друг от друга, а смещение излучения в сторону более длинных волн обусловлено эффектом Доплера.

Закон, открытый Хабблом, записывается в виде где скорость удаления галактики от наблюдателя, R – расстояние до нее, а H = 3·10-18 c-1 – постоянная Хаббла.

Исходя из закона Хаббла, американский астрофизик русского происхождения Дж. Гамов разработал в 1946 г. теорию «горячей Вселенной»

согласно которой наша Вселенная возникла из сверхплотного сгустка энергии (первичной сингулярности), который расширяется подобно взрыву.

Возраст Вселенной или время, которое отделяет нас от Большого взрыва, можно найти из закона Хаббла:

Джордж (Георгий Антонович) Гамов (1904 – 1968) На рис. 2.1 горизонтальные линии отмечают характерные моменты эволюции, а отсеченные ими треугольники показывают область Вселенной, доступную наблюдателю в этот момент. Чем больше времени прошло от начала расширения, тем большая область становится доступной для наблюдения. В настоящее время свет приходит к нам от звезд, квазаров и скоплений галактик, удаленных на миллиарды световых лет, но в ранние эпохи наблюдатель мог видеть гораздо меньшую область Вселенной. В различные эпохи доминировали разные формы материи: в наше время доминирует вещество атомных ядер (нуклонов), до этого, когда Вселенная была горячей, доминировало излучение (фотоны), а еще раньше - легкие элементарные частицы (лептоны) и тяжелые (адроны).

(время отложено по вертикали, а расстояния - по горизонтали) Эпоха, соответствующая температуре времени расширения t ~1 с, является, вероятно, наиболее ранней, о которой есть прямые наблюдательные свидетельства. В ту эпоху должно было происходить образование ядер гелия, дейтерия и других лгких элементов из протонов и нейтронов. Содержание этих элементов в современном космическом веществе согласуется с расчтными значениями, что говорит о космологическом происхождении лгких элементов (тяжлые элементы синтезируются в звздах).

После образования ядер лгких элементов (t ~60 с) вещество ещ длительное время (около 1 млн. лет) представляло собой плазму. В термодинамическом равновесии с плазмой находилось излучение (температура вещества, т. е, протонов, электронов, ядер лгких элементов, была равна температуре излучения). Высокие плотность и температура излучения не позволяли образовываться нейтральным атомам (было много фотонов, способных ионизовать вещество). После снижения температуры до Т = 4000 К электроны смогли присоединяться к ядрам элементов - наступила т. н. эпоха разделения вещества и излучения (не совсем точно, но короче е называют эпохой рекомбинации). Фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом, начали распространяться свободно и наблюдаются сейчас в виде равновесного микроволнового фонового излучения (реликтового излучения).

В рамках гипотезы Большого взрыва Гамов предсказал существование реликтового излучения Вселенной, т. е. древнейшего излучения, оставшегося с первых мгновений после начала процесса расширения. Вследствие остывания при расширении Вселенной энергия квантов этого излучения к настоящему времени существенно уменьшилась, а длина волны излучения увеличилась, так что оно из видимого диапазона переместилось в радиоволновый диапазон электромагнитных волн. Реликтовое излучение было экспериментально открыто в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном с помощью радиотелескопа. Оказалось, что оно однородным образом заполняет всю наблюдаемую Вселенную и соответствует температуре около 3 К. Сценарий событий, последовавших после начала Большого взрыва, представлен в табл. 2. Последовательность событий, последовавших после начала Большого взрыва Из описанной модели следует, что первоначально в нашей Вселенной не было ни одного атома вещества, только излучение. Частицы, и прежде всего составляющие нуклонов – кварки, возникли из квантов излучения по мере уменьшения их энергии и приобретения возможности образовывать связанные состояния с отличной от нуля массой покоя. Первоначально вся Вселенная была заполнена атомами наиболее простого химического элемента – водорода. В водородных «облаках» имелись неоднородности плотности, вследствие чего происходило их гравитационное сжатие в сгустки, сопровождающееся повышением температуры. Когда температура в центре такого сгустка достигала нескольких десятков миллионов градусов, начинались термоядерные реакции синтеза гелия и дейтерия. В ранней Вселенной образовавшееся таким образом вещество было равномерно перемешано с излучением. Продолжающееся гравитационное и центробежное (из-за вращения сгустков) отделение вещества от излучения привело, в конце концов, к возникновению галактик и вспыхнувших в них звезд.

В результате гравитационного сжатия газо-пылевого сгустка вначале возникает нагретая до высокой температуры протозвезда. Сжатие происходит до тех пор, пока температура не достигнет ~ 10 млн градусов.

Тогда начинается термоядерный синтез гелия из водорода, и протозвезда становится звездой. Давление продуктов реакции «раздувает» звезду, и она превращается в красный гигант. Остывание красного гиганта приводит к уменьшению давления газов и сжатию звезды. Затем она вновь разгорается.

Далее возможно два варианта: 1) снова увеличение в размерах с последующим сжатием (переменные звезды) или 2) дальнейшее остывание и сжатие.

Конечная стадия жизни звезды зависит от ее массы. Возможны следующие частные случаи:

(предел Чандрасекара, 1930 г.) – превращение в белого карлика (плотностью ~ 60 т/см) с последующим остыванием до темного несветящегося объекта.

Здесь М* - масса Солнца.

(предел Бааде и Цвикки, 1934 г.) – превращение в нейтронную звезду (плотностью ~ 2 · 103 т/см). Как было показано Э. Хьюишем в 1967 году, нейтронные звезды – это пульсары. Они излучают в радиоволновом диапазоне, причем из-за быстрого вращения пульсаров их излучение доходит до нас в виде периодически чередующихся импульсов.

