У випадку відкритих систем ентропія може змінюватися як завгодно.

Чим більше станів доступно системі, тим вища її ентропія, тим більше в ній хаосу, що ототожнюється з уявленням про хаотичність теплового руху сукупності молекул газу. Поняття ентропії, також як і поняття температури, має сенс лише стосовно колективу частинок, що займають деякий об'єм. З її збільшенням зростає і ступінь безладу системи, тому говорять, що ентропія є мірою свободи системи. Ентропія — завжди позитивна величина. Іноді використовують термін негентропія — ентропія, узята із знаком мінус; вона відображає ступінь впорядкованості системи. Всі мимовільні процеси в закритій системі протікають у бік зростання ентропії, тобто у бік встановлення термодинамічної рівноваги, яку можна ототожнити з хаосом.

Складалося враження, що переважаючою тенденцією природних процесів є прагнення до руйнування впорядкованостей, які випадково виникли в результаті маловірогідної флуктуації. На основі цього висновку в кінці XIX століття була висунута гіпотеза «теплової смерті» Всесвіту. Суть її полягала в наступному: якщо Всесвіт є закритою системою, то рано чи пізно він досягне теплової рівноваги, всі впорядковані системи руйнуватимуться, і він перейде в стан початкового хаосу, що рівнозначно його смерті як впорядкованої системи.

Проте вже до початку XIX століття було безліч фактів, які підтверджували, що протилежна тенденція — самовпорядкування (самоорганізації) і самоускладнення систем — також закономірний процес.

Сучасна наука вважає, що більшість існуючих систем завдяки обмінним процесам з навколишнім середовищем, знаходиться в стані, далекому від термодинамічної рівноваги, а їх розвиток відбувається у напрямку зростаючої впорядкованості.

Це твердження одержало назву універсальний еволюціонізм. Механізм самоорганізації і еволюції систем розкриває синергетика.

Принцип періодичності. Відмічено, що чергування фаз в поведінці систем різної природи — космологічних, фізичних, хімічних, біологічних, соціальних і інших — спостерігається з певною періодичністю. Щодня сходить і заходить Сонце, небесні світила через відомі проміжки часу займають певні місця на небосхилі. Планети здійснюють періодичні рухи навколо власної осі і центрального світила, зоряні системи обертаються навколо центру Галактики. Періодичність спостерігається в процесах, що протікають в надрах зірок і планет. Наприклад, в зміні сонячної активності спостерігають 11, 22, 600-річні цикли. Ритми космосу здійснюють глобальний вплив на біо- і геосферу Землі. Складна взаємодія періодичних процесів зумовлює як випадкові, так і закономірні зміни циркуляції мас в атмосфері і гідросфері, що в глобальному масштабі призводить до зміни кліматичних умов або локальних змін погоди. Це істотним чином впливає на життя популяцій (врожайність культур, зміну чисельності популяцій, розповсюдження епідемій і епізоотій, періодичність в етногенезі і т.д.).

Періодичність — властивість, характерна для стану хімічних систем. Це, перш за все періодичність властивостей хімічних елементів, пов'язана з періодичністю їх електронної будови. Спостерігається коливання реагентів в так званих автокаталітичних реакціях (реакції Білоусова і Жаботинського). Вони за певних умов можуть тривати нескінченно довго і цікаві для розуміння процесів добіологічної і біологічної самоорганізації і еволюції матерії. Комплекс подібних реакцій в живому організмі підтримує ритмічність діяльності серця, мозку та інших органів і організму в цілому.

Спіралеподібний вигляд багатьох галактик, спіральні вихори циклонів, спіральні форми черепашок молюсків, рогів деяких тварин, спіраль ДНК — все це прояви періодичності. Періодичність властива структурі складних біохімічних молекул (білки, нуклеїнові кислоти). Періодично повторюється елементарна комірка в кристалічній решітці.

