Описание физической реальности с помощью сил, полей, экстремалей.

Физика. Астрономия. Космология.

Физика описывает фундаментальную материю, взаимодействие и движение материи. a=t/m …..

Сила сообщает телу ускорение. дифференциальные ур-ния имеют бесконечное кол-во решений,но не смотря на это сущ-вует теорема единственности. ТЕОРЕМА: Если известно состояние системы в некоторый момент t=0 ,известны силы, действующие на систему, тогда соотнесенные дифференциальные ур-ния имеют единственное решение. В физике появляются более сложные Ур-ния но на самом деле они мало чем отличаюся. Главный недостаток описания с помощью системы СИ: . Есть силы, которые действуют на близком расстоянии, но есть и дальнодействующие силы(солнце притягивает Землю, электрические силы,магнитные).С 18 века описание с помощью электрических и магнитных полей.Тело(или тепло-списываю с конспекта,хрен разберешь) создает вокруг себя некое физ поле ,которое воздействует на предметы .Поле распространяется с конечной скоростью, как правило,со скоростью света…каждое поле имеет математическое описание. Поле в науке- конкретная вещь: температ. Поле, векторное…в В каждой точке пространства- вектор ускорения(скорости),вызванный гравитацией .Пространство заполнено различными полями ,взаимодействе между отдельными обьектами осущ. через поле наход между ними .В механике в 18 веке выяснилось,что движение реальной системы осущ. таким образом что некоторые величины достигают минимальных значений…-принцип наименьшего действия…Финальная траектория-та на которой действие достигает мин значения.Все три подхода эквивалентны,дают одинаковый результат.

В воде свет распространяется медленнее чем в воздухе, угол падения=углу отражения( примеры какие-то,просто списал из конспекта)

Первое и второе начало термодинамики.

Первое начало термодинамики

( краткий вариант )

Первое начало термодинамики обычно формулируется в виде утверждения:

При переходе из состояния 1 в состояние 2 поглощенное телом тепло расходуется на совершение механической работы и увеличение внутренней энергии системы:

(3)

( - изменение внутренней энергии системы).

Все входящие в данное соотношение величины могут принимать положительные и отрицательные значения: тепло положительно, если оно поглощается системой, и отрицательно, если оно отдается; работа положительна, если она совершается системой над внешними телами, и отрицательна, если работа совершается над системой; изменение внутренней энергии положительно, если поглощенное тепло больше, чем совершенная работа, если же тепла поглощается меньше, чем производится работы (например, при адиабатическом расширении), то внутренняя энергия системы уменьшается: .

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ один из основных законов термодинамики, закон возрастания энтропии: в замкнутой, т. е. изолированной в тепловом и механическом отношении, системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума. Другие эквивалентные формулировки:.

1) невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус);.

2) невозможно создать периодически действующую (совершающую какой-либо термодинамический цикл) машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответственно охлаждению теплового резервуара (У. Томсон, М. Планк);.

3) невозможно построить вечный двигатель 2-го рода (В. Оствальд).

( толкование в энциклопедии )

4) а)Невозможна самопроизвольная передача теплоты от холодного тела к теплому.

б) Никакой двигатель не может преобразовывать теплоту в работу со стопроцентной эффективностью.

в) В замкнутой системе энтропия не может убывать.

( Энтропия (от греч. entropía — поворот, превращение), понятие, впервые введенное в для определения меры необратимого рассеяния энергии. Э. широко применяется и в других областях науки: в как мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации как мера неопределенности какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы. В термодинамике понятие «Э.» было введено Р. Клаузисом (1865), который показал, что процесс превращения теплоты в работу следует общей физической закономерности - второму началу термо динамики)

Самоорганизация.

САМООРГАНИЗАЦИЯ - целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Свойства самоорганизации обнаруживают объекты различной природы: клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив. Термин "самоорганизующаяся система" ввел английский кибернетик У. Р. Эшби (W.R. Ashby, 1947).

Самоорганизация – процесс превращения из чего – то простого чего – то сложного. В природе этот процесс происходит сам по себе ( в астрономии из диффузного облака появляется звезда). Синергетика – наука , изучающая возникновение структур из хаоса.

( из конспекта)

Самоорганизация

Почему из хаоса возникают сложные, упорядоченные системы.

Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.

В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.

Разномасштабные самоорганизующиеся системы независимо от того, к какому разделу науки они относятся, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям.

Разработкой теории самоорганизации занимаются несколько научных дисциплин:

1. Термодинамика неравновесных (открытых) систем.

2. Синергетика.

3. Теория катастроф.

Стрела времени.

Время - неотъемлемая составляющая нашего бытия. Веками пленяло оно воображение художников, философов, поэтов. Включение времени в галилеевскую механику ознаменовало рождение новой науки. Центральное место нашего пособия - проблема стрелы времени (это понятие ввел в 1928 году Артур Эддингтон). Ведь в том виде, в каком время входит в основные законы физики, оно само не вносит никакого различия между прошлым и будущим! Многие нынешние физики воспринимают отрицание стрелы времени как постулат: до тех пор и покуда речь идет о фундаментальном уровне описания, ее не существует.

Тем не менее во всех явлениях макроскопической физики, химии, геологии, биологии или гуманитарных наук будущее и прошлое неравноправны - в них присутствует стрела времени. Каким же образом, где она возникает, если в исходных физических законах ее нет? Откуда появляется асимметрия между прошлым и будущим? Или, может быть, воспринимаемая нами направленность времени - это не более чем иллюзия? Так мы приходим к главному парадоксу времени.