возникает, если кинетической энергии фотона недостаточно, чтобы преодолеть энергию гравитационного притяжения звезды.

Английский геофизик и астроном Джон Мичелл (J. Michell, 1724–1793) еще в XVIII в. предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность.

Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он, вслед за Ньютоном, считал корпускулами) не могли бы улететь далеко от такой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной.

Такую же идею высказал в своей книге «Система мира» (1796) французский математик и астроном П. С. Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить массу Солнца. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Мичела и Лапласа о черных дырах была забыта.

Во второй раз ученые «столкнулись» с черными дырами в 1916, когда немецкий астроном К. Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда А. Эйнштейном общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии R0 от нее. Именно поэтому величину R0 часто называют шварцшильдовским радиусом», а соответствующую поверхность (горизонт событий) – шварцшильдовской поверхностью.

Основная особенность черных дыр связана с тем, что у них нет поверхности, а есть так называемый горизонт событий и никакой носитель информации не способен выйти него. Получается, что внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной. Происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на черную дыру, свободно проникают внутрь через горизонт событий. Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «черная дыра», предложенный в 1967 г. американским физиком Дж. А. Уилером.

На рис. 2.2. показана схема черной дыры и ход световых лучей в ее окрестности. Из рисунка видно, что пространство вблизи горизонта событий сильно искривлено.

В процессе гравитационного коллапса вещество внутри черной дыры неудержимо сжимается, приближаясь к конечной сингулярности.

2.1.2. Пространство и время Строгое определение понятий «пространство» и «время» было дано еще в начале XIV в. английским философом У. Оккамом (1285–1349).

Согласно Оккаму, пространство – это мера структуры и протяженности материи, а время – это мера длительности событий и явлений материального мира. В классической физике, основанной на работах Галилея (1564–1642) и Ньютона (1643–1727), пространство и время считаются абсолютными (не зависят от выбора системы отсчета) и наделяются свойствами, указанными в табл. 2.2.

Свойства пространства и времени в классической физике Эти свойства не противоречат нашему повседневному опыту и отражают объективные характеристики макромира. Но они совершенно не обязательно должны быть такими же в микро- или мега- мире.

Действительно, из правила квантования боровских орбит:

следует, что минимально возможный радиус орбиты для тела массой М будет соответствовать квантовому числу n = 1 и скорости вращения = c. Его обозначают c и называют комптоновским радиусом тела.

Возьмем такое значение М, при котором комптоновский радиус тела равен его гравитационному радиусу:

Величина М называется фундаментальной или планковской массой.

Выражение для фундаментальной (планковской) длины имеет вид:

Фундаментальное (планковское) время определим как L/c Фундаментальная длина определяет минимальный размер пространства, из которого излучение выйти наружу не может, а вещество не может войти внутрь. Это означает, что при дроблении пространства на области радиусом L оно перестает быть континуальным. Его свойства коренным образом изменяются. В масштабах, меньших, чем L, пространство становится дискретным или квантованным. Точно так же время становится дискретным или квантованным, в масштабах, меньших, чем Т. Величины L и Т являются, соответственно, длиной кванта пространства и длительностью кванта времени.

Нарушение привычных свойств пространства в микромире в масштабах, меньших фундаментальной длины, приводит к мысли, что в столь малых масштабах может измениться и количество независимых координат, необходимых для описания движения частицы. Можно предположить, что какие-то точки трехмерного пространства вблизи границ микромира оказываются четырехмерными сферами. Чтобы обнаружить четвертое пространственное измерение экспериментально, нужно проникнуть в область пространства размером порядка 10 м. Современные ускорители заряженных частиц имеют разрешающую способность лишь около 10-18 м.

Проблема состоит в том, что, вследствие волновых свойств частиц, чем в меньшей области пространства мы хотим их локализовать, тем большей энергией они должны обладать. Из соотношения неопределенностей Гейзенберга следует, что для попадания в область ~ 10-35 м частица массой меньше фундаментальной массы (1.3), т. е.

любая известная элементарная частица должна двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, что невозможно. Частица же фундаментальной массы М для этого должна иметь фундаментальную энергию Такой энергии соответствует фундаментальная температура где k = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана. Такие температуры и такие энергии частиц имели место на начальном этапе существования нашей Вселенной, в первые мгновения после Большого взрыва. Теперь они недостижимы и мы никогда не сможем проникнуть в четвертое пространственное измерение.

2.1.3. Темная материя и темная энергия Тмная материя в астрономии и космологии - форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным е прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.

Обнаружение природы тмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Представление о скрытой массе (синоним принятого в настоящее время термина «темная материя») было введено в космологию швейцарским астрофизиком Ф. Цвики еще в начале 30-х годов прошлого века. Цвики изучал динамику галактик в одном из самых крупных скоплений Кома (Волосы Вероники). Галактики в этом скоплении заполняют объем, близкий к сплюснутой сфере и двигаются по эллиптическим орбитам с большим эксцентриситетом. Средние скорости такого движения порядка 2000 км/с.

Цвики пришел к выводу, что при таких скоростях галактик удержать их в наблюдаемом объеме скопления можно лишь при условии, что полная масса скопления в 10 раз больше суммарной массы составляющих его галактик.

Последующие наблюдения ротационных скоростей различных галактик только укрепили этот вывод.

