Урок 45. Между порядком и хаосом
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 45 Между порядком и хаосом

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Что характерно для подобных процессов?
Что называют самоорганизацией?
Как проявляется самоорганизация в природе?

Глоссарий по теме:

Самоорганизация – процессы, при которых происходит переход от неупорядоченного (бесструктурного) состояния к упорядоченному (структурированному) состоянию, то есть от хаоса к порядку.

Синергетика (от греч. synergetikos – совместный, согласованно действующий, συν — приставка со значением совместности и ἔργον – деятельность) – междисциплинарная наука, выявляющая общие закономерности в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных структур в неравновесных системах различной природы.

Стрела времени – концепция, описывающая время как математически одномерный объект (прямую), протянутую из прошлого в будущее. Из любых двух несовпадающих точек оси времени одна всегда является будущим относительно другой.

Энтропия – (от греч. ἐντροπία — поворот, превращение) – мера хаотичности системы, состоящей из многих элементов.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с. 204-207.
Ляпцев А. В. Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» // журнал «Естествознание в школе» - 2004. - №3 – с.20-33
Кратчфилд Дж., Фармер Дж., Паккард Н., Шоу Р. Хаос // В мире науки -1987, №2. — С.16-28.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Наука из первых рук - 2013, том 50, №2 URL: https://scfh.ru/search.php?q=хаос
Между порядком и хаосом URL: http://www.xaoc.ru/tag/хаос/page/2

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Рассматривая эволюцию Природы можно наблюдать необратимое и направленное историческое развитие живой природы во времени. При этом возникает ряд вопросов:

Почему материя в своем развитии движется в конкретном направлении – в направлении усложнения организации систем? Вся ли материя подчиненна этому направлению движения? Как удается материи образовывать определенную структуру?

Чтобы ответить на эти вопросы обратимся к выявлению различий в законах движения на уровне микромира и макромира. Нам уже известны основные структуры материи из которых состоит наш мир. Их можно представить как совокупность элементарных частиц вещества и частиц – переносчиков взаимодействий.

Обратимость во времени процессов в микромире в настоящее время достаточно хорошо изучена. Это проявляется в действии законов движения на атомно-молекулярном уровне, которые иллюстрируют, что любой процесс в микромире может протекать как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. обратим.

В то же время, обратимых процессов законов движения на уровне макромира не наблюдается. Время однонаправленно и возвращение в прошлое невозможно. Камень, брошенный вниз, не может самопроизвольно подскочить с земли. Маятник, приведенный в движение, через некоторое время остановится и самопроизвольно, без внешних воздействий на систему, вряд ли начнет двигаться.

Концепция, описывающая время как математически одномерный объект (прямую), протянутую из прошлого в будущее получила название стрела времени. Если мы будем рассматривать в рамках этой теории ось времени как направленную прямую, то из любых двух несовпадающих точек одна всегда является будущим относительно другой.

Причину необратимости многих процессов, происходящих в природе позволяет объяснить хаотичное движение микрочастиц. Мы уже рассматривали при изучении темы «Движение тепла». Например, дым из трубы движется всегда вверх, так как тепло всегда переходит от более горячего тела к более холодному, но никогда не наоборот.

ВременнУю необратимость процессов в макромире описывает второй закон (второе начало) термодинамики. Согласно этому закону в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению неупорядоченности системы, т.е. к увеличению энтропии.

Второй закон термодинамики гласит, что в любой замкнутой системе беспорядок всегда возрастает со временем. Другими словами, число состояний беспорядка всегда гораздо больше, чем состояний порядка (упорядоченных состояний).

Величина, характеризующая меру хаоса в системе называется энтропией.

Системы или вещества с высоким значением энтропии более дезорганизованы, чем с низким, так как в «беспорядочных» системах имеется большое количество возможных состояний, а в «упорядоченных» системах - малая возможность конфигурирования.

Например, у молекул в твердых телах определенная кристаллическая структура, благодаря чему они лучше организованы, и у них ниже значение энтропии. При сообщении телу теплоты и изменении его состояния на жидкое увеличивается уровень его энтропии, так как кинетическая энергия увеличивает колебания молекул, в результате чего их положение становится случайным, при этом реализуется и максимальный «беспорядок» – максимальные возможности конфигурации – стремление к хаосу.

