|
|
Теория систем и её значение в развитии естествознания1. СОДЕРЖАНИЕ ЦЕНТРЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ПУТИ РАССЕЛЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА 2 ЭНЕРГИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ЭНТРОПИЯ 6 ТЕОРИЯ СИСТЕМ И ЕЁ ЗНАЧЕНИЕ В РАЗВИТИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 11 ПРИНЦИП ТОЖДЕСТВЕННОСТИ И ИНВАРИАНТНОСТИ 14 КРАТНЫЕ ЗВЁЗДНЫЕ СИСТЕМЫ. ЦИКЛ "БЕТЕ". ПУЛЬСАРЫ И ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ 15 ЛИТЕРАТУРА 19 1. ЦЕНТРЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ПУТИ РАССЕЛЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА Человек как предмет естественнонаучного познания может рассматриваться в трех аспектах: 1) происхождение; 2) соотношение в нем естественного и гуманитарного; 3) изучение специфики человека методами естественнонаучного познания. Первое направление, традиционно называемое антропологией, изучает: когда, от кого и как произошел человек и чем он отличается от животных; второе направление - социобиология - изучает генетическую основу человеческой деятельности и соотношение физиологического и психического в человеке; к третьему направлению относится изучение естественнонаучным путем мозга человека, его сознания, души и т. п.1 Подобно представлениям происхождения Вселенной и жизни, существует представление о божественном творении человека. "И сказал Бог: сотворим человека по образу нашему, по подобию нашему... И сотворил Бог человека по образу своему"2. В индийской мифологии мир происходит из первого прачеловека - Пуруши. Во многих первобытных племенах были распространены представления о том, что их предки произошли от животных и даже растений (на этом основано представление о тотемах - родовых знаках), а такие верования встречаем у так называемых отсталых народов до сих пор. В античности высказывались мысли о естественном происхождении людей из ила (Анаксимандр). Тогда же заговорили о сходстве человека и обезьяны (Ганнон из Карфагена). В настоящее время в связи с ажиотажем вокруг НЛО в моду вошли версии о происхождении человека от внеземных существ, посещавших Землю, или даже от скрещивания космических пришельцев с обезьянами. Но господствует в науке с XIX века вытекающая из теории эволюции Дарвина концепция происхождения человека от высокоразвитых предков современных обезьян. Она получила в XX веке генетическое подтверждение, поскольку из всех животных по генетическому аппарату ближе всего к человеку оказались шимпанзе. Так как человека изучает множество наук, как естественных, так и гуманитарных, то проблема происхождения человека и определения специфики его строения и эволюции осталась за антропологией. Бурное развитие антропология получила во второй половине XIX века после создания теории эволюции Дарвина. Э. Геккель выдвинул гипотезу о существовании в прошлом промежуточного между обезьяной и человеком вида, который он назвал питекантропом (букв. "Обезьяночеловек"). Он же предположил, что не современные обезьяны были предками человека, а дриопитеки ("древесные обезьяны"), которые жили в середине третичного периода (70 млн. лет назад). От них одна линия эволюции пошла к шимпанзе и гориллам, другая - к человеку. 20 млн. лет назад под влиянием похолодания джунгли отступили и одной из ветвей дриопитеков пришлось спуститься с деревьев и перейти к прямохождению (так называемые "рамопитеки", остатки которых найдены в Индии и названы в честь бога Рамы). В 1960 году английский археолог Л. Лики открыл в Восточной Африке "Человека Умелого", возраст которого 2 млн. лет, а объем мозга 670 куб. см. В этих же слоях были обнаружены орудия труда из расколотой речной гальки, заостренной при помощи нескольких сколов, которые он, как предполагают, изготовлял. Позже на озере Рудольф в Кении были найдены остатки существ того же типа возрастом 5,5 млн. лет. Наличие изготовленных орудий труда (если по этому факту судить о становлении человека) позволили существенно увеличить его возраст. После этого укрепилось мнение, что именно в Восточной Африке в четвертичном периоде кайнозойской эры произошло разделение человека и человекообразных обезьян (не ранее, так как гены тех и других слишком сходны), т. е. разошлись эволюционные линии человека и шимпанзе. Эти выводы подтверждены измерениями по так называемым "молекулярным часам". Скорость изменения генов за счет точечных мутаций (изменений отдельных пар оснований ДНК) устойчива на протяжении долгих периодов времени, и ее можно использовать для датировки отхождения данной эволюционной ветви от общего ствола. Что было причиной появления человека именно в одном месте? В Восточной Африке имеют место выходы урановых