ЗМІСТ
1. Статична фізика та питання, які вона вивчає
2. Наука в середні віки
3. Організми
4. Теорія катастроф
1. Статична фізика та питання, які вона вивчає
Статистична фізика, розділ фізики, завдання якого - висловити властивості макроскопічних тіл, тобто систем, що складаються з дуже великого числа однакових частинок (молекул, атомів, електронів тощо), через властивості цих частинок і взаємодія між ними.
Вивченням макроскопічних тіл займаються і ін розділи фізики - термодинаміка, механіка суцільних середовищ, електродинаміка суцільних середовищ. Однак при вирішенні конкретних завдань методами цих дисциплін у відповідні рівняння завжди входять невідомі параметри або функції, що характеризують дане тіло. Так, для вирішення задач гідродинаміки необхідно знати рівняння стану рідини чи газу, тобто залежність густини від температури і тиску, теплоємність рідини, її коефіцієнт в'язкості і т.п. Всі ці залежності і параметри можна, зрозуміло, визначати експериментально, тому методи, про які йде мова, називаються феноменологическими. Статистична ж фізика дозволяє, принаймні в принципі, а в багатьох випадках і фактично, обчислити всі ці величини, якщо відомі сили взаємодії між молекулами. Т. о., Статистична фізика використовує відомості про «мікроскопічному» будову тіл - про те, з яких частинок вони складаються, як ці частинки взаємодіють, тому її називають мікроскопічною теорією.
Завданням теорії має бути обчислення не точних значень різних фізичних величин для макроскопічних тіл, а середніх значень цих величин за часом. Розглянемо, наприклад, молекули, що знаходяться в деякому виділеному в газі досить великому - макроскопічному - обсязі. Число таких молекул з плином часу буде змінюватися через їх руху, і його можна було б знайти точно, якщо були б відомі всі координати молекул в усі моменти часу. У цьому, однак, немає необхідності. Зміна числа молекул в обсязі буде носити характер безладних коливань - флуктуацій - щодо деякого середнього значення. При великому числі часток в обсязі ці коливання будуть малі в порівнянні із середнім числом часток, так що для характеристики макроскопічного стану достатньо знати саме це середнє значення.
Квантово-механічна концепція, що описує, здавалося б, загадковий і далекий від звичних уявлень мікросвіт, все активніше вторгається в практичні сфери людської діяльності. З'являється все більше приладів, заснованих на квантово-механічних принципах - від квантових генераторів (лазерів, мазерів та ін) до різноманітних мікроелектронних пристроїв. Мабуть, прийшла черга і обчислювальної техніки - передбачається, що комп'ютери, побудовані на квантових обчислювальних елементах, здійснять переворот у розробці сучасних потужних обчислювальних засобів. Цілком можливо, що через якийсь час квантовий комп'ютер стане інструментом настільки ж звичним, як сьогодні звичайний комп'ютер.
2. Наука в середні віки
Умови для розвитку науки в період середньовіччя були вкрай несприятливі. Філософи-схоласти вважали, що наука повинна доводити істину церковного вчення. Вплив прогресивних почав арабської науки, праці античних мислителів зустрічали опір з боку провідних представників християнської церкви.
XIV сторіччя характеризується особливо ревним прагненням інквізиції до викорінювання всяких проблисків прогресивних течій у науці. Тому не дивно, що це століття особливо бідно за своїми результатами на всякого роду відкриття.
Епоха Відродження. Період між XIV сторіччям і першою половиною XVII століття є для Західної Європи перехідним етапом від феодалізму до капіталістичного способу виробництва. Низка найбільших відкриттів, з яких у першу чергу слід назвати відкриття Колумбом Америки, винахід друкарства, обгрунтування Коперником геліоцентричної системи світу, сприяв загальному прогресу. Відбувається поступовий загальний підйом економіки, техніки, культури, мистецтва, посилюється боротьба прогресивних світоглядів з церковною схоластикою. В області науки поступово перемагає експериментальний метод вивчення природи.