Рассмотрим хорошо поддающуюся простому анализу задачу о движении малой галактики-спутника в гравитационном поле крупной галактики. Многие крупные галактики имеют по несколько малых галактик спутников. У нашей Галактики есть 7 карликовых эллиптических галактик спутников и неправильные галактики-спутники Большое и Малое Магеллановы Облака. Из второго закона Ньютона для галактики-спутника найдем:

где M g – масса материи внутри галактики радиусом r, отсюда для скорости вращения получим Ротационная скорость v(r) может быть, в частности, определена путем измерения доплеровского смещения в спектре излучения соответствующих галактик-спутников. Поведение экспериментально измеренных ротационных кривых спиральных галактик не соответствует уменьшению v(r) с ростом радиуса. Постоянство v(r) при больших значениях радиуса означает, что масса Mr увеличивается с ростом радиуса: Mrr. Отсюда можно сделать вывод: масса центральной галактики не ограничивается той, что лежит внутри видимого на фотографиях объема, а распределена по гораздо большему объему. В отличие от звезд эта дополнительная масса не излучает света (невидима на фотографиях), но создает значительную силу тяготения, добавочную к силе тяготения видимых звезд. Так возникло представление о «скрытых массах».

Более точно, на основе этого наблюдения было постулировано существование квазисферического гало темной материи, окружающего галактику и ответственного за неубывающее поведение ротационных кривых. Модельные вычисления, выполненные для Млечного пути, с помощью которых удалось воспроизвести ротационные кривые, приняв во внимание существование гало, подтверждают, что значительная часть массы находится именно в гало.

Дополнительные свидетельства в пользу существования темной материи найдены и для эллиптических галактик. Они связаны с известным соотношением Тули-Фишера между массой и светимостью. Для эллиптических галактик отношение массы к светимости примерно на два порядка больше, чем у Солнца, которое является характерным примером средней звезды. Такое большое значение обычно связывают с существованием темной материи.

Наряду с проблемой темной массы существует проблема темной энергии. Она связана с важнейшей проблемой космологии: является ли существующее ныне расширение Вселенной ее постоянным свойством или оно сменится в будущем сжатием? Все зависит от плотности Вселенной.

Если она превышает сжатие. Наблюдаемое значение средней плотности светящейся материи составляет лишь 1 % от, и, тем не менее, данные астрономических наблюдений говорят o том, что кривизна Вселенной близка к нулю, т. е. ее фактическая плотность близка к. Получается, что кроме темной барионной материи и темной небарионной материи, совокупное количество которых в десятки раз превышает количество светящейся материи, бльшая часть материи во Вселенной содержится в виде темной энергии.

Интерпретация данных по анизотропии реликтового излучения дает следующее распределение плотности материи во Вселенной: на долю видимой барионной материи приходится лишь 4 %, на долю темной материи – 22 %, а на долю темной энергии – 74 %. Таким образом, мы еще почти ничего не знаем о природе и свойствах основной части материи в нашей Вселенной.

2.1.4. Антропный принцип Вселенной В древности человек был центром мира, вся Вселенная была создана и вращалась вокруг него. Наука превратила нас в ничтожную песчинку, затерянную в пустоте Космоса. Но в последние годы эти две диаметрально противоположные картины мира причудливым образом соединились в концепции, которая получила название «антропный принцип».

В день своей смерти, 24 мая 1543 года, разбитый параличом Николай Коперник увидел только что вышедший из печати главный труд своей жизни - трактат «О вращениях небесных сфер». С этой книги началось изгнание человечества из центра мира, где Земля уступила свое место Солнцу. Через полвека великий фантазер Джордано Бруно поставил под вопрос и центральное положение Солнца, до смерти — увы, своей собственной — напугав общество идеями о множественности обитаемых миров. И вот, четыре столетия спустя, мы живем на третьей из восьми планет у рядового светила на окраине огромной Галактики. В ней миллиардов звезд, еще больше вокруг нее других галактик, и это лишь крошечная часть Вселенной. А в последнее время космологи всерьез заговорили о множественности вселенных. Этот последовательный отход от представления об особом месте человечества во Вселенной в конце XX века стали называть принципом Коперника. Раз за разом он подтверждался наблюдениями, но все равно вызывал внутренний протест, ведь человеку свойственно чувствовать себя центром мира.

В 1973 году, когда отмечалось 500 лет со дня рождения Коперника, в Кракове состоялась внеочередная ассамблея Международного астрономического союза, на которую съехались сотни исследователей со всего света. Прибыл туда и молодой астрофизик Брэндон Картер. Тяготясь, как он позже писал, «непомерным преклонением перед принципом Коперника», Картер внес своим докладом диссонанс в юбилейные славословия. «Наше положение во Вселенной, - утверждал он, - с необходимостью является привилегированным, по крайней мере в той степени, чтобы допускать наше существование». Если случайно выбрать точку во Вселенной, мы, скорее всего, попадем куда-нибудь в межгалактическое пространство, где не будет ни звезд, ни планет, а лишь чрезвычайно разреженный газ - несколько атомов на кубометр. Но и внутри Галактики человек не мог появиться ни в межзвездном пространстве, ни у короткоживущих звезд-гигантов, ни на газовых планетах, ни на безатмосферных астероидах. Большая часть Вселенной совершенно непригодна для жизни, так что место нашего обитания далеко не рядовое.

Это утверждение, которое Картер назвал слабым антропным (от греческого nthrpos - «человек») принципом, по сути, было лишь советом не слишком заигрываться с принципом Коперника и учитывать, что особенности нашего местоположения во Вселенной сказываются на результатах наблюдений.

