Фундаментальні принципи природознавства

Аналіз закономірностей природи дозволив виділити загальні закони, які виявляються на всіх рівнях організації матерії. Для їх адекватного відображення в мисленні використовують загальні початкові положення або основоположні ідеї, які називають принципами (лат. principium — начало, основа). Уявлення про них складалося і поглиблювалося впродовж всього періоду розвитку науки. Але лише в XX столітті вони були сформульовані в найбільш чіткому і повному вигляді, піддалися всебічному вивченню і аналізу, одержали глибоке філософське обґрунтування. Взагалі їх коло досить широке, але ми обмежимося лише розглядом принципів системності, еволюціонізму, симетрії, періодичності і відносності.

Принцип системності. За уявленнями сучасної науки Всесвіт є гігантською суперсистемою, в яку як складові елементи (лат. elementum — первинна речовина, складова частина цілого) або підсистеми, які слідують в певному порядку і створюють ієрархії, входять всі існуючі підсистеми, починаючи від елементарних частинок і закінчуючи галактиками. Складові елементи можна вважати самостійними до тих пір, поки їхній вплив на всю суперсистему настільки малий, що ним можна знехтувати з позицій тієї точки зору, з якої вони розглядаються.

Будь-який предмет або об'єкт є системою — впорядкованою безліччю взаємопов'язаних елементів, яка проявляє себе як цілісність. Окремі елементи утворюють систему, якщо це енергетично вигідно. Наприклад, молекула утворюється з атомів тільки в тому випадку, якщо потенційна енергія такого утворення буде меншою за суму потенційних енергій її елементів, що існують окремо. У Макросвіті безліч об'єктів можуть утворити систему тільки в тому випадку, якщо енергія зв'язку між ними більша за суму їх кінетичних енергій і енергії зовнішніх впливів.

Кожен елемент (як і сама система) має свою структуру (будову) і виконує певні функції (лат. functio — виконання, здійснення, залежність). Сам по собі він теж є системою. Зміна структури системи може істотно змінити її функції і навпаки необхідність зміни якоїсь функції призводить до переструктуризації системи. Це досить добре ілюструється на прикладі біологічної еволюції, коли необхідність адаптації організмів до умов середовища, які змінюються, призводить до взаємопов'язаних змін структури і функції окремих органів, систем органів або всього організму в цілому. У цьому відображається глибинний діалектичний зв'язок структури і функції.

Різнорівневі системи утворюють ієрархії, кожен член яких, з одного боку, є елементом системи вищого рівня, а з іншого — складається з сукупності взаємодіючих елементів нижчого рівня. Ця властивість природи дозволяє досліджувати складні системи, починаючи від нижчого рівня їх організації і послідовно переходячи до вищих. Тому, перш ніж зрозуміти систему як цілісність і шукати загальні підходи опису її функціонування, потрібно вивчити кожен елемент окремо, виділити ті їх властивості, які є найбільш істотними для досліджуваної ієрархії, виявити критерії або провідні ознаки, за якими об'єднуються елементи, їх взаємозв'язки, що визначають властивості цілого. Однією з найважливіших властивостей ієрархій є подібність її рівнів. Вона проявляється в схожості будови складових елементів або характеру їх взаємодії. Ця властивість широко використовується при моделюванні об'єктів, явищ і процесів. Проте подібність не означає повної схожості. Наприклад, хмари на небі, пір'я птахів або листки дерев одного виду мають схожу структуру, проте знайти серед них абсолютно ідентичні неможливо. Для характеристики такої подібності математики ввели термін фрактал (англ, fractial — дробовий). Якщо у випадку геометричного фігур ступінь подібності — ціле число, то схожість фрактальних структур — число дробове (подібно гомеомеріям Анаксагора або Аристотеля, монадам Лейбница).

Одні і ті ж елементи або системи можуть входити в різні ієрархії і по різному себе проявляти. Тому залежно від завдань дослідження одні і ті ж елементи можна впорядковувати по-різному: за розмірами (масштабний критерій), у порядку ускладнення їх структури (структурний критерій), за функціями елементів (функціональний), або вибрати якусь іншу ознаку. Масштабний критерій (грець. kriterion — засіб для судження; ознака, на підставі якої проводиться оцінка) дозволяє поділити системи на мікро-, макро- і мегасистеми, структурний — просте і складне, функціональний — виділити неживе — живе — соціальне, інформаційний — дозволяє виділити системи з різним рівнем інформаційного обміну — статичні, прості динамічні, такі, що авторегулюються, самоорганізовуються та інші. Вибір критерію класифікації визначає порядок одних і тих же елементів в ієрархіях і моделях систем.

Будь-яка діяльність, соціальна система, наука, культура, технологія, виробництво, армія або установа також є ієрархічними структурами.

Ієрархічність і системність навколишнього світу є його фундаментальною властивістю.