3. Організми
Будова і поведінку організму в значній мірі визначається його генотипом, основу якого складає набір хромосом. Кожна хромосома є згорнуту молекулу ДНК, в структурі якої в зашифрованому вигляді зберігається інформація про структури білків. Молекула білка є ланцюг з послідовно розташованих амінокислот, а молекула ДНК складена з послідовно розташованих нуклеотидів. Три нуклеотиди (триплет) відповідають певній амінокислоті у складі білка. Послідовність таких триплетів на певному фрагменті молекули ДНК (даний фрагмент називається геном) кодує послідовність відповідних амінокислот у молекулі білка. Код цей в даний час розшифрований. Триплет дозволяє реалізувати 43 = 64 різних сполучень нуклеотидів (всього використовується 4 різних нуклеотиду). Всього таким чином можна закодувати присутність в молекулі білка до 64 різних видів амінокислот (задіяно всього 20).
Як народжувалася таблиця генного коду, нам невідомо. Поза сумнівом лише те, що в принципах кодування присутня частка свободи вибору. Код ДНК також покликаний забезпечити сумісність (спорідненість) біосистем.
У генетичній програмі біосистеми міститься досить вичерпний набір реакцій на самі різні вимоги середовища. У той же час іноді виникають ситуації, не передбачені програмою. Тоді запускається механізм оптимізаційного пошуку вірного рішення. Якщо рішення знайдено, то механізми відбору обов'язково закріплять його у формі відповідного фрагмента ДНК. Таким чином, генетична програма постійно розвивається і вдосконалюється.
Різні організми, а тим більше різні види організмів містять різні набори ДНК. Кожен такий набір визначає специфіку тієї функції, яку даний вид організмів буде виконувати у складі біосфери, беручи участь тим самим в підтримці її стійкості. Тим не менш, в основі кожного генотипу будь-якого виду живих організмів лежить щось загальне, що можна з повним правом назвати генетичною програмою життя в цілому, що визначає набір можливих реакцій на самі різні зовнішні впливи, породжуючи у відповідь на ці дії нові конкретні генотипи, відповідні нових видів живих істот.
Перші живі організми існували, мабуть, за рахунок енергії надр планети. Це хемосинтезирующие (вивільняють енергію за рахунок реакції окислення простих неорганічних сполук, наприклад сульфіду або аміаку) бактерії. У міру остигання планети подібні форми життя поступаються місцем фотосинтезуючим організмам, існуючим за рахунок енергії Сонця. Динаміка остигання поверхні планети в умовах відносної стабільності температури Сонця забезпечує, мабуть, односпрямованість процесів ускладнення форм самоорганізованих систем. Імовірно, існує ще чимало подібних факторів, за допомогою яких планета, Сонце, космос і, в кінцевому підсумку, весь Всесвіт направляють, «керують» процесами самоорганізації.
Вже на рівні макромолекул можна говорити про життя в загальноприйнятому розумінні. Вершина еволюції молекул - віруси (вірус - це молекула ДНК, оточена білковою оболонкою). Перш, ніж була створена перша жива клітина, на Землі існувала ера вірусів. Перші клітини з теорії Опаріна виникли в результаті еволюції коацерватних крапель. Це приклад агрегації (створення груп з певною внутрішньою структурою) в світі макромолекул. Великі молекули мають звичайно складну форму. Тому енергетично більш вигідно виявляється злиття цих молекул в краплю. Складні краплі здатні вловлювати і вбирати у свою структуру певні речовини з оточуючого їх розчину, підтримуючи цим стабільність своєї структури.
Агрегація клітин призводить до виникнення багатоклітинних організмів. Еволюція багатоклітинних спочатку йшла по лінії ускладнення фізіології, потім (а частиною і одночасно) поведінки по ланцюгу: подразливість-інстинкт-психіка-свідомість. Еволюція поведінки свідчить про агрегації багатоклітинних організмів, тобто про формування та еволюції систем більш високого ієрархічного рівня - соціальних систем типу зграї, товариства тощо, які з повним правом можна назвати соціальними живими істотами, найбільш яскравими прикладами яких є мурашники, бджолині сім'ї, людська цивілізація і т.п. Тут присутня органічна цілісність і функціональна взаємозалежність.