Но в том же докладе был сформулирован и сильный антропный принцип, полемика вокруг которого продолжается по сей день. Он гласил:

«Вселенная должна быть такой, чтобы на определенной стадии допускать появление наблюдателя». Многие услышали в слове «должна»

утверждение о некой цели существования Вселенной, и тем самым формулировка обрела метафизическое, можно даже сказать религиозное, звучание: Вселенная создана для человека, а значит, он, несмотря на скромность своих размеров, необходим для огромного Космоса. Правда, сам Картер не имел в виду ничего подобного: речь лишь о том, пояснял он в том же докладе, что наши теории должны учитывать факт существования во Вселенной мыслящих наблюдателей. Перефразируя Декарта, он говорил: «Я мыслю, следовательно, Вселенная это допускает».

Литература к разделу 2.1.

1. Новиков, И. Д. Эволюция Вселенной / И. Д. Новиков. – М.: Наука, 2. Хокинг, C. От Большого взрыва до черных дыр: краткая история времени / С. Хокинг. – М.: Мир, 1990.

3. Смольников, А. А. Темная материя во Вселенной / А. А. Смольников // Природа, – 2001. – № 7. – С. 10–19.

4. Lorenz, E. N. Deterministic nonperiodic flow / E. N. Lorenz // J. Atmos.

Sci. – 1963. – V. 20. – P. 130–144.

2.2. Порядок и Хаос 2.2.1. Детерминированные и недетерминированные процессы Под порядком понимается такое состояние системы, при котором мы располагаем точным знанием относительно расположения и движения входящих в нее объектов.

Под хаосом понимается полностью дезорганизованное состояние системы.

В реальных условиях мы имеем дело с промежуточной ситуацией, характеризуемой некоторой степенью упорядоченности системы.

Термином chaоs древние греки обозначали первородное, неорганизованное состояние Вселенной, где все было перемешано: свет и тьма, добро и зло,… Но при этом они считали, что в этом первородном хаосе существовала способность к развитию, к разворачиванию со временем заложенного в него порядка. Поэтому современные словари ударений русского языка рекомендуют использовать два ударения: хас – для обозначения абсолютного беспорядка и хос – для обозначения такого беспорядка, в котором в потенции содержится способность к саморазвитию.

Состояние системы не является чем-то застывшим. Переход системы из одного состояния в другое состояние называется процессом.

Процессы бывают разными.

Под случайными процессами понимаются абсолютно непредсказуемые процессы. Им противостоят детерминированные процессы – процессы, протекание которых можно в точности предсказать. Между ними находятся стохастические процессы – процессы, протекание которых можно предсказать с какой-то вероятностью. Иначе говоря, это вероятностные или предугадываемые с какой-то вероятностью процессы.

Стохастичность (греч. — цель или предположение) означает случайность. Стохастический процесс — это процесс, поведение которого не является детерминированным, и последующее состояние такой системы описывается как величинами, которые могут быть предсказаны, так и случайными. Однако, любое развитие процесса во времени (неважно, детерминированное или вероятностное) при анализе в терминах вероятностей будет стохастическим процессом (иными словами, все процессы, имеющие развитие во времени, с точки зрения теории вероятностей, стохастические).

2.2.2. Энтропия Энтропия – от др. греческого - поворот, превращение.

Понятие энтропии впервые было введено в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии. Энтропия широко применяется и в других областях науки: в статистической физике как мера вероятности осуществления какого - либо макроскопического состояния; в теории информации - мера неопределенности какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации.

Все эти трактовки энтропии имеют глубокую внутреннюю связь.

Энтропия - это функция состояния, то есть любому состоянию можно сопоставить вполне определенное (с точность до константы - эта неопределенность убирается по договоренности, что при абсолютном нуле энтропия тоже равна нулю) значение энтропии.

Пусть имеется некоторая система, состоящая из N = 1 частицы, могущей находиться в W = 2 доступных ей ячейках пространства, например, в ящике с перегородкой, в которой имеется отверстие (рис. 2.3, а). Очевидно, если число частиц в таком ящике увеличить до N = 2, то число возможных состояний системы W = 4 (рис. 2.3, б). При N = 3 W = (рис. 2.4, в).

Статистическим весом W системы называется величина, равная числу доступных состояний всех частиц, входящих в эту систему или, иначе, числу микросостояний системы.

Рис. 2.4. К понятиям статистический вес и энтропия системы Из рис. 2.4 видно, что статистический вес системы равен произведению статистических весов всех подсистем, на которые можно разбить эту систему:

Например, если в случае рис. 2.4, в: N = N1 + N2 = 1 + 2, то W = W1 · W2 = 2 · системе с двумя пространственными ячейками W = 2n. В системе, состоящей из n ячеек, N частиц имеют статистический вес W = Nn.

Вместо статистического веса часто бывает удобно пользоваться другой физической величиной – энтропией системы.

Под энтропией S системы понимают логарифмическую меру ее статистического веса:

Выражение (2.10) удобнее, чем (2.9), в том отношении, что энтропия системы равна сумме энтропий всех своих подсистем:

так как логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей.

Такой подход к понятию «энтропия» был предложен в 1872 г.

австрийским физиком Л. Больцманом, поэтому выражение (2.10) называется формулой Больцмана для энтропии. Здесь k = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана. Исторически же это понятие впервые было введено немецким физиком Р. Клаузиусом в 1865 г. для термодинамических процессов.

Одним из фундаментальных принципов природы является принцип возрастания энтропии: в изолированной системе энтропия не изменяется при обратимых процессах и возрастает при необратимых процессах.