На первый взгляд, по второму закону термодинамики наш мир стремиться к все более неупорядоченному состоянию, т.е. к хаосу. Однако наряду с этими процессами можно наблюдать не только разрушение и беспорядок, но и обратные переходы от хаоса к порядку. Талантливый математик Фрэнк Пламптон Рамсей доказал, что полная неупорядоченность невозможна. Каждое достаточно большое множество объектов обязательно содержит высоко упорядоченную структуру.

Процесс нарушения порядка ведет к разрушению упорядоченности и, в конечном итоге, приводит к бесструктурной, неупорядоченной форме существования материи с максимальной энтропией системы, т.е. к хаосу. Однако элементы материального мира, сколь бы хаотичными они ни казались, всегда составляют некоторую структуру. И тогда хаос может выступать как сверхсложная упорядоченность.

Сегодня мы знаем, что хаос и порядок дополняют друг друга и рост энтропии в системах не хаотичен. Понимание этого факта повлекло изменения в восприятии Вселенной. Согласно современным концепциям, Вселенная расширяется хаотично, однако внутри этого хаоса существует определенный порядок.

В последние годы ученые все больше задаются вопросами о предсказуемости хаотического поведения элементов системы, а так же прогнозированием того как небольшие изменения отдельных элементов (или их поведения) влияют на возникновение огромных последствий для всей системы в будущем.

В поисках решений этих вопросов помогает синергетика, новое направление в науке, которое образовалось в начале 70-х годов XX века. Синергетика изучает процессы образования новых структур и выявляет общие закономерности в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных структур. Термин «синергетика» в 1969 году ввёл Герман Хакен (университет Штутгарта. Германия), образовав его из греческих слов син — «совместное» и эргос — «действие», то есть согласованно действующий. В 1977 году вышла его книга «Синергетика», в которой были представлены концепции, методы, представления об экспериментально обнаруженных явлениях самоорганизации в области физики, химии, биологии, климатологии и других естественных наук.

Хакен предложил понимать под синергетикой область науки, которая занимается изучением природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем. Самоорганизация - процесс, при котором происходит переход от неупорядоченного состояния к структурированному состоянию, т.е. от хаоса к порядку.

Приведем несколько примеров самоорганизации в Макро – и Мегамире.

Речь человека. Напрягая определенные мышцы и выдувая воздух, мы создаем звуковую волну, упорядоченную во времени. В музыкальных инструментах (как струнных, так и духовых) происходят аналогичные процессы. Рассмотренные примеры иллюстрируют процессы генерация звуковых волн или автоколебания.

Автоколебания управляют и работой сердечной мышцы, стимулируя все части сердца сокращаться в нужные моменты времени.

Все живое в нашем мире тесно взаимосвязано. Законы, описывающие процессы самоорганизации являются более общими, чем, например биологические законы, и связывают эволюцию живой и неживой материи. Экспериментальные данные, полученные в реальной и многокомпонентной среде с множеством неучтенных взаимодействий, указывают на факт наличия устойчивых колебаний популяций. Современная наука рассматривает колебания численности популяций как авторегулируемый процесс. Наиболее ярко проявляется у быстроразмножающихся видов. Например, у мышевидных грызунов примерно раз в 4 года численность возрастает многократно, затем происходит резкий спад численности.

Рассмотренные примеры отражают качественные особенности процессов самоорганизации. Все процессы самоорганизации связаны общей закономерностью.

О единстве законов самоорганизации можно судить по внешнему сходству циклонов и спиральных галактик. Газы, пыль, рассеиваясь в пространстве, образуют бесструктурный хаос составляющих его молекул и атомов. Однако под влиянием движения, течений и других процессов возникает структура турбулентных потоков, завихрений и т.д., которые могут в определенных энергетических условиях формировать структурированные формы вещества во Вселенной.

Приведем еще один пример самоорганизации материи в физических системах. Рассмотрим поведение вязкой жидкости при воздействии температуры, в частности растительного масла на сковороде, стоящей на огне.

