Параграф 37 - Естествознание. 11 класс. Габриелян О. С.

Естествознание для 11-го класса
Предмет:	Естествознание
Класс:	11 класс
Автор учебника:	Габриелян О. С.
Год издания:	2014
Издательство:
Кол-во заданий:	48
Кол-во упражнений:
Мы в социальных сетях
Телеграм • ВКонтакте

Синергетика — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем).

Комментарии, вопросы по параграфу можно добавить на странице обсуждения.

Синергетика

• Перечислите миры, в которых мы живём, приведите примеры объектов каждого мира.

Можно выделить следующие виды миров действительной реальности:

1. Мегамир — это мир. объекты которого имеют неограниченные масштабы (например, Вселенная; рис. 1).
2. Макромир — это мир, объекты которого окружают нас и видны невооружённым глазом либо их можно увидеть с помощью микроскопов и телескопов с небольшим увеличением (например, планета Земля, её спутник — Луна, человек, растительные и животные клетки; рис. 2).
3. Микромир — это мир, объекты которого имеют размеры порядка 10-3 м (это молекулы, атомы и элементарные частицы — протоны, нейтроны, электроны; рис. 3).
4. Наномир — это мир, объекты которого имеют размеры от 1 до 100 им (1 нм - 10-9 м; например, молекула ДНК имеет диаметр 1 нм; рис. 4).

• 

  Мегамир. Снимок огромного участка Вселенной. Снимок сделан телескопом Hubble

• 

  Снимок макромира, изображены Кишечная палоча. Снимок сделан электронным микроскопом

• 

  Структура атомов (слева направо): водорода, гелия, лития

• 

  Структура молекулы ДНК

Самосборка

Рис. 1 - Самосборка ДНК

• Вспомните, что такое самосборка и какую роль она играет в живой природе и нанотехнологиях.

Самосборка (англ. self-assembly) — это термин для описания процессов, в результате которых неорганизованные системы благодаря специфическому, местному взаимодействию компонентов систем приходят к упорядоченному состоянию.

Самосборка бывает как статической, так и динамической. В случае статической самосборки организующаяся система приближается к состоянию равновесия, уменьшая свою свободную энергию. В случае же динамической самосборки более корректным является использование термина самоорганизация.

Самосборка в нанотехнологиях. Среди различных перспективных подходов формирования наноструктур все большее значение приобретают нанотехнологии, использующие самоорганизацию. Предполагается, что самоорганизация позволит создавать наноструктуры из отдельных атомов. Молекулярная самосборка нанотехнологий, например, литографии, где желаемая наноструктура появляется из большей по размеру заготовки, является важной составляющей "восходящего" подхода, где желаемая наноструктура является результатом своеобразного программирования формы и функциональных групп молекул.

Какие наноструктуры можно строить, используя данные технологии? Говорится о разных материалах, так как эти технологии позволяют создавать устройства, формируя их из атомов и молекул, используя процессы самоорганизации так, как их использует природа. В природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Самым ярким примером является пример сборки сложнейших биологических объектов на основе информации, записанной в ДНК (см. рис. 1).

Энтропия

• Дайте определение понятия «энтропия».

Энтропия — термин, использующийся в физике, химии, биологии, теории информации величина, характеризующая меру, степень неопределенности, неупорядоченности системы. В современном философском толковании — предрасположенность системы, организма к потере внутренней энергии, гибкости связей и потенциала системного существования, упорядоченной жизнедеятельности, к переходу на более низкие ступени развития, к распаду, к социальной, органической и физической смерти.

На примере можно взять сделанный на пляже песочный замок, на который действует внешние силы, разрушающие его (это и есть процесс энтропии), так через несколько часов можно увидеть, что от песочного замка не осталось и следа. Процесс энтропии происходит во всех системах и времени на их разрушение может понадобиться разное в зависимости от внутренней структуры.

Синергетика в естественных и гуманитарных науках

• Покажите, как синергетика связана с естественными и гуманитарными науками.

Термин "синергетика" происходит от греческого "синергос" — совместно действующий. Он был впервые применен для обозначения нового научного направления профессором университета Штутгарта (Германия) Германом Хакеном. Он стал использовать его в этих целях на своих лекциях в 1969 г. Таким образом, в самом названии нового научного направления его автором была заложена идея междисциплинарности и совместного действия. В данном случае имеются в виду совместные усилия ученых многих областей знания по поиску новых парадигм познания явлений природы, общества и созданию научной картины мира, отвечающей современным требованиям.

В данном случае имеются в виду совместные усилия ученых многих областей знания по поиску новых парадигм познания явлений природы, общества и созданию научной картины мира, отвечающей современным требованиям. На стыках наук, на путях их интеграции и теории самоорганизации появляется возможность действительно по-новому взглянуть на результаты исследований в астрономии и космологии, физике и химии, математике и информатике, биологии и экологии, других естественных науках, науках о человеке и медицине, в различных отраслях обществознания и технических наук. При этом происходит не только интеграция научных достижений, связанных с использованием различных теоретико-методологических направлений современности, но и обращение к наиболее продуктивным идеям всех времен и народов, в частности, к идеям, восходящим к древности как на Востоке, так и на Западе.

Активное вторжение синергетики в изучение различных сторон жизни общества дает основание для институционализации такой ее прикладной отрасли, как социальная синергетика. Она нашла применение в экономике, политике, социологии, психологии, истории и других социально-гуманитарных науках.