Обратимыми процессами называются такие процессы, при которых систему можно вернуть в исходное состояние через те же самые промежуточные состояния. Реальные процессы, как правило, необратимы, так как вследствие трения, излучения, теплопередачи и т. п. сопровождаются диссипацией энергии (от лат. dissipatio – рассеяние). Действительно, в изолированной системе, при наличии диссипативных процессов, происходит хаотическое перераспределение частиц по всем возможным состояниям, т.

е. система становится менее упорядоченной, поэтому ее статистический вес и энтропия возрастают, стремясь к максимально возможному значению, которое достигается в равновесном состоянии системы.

Очевидно также, что при температуре, равной абсолютному нулю, когда всякое движение в системе прекращается, и, стало быть, она характеризуется единственным доступным ей состоянием (W = 1), энтропия системы обращается в нуль:

Выражение (2.12) называется законом Нернста (в честь немецкого физика и химика В. Нернста), или третьим началом термодинамики.

Из приведенных рассуждений ясно, что физический смысл энтропии состоит в том, что она есть мера разупорядочения системы или мера ее близости к хаосу.

Понятно, что в открытых системах, взаимодействующих с другими системами или отдельными телами, энтропия может и понижаться.

Тогда в системе имеет место упорядочение. Абсолютного хаоса (по древнегреческой мифологии сhaos – беспредельное, бесформенное первородное состояние мира) в ограниченной части Вселенной не существует, так как, согласно (2.9), (2.10), для S требуется, чтобы число частиц в системе N.

2.2.3. Информация Степень хаоса в системе можно измерить, найдя ее энтропию. А как измерить степень порядка? Порядок предполагает некоторое знание о системе или информацию. При этом надо понимать, что этими знаниями или информацией можно с кем-то поделиться, кому-то передать, иначе от них нет никакой пользы.

Под информацией (от лат. informatio – разъяснение, изложение) понимают любые сведения, передаваемые с помощью каких-либо сигналов или знаков от одного объекта к другому объекту. В качестве объектов могут выступать люди, любые живые организмы или даже отдельные клетки, а также технические устройства. Как отмечал академик В. М.

Глушков: «Информация существует, поскольку существуют сами материальные тела и, следовательно, созданные ими неоднородности.

Всякая неоднородность несет с собой какую-то информацию». Таким образом, любое отклонение от хаоса в сторону структурирования и упорядочения системы повышает информацию о ней. Поскольку энтропия системы при этом уменьшается, то австрийский физик Э.

Шредингер (1887–1961) предложил считать информацию величиной, равной энтропии со знаком «минус». Французский физик и специалист по теории информации Л. Бриллюэн (1889 – 1969) назвал информацию негэнтропией. Таким образом, приращение информации равно убыли энтропии:

Всякое сообщение, закодированное какими-либо символами, содержит в себе неопределенность, пропорциональную числу возможных сочетаний из этого набора символов по их позициям, т. е. может быть охарактеризована некоторым статистическим весом сообщения. Тогда, при условии равновероятности встречаемости символов, энтропия сообщения может быть представлена в виде где к – коэффициент пропорциональности, который в теории информации полагается равным единице (к = 1), а p – вероятность появления символов. С учетом (2.6) последнее выражение можно переписать в виде Формула (2.15) была получена одним из основателей теории информации американским инженером и математиком К. Шенноном.

Логарифм с основанием 2 в (2.14), (2.15) взят из тех соображений, что технически удобнее использовать двоичные коды, в которых, например, используются символы 1 и 0. Тогда информация сообщения, связанного с выборкой одного из двух возможных вариантов (например, при one binary unit – одна двоичная единица [информации]). Переходя в (2.8) к натуральным логарифмам, получаем В смысловом (семантическом) аспекте энтропия характеризует степень деградации энергии в системе, связанную с ее рассеянием:

энергия высокого качества, за счет которой может производиться работа (например, потенциальная энергия поднятого груза или направленного потока фотонов в солнечном свете), превращается в энергию более низкого качества – тепловую энергию хаотического теплового движения частиц. Тогда информация характеризует уровень качества энергии в системе. Из (2.10), (2.13), (2.16) следует, что 1 биту соответствует изменение энтропии, численно равное k = 1,3810-23 Дж/К. Таким образом, для заметного вклада в уменьшение энтропии системы требуется огромное количество информации, выраженной в битах.

Как уже говорилось, в вычислительных устройствах используется двоичная система счисления. Известно, что количество оборудования, необходимого для изображения одного числа в системе счисления с основанием n, имеет минимум при n = e 2,718, поэтому 3-символьный код был бы более экономным. Вместе с тем, при одинаковой точности представления информации количество двухпозиционных элементов, необходимых для использования системы счисления с основанием n > 2, в общем случае превышает количество тех же элементов при использовании двоичной системы счисления, за исключением n = 2k (k = 1,2,3,...). С другой стороны, при n = 2 скорость вычислений (точнее, число сложений в единицу времени) минимальна. Поэтому обычно в машинных кодах используются 16-разрядные слова (k = 4). При этом 8 двоичных разрядов (8 бит) составляют 1 байт.

В наиболее простых, телеграфных кодах, предназначенных для передачи лишь словесных сообщений, используется предложенный французским изобретателем Ж. Бодо 5-разрядный алфавит на основе двух символов. Число возможных выборок объема n = 5 из совокупности N = символов составляет Nn = 25 = 32. В русском языке это обеспечивает передачу всех букв алфавита, кроме буквы. Однако любой сбой на входе канала связи или в процессе передачи сообщения приводит к ошибкам на выходе. Поэтому, с целью помехоустойчивости кодирования, помимо смысловой оценки сообщений в ответственных случаях используется дублирование передаваемой информации.