Нальем на сковороду тонкий слой растительного масла и будем нагревать сковороду на огне, поддерживая температуру масляной поверхности постоянной, то при слабом нагреве – малых тепловых потоках – жидкость остается спокойной и неподвижной. Это типичная картина состояния, близкого к равновесному порядку. Если сделать огонь побольше, увеличивая тепловой поток, то через некоторое время вся поверхность масла преображается, разбиваясь на правильные шестигранные или цилиндрические ячейки. Это превращение называется явлением Бенара, или ячейки Бенара (по имени французского исследователя, одним из первых изучившего конвективную неустойчивость жидкости). Если и дальше увеличивать тепловой поток, то ячейки разрушаются – происходит переход от порядка к хаосу (П→Х). При еще больших тепловых потоках наблюдается чередование этих переходов: Х→П→Х→П→...и т.д.

Естественное образование подобного рода структур можно наблюдать на солнечной поверхности. Гранулы на Солнце непрерывно рождаются и умирают. Соответствующие структуры называются ячейками Бенара.

В последние десятилетия в современном мире возникает круг задач, связанных с самоорганизации в социальных системах, отрабатываются различные методы анализа исторических событий, а компьютерное моделирование выступает как инструмент прогнозирования и описания рисков возникновения и развития природных и техногенных катастроф. Таким образом, синергетика с помощью компьютерного моделирования социальных процессов позволяет осознавать принципиальные трудности, меняющие траекторию развития государств, этносов или цивилизации в целом.

Выводы:

В природе постоянно и повсеместно происходят процессы образования новых структур (самоорганизация), а также процессы их разрушения. Внешние проявления процессов самоорганизации могут существенно различаться, в тоже время, все они обладают сходными качественными особенностями. Это позволяет описывать процессы одинаковыми математическими уравнениями.

Общая закономерность для всех процессов самоорганизации проявляется в следующем: при влиянии на некоторую систему какого- либо неупорядоченного внешнего воздействия, в ней возникают упорядоченные временнЫе и пространственные структуры. Общие закономерности в изменении структур различной природы (физических, химических, биологических, технических, экономических, социальных) изучает синергетика.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Заполните пропуски в тексте.

В природе постоянно происходят как процессы _________, так и процессы их разрушения. Несмотря на то, что внешние проявления самоорганизации различаются, все их можно описывать __________ математическими уравнениями.

Возможные варианты правильных ответов:

А: образования новых структур ИЛИ самоорганизация; В: одинаковыми.

Задание 2. Экономические и социальные системы описываются обобщающими параметрами. Установите соответствие между утверждениями, которые можно отнести к описанию порядка, а какие к хаосу.

Утверждения

Наличие количественной и качественной параметризации;
Формализация, стандартизация и унификация процессов;
Органические спонтанные процессы;
Результат есть функция от многих управляемых компонентов внешней и внутренней среды организации;
Факторы обеих сред НЕ: управляемые, контролируемые, предсказуемые и познаваемые вообще, прямого (косвенного) воздействия, регулируемые по стоимости и др.
Отсутствие какой-либо внятной параметризации;
Результат есть функция от времени, энергии (силы) и меры (гармонии).
Факторы внешней и внутренней среды полностью или частично: управляемые, предсказуемые и прогнозируемые, контролируемые, регулируемые в области затрат и др.

Переместите каждое утверждение в соответствующий столбец таблицы

ПОРЯДОК

ХАОС

Правильный ответ:

Описание порядка – 1,2,4,8; Описание хаоса – 3,5,6,7

ПОРЯДОК

ХАОС

1.Наличие количественной и качественной параметризации

6. Отсутствие какой-либо внятной параметризации

2.Формализация, стандартизация и унификация процессов;

3. Органические спонтанные процессы;

4.Результат есть функция от многих управляемых компонентов внешней и внутренней среды организации

7. Результат есть функция от времени, энергии (силы) и меры (гармонии).

8.Факторы внешней и внутренней среды полностью или частично: управляемые, предсказуемые и прогнозируемые, контролируемые, регулируемые в области затрат и др.

8. Факторы обеих сред НЕ: управляемые, контролируемые, предсказуемые и познаваемые вообще, прямого (косвенного) воздействия, регулируемые по стоимости и др.

Пояснения: Порядок проявляется в упорядочивании процессов, факторы внешней и внутренней среды полностью или частично поддаются прогнозированию и управлению, что позволяет эти процессы формализовать, стандартизировать и унифицировать; хаос проявляется как процесс разрушения старой параметризации с образованием новой при неуправляемости, неконтролируемости и непредсказуемости факторов внешней и внутренней среды. Описание порядка – 1,2,4,8; Описание хаоса – 3,5,6,7