Парадокс времени не был осмыслен вплоть до второй половины XIX века. В те годы законы динамики уже давно воспринимались как выражающие идеал объективного знания. А поскольку из этих законов следовала эквивалентность прошлого и будущего, любые попытки ввести стрелу времени в фундамент физики наталкивались на упорное сопротивление - их рассматривали как покушение на этот идеал и предпочитали возлагать ответственность за различие между прошлым и будущим на наблюдателя, привносящего в описание явлений разные приближения, неточности.

Однако сейчас разделять эту точку зрения уже невозможно. В последние десятилетия родилась новая наука - физика неравновесных процессов, связанная с понятиями самоорганизации и диссипативных структур. Если прежде стрела времени проникала в физику через такие простые процессы, как диффузия и вязкость, которые еще можно понять, исходя из обратимой во времени динамики, то ныне ситуация иная. Теперь мы знаем, что необратимость приводит к множеству новых явлений - образованию вихрей, колебательным химическим реакциям или лазерному излучению. Во всем этом необратимость играет конструктивную, организующую роль. Невозможно представить жизнь в мире, лишенном взаимосвязей, которые создаются принципиально необратимыми процессами. Следовательно, утверждать, будто стрела времени - "всего лишь феноменология" и обусловлена способом нашего описания природы, с научной точки зрения абсурдно.

Парадокс времени ставит перед нами проблему содержания и роли законов природы. Отождествление науки с поиском этих законов, по-видимому, есть характерная черта западного мышления. Прототипом универсального закона природы может служить один из законов Ньютона, который кратко формулируют так: ускорение пропорционально силе. Этот закон имеет две важные особенности. Он детерминистичен: коль скоро начальные условия известны, мы можем предсказывать движение. И он обратим во времени: между предсказанием будущего и восстановлением прошлого нет никакого различия; иными словами, движения от текущего к будущему состоянию и обратно - от текущего к начальному - равноправны.

Закон Ньютона лежит в основе классической механики - науки о движении материи, о траектории. С начала XX века границы физики значительно расширились, теперь у нас есть квантовая механика и теория относительности, но основные отличительные особенности закона Ньютона - детерминизм и обратимость во времени - сохранились.

Понятие "закон природы" заслуживает более подробного анализа. Мы настолько привыкли к нему, что оно воспринимается как трюизм, как нечто само собой разумеющееся. Однако в других картинах мира привычная нам концепция закона природы отсутствует. По Аристотелю, живые существа не подчиняются никаким законам; деятельность этих существ обусловлена автономными внутренними причинами, каждое из них стремится к достижению своей собственной истины. А в Китае господствовали взгляды об изначальной гармонии космоса, некоем статическом равновесии, связывающем воедино природу, общество и небеса. Идея о том, что в мире могут действовать законы, вызрела в недрах европейской цивилизации. Значительное влияние на формирование представлений о законах природы оказала Библия с ее Всеведущим и Всемогущим божеством.

Однако на протяжении всей истории западной мысли неоднократно поднимался один и тот же вопрос: что есть возникновение нового в мире, управляемом детерминистическими законами?

Впервые этим вопросом задались задолго до рождения современной науки. Платон связывал разум и истину с "миром идей" - высшим бытием, не подверженным изменениям, текучести реального мира с его постоянным "становлением". Становление - неиссякаемый поток воспринимаемых нами явлений - философ относил к сфере чистого мнения. Однако Платон сознавал ущербность такой позиции, поскольку она принижала и жизнь, и мысль. В "Софисте" он приходит к заключению, что необходимы и бытие, и становление.

С той же трудностью столкнулись и атомисты. Чтобы допустить возникновение нового, Лукрецию пришлось ввести "клинамен" - некий фактор, возмущающий свободное падение атомов в пустоте.

Обращение к клинамену часто подвергалось критике за введение в атомистическое описание чужеродного элемента. Но и через два тысячелетия мы встречаем аналогичную попытку в работе Эйнштейна, посвященной спонтанному испусканию света возбужденным атомом. Параллелизм особенно неожиданный, если мы вспомним, что Лукреций и Эйнштейн разделены, по-видимому, величайшей революцией в наших отношениях с природой - рождением новой науки.

И клинамен, и спонтанное испускание света относятся к событиям, иными словами, к реализациям определенных возможностей, заданных своими вероятностями. События и вероятности фигурируют в теориях эволюции, будь то дарвинизм или история человечества (мы увидим, что события также связаны с термодинамической стрелой времени в области сильно неравновесных процессов). Можно ли пойти дальше, чем Лукреций и Эйнштейн, "добавившие" события к детерминистическим законам? Можно ли "видоизменить" само понятие физического закона так, чтобы включить в наше описание природы необратимость? Принятие такой программы повлекло за собой основательный пересмотр законов природы, который стал возможен благодаря замечательным успехам, связанным с идеями неустойчивости и хаоса.

Начнем с рассмотрения классической динамики. Представляется, что все системы, описываемые законами Ньютона, в чем-то одинаковы. Конечно, каждому известно, что рассчитать траекторию системы трех тел, например Солнца, Земли и Юпитера, труднее, чем траекторию падающего камня, но эти трудности считали непринципиальными, связанными только с большим объемом вычислений. Однако в последние десятилетия выяснилось, что подобное мнение неверно - не все динамические системы одинаковы. Оказалось, что такие системы подразделяются на устойчивые и неустойчивые. Так, маятник устойчив: слабые возмущения мало сказываются на его движении; но для большинства динамических систем малые начальные отклонения постепенно возрастают. Крайний случай неустойчивых систем - так называемые хаотические системы, для которых описание в терминах траекторий становится недостаточным, поскольку первоначально сколь угодно близкие траектории со временем экспоненциально расходятся.