Презентация "Самоорганизация сложных природных систем" (10 класс) по физике – проект, доклад

Самоорганизация сложных природных систем

Иерархия структурных форм материи

Формы неживой материи: вакуум, поля, элементарные частицы, ядра атомов, атомы, молекулы,

макротела, планеты и планет-ные системы, звезды, галактики, Вселенная.

Признак иерархической системы: Каждая последующая структурная форма является более сложной, т.к. включает в качестве составной части предыдущую, более простую форму, при переходе от менее сложных к более сложным формам появляются качественно новые свойства.

Эволюционная парадигма

Структурное разнообразие в природе можно рассматривать как результат последовательно происходящих в ней качественных изменений. Описание процессов возникновения качественно новых структур связано с переходом к эволюционной парадигме. Существенной особенностью эволюционного естествознания является: Рассмотрение многообразия и иерархичности материальных структур как закономерного результата всеобъемлющего эволюционного процесса; Поиск закономерностей, единых для всех разнообразных процессов развития – фундаментальных законов эволюции.

Неравновесные термодинамические системы

Неравновесная термодинамика исследует необратимые процессы в неравновесных открытых системах. Это такие системы, в которых неравновесное состояние поддерживается стационарно притоками энергии и вещества извне. В неравновесной термодинамике определяются условия, при которых энтропия открытых систем может убывать, что означает возрастание упорядоченности в таких системах, формирование в них новых структур.

Неравновесная термодинамика

Идеи неравновесной термодинамики, выдвинутые бельгийским физиком российского происхождения Ильей Романовичем Пригожиным (1917-2003) (Нобелевская премия 1977 г.), послужили основой принципиально нового подхода в объяснении возникновения упорядоченных структур как в физике и химии, так и в биологии. Эволюция сложных природных неравновесных систем рассматривается как процесс самоорганизации в них. Самоорганизация означает образование в системе определенной упорядоченной структуры без внешнего организующего воздействия.

Сильнонеравновесные системы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, имеющими, вообще говоря, не единственное решение. Каждое решение соответствует определенному типу поведения системы. При возрастании т.н. термодинамических сил, характеризующих неравновесность системы (например, градиенты температуры), состояние неравновесной системы теряет устойчивость. Малые вариации условий могут повлечь за собой резкое изменение состояние системы. При этом возрастает роль флуктуаций, возникающих благодаря неконтролируемому воздействию извне. В равновесных системах флуктуации релаксируют и исчезают, в неравновесных системах флуктуации могут разрастаться, создавая новый тип поведения.

Наблюдается когерентное (согласованное) поведение различных элементов системы, приводящее к созданию новой стационарной структуры, существующей лишь в неравновесных условиях. Пример – ячейки Бенара, упорядоченные конвективные структуры в слое жидкости, перпендикулярно которому направлен достаточно мощный и однородный тепловой поток. При этом флуктуация разрастается на всю систему, в ней устанавливается определенный порядок, в когерентное движение вовлекается больше 1000 частиц.

Ячейки Бенара

Самоорганизация в природе: Бинарные коллоидные самоорганизованные системы: вид поверхности. Большие частицы - полистирол, маленькие - диоксид кремния. Маленькие частицы аккуратно заполняют вакансии в плотнейшей упаковке больших частиц.

Самоорганизация в природе: Бинарные коллоидные самоорганизованные системы: вид поверхности. Большие частицы - полистирол, маленькие - диоксид кремния. Показан любопытный переход из гексагональной упаковки в квадратную.

Самоорганизация в природе: Бинарная коллоидная система, полученная при самоорганизации монодисперсных бинарных дисперсий, подвергнутых усушке на плоской поверхности. Все коллоидные частицы - диоксид кремния: большая - 750 нм, маленькая – 280 нм. По сути артефакт - хотя соотношение размера и числа частиц и варьировалось в целенаправленно, эта симметричная структура - практически уникальна.

Самоорганизация в природе: Тетраподы ZnO, полученные в горизонтальной трубчатой печи из газовой фазы путем испарения порошка металлического Zn и последующего окисления его в потоке Ar/O2.

Неравновесные стационарные структуры (НСС) принципиально отличаются от равновесных упорядоченных структур (например, кристаллов). Структуры, возникающие как результат самоорганизации в сильнонеравновесных системах, называются диссипативными, поскольку они существуют лишь за счет достаточно больших потоков энергии извне и способствуют эффективному рассеянию (диссипации) энергии. НСС образуются в короткий промежуток времени в результате быстрой качественной перестройки системы, напоминающей фазовый переход (смену агрегатного состояния).

Диаграмма, отражающая смену термодинамической ситуации в неравновесной системе. Линии на диаграмме символизируют различные типы поведения системы. Точка В – одна из точек бифуркации.