пород и существует повышенная радиация. Последняя, как доказано генетикой, вызывает мутации. Таким образом, здесь эволюционные изменения могли протекать более быстрыми темпами. Возникший вид, физически более слабый, чем окружение, должен был, чтобы выжить, начать изготавливать орудия, вести общественный образ жизни и развить разум как мощный инструмент слабого от природы существа, не обладающего достаточными естественными органами защиты. "Человека Умелого" относят к австралопитекам (букв. "южная обезьяна"), остатки которого впервые найдены в Африке в 1924 году. Объем мозга австралопитека не превышал объема мозга человекообразных обезьян, но он был способен к созданию орудий труда. Это стало формой преодоления противоречия между недостаточной естественной вооруженностью австралопитека и большой насыщенностью его существования опасными ситуациями. Гипотетически предположенным Э. Геккелем питекантропом были названы остатки, обнаруженные в 1891 году на острове Ява. Существа, жившие 0,5 млн. лет назад, имели рост более 150 см, объем мозга примерно 900 куб. см. использовали ножи, сверла, скребки, ручные рубила. В 20-е годы XX века в Китае был найден синантроп ("китайский человек") с близким к питекантропу объемом мозга. Он использовал огонь и сосуды, но не имел речи. В 1856 году в долине Неандерталь в Германии обнаружили остатки существа, жившего 150-40 тыс. лет назад, названного неандертальцем. Он имел объем мозга, близкий к современному человеку, но покатый лоб, надбровные дуги, низкую черепную коробку; жил в пещерах, охотясь на мамонтов. У неандертальца впервые обнаружены захоронения трупов. Наконец, в пещере Кро-Маньон во Франции в 1868 году были найдены остатки существа, близкого по облику и объему черепа (до 1600 куб. см.) к современному человеку, имевшему рост 180 см и жившему от 40 до 15 тыс. лет назад. Это и есть "Человек Разумный". В ту же эпоху появились расовые различия. У изолированных групп складывались особые признаки (светлая кожа у "белых" и т. п.). Таким образом, линия эволюции человека выстраивается следующим образом: "Человек умелый" (австралопитек), "Человек прямоходящий" (питекантроп и синантроп), "Человек неандертальский", "Человек разумный" (кроманьонец). После кроманьонца человек не изменялся генетически, тогда как его социальная эволюция продолжалась. Сейчас существуют теорий (подкрепляемые доказательствами) о параллельном существовании неандертальцев и кроманьонцев. Ветвь неандертальцев оказалась тупиковой, в то время как кроманьонцы получили дальнейшее развитие. У. Хавеллз утверждает, что человек современного типа возник 200 тыс. лет тому назад в Восточной Африке. Эта гипотеза получила название "Ноева ковчега", потому, что по Библии, все расы и народы произошли от трех сыновей Ноя - Сима, Хама и Иафета. В соответствии с этой версией питекантроп, синантроп и неандерталец - не предки современного человека, а различные группы гоминид (человекообразных существ), вытесненных "Человеком прямоходящим" из Восточной Африки. В пользу данной гипотезы свидетельствуют генетические исследования, которые не всеми антропологами и палеонтологами признаются надежными. Альтернативная точка зрения мультирегиональной эволюции человечества (М. Уолпофф) утверждает, что только архаичные люди возникли в Африке, а современные - там, где они живут сейчас. Человек покинул Африку не менее 1 млн. лет назад. Эта гипотеза основывается на палеонтологическом сходстве между современными людьми и далекими предками, живущими в местах их обитания. Какая из этих гипотез справедлива, сказать пока невозможно, так как палеонтологическая летопись неполна и промежуточные виды между человеком и обезьянами до сих пор в полном объеме неизвестны. 2. ЭНЕРГИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ЭНТРОПИЯ В XVII и XVIII вв. мир химии и мир физики разделяла четкая граница. Химия изучала процессы, сопровождающиеся изменением молекулярной структуры, в то время как физика изучала такие процессы, которые подобными изменениями не сопровождались. В начале XIX столетия, когда Дэви разрабатывал классификацию молекул неорганических соединении, а Бертло - классификацию молекул органических соединении, физики изучали потоки теплоты, другими словами - термодинамику (от греческого - движение тепла). Выдающихся успехов в этой области достигли английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) и немецкие физики Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894). К 40-м годам прошлого столетия в результате проведенных ими работ стало ясно, что в процессе перехода одной формы энергии в другую энергия не создается и не исчезает. Этот принцип получил название закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики3. В своих работах французский физик Никола Леонар Сади Карно (1796-1832), английский физик Уильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин (1824-1907), и немецкий физик Рудольф Джулиус Эмануэль Клаузиус (1822-1888) разбили механическую теорию теплоты. Было показано, что при самопроизвольном переходе теплоты от точки с более высокой температурой к точке с более низкой температурой работа производится только в случае существенной разность температур, ибо часть теплоты неизбежно рассеивается в окружающую среду. Этот вывод можно обобщить и распространить на любой вид энергии. В 1850 г. Клаузиус, пытаясь найти соотношение между количеством теплоты в изолированной системе и абсолютной температурой этой системы, ввел термин энтропия. Он показал, что при любых. самопроизвольных изменениях энергии энтропия системы должна увеличиваться. Этот принцип был назван вторым началом термодинамики. Энтропия (от греческого entropia - поворот, превращение) - функция состояния термодинамической системы, изменения которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты сообщённого системе или отведённого от неё, к термодинамической температуре системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, что приближает систему к состоянию равновесия в котором энтропия максимальна. Понятие энтропии широко используется в физике, химии, биологии, теории информации4. Естественно, что такого рода открытия не могли не повлиять на развитие химии. Ведь в конечном итоге основными источниками теплоты в XIX в. (кроме Солнца) были химические реакции: горение дерева, угля и нефти. Химикам было также известно, что теплота выделяется и при других химических реакциях, например при нейтрализации кислот основаниями, и что практически все химические реакции сопровождаются тем или иным тепловым эффектом: выделением теплоты (а иногда и света) или поглощением теплоты (а иногда и света). В 1840 г. после опубликования работ русского химика Германа Ивановича Гесса (1802-1850) граница между миром физики и химии была разрушена, и началось сотрудничество двух наук. Тщательно измерив действительное количество теплоты, выделяемой в процессе химических реакций между определенными количествами веществ, Гесс показал, что количество теплоты, получаемой (или поглощаемой) при переходе от одного вещества к другому, всегда одинаково и не зависит от того, с помощью какой химической реакции или сколькими этапами осуществляется этот переход. Благодаря этому обобщению (закон Гесса) Гесса иногда считают основателем термохимии (теплохимии). Исходя из закона Гесса, представлялось вполне вероятным, что закон сохранения энергии равно применим и к химическим, и к физическим процессам. И действительно, дальнейшие обобщения показали, что законы термодинамики, вероятнее всего, проявляются в химии точно так же, как и в физике. Это направление в экспериментах и в теории привело к выводу, что определенным химическим реакциям, как и физическим процессам, присуще свойственное только им самопроизвольное направление, приводящее к увеличению энтропии. Однако энтропия представляет собой величину, трудную для непосредственного измерения, поэтому химики начали искать другой, более простой критерий. В 60-х годах прошлого столетия Бертло, уже завоевавший известность как органик-синтетик (см. гл. 5), обратился к термохимии. Он разработал методику проведения химических реакций в замкнутых сосудах, погруженных в воду заданной температуры. Определив температуру этой воды в конце реакции, можно было установить, какое количество теплоты выделяется в ходе данной реакции. Используя такой калориметр (от латинского calorimeter - измерение тепла), Бертло тщательно измерил количество теплоты, выделяемой в результате сотен различных химических реакций. Подобные эксперименты независимо от Бертло провел также датский химик Ханс Петер Юрген Юлиус Томсен (1826-1909). Бертло полагал, что реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, являются самопроизвольными, в то время как реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты, таковыми не являются. Поскольку каждая реакция, в ходе которой выделяется теплота, должна сопровождаться, если заставить ее идти в обратном направлении, поглощением теплоты (первыми стали придерживаться такой точки зрения Лавуазье и Лаплас), то, следовательно, любая химическая реакция идет самопроизвольно только в одном направлении, и при этом она сопровождается выделением теплоты. Например, когда водород взаимодействует с кислородом, образуя воду, реакция протекает с выделением большого количества теплоты. Эта реакция самопроизвольная, и, однажды начавшись, ока быстро идет к завершению и иногда