Природа поступила мудрее. В генетическом коде используются 3-буквенные слова (n = 3) – кодоны – на основе 4-символьного алфавита (N = 4), образованного следующими нуклеотидами: А – аденин, Г – гуанин, У – урацил, Ц – цитозин. Каждый кодон кодирует одну аминокислоту, входящую в состав белка. Число выборок в этом случае составляет Nn = 43 = 64, а число возможных сочетаний с повторением Именно 20 важнейших аминокислот, из более чем 150 природных, входят в состав клеток всех организмов, живущих на Земле. Явная избыточность генетического кода обеспечивает его высокую помехоустойчивость к мутациям.

Участок ДНК, содержащий в виде последовательности нуклеотидов информацию об одном белке, – ген – может быть представлен разным набором кодонов, образуя аллели – разновидности одного и того же гена.

Наличие в популяциях нескольких аллелей каждого гена приводит к полиморфизму и комбинативной изменчивости при половом размножении, т. е. служит исходным материалом для эволюции. Кроме того, часть кодонов используется в качестве служебных команд типа «начать», «пропустить», «закончить» (процесс трансляции) при синтезе конкретного белка.

Отметим, что формула (2.16) определяет лишь количество передаваемой информации, не позволяя оценить ее ценность. Два сообщения, содержащие одинаковое число бит информации, могут иметь совершенно разную значимость. Более того, эта значимость может (или не может) быть оценена лишь теми объектами, которые участвуют в обмене информацией.

2.2.4. Шумовые процессы По своей природе шумы делятся на различные виды: акустические шумы (шум городского транспорта, шум ветра, дождя, листвы, морского прибоя), электромагнитные шумы (шумы, оказывающие влияние на работу радиоэлектронной аппаратуры), оптические шумы (шумы в фото- и кинокамерах), тепловые шумы (шумы, связанные с хаотическим движением частиц). Независимо от своей природы, шум – это колебания с неопределенными значениями амплитуды, частоты и фазы.

Любой шумовой сигнал можно разложить в Фурье-спектр, т. е.

представить в виде набора гармоник – синусоидальных колебаний различной частоты и амплитуды. Большинство природных шумов характеризуется степенным законом распределением мощности гармоник P по частоте f :

В зависимости от величины показателя степени в выражении (2.17) шумы делятся на:

- коричневый шум (= 2);

- розовый шум (0 2), в частности фликкер-шум (= 1);

Графики соответствующих шумовых колебаний показаны на рис. 2.5, а-г.

К частотно-независимым ( ) или белым шумам относятся электронный и фотонный дробовые шумы, тепловые шумы в электронных приборах, а также всякого рода шипящие звуки, издаваемые человеком и животными. Название «белый» здесь используется по аналогии с оптикой, где, как известно, белый свет можно разложить в спектр на составляющие всех цветов видимого света разной частоты, но равной интенсивности.

Рис. 2.5. Временные диаграммы шумов: белый шум (а); розовый шум с 1/f -спектром (фликкер-шум), б); коричневый шум (в); черный шум с 1/f3 -спектром (г) Коричневый шум (2 ) соответствует проекции броуновского движения на одно пространственное измерение. Фамилия открывшего это явление английского ботаника Р. Брауна (Brown) переводится на русский язык как «коричневый». Отсюда и название.

Важной особенностью любого шумового процесса, подчиняющегося степенному закону, является его самоподобие во времени. При изменении масштаба вдоль оси частот в раз, масштаб вдоль оси времени изменяется в пропорциональна квадрату амплитуды, то она изменяется в раз.

Следовательно, фликкер-шум ( ) отличается от прочих шумов тем замечательным свойством, что при перемасштабировании по частоте форма его спектра не изменяется.

Фликкер-шум часто встречается в различных электронных, в том числе полупроводниковых, устройствах. Это шум мерцания (от англ. flicker – мерцать) экранов осциллографов, кинескопов, мониторов, дисплеев и т.п.

Закономерности черного шума ( 2) присущи многим природным и техническим катастрофам, таким как разливы рек, засухи, аварии на транспорте и в производстве. Шумы между белым и коричневым естественно назвать розовыми. Розовые шумы встречаются во многих физических системах и имеют удивительное отношение к эстетическому восприятию в искусстве.

Большие неприятности при эксплуатации различных электронных приборов доставляют тепловые шумы, являющиеся разновидностью белого шума. Они возникают вследствие хаотического (теплового) движения носителей тока.

2.3. Синергетика 2.3.1. От существующего к возникающему В классической физике господствовало убеждение, что материи свойственна тенденция к равновесию, т. е. к равномерному перераспределению энергии в системе и ее хаотизации. Во второй половине XX в. стало ясно, что в природе действуют также законы, приводящие к нарастанию сложности и упорядоченности. Такая ситуация возникает в открытых неравновесных системах.

Наука, изучающая закономерности спонтанных переходов открытых не равновесных систем от менее сложных к более сложным упорядоченным формам организации, получила названии теории самоорганизации или синергетики.

Синергетика (от греч. synergetikos - совместный, согласованно действующий) - научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (биологической, физико-химической и др.) благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности, т. е. уменьшается энтропия (т. н. самоорганизация).

Илья Романович Пригожин Борис Павлович Белоусов Основа синергетики - термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Значительный вклад в создание основ синергетики внесли И. Пригожин (Бельгия), А. Тьюринг (Великобритания), Б. П. Белоусов (Россия), Г. Хакен (Германия).