З певною періодичністю спостерігається чергування фаз в розвитку економічних систем: підйом — процвітання — спад — застій — підйом (цикли Кондратьєва). Ритмічно працює двигун будь-якої машини. Краса музики і поезії відчувається людиною через їх ритм. Періодичні коливання маятника, пружини або струни, напруги і сили змінного струму, векторів електричної напруженості і магнітної індукції електромагнітної хвилі, періодичність функціонування окремих підсистем живих організмів (клітин, тканин, органів) і організму в цілому — це явища одного порядку.

Періодичність є фундаментальною властивістю природи, найважливішою умовою постійності структур і функціонування систем. Проте в оточуючому нас житті також часто зустрічаються і аперіодичні, затухаючі процеси. Як правило, вони пов'язані з сильним розсіюванням енергії. Якщо немає її надходжень ззовні, будь-який процес врешті-решт зупиняється (наприклад, загасання коливань маятника) або взагалі система повністю руйнується.

Періодичність і аперіодичність є невід'ємними властивостями будь-якої системи, що розвивається. Періодичність характеризує деяку стійкість системи, її порушення приводить до появи нестійкості, яка може привести або до руйнування, або за сприятливих зовнішніх умов стати шансом для переходу системи в новий вищий якісний стан.

Принцип симетрії. Симетрія (грець. symmetria — співрозмірність, пропорція, відповідність, порядок, гармонія) є загальною властивістю природи і широко представлена в творчості людини і створених її руками речах. У своїх роздумах над картиною Всесвіту людина виділяла симетрію як якусь магічну якість природи, її красу, досконалість і доцільність і прагнула відобразити цю її якість в архітектурі, скульптурі, поезії, музиці. Симетричні наскальні малюнки, стародавні і сучасні храми. Музична гармонія і пропорції музичної гамми, ритм вірша і віршовані метри — ямб, хорей, амфібрахій, дактиль, анапест — це теж симетрія.

Ступінь симетрії природних систем відображається в симетрії рівнянь (законів), що відображають їх стани, і в їх інваріантності по відношенню до перетворень симетрії. Математика виявляє приховані, невидимі оку, відносини симетрії природи. Наприклад система рівнянь Максвела відображає глибокий взаємозв'язок електричних і магнітних явищ, теорія гравітації Ейнштейна зв'язує властивості простору, часу і тяжіння. У 1918 році Е. Нетер (1882–1935), німецький математик, сформулювала і довела фундаментальну теорему математичної фізики, по якій з фізичних уявлень про ізотропність простору і однорідність простору-часу витікає, що в замкнутих системах повинні виконуватися закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу. Ця теорема зв'язала простір, час, рух, гравітацію, масу і енергію, з'єднавши фізику і геометрію в єдиний комплекс, в якому визначальну роль грає симетрія простору-часу. Сьогодні можна стверджувати, що вона виявляється через всі відомі нам закони збереження і забезпечує порядок і стійкість систем. При перетвореннях симетрії будь-яка система залишається незмінною, а це означає, що закони симетрії носять динамічний характер.

Виявлена сучасною наукою ієрархія симетрії відображає властивості ієрархії рівнів структурної організації матерії. У зв'язку з цим виділяють різні форми (від лат. forma — внутрішня організація змісту цілого) симетрії: просторово-часові, калібрувальні та інші. Всі види симетрії можна розділити на зовнішні і внутрішні. Зовнішня симетрія наочна і її можна спостерігати. Внутрішню симетрію візуально спостерігати неможливо, вона глибоко прихована в математичних рівняннях, які описують стан системи.

Зовнішня симетрія — просторова або геометрична — широко представлена в навколишньому світі. Це симетрія молекул, кристалів, живих організмів, будівель, споруд, планетарних систем і багатьох космічних утворень. У будь-якого симетричного об'єкту завжди є який-небудь елемент симетрії — вісь, центр, площина або їх комбінація. При операціях симетрії — поворотах і відображеннях — симетричні структури співпадають самі з собою. Більшість живих організмів володіють достатньо високою зовнішньою симетрією. Погляньте на метелика, березовий листок, струнку ялину або квітку. Майже симетричні зовнішні форми людини, крупних тварин.