заканчивается сильным взрывом. В то же время обратная реакция - расщепление воды на водород и кислород - требует затраты энергии (тепловой или, лучше, электрической). Расщепление молекулы воды не является самопроизвольным; в отсутствие энергии расщепление вообще не происходит, и уже начавшаяся реакция тотчас же прекратится, если подачу энергии прервать. Но это правило Бертло, на первый взгляд представлявшееся вполне приемлемым, было ошибочным. Во-первых, не все самопроизвольные реакции протекают с выделением теплоты; некоторые реакции сопровождаются поглощением теплоты, и в ходе таких реакций температура среды, окружающей реакционную смесь, действительно понижается. Во-вторых, существуют обратимые реакции. Так, например, вещества А и В могут самопроизвольно взаимодействовать и превращаться в вещества С и D, которые в свою очередь могут вновь самопроизвольно образовать вещества А и В. И это несмотря на то, что если какая-либо реакция сопровождается выделением теплоты то обратная ей реакция должна сопровождаться поглощением теплоты. Во времена Бертло обратимые реакции были уже известны. В 1850 г. Уильямсон первым тщательно изучил их. Основываясь на результатах проведенных им работ, Уильямсон предложил структурные формулы эфиров. Он нашел условия, при которых смесь веществ А и В образовывала вещества С и D, а смесь веществ С и D образовывала вещества А и В. Однако и в том, и в другом случае в итоге получалась смесь веществ А, В, С и D, причем соотношение этих компонентов было определенным. Смесь при этом находилась в состоянии равновесия. Хотя состав смеси оставался скорее всего постоянным, тем не менее Уильямсон считал, что вещества А и В реагируют, образуя вещества С и D, а вещества С и D реагируют, образуя вещества А и В. Обе реакции идут непрерывно, но они нейтрализуют друг друга, создавая иллюзию покоя, тогда как в действительности смесь находится в состоянии динамического равновесия. Работа Уильямсона ознаменовала начало изучения химической кинетики - области химии, изучающей скорости химических реакций. Уильямсон ясно показал, что самопроизвольный характер химической реакции в ряде случаев определяет не просто выделение теплоты, а нечто большее. Проводя свои многочисленные калориметрические измерения, Бертло и Томсен уже выявили это "нечто большее", но, к сожалению, вопрос остался нерешенным из-за того, то работы Томсена были опубликованы на малодоступном ученым норвежском языке. Тем временем американский физик Джозайя Гиббс Уиллард (1839-1903) начал систематическое изучение термодинамики химических реакций и за период между 1874 и 1878 гг. опубликовал ряд больших статей, посвященных этому вопросу. Гиббс ввел понятие свободная энергия5. (Необходимость введения этого понятия была обусловлена тем, что измерить изменение величины свободной энергии легче, чем измерить изменение энтропии.) Любая химическая реакция сопровождается изменением свободной энергии системы. Изменение теплосодержания строго соответствует уменьшению свободной энергии и увеличению энтропии. Поскольку обычно самопроизвольные реакции сопровождаются выделением теплоты, то теплосодержание системы при протекании таких реакций уменьшается. Однако в некоторых, хотя и считанных случаях изменение свободной энергии и энтропии бывает таким, что теплосодержание системы увеличивается, и тогда самопроизвольная реакция идет с поглощением энергии. Гиббс также показал, что с изменением концентрации веществ, образующих эту систему, свободная энергия системы до некоторой степени меняется. Поэтому если свободная энергия, определенная при стандартных значениях концентраций, для А+В ненамного отличается от свободной энергии C+D, то даже небольшие изменения концентрации могут привести к тому, что свободная энергия А+В окажется больше или меньше, чем свободная энергия C+D. В такой системе направление реакции определяется соотношением концентраций, но и в том, и в другом направлении реакция пойдет самопроизвольно. Скорость, с которой меняется свободная энергия при изменении концентрации отдельного вещества, называется химическим потенциалом системы, и Гиббсу удалось показать, что именно химический потенциал является "движущей силой" химических реакций. Химическая реакция идет самопроизвольно от точки с высоким химическим потенциалом к точке с низким химическим потенциалом, подобно тому как теплота самопроизвольно передается от точки с высокой температурой к точке с низкой температурой. Таким образом, Гиббс объяснил суть закона действия масс. Он показал, что в состоянии равновесия сумма химических потенциалов всех компонентов смеси минимальна. Если реакция начинается с взаимодействия А+В, то по мере образования C+D она идет