Еволюція є, мабуть, наслідок єдності Всесвіту: розширення Всесвіту викликає у відповідь потік зростання складності організації її структури. Еволюцію не можна зупинити поки розширюється Всесвіт.
Біоорганіка Землі має єдиний генетичний код. Інформація про будову білків організму зберігається в закодованому вигляді в структурі молекул ДНК. Правила кодування нам відомі, але вони не піддаються будь-якої логіки. Схоже, що природа встановила ці правила довільним чином, але одного разу прийнятий «стандарт» єдиний для всіх біосистем Землі і ніколи не порушується.
Теорія креаціонізму добре вписується в принцип зростання ентропії (Бог одного разу влаштував світ ідеальним чином, тепер світ може тільки деградувати) і легко пояснює природу доцільності у структуру Всесвіту. У той же час теорія еволюції підтверджується величезною кількістю наукових фактів. Слабким місцем еволюціонізму є заперечення всякого роду доцільності в природі і визнання випадковості, яка панує в еволюційному процесі, що ніяк не узгоджується з даними статистичного аналізу, який говорить, що всього часу існування виселення не вистачить на те, щоб відтворити існуючі форми випадковим чином. У той же час нові досягнення синергетики (наука про самоорганізацію) дозволяють сподіватися на те, що в науковому розумінні життя вже найближчим часом очікується істотний прорив. Ми вже розуміємо механізми самоорганізації.
Що стосується доцільності Всесвіту, що не вписується в концепцію «сліпих законів природи», то вихід тут слід шукати в принципі додатковості. Тобто земне життя є природним наслідком глобального еволюційного процесу, який у свою чергу досить однозначно «запрограмований» у структурі початкових холістського принципів існування Всесвіту.
В основі самоорганізації лежить принцип: одночасно протікають процеси можуть впливати один на одного так, що хоча в кожному з процесів в окремо ентропія не може зменшуватися, але, взяті разом, вони можуть компенсувати зменшення ентропії в одному з процесів за рахунок ще більшого збільшення в інших . У підсумку по всіх процесів ентропія зростає.
Наслідки:
1) самоорганізована система повинна бути відкритою по відношенню до навколишнього середовища;
2) вона може існувати, зменшуючи внутрішню ентропію, тільки за рахунок збільшення ентропії (руйнування) зовнішнього середовища.
Тому будь-яка система, що самоорганізується може існувати тільки в потоці енергії, при цьому ентропія потоку енергії на вході в систему менше, ніж ентропія вихідного потоку (система споживає понад концентровану енергію, а видає більше розсіяну). У енергетичний потік система скидає свою внутрішню ентропію (невпорядкованість), з цього потоку вона бере необхідний їй порядок, що дозволяє їй існувати тривалий час без саморуйнування. Для цього, наприклад, ми споживаємо їжу, руйнуючи її всередині себе, вивільняючи таким чином накопичену в ній інформацію (порядок, мірою якого є вільна енергія), і за рахунок цього впорядковуючи свою структуру. Продукти руйнування, що несуть у собі хаос, ми викидаємо в навколишнє середовище.
Згідно Пригожина, будь-яка система, що самоорганізується повинна володіти рядом особливостей:
1) відкритістю, тобто їх існування немислиме без постійної взаємодії з навколишнім середовищем;
2) неравновесностью, тобто ентропія в даній системі істотно менше ентропії навколишнього середовища;
3) нелінійністю, тобто непропорційністю зміни різних властивостей системи, обмеженістю меж зміни цих властивостей, що приводить до різного роду фазовим переходам.
У процесі самоорганізації відбувається мимовільний пошук стійких структур. Під стійкістю системи розуміють її здатність зберігати свою структуру при наявності зовнішніх впливів на неї; при знятті впливу така система повинна повернутися в початковий стан. Для стійких систем характерно подобу частини і цілого. Тільки тоді система зможе споживати енергію (порядкуючий чинник) з навколишнього середовища, коли вона підпорядкована принципу відповідності (резонансу) з навколишнім середовищем. Однак подібність не повинно бути абсолютним. «Свобода вибору», непередбачуваність в поведінці систем дає перспективи для подальшого розвитку (пошуку нових форм організації). Надлишок стабільності, передбачуваності також загрожує загибеллю, як і відсутність системного «законослухняності».