Симетрія живих організмів виникла в процесі еволюції життя. Живі організми, що спочатку зародилися в світовому океані, володіли найідеальнішою формою — сферичною. Поширення видів в інші середовища вимагало пристосованості до життя і до переміщень в інших середовищах, до специфічності прояву в них законів природи. Наприклад, конусоподібна форма ялини, що має вертикальну вісь симетрії, пов'язана з необхідністю доступу сонячного світла до нижніх гілок і стійкістю дерева; така форма набувалася поступово в процесі еволюції виду і адаптації до умов зростання, важливе значення при цьому має закон всесвітнього тяжіння. Зовнішня симетрія комах і тварин пов'язана з необхідністю тримати рівновагу при переміщенні, отримувати більше енергії з навколишнього середовища і ефективніше її витрачати. Ще глибшого сенсу набуває симетрія у фізичних і хімічних системах. Найбільш стійкими є молекули, що володіють високою симетрією. Симетрія електронної оболонки у інертних газів зумовлює їх поведінку в хімічних реакціях. Симетрія молекул обумовлює характер молекулярних спектрів. Симетрією володіють всі кристали, що є періодичним повторенням елементарної комірки.

Але і асиметрія в світі достатньо широко поширена. Організми виявляються асиметричними при врахуванні їх внутрішньої будови (серце — зліва, печінка — справа і т.д.). І при дзеркальному відображенні вже не співпадають самі з собою. Їй зобов'язані своїм існуванням дзеркально асиметричні молекули стереоізомерів. Молекула ДНК також асиметрична, причому її спіраль завжди закручується управо. Якщо в неживій природі ліві і праві молекули зустрічаються майже однаково часто, то в живих організмах зустрічається тільки один тип. В.І. Вернадський (1863–1945) — вітчизняний вчений, засновник гео- і біогеохімії, що зробив значний внесок в розвиток вчення про біосферу, припускав, що саме тут проходить межа між хімією живого і неживого. І більш того, живі організми в процесі життєдіяльності отримують з навколишнього середовища переважно хімічні сполуки, молекули яких симетричні, і перетворюють їх на асиметричні сполуки: глюкозу, крохмаль і т.д. Симетрія молекул харчових речовин узгоджується з симетрією молекул живого організму, інакше їжа може виявитися отруйною. Прикладом функціонально асиметричної структури є мозок людини.

Негеометричні симетрії відображають інваріантність законів механіки і електродинаміки щодо перетворень симетрії, симетрію мікросвіту (поняття парності, наявність пар частинка — античастинка). Всі відомі типи взаємодій можна описати за допомогою калібрувальних симетрій — спеціальних перетворень, для яких математики розробили апарат теорії груп. Використовуючи специфічну мову — елементи симетрії, операції симетрії, матриці перетворень, точкові групи, можна описати будь-яку систему. Ідеї симетрії лежать в основі спроб об'єднати всі типи взаємодій в єдину теорію.

Асиметрія і симетрія, будучи фундаментальними властивостями природи, утворюють діалектичну єдність, тісно пов'язані з поняттями стійкості і нестійкості, порядку і безладу, організації і дезорганізації, які відображають властивості станів систем і динаміку процесів їх розвитку, глибинний взаємозв'язок між динамічними і статистичними законами.

Принцип відносності. Принцип відносності вперше був сформульований Галілеєм для механічного руху: ніякими дослідами не можна виявити, знаходиться система відліку в спокої або рухається рівномірно і прямолінійно. Всі подібні системи називають інерціальними. Інерціальна система — це спрощена модель, бо всі реально існуючі системи неінерціальні. Проте у ряді випадків ефекти, пов'язані з неінерціальністю систем невеликі і ними можна нехтувати.

З урахуванням законів Ньютона принцип відносності можна сформулювати таким чином: у інерціальних системах відліку закони класичної механіки мають однакову форму. Пізніше, в кінці XIX століття французький математик і фізик А. Пуанкаре (1854–1912) розповсюдив цей принцип на всі електромагнітні явища. Ще більш узагальнений вигляд він прийняв в теорії відносності, розробленої А. Ейнштейном (1879-1955): закони природи інваріантні щодо інерціальних систем.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Фундаментальні принципи природознавства	\|	Природознавство епохи Відродження

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.017 сек.