вниз по "склону холма химического потенциала". Если реакция начинается с взаимодействия C+D, то по мере образования А+В она также идет вниз "по склону холма". В состоянии равновесия достигается нижняя точка "энергетической ямы" между двумя "холмами". Гиббс применил принципы термодинамики при изучении равновесия между различными фазами (жидкой, твердой и газообразной), входящими в одну и ту же химическую систему. Например, вода как жидкость и как водяной пар (один компонент, две фазы) могут существовать вместе при различных температурах и давлениях, но если температура задана, то давление также определено. Вода как жидкость, водяной пар и лед (один компонент, три фазы) могут существовать все вместе только при одной определенной температуре и давлении. Гиббс разработал простое уравнение, правило фаз, позволяющее предсказать характер изменения температуры, давления и концентрации различных компонентов при различных сочетаниях числа компонентов и фаз. Работы Гиббса, отличающиеся предельной обстоятельностью и поразительным изяществом, составили фундамент современной химической термодинамики. Причем Гиббс сделал так много, что его последователи по существу лишь развивали его идеи6. Однако о работах Гиббса в Европе узнали далеко не сразу. Дело в том, что статьи Гиббса были опубликованы в "Трудах Коннектикутской академии" - издании, совершенно не известном ведущим химикам и физикам мира. 3. ТЕОРИЯ СИСТЕМ И ЕЁ ЗНАЧЕНИЕ В РАЗВИТИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Каждый предмет Природы, вообще говоря, является сложным образованием, т. е. состоит из каких-то частей. Минеральные и органические тела состоят из молекул, молекулы состоят из атомов ("неделимых"). Как бы неразложимые на отдельные части (по крайней мере, химически) атомы состоят из, по-видимому, действительно (физически) элементарных электронов и лишь более или менее стабильных компактных атомных ядер. Атомные ядра (нуклиды) состоят из как бы элементарных нуклонов, а квазиэлементарные нуклоны (протон и нейтрон или соответствующие античастицы, т. е. антипротон и антинейтрон)-из так называемых субэлементарных кварков и антикварков. Последние сами по себе (в свободном состоянии) вообще не существуют и уже не имеют никаких отдельных частей, но, как и внешне элементарные электроны или антиэлектроны (позитроны), по современным космологическим представлениям, потенциально могут содержать в себе-или скрывать за собой- целые квазизамкнутые макромиры, имеющие собственные составные части,-и т. д. до бесконечности. Это означает макро-микросимметрию Вселенной, или циклическую замкнутость ее структур. Учении о системах, которое возникло еще в середине XIX века, но приобрело особенно важное значение в XX в. Его иначе называют еще "системным подходом" к изучаемым объектам или "системным анализом". В 1830-х годах знаменитый шведский химик Йене Якоб Берцелиус (1779-1848) выдвинул электрохимическую теорию, согласно которой молекулы любого вещества образуются из атомов за счет электростатического притяжения разноименно заряженных атомов или атомных групп. Но в 1840-х годах крупнейший французский химик Шарль Фредерик Жерар (1816-1856) установил, что предложенная Берцелиусом теория объединения атомов в молекулы основана на крайне редких примерах построения молекул в форме простого приложения атомов или атомных групп друг к другу. Эти примеры-только частность, а в подавляющем большинстве случаев (или "в общем случае") молекулы состоят из атомов и атомных групп, так тесно взаимосвязанных, что их самостоятельное существование без существенного изменения их качеств невозможно. Распад молекулы на части приводит к качественно новым веществам. Молекулу Жерар назвал "унитарной системой" (от латинского "unitas"-единство, одно целое). А далее он показал, что существует два вида множеств: множество суммативное, или аддитивное, т. е. полученное путем простого сложения, и множество системное, или просто система. В отличие от суммативного множества система представляет собой такое множество элементов (частей), в котором все элементы (части) не только тесно взаимосвязаны друг с другом, но влияют друг на друга и качественно преобразуют друг друга. Включая в себя один и тот же элемент, система делает его различным в зависимости от связанных с ним партнеров. Это открытие Жерара очень быстро заинтересовало философов, которые только с его помощью могли найти объяснение диалектическому закону перехода количественных изменений в качественные. В самом деле, закон этот говорит об изменении качества предмета при изменении его количественной характеристики, например количественного состава. Изменение качества под влиянием количественных изменений может