В нулевой точке система находится в равновесном состоянии. При появлении движущей силы и возрастании потока система становится неравновесной. Вблизи нуля (область 1) система слабо-неравновесна, линейна и детерминирована. Возникающие в ней флуктуации затухают.

При достижении движущей силой достаточного большого значения система меняет свое поведение, становится нелинейной (область 2), все более заметную роль начинают играть флуктуации.

В области 3 система становится неустойчивой. Флуктуации не гасятся, а усиливаются за счет обратных связей в системе и захватывают всю систему. Вместо одного варианта развития возможно несколько новых. Поскольку флуктуации возникают случайно, то и выбор системой одного из новых вариантов своего поведения непредсказуем.

Состояние, при котором в сильнонеравновесной и неустойчивой системе происходит переход к новому типу поведения, называется точкой бифуркации. Выбор нового варианта поведения носит вероятностный характер, что делает процесс эволюции системы принципиально необратимым. После осуществления выбора поведение системы на некотором отрезке (область 3) становится прогнозируемым. Таким образом, в поведении открытой сильнонеравноесной системы сочетаются случайность и детерминированность.

При дальнейшем увеличении движущих сил возникают новые бифуркации и ветвления (область 4). Системы, в которых бифуркации множественны, в ходе эволюции достигают такой степени запутанности поведения, что сложность становится беспорядком.

Процессы упорядочения и закон возрастания энтропии

Когда система находится в неравновесном состоянии, и нет внешнего воздействия, то возникающие процессы переноса приводят систему в состояние ТД равновесия в соответствии с законом возрастания энтропии. Если состояние неравновесно, и процессы переноса достаточно интенсивны, то на фоне общего стремления к равновесию могут возникать подсистемы, в которых энтропия локально убывает, а упорядоченность возрастает. В изолированной системе локальное уменьшение энтропии является временным, в открытой системе возможно возникновение стабильных диссипативных упорядоченных структур.

Локальное понижение энтропии, соответствующее локальной упорядоченности, обычно ничтожно мало по сравнению с суммарным увеличением энтропии системы в целом. Рождение локальных упорядоченных структур приводит к ускорению общего увеличения энтропии. Процесс образования упорядоченных структур в сильнонеравновесных системах неизбежен, он отражает стремление системы перейти к равновесному состоянию. Упорядоченные структуры реагируют на изменение внешних условий более чутко и разнообразно, могут легко разрушаться или превращаться в новые структуры.

Нередко образование новой структуры невозможно без наличия предыдущей. В этом случае изменение состояний системы при изменении условий ее существования представляет собой однонаправленный процесс смены в ней одного порядка на другой, т.е. эволюцию . В результате эволюции возникают новые упоря-доченные системы, которые заменяют собой старые, когда происходит изменение внешних условий. Изменения могут быть вызваны, в том числе, и существованием данной упорядоченной подсистемы. В этом случае появляется основа для развития иерархических упорядоченных структур.

Явления эволюции и самоорганизации могут наблюдаться в любых сильнонеравновесных системах: в масштабе Вселенной самоорганизация проявилась в эволюции космологических систем; при формировании геологического облика Земли – в геологической эволюции; эволюция живых организмов, биологических видов и популяций. к процессам самоорганизации относятся корпоративное поведение насекомых, регенерация живых тканей, вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.

Эволюция и стрелы времени

С понятием эволюции тесно связано понятие времени как возраста природных систем. В рамках эволюционной концепции для любого объекта необходимо рассматривать рождение (самоорганизацию), развитие (смену упорядочен-ных форм) и распад (переход к неупорядоченному равновесному состоянию). Последовательность этих стадий задает стрелу времени. Различным иерархическим уровням организации материи соответствует различный масштаб шкалы времени. Направленность же стрелы времени едина и определяется сутью процессов эволюции. Эволюционные процессы необратимы, необратимо и время.

В различных науках о природе эволюционные представления о природе формировались достаточно независимо, поэтому выделяют биологическую стрелу времени (развитие живых организмов), геологическую стрелу времени (формирование Земли), гелиологическую стрелу времени (возникновение и эволюция Солнечной системы), и наконец космологическую стрелу времени (эволюция Вселенной). Эволюционные процессы всех подсистем Вселенной можно рассматривать как составляющие единого эволюционного процесса.

По мере расширения и остывания Вселенной происходит последовательный рост разнообразия и сложности форм материи. Приведенная схема является, по сути, бифуркационной структурой. В точках бифуркации возникают новые материальные структуры, имеющие свою стрелу времени. Такое представление демонстрирует единство всего материального мира, а также увеличение разнообразия и сложности создаваемых Природой материальных объектов.