Бельгийский физико-химик русского происхождения Илья Пригожин разработал в 1947 г. основы термодинамики открытых систем (Нобелевская премия по химии 1977 г.). Большой известностью во всем мире пользуется книга И Пригожина «От существующего к возникающему». (В русском переводе вышла в 1985 г.). Советский химик Б. П. Белоусов открыл в 1951 г.

самоорганизацию в химических реакциях (реакция Белоусова – Жаботинского). Английский математик А. Тьюринг построил в 1952 г.

математическую модель морфогенеза. Он показал, как может возникать чередование соединительных тканей в живых организмах на примере образования областей повышенной концентрации одного из веществ в процессе взаимодействия двух веществ, одно из которых каталитически активно, а другое является ингибитором и обладает большей скоростью диффузии. Немецкий физик Герман Хакен в 70-х гг. прошлого века исследовал процессы самоорганизации в лазерной плазме. Именно Хакен является автором термина «синергетика».

Новизна синергетического подхода состоит в следующем:

– хаос не только разрушителен, но и созидателен;

– для сложных систем, как правило, существует несколько вариантов развития;

– развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких возможностей дальнейшей эволюции. Следовательно, случайность есть необходимый элемент эволюции.

Многие синергетические идеи родились из биологии. Биологическая эволюция идет по схеме: изменчивость – наследственность – отбор.

Российский ученый Н. Н. Моисеев предложил обобщить эту триаду на все без исключения эволюционные процессы. Так возник основной принцип синергетики – принцип универсального эволюционизма: процессы самоорганизации в открытых неравновесных системах не зависят от их природы, а носят универсальный характер.

2.3.2. Виды самоорганизации Рассмотрим кратко известные виды самоорганизации с точки зрения современной классификации.

Диссипативная самоорганизация (классический синергетический подход). При таком подходе дается следующее определение самоорганизации:

самоорганизация – это процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе за счет согласованного взаимодействия множества элементов ее составляющих.

Синергетическая самоорганизующаяся система должна обладать следующими характеристиками:

– она должна быть открытой, т. е. должен присутствовать обмен энергией или веществом с окружающей средой;

– она должна содержать большое число элементов (подсистем);

– должен существовать стационарный режим системы, при котором ее элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

Процессу самоорганизации в ней присущи следующие признаки:

– интенсивный хаотический обмен энергией с окружающей средой;

– макроскопическое поведение системы описывается одним или несколькими управляющими параметрами;

– существует критическое значение управляющего параметра, при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние;

– новое состояние возникает благодаря согласованному (когерентному) действию элементов системы;

– новое состояние существует при безостановочном потоке энергии или вещества в систему. При увеличении потока энергии система проходит ряд критических переходов, при которых структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.

Примерами такой самоорганизации являются:

– лазерная среда (пространственное упорядочение);

– конвекция Бенара (пространственное упорядочение);

– реакция Белоусова – Жаботинского (пространственно-временное упорядочение);

– экономические циклы (временное упорядочение).

Консервативная самоорганизация В 1987 году Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен (Франция) — основатель супрамолекулярной химии ввл термины «самоорганизация» и «самосборка», вследствие необходимости описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений при равновесных условиях, в частности образование ДНК.

Супрамолекулярная химия (от лат. supra – над) – это междисциплинарная область науки, изучающая химические, физические и биологические аспекты более сложных, чем молекулы, химических систем.

В рамках этой новой науки оказалось возможным исследовать строение и свойства высокомолекулярных соединений (в частности ДНК), фуллеритов и других наноструктур, процессы кристаллизации. В отличие от процессов синергетической самоорганизации, такие явления происходят вблизи термодинамического равновесия, однако в виде самосборки. Таким образом, равновесные фазовые переходы, например кристаллизация, также представляют собой процесс самоорганизации.

В отличие от самоорганизации сильно неравновесных систем, такую самоорганизацию называют консервативной самоорганизацией.

Континуальная самоорганизация ( к о нц епция эволюционного катализа, разработанная А. П. Руденко, является альтернативной концепцией самоорганизации для биологических систем. В отличие от когерентной самоорганизации в диссипативных системах с большим числом элементов (макросистем), рассматривается континуальная самоорганизация для индивидуальных (микро-) систем. В рамках данного подхода определяется, что самоорганизация как саморазвитие системы происходит за счт внутренней полезной работы против равновесия. Прогрессивная эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем 2.3.3. Примеры самоорганизации в неживой природе Реакция Белоусова – Жаботинского. В 1951 г. советский химик Б. П. Белоусов открыл удивительную реакцию, получившую название «химические часы». В пробирку наливалось небольшое количество лимонной кислоты, бромата калия и сульфата церия (катализатор). И начиналось небольшое чудо: бесцветный вначале раствор желтел, затем снова становился прозрачным, опять желтел и т. д. Колебания цвета происходили с периодом в несколько десятков секунд, причем этот период можно было регулировать, изменяя концентрации исходных реагентов и температуру раствора. Сотрудник Белоусова А. П. Сафронов посоветовал добавить в раствор индикатор (ферроин), и картина стала еще более зрелищной: цвет раствора изменялся с лилово-красного на ярко-синий и наоборот. Очень эффектно выглядит эта реакция, если ее проводить в широком сосуде, например чашке Петри, капнув одним из реагентов на поверхность раствора других компонентов. Тогда реакция начинается в одной точке – ведущем центре – и постепенно, в виде кольцевых или спиральных автоволн, распространяется к краям сосуда (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Автоволны в реакции Белоусова – Жаботинского. Интервалы между кадрами составляют 30 с. (Заикин А.Н., Жаботинский А.М., 1970) Механизм поддержания колебаний в такой окислительновосстановительной автокаталитической системе теперь понятен. Имеются две подсистемы с разными временами релаксации: ионы Се3+ (бесцветная окраска) и ионы Се4+ (желтая окраска), как, например, в случае с лимонной кислотой и броматом калия. Необходимые для развития реакции вещества и энергию одна подсистема черпает из другой подсистемы по очереди.