Процессы в простейших термодинамических и в сложных не равновесных системах.

• Установите основное отличие процессов, протекающих в простейших термодинамических системах, от процессов, происходящих в сложных неравновесных системах. Что такое самоорганизация сложной системы?

Отличия неравновесной структуры от равновесной заключается в следующем:

1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т.п.).
2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории.
3. Приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, ее энтропия (мера неоднородности распределения энергии) уменьшается.
4. Наличие бифуркации переломной точки в развитии системы.
5. Когерентность: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются коротко действующими (действуют на расстояниях порядка 10~8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

Самоорганизация сложных систем
Самоорганизация - в самом общем понимании означает самодвижение, самоструктуирование, самодетерминацию (самовозникновение) природных, естественных систем и процессов. Обычно в качестве примера, иллюстрирующего предложенную схему самоорганизации приводят процесс кристаллизации. «На входе» - хаотично распределенные в жидкости атомы, «на выходе» - кристалл, то есть система объединенных связями атомов, образующих однозначную стабильную структуру. Процесс формирования системы-кристалла происходит с абсолютным выполнением условия без рулевого (без управления) - его структура определяется исключительно свойствами элементов-атомов, а процесс кристаллизации начинается спонтанно и проходит без какого-либо внешнего форма образующего вмешательства при определенных благоприятных условиях. Вообще, самоорганизацию кристаллов можно рассматривать как частный случай самопроизвольного образования систем из атомов химических элементов. То есть все химические реакции, в результате которых образуются молекулы (структурированные системы атомов), можно рассматривать как примеры чистой самоорганизации.

Основные принципы синергетики

Иллюстрация синергетики

• Назовите и проиллюстрируйте примерами несколько основных принципов синергетики.

Можно выделить следующие 4 принципа частных теорий синергетики:

1. Нелинейность означает несохранение аддитивности в процессе развития представляемых систем. Любое явление понимается как момент эволюции, как процесс движения по полю развития.
2. Неустойчивость означает несохранение "близости" состояний системы в процессе ее эволюции.
3. Открытость означает признание обмена системы веществом, энергией, информацией с окружающей средой и, следовательно, признание системы как состоящей из элементов, связанных структурой, так и включенности в качестве подсистемы, элемента в иное целое.
4. Подчинение означает, что функционирование и развитие системы определяются процессами в ее подсистеме ("сверхсистеме") при возникновении иерархии масштабов времени. Это принцип "самоупрощения" системы, т.е. сведения ее динамического описания к малому числу параметров порядка.

Дополнительные вопросы

• Смесь азота и водорода ввели в соприкосновение с нагретым катализатором. Напишите уравнения возможных химических реакций, зная, что синтез аммиака из азота и водорода является обратимым процессом. Спрогнозируйте поведение системы с течением времени.

1. Взаимодействие водорода и азота при высокой температуре при участии платинового или железного катализатора — промышленный способ получения аммиака: ${\ce {{N2}+3H2\rightleftharpoons 2NH3}}$
2. При взаимодействии аммиака с кислотами образуются соли аммония: ${\ce {2NH3 + H2SO4 -> (NH4)2SO4}}$
3. Хлорид бария взаимодействуете солями серной кислоты, и в осадок выпадает сульфат бария, в растворе остаётся соль аммония ${\ce {NH4Cl}}$: ${\ce {{(NH4)2SO4}+BaCl2->{2NH4Cl}+BaSO4\downarrow }}$
4. При нагревании солей аммония со щелочами происходит выделение аммиака — ядовитого бесцветного газа с резким характерным запахом, очень хорошо растворимого в воде: ${\ce {{2NH4Cl}+Ca(OH)2->{CaCl2}+2NH3\uparrow +2H2O}}$

• В неком государстве в результате выборов к власти пришла оппозиция. Можно ли рассматривать сложившуюся ситуацию как точку бифуркации? Спрогнозируйте возможные пути развития событий в этой стране. Опишите наиболее реальные аттракторы.

Точка бифуркации — такой период в развитии системы, когда прежний устойчивый, линейный и предсказуемый путь развития системы становится невозможным, это точка критической неустойчивости развития, в которой система перестраивается, выбирает один из возможных путей дальнейшего развития, то есть происходит некий фазовый переход.

Относительно самого вопроса, то прогноз можно сделать исходя, какую политику изберёт новая оппозиционная власть. Другими словами можно выделить три типа развития ситуации:

1. Минимальное изменение политического курса.
2. Частичное изменение политических процессов.
3. Полное изменение политических процессов.

Каждый из этих путей может предполагать как позитивные, так и негативные общественные явления, другими словами всё зависит от конкертной текущей политической конбюктуры и людей пришедших к власти.

• Вспомните отрывок из поэмы А. С. Пушкина «Руслан и Людмила». Назовите имена этих «соперников». Куда и зачем они скачут? Дайте характеристику ситуации, описанной в отрывке, с позиции синергетики.

Соперников зовут Рогдай, Фарлаф и Ратмир. Они отправляются на поиски Людмилы. В поэме «Руслан и Людмила» Пушкин раскрывает вечный конфликт – противостояния добра и зла. Все герои произведения неоднозначны – у них есть и положительные и отрицательные стороны, однако то, по какому пути идти, выбирают они сами. В финале поэмы автор, следуя за традиционной волшебной сказкой, показывает, что добро всегда побеждает зло.