Принцип спрямованості процесів. Всесвіт або Універсум є динамічною суперсистемою, що змінюється в часі. Всі зміни в ній відбуваються за рахунок внутрішніх причин і в рамках законів, властивих для всієї суперсистеми. Це аксіома, прийнята наукою. Про можливість існування зовнішніх по відношенню до Універсуму причин їй нічого невідомо, бо це лежить за межами її можливостей. Ця аксіома лежить в основі наступного твердження: Універсум є системою, що самоорганізовується. Всі підсистеми Універсуму взаємодіють між собою. Їх зміна обумовлена не тільки їх внутрішніми причинами, але і зовнішніми впливами. Вони є відкритими і функціонують в деякому єдиному ритмі.

Оточуючий нас світ мінливий, в ньому все наповнено рухом, він процесуальний. Процеси можуть протікати в двох напрямах: або у бік самоорганізації і ускладнення систем (еволюції), або у бік деградації (інволюції) і руйнування. В уявленнях науки це оформилося у вигляді принципу спрямованості розвитку природних процесів. Спочатку він був сформульований стосовно закритих термодинамічних газових систем. Прикладом закритої системи може бути звичайний термос з рідиною. Завдяки особливій будові його стінок теплообмін рідини з навколишнім середовищем утруднений, і вона довгий час зберігає первинний стан. Проте в природі закритих систем не існує, закрита система є лише зручною моделлю для дослідження якихось окремих особливостей того або іншого явища.

Закриті термодинамічні системи володіють однією чудовою властивістю. Завдяки явищам теплопереносу, дифузії, внутрішнього тертя усередині самої системи вона мимоволі і незворотно прагне до стану з найменшою енергією (стану динамічної рівноваги). У цьому стані всі макропараметри системи в різних точках займаного нею об'єму — тиск, температура, щільність, концентрація — вирівнюються.

Але рівноважний стан не є станом спокою. У газі продовжується безладний хаотичний рух, система перебуває в стані динамічного хаосу. Тому кожну мить в результаті зіткнень змінюються енергії і швидкості окремо взятих молекул, а значить змінюються і мікропараметри системи. Тобто, одному макростану відповідає цілий набір або, як кажуть, ансамбль мікростанів. Умова існування такого ансамблю — постійність макропараметрів системи. Число способів реалізації макростану через мікростани називають статистичною вагою Г (або термодинамічною вірогідністю). Унаслідок хаотичності руху молекул макропараметри з часом коливаються біля деякого середнього значення, тобто флуктують. У системах з великою кількістю частинок флуктуації малі і класична термодинаміка їх не враховує. Наприклад, при кількісному визначенні ефективності роботи теплової машини досить знати середні температури нагрівача і холодильника. Проте флуктуації дуже часто себе проявляють. Наприклад, флуктуаціями пояснюється броунівський рух, блакитний колір неба, поява «шумів» в каналах зв'язку. Вони визначають межу чутливості електронної апаратури. У певних умовах флуктуації можуть стати поштовхом до впорядкування структур.

Термодинамічні процеси, що протікають в закритих системах, незворотні. Незворотність характерна і для багатьох природних процесів. Наприклад, коливання маятника через втрати енергії, яка йде на нагрівання навколишнього середовища, затухають. Але скільки б ми не нагрівали навколишнє середовище, маятник від цього не почне коливатися. Розбита ваза сама собою не відновиться з шматочків, нагріте ковадло не примусить рухатися молот, більш холодне тіло не буде мимовільно передавати своє тепло більш нагрітому.

Чому відбувається так, що всі процеси протікають мимоволі тільки в одному напрямі: від стану з високою енергією до стану з нижчою енергією? Досліджуючи цю проблему, німецький фізик, один із засновників термодинаміки і молекулярно-кінетичної теорії Р. Клаузіус (1822–1888) для опису термодинамічних процесів ввів спеціальну функцію, що характеризує стан системи, і назвав її ентропією (S) (грець. entropia — поворот, перетворення; міра впорядкованості системи). З приводу цієї назви Клаузіус писав: "Я вважаю за краще звертатися до стародавніх мов у пошуках назв для важливих наукових величин з тією метою, щоб ці назви позначали одне і те ж на всіх живих мовах. Тому я пропоную назвати S ентропією тіла, що по-грецьки означає «перетворення», щоб воно було співзвучне із словом «енергія», оскільки ці дві величини настільки схожі за своїм фізичним значенням, що співзвуччя їх назв здається мені корисним». Це міра хаосу, безпорядка.

Якщо до газу при температурі Т підвести деяку кількість теплоти ∆Q, то величина S одержує приріст ∆S = ∆Q/T. Значення цього приросту залежить від зворотності процесу. Якщо процес зворотний (процес, який можливо здійснити у зворотному напрямі, повторюючи всі проміжні стани прямого процесу), то приріст ентропії в ході такого процесу дорівнює нулю. Прикладом може служити коливання маятника за відсутності сил опору середовища. У разі незворотних процесів в замкнутих системах ентропія зростає, тобто ∆S > 0. Клаузіус сформулював положення, яке одержало назву другого начала термодинаміки (перше начало відображає закон збереження енергії):

– у замкнутих системах ентропія з часом не зменшується, тобто ∆S ≥0;

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Простір і час	\|	У випадку відкритих систем ентропія може змінюватися як завгодно.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.003 сек.