Рост кристаллов. Откуда атомы «знают», в каком порядке им надлежит соединиться друг с другом, чтобы создать характерную для данного вещества кристаллическую решетку? Покажем это на примере двух полиморфных модификаций углерода: алмаза и графита.

По своим физическим свойствам это два совершенно разных вещества, хотя они и сложены из одинаковых атомов. Алмаз – диэлектрик, прозрачный и очень твердый. Графит, напротив, хорошо проводит электрический ток, непрозрачный и мягкий. Оказывается, все дело в том, что в кристалле алмаза атомы углерода плотно упакованы, образуя кубическую решетку, а в кристалле графита атомы образуют слоистую решетку гексагональной симметрии (рис.2.7).

Рис. 2.7. Кристаллическая структура алмаза (а) и графита (б).

В основном состоянии атом углерода имеет следующую электронную конфигурацию: 1s22s22p2. Два неспаренных валентных электрона, находящиеся в состоянии 2p, не могут образовать четыре связи с валентными электронами соседних атомов (углерод четырехвалентен).

Поэтому кристаллизация алмаза возможна лишь с участием возбужденных атомов углерода, имеющих конфигурацию 1s22s12p3.

В алмазе все четыре связи равноценны и тетраэдрически расположены в пространстве. Как же это возможно? Ведь 2s- и 2p-орбитали отличаются друг от друга (s-орбитали имеют сферическую форму «электронных облаков», а р-орбитали – форму гантелей).

Понимание проблемы пришло в 1931 г., когда американские физикохимики Л. Полинг и Дж. Слейтер, а также, независимо от них, американский физико-химик Р. Малликен и немецкий химик Ф. Хунд пришли к выводу, что s- и p-электроны могут находиться в гибридных состояниях, промежуточных между s и p. Гибридные sp-орбитали представляют из себя гантели неправильной формы с сильно развитой одной стороной и едва заметным зачатком другой. Это обеспечивает одинаковость всех четырех связей и устойчивость тетраэдрической конфигурации из атомов углерода в кристалле алмаза.

В графите атомы углерода расположены послойно, в виде структуры из шестиугольных ячеек, причем имеются атомы двух сортов: одни расположены на одной линии, другие – напротив центров ячеек соседнего слоя. Для первой категории атомов характерно образование р - р-связей между слоями. Три валентных электрона атомов второй категории образуют расходящиеся под углом 120 связи посредством sp-гибридных орбиталей с соседними атомами, а четвертый валентный электрон отрывается от атома и становится свободным носителем заряда (металлическая связь).

В условиях неоднородного роста, особенно если он происходит очень быстро, кристаллы редко вырастают совершенными. Чаще всего они образуют при этом дендриты – древовидные сростки (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Слева: сросток кварца с хлоритом и эпидонтом. Справа: Морозный узор дендритной формы из кристалликов льда на потолке погреба.

2.3.4. Примеры самоорганизации в живой природе Самоорганизация в колониях грибов, социальных амеб и бактерий.

Многие плесенеобразующие грибы характеризуются колониальным ростом особи. У одних грибов чаще встречаются зональные структуры, у других имеется тенденция к образованию прерывистых кольцевых зон радиальносимметричного типа или даже в виде лопастей. Причем, в зависимости от условий выращивания (вид субстрата, температура, влажность, световой режим) симметрия колонии может изменяться (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Зональная и лопастная самоорганизация в грибах вида Mortierella, Обычные грибы, растущие в лесу, также часто образуют колонии («ведьмины кольца»), но их форма бывает неправильной из-за неоднородностей лесного субстрата, корней деревьев, вытаптывания и уничтожения мицелия (грибницы) людьми и животными.

Самоорганизованно выросшие грибные кольца похожи на автоволны Белоусова – Жаботинского, однако, в отличие от них, не распространяются от некоторого ведущего центра, а вырастают на постоянном месте. Грибные колонии являются примером континуальной самоорганизации.

Континуальный тип самоорганизации наблюдается также в колониях социальных амеб и бактерий.

2.3.5. Самоорганизация в социально-экономических системах Экономические циклы. Наиболее распространенным типом самоорганизации, наблюдаемым в социально-экономических системах, является колебательно-волновой тип упорядочения (диссипативная самоорганизация пространственно-временного типа). В экономической литературе для обозначения этого явления чаще всего используется термин «цикл».

Наибольший интерес у экономистов вызывают следующие циклы:

- политико-деловой цикл (4–5 лет), связанный с выборами в органы власти и приурочиванием важных экономических шагов правительства к предвыборной ситуации;

- строительный цикл (цикл Кузнеца, 15–25 лет) – цикл, выявленный американским экономистом украинского происхождения, нобелевским лауреатом С. Кузнецом, который считал, что основной его причиной являются демографические процессы, возрастная миграция населения и связанные с ней колебания в объемах жилищного строительства;

- цикл Кондратьева (45–65 лет), обусловленный сменой техники, внедрением новых технологий и развитием новых отраслей промышленности;