произойти только в том случае, когда объект имеет системный характер. Система - это такая совокупность элементов, или частей, в которой существует их взаимное влияние и взаимное качественное преобразование. Система всегда "унитарна", т. е. представляет собой единое целое, из которого нельзя отнять ни одного элемента, не изменив качества всего целого. Современное естествознание приблизилось к тому, чтобы стать настоящей системой, потому что все его части ныне взаимопреобразованы. И тем не менее это обстоятельство можно и нужно рассматривать пока все-таки только как фундамент построения целостной науки о Природе. Само же по себе это построение начинается в несколько иной плоскости системных исследований. Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая механика, изучающая законы микромира, нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания считаются простыми. Простыми в том смысле, что в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношение между ними поддается математической обработке и выведению универсальных законов7. Однако, помимо простых, существуют сложные системы, которые состоят из большого числа переменных и стало быть большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее поддается предмет исследования достижению конечного результата - выведению закономерностей функционирования данного объекта. Трудности изучения данных систем связаны и с тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы. Такие сложные системы изучает, например, метеорология - наука о климатических процессах. Именно потому, что метеорология изучает сложные системы, процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, почему мы точно можем определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, но не можем точно предсказать погоду на завтра? Потому, что климатические процессы представляют гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними. Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Среди всех сложных .систем наибольший интерес представляют системы с так называемой "обратной связью". Это еще одно важное понятие современного естествознания. Кибернетика (от греч. kybernetike - искусство управления) - наука об управлении сложными системами с обратной связью. Она возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии, и её интересовал целый класс систем, как живых, так и неживых, в которых существовал механизм обратной связи. Основателем кибернетики по праву считается американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу, которая так и называлась "Кибернетика". Оригинальность этой науки заключается в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру (строение), а результат работы данного класса систем. В кибернетике впервые было сформулировано понятие "черного ящика" как устройства, которое выполняет определенную операцию над настоящим и прошлым входного потенциала, но для которого мы не обязательно располагаем информацией о структуре, обеспечивающей выполнение этой операции. Системы изучаются в кибернетике по их реакциям на внешние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые они выполняют. Наряду с субстратным (вещественным) и структурным подходом, кибернетика ввела в научный обиход функциональный подход как еще один вариант системного подхода в широком смысле слова. 4. ПРИНЦИП ТОЖДЕСТВЕННОСТИ И ИНВАРИАНТНОСТИ Принцип тождественности является фундаментальным положением в квантовой теории, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой местами тождественных частиц, нельзя различить ни в коком эксперименте, и такие состояния должны рассматриваться как одно физическое состояние. Из принципа тождественности вытекает симметрия волновой функции системы одинаковых частиц, выражающая зависимость волновой функции системы тождественных частиц от перестановки местами пары таких частиц. При перестановке частиц с целым спином волновая функция не изменяется (симметрична), при полуцелом спине функция меняет знак (антисимметрична). Принцип инвариантности подразумевает неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, например, к преобразованиям координат и времени при переходе между инерциальными системами отсчёта. Такая инвариантность носит название релятивистской или лоренц-инвариантности, поскольку основана на теории относительности Эйнштейна и утверждает неизменность физических законов относительно преобразований Лоренца. 5. КРАТНЫЕ ЗВЁЗДНЫЕ СИСТЕМЫ. ЦИКЛ "БЕТЕ". ПУЛЬСАРЫ И ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию - звезды, и не испускающие - планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности - нейтрино. Звезды - это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. Тем самым решаются сразу несколько задач. Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр - переменные звезды (Тау Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Возможно из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скоплений газов). Существуют очень крупные звезды - красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км); они называются так, потому что состоят из огромного сгустка нейтронов). Кроме диаметра, светимости, цвета и т.п. к основным характеристикам звёзд следует добавить еще одну - кратность. Значительное число звезд (от 30 до 50%) образует двойные, тройные и другие кратные системы. Явление кратности, очевидно, является фундаментальным свойством огромного количества звезд. Наблюдается большое разнообразие свойств кратных систем. В ряде случаев звезды, образующие систему (или, как говорят астрономы, "компоненты системы"), находятся на довольно большом расстоянии. Систематические наблюдения позволяют установить орбитальное движение таких звезд друг относительно друга. Периоды обращения в отдельных случаях меняются от нескольких лет до тысячелетий. Применение известных законов небесной механики позволяет делать оценки масс звезд. В большом числе случаев, однако, компоненты двойных систем расположены настолько близко, что их нельзя наблюдать раздельно; при таком положении двойственность системы доказывается спектральными наблюдениями. Благодаря орбитальному движению звезд друг относительно друга их скорости по лучу зрения неодинаковы. Например, одна звезда может в данный момент к нам приближаться, другая - удаляться. Из-за эффекта Доплера это приведет к небольшому сдвигу спектральных линий одной звезды относительно соответствующих линий другой. Так как из-за орбитального движения скорости по лучу зрения периодически меняются, то и смещение соответствующих линий тоже будет периодически меняться. Систематически наблюдая такое смещение и установив его зависимость от времени, можно совершенно надежно вычислить основные характеристики орбиты и получить некоторое представление о массах компонент тесной двойной системы. Такие близкие двойные системы называются астрономами "спектрально-двойными". В тех сравнительно редких случаях, когда плоскость орбиты тесной пары звезд образует небольшой угол с лучом зрения, можно наблюдать как бы "затмение" одной звезды другой. Так как обе компоненты такой системы раздельно не видны ни в один даже самый мощный телескоп, то во время такого "затмения" можно наблюдать только уменьшение блеска звезды. Когда затмение кончается (обычно оно длится несколько часов), звезда восстанавливает свой первоначальный блеск. Построив по возможности точную зависимость блеска звезды от времени (так называемую "кривую блеска" звезды), можно совершенно уверенно определить не только основные параметры орбиты, но и диаметры звезд и даже установить, как спадает яркость их дисков от центра к краю. Наличие "звезды-соседки", расположенной слишком близко, "мешает" нормальной эволюции звезды, в частности, переходу ее в стадию красного гиганта. При этом может возникнуть некоторая неустойчивость, приводящая к регулярно повторяющимся (через промежутки времени в сотни и тысячи лет) вспышкам. Во время таких вспышек светимость новых хотя и велика, но в тысячи раз меньше, чем у сверхновых. Источником энергии звёзд, по-видимому, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел Артур Эддингтон. Немецкий физик Ханс Альберт Бете (Нобелевская премия 1967 г.) рассчитал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода на Солнце, но прямых подтверждений пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца. Развивая свою теорию, он указал на наиболее вероятные циклы термоядерных реакций в звёздах8. Модель расширяющейся Вселенной встретилась с несколькими трудностями, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого Взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 году гипотеза о наличии во Вселенной так называемых "черных дыр", которые невозможно увидеть, но которые хранят 9/10 массы Вселенной (т. е. столько, сколько недостает). Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому "черная дыра" ничего не выпускает наружу и не отражает, и стало быть ее невозможно обнаружить. В "черной дыре" пространство искривляется, а время замедляется. Если сжатие продолжается дальше, тогда на каком-то его этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и "черная дыра" превращается в "белую дыру". Предположено, что "черные дыры" находятся в ядрах галактик, являясь сверхмощным источником энергии. В 1967 году были открыты пульсары - космические источники радиооптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов - 0,03 - 4 сек, у рентгеновских пульсаров (двойных ззезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд и более. Даже по самым строжайшим критериям обнаружение пульсаров действительно является подлинным открытием. Это открытие, как это всегда бывает с настоящим открытием, произошло случайно. Летом 1967 г. аспирантка известного английского радиоастронома Хыоиша мисс Бэлл неожиданно обнаружила на небе совершенно необычный радиоисточник. Этот источник излучал кратковременные радиоимпульсы, которые строго периодически, через каждые 1,33 секунды, повторялись. Вскоре были обнаружены еще три таких же источника с другими также "почти секундными" периодами. Это открытие настолько ошеломило исследователей, что они, заподозрив, что эти сигналы имеют искусственное происхождение и посылаются некими "сверхцивилизациями", засекретили эти наблюдения и в течение почти полугода никто об этом не знал - случай беспрецедентный в истории астрономии... Только после того, как они убедились, что эти сигналы - не результат активности внеземных разумных цивилизаций, результаты наблюдений были опубликованы. Не сразу было понято, что причиной строгой периодичности радиоимпульсов от этих новых источников (получивших название "пульсары") является быстрое вращение звездообразных объектов. Только вращение массивного тела может объяснить удивительное постоянство (с точностью до стомиллионной доли) периодов пульсаров. Более тщательные наблюдения показали, что на самом деле периоды не строго постоянны, а медленно растут. Представим себе, что излучение радиоволн не равномерно по всем направлениям, а сосредоточено внутри некоторого конуса, ось которого образует определенный угол с осью вращения. Теперь вообразим себе наблюдателя, который в какой-то момент времени находится на продолжении оси конуса. Ясно, что он сможет наблюдать радиоизлучение, Это будет возможно в течение некоторого времени до тех пор, пока из-за вращения звезды ось конуса уйдет достаточно далеко. Однако через промежуток времени, равный периоду вращения звезды, радиоизлучение снова можно будет наблюдать. Так как линейная экваториальная скорость вращения по простым причинам должна быть в десятки раз меньше скорости света, непосредственно ясно, что линейные размеры пульсаров не могут превышать несколько десятков километров. Но если это так, то пульсары - это не что иное, как нейтронные звезды!9 На основании наблюдений пульсаров можно нарисовать такую картину развития нейтронной звезды. Она образуется при вспышке сверхновой как быстро вращающийся объект огромной плотности. Причину быстрого вращения понять легко: это следствие одного из основных законов механики - сохранение момента количества движения. Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс. ЛИТЕРАТУРА Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. Пер. с англ. М.: Мир, 1983 Большой энциклопедический словарь. - Сов. энциклопедия, 1991 Горелов А.А. Концепция современного естествознания. Москва, ЦЕНТР, 1998 Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар, 1996 Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М.: Наука, 1984 Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум . - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. 1 Горелов А.А. Концепция современного естествознания., Москва, ЦЕНТР, 1998 2 Бытие. 1.26,27 3 Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. Пер. с англ. М.: Мир, 1983 - С.108-113 4 Большой энциклопедический словарь. Т.2 - Сов. энциклопедия, 1991 - С.700 5 По решению Международного союза чистой и прикладной химии теперь называется энергией Гчббса (G). Она является термодинамическим потенциалом и описывается равенством G=Н - TS, где Н - энтальпия, S - энтропия, Т - температура. 6 В 1923 г. американский химик Джильберт Ньютон Льюис (1875-1946) в классической книге по терыоди-гямике ввел понятие активность. Активность вещества не то же самое, что его концентрация, но связана с ней. Уравнения химической термодинамики можно сделать более точными в более широких пределах, если заменить концентрацию на активность. 7 Горелов А.А. Концепция современного естествознания., Москва, ЦЕНТР, 1998 - С.72 8 Большой энциклопедический словарь. Т.1 - Сов. энциклопедия, 1991 - С.133 9 Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум . - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - С.58 2 Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками, графиками, приложениями и т.д., достаточно просто её СКАЧАТЬ.  |
|
Банк готовых работ
Форма заказа
Скачать работу
экономические  Copyright © refbank.ru 2005-2024
Все права на представленные на сайте материалы принадлежат refbank.ru. Перепечатка, копирование материалов без разрешения администрации сайта запрещено. |
|