4. Теорія катастроф
Оскільки в певних ситуаціях - в точках катастроф - навіть незначні рухи можуть вплинути на хід розвитку, дуже корисним виявиться уміння визначати, чи далеко від такої точки знаходиться система. Формально для цього слід вивчити залежність системи від зовнішніх параметрів в математичних моделях, проте на практиці нерідко зустрічаються випадки, коли у дослідника немає навіть туманних міркувань про те, яким еволюційним рівнянням описується розвиток системи. Проте навіть у цих ситуаціях, патологічних з точки зору математичного моделювання, можна вказати деякі непрямі ознаки того, що вивчається знаходиться поблизу точки катастрофи.
Мова йде про так званих «прапорах катастроф» - особливості поведінки системи, по яких можна судити про наближення критичної крапки. Перерахуємо деякі з них, які найчастіше зустрічаються разом:
1. Бімодальному. Зміна якості - «старе» на «нове», ніяких альтернатив «нового» у разовій катастрофі ви не помітите.
2. Порогового (стрибкуватість). Різке, стрибкоподібне зміна в системі при плавній зміні її параметрів відбувається у момент досягнення параметрами деяких критичних значень.
3. Порушення симетрії. До проходження точки катастрофи системі мала симетрію щодо вибору майбутніх альтернатив, і рівноправ'я. У точці катастрофи вибір відбувається на користь однієї і: альтернатив і симетрія можливостей, рівноправність порушується.
4. Дивергенція (нестійкість за початковими даними). Мале зміна стану системи перед точкою катастрофи може радикально вплинути на вибір альтернативи. Те, що було поруч до катастрофи виявиться розділеним після неї.
5. Гістерезис. Пам'ять системи про що сталася катастрофи, незворотність її історії. Результат залишається навіть при зникненні причини.
Два ознаки особливо важливі, тому що дозволяють прогнозувати катастрофу в безпосередній близькості від неї. Вони справедливі завжди.
Збільшення шумових флуктуації. Ця ознака з'являється незадовго до точки катастрофи, яскраво виявлений в самій «точці» і швидко зникає після катастрофи. Фактично він виявляє життя мікрорівня, той андеграунд, який виходить на поверхню, стає значущим в період кризи системи. Ми детально розглянули це явище в попередній главі (принцип динамічної ієрархічності). При цьому «вмираючі» макропеременние «агонізують» і ведуть себе все більш хаотично. Мовою мікрорівня це називається збільшенням амплітуди флуктуації, тобто величини короткочасних відхилень від середнього значення, які ми і спостерігаємо як випадкові коливання в системі-шум перед і під час катастрофи.
Уповільнення характерних ритмів (затишшя перед бурею).
Мабуть, найбільш важливий принцип, що дозволяє заздалегідь передбачити катастрофу. Його сенс простий: перед точкою катастрофи, точкою зміни програми функціонування системи, відбувається згортання, зупинка цієї програми. Якщо в ній присутні коливання, то вони повинні сповільнюватися, якщо ж коливань немає, то їх можна штучно порушити і спостерігати уповільнення. У точці катастрофи система йде від стану гомеостазу, стає більш пластичної, менш пружною, її собсвенно коливання стають більш м'якими, повільними, низькочастотними. Це чудово видно на прикладі нашої моделі маятника: у міру збільшення розмаху коливань маятника його період зростає, і звертається в нескінченність в точці біфуркації, коли він застигає в перевернутому стані; в міру подальшої підкачки енергії вже в обертальний рух період зменшується. У цій системі характерний період і шукати не треба, але що за період у разі нерухомої шпаги? Його можна порушити, постукуючи по шпазі паличкою, буде чутно дзвінкий тон.
Цей результат носить універсальний характер, не залежить від природи системи і звучить так: характерні, власні, ритми системи сповільнюються в міру наближення до точки катастрофи. Більш того, за ступенем уповільнення в теорії катастроф вдається визначити тип майбутньої катастрофи, число альтернативних її результатів, але це вже серйозна математика.