Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния. Но этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался. В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.
После замены модели стационарной Вселенной на развивающуюся в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов -- от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, -- несоответствие законов стало еще более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным "возмущением" в целом равновесной Вселенной их не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.
Постулат о способности материи к саморазвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начали осознавать только сейчас. На этой волне и возникла теория самоорганизации. Ее разработка началась несколько десятилетий назад. В настоящее время она развивается по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И.Р. Пригожий) и др. Общий смысл комплекса синергетических (термин Г. Хакена) идей, которые развивают эти направления, заключается в следующем: процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны; процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, при помощи которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые отвечают как минимум двум условиям. Прежде всего, они должны быть:ка». открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой; и существенно неравновесными, или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.: Культура и спорт, 2003.-354с.
Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики -- это определенная идеализация, в реальности они -- исключение, а не правило. Сложнее обстоит дело со Вселенной в целом. Если считать Вселенную открытой системой, то что может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что для вещественной Вселенной такой средой является вакуум.
Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:
1) период плавного эволюционного развития, с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;
2) выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.
Важная особенность второй фазы заключается в том, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров (точка бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости как бы "сваливается" в одно из многих возможных, новых для нее устойчивых состояний. В этой точке эволюционный путь системы, можно сказать, разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана -- решает случай! Но после того как "выбор сделан" и система перешла в качественно новое устойчивое состояние -- назад возврата нет. Этот процесс необратим. А отсюда следует, что «развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но какой именно будет выбран -- однозначно спрогнозировать нельзя.
Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности -- хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении градиентом некоторого критического значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая, структура, похожая на пчелиные соты.
Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики невероятно. Ведь оно свидетельствует, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости, как по команде, начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом движении. Создается впечатление, будто каждая молекула "знает", что делают все остальные, и желает двигаться, в общем строю. (Слово "синергетика", кстати, как раз и означает "совместное действие"). Классические статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь если бы, даже случайно, такая "правильная" и устойчиво "кооперативная" структура образовалась, что почти невероятно, она тут же бы и распалась. Но она не распадается. При соответствующих условиях (приток энергии извне), а, наоборот, устойчиво сохраняется. Значит, возникновение структур нарастающей сложности -- не случайность, а закономерность.
Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других классах открытых неравновёсных систем вроде бы обещает быть успешным: механизм действия лазера; рост кристаллов; химические часы (реакция Белоусова--Жаботинского); формирование живого организма; динамика популяций; рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур. Все это примеры самоорганизации систем самой разной природы.
Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями.
Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).
Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а, скорее, исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.
Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенный возможностей дальнейшей эволюции в точке бифуркации. Следовательно, случайность -- не досадное недоразумение; она встроена в механизм эволюции. А нынешний путь эволюции системы, возможно, не лучше, чем те, которые были отвергнуты случайным временем
Энтропия, в переводе с греческого означает превращение. Все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии. Термодинамическому равновесию системы соответствует состояние с максимумом энтропии. Равновесие, которому соответствует максимум энтропии, называется абсолютно устойчивым. Таким образом, увеличение энтропии системы означает переход в состояние, имеющее большую вероятность. То есть энтропия характеризует вероятность, с которой устанавливается то или иное состояние, и является мерой хаотичности или необратимости. Это мера хаоса в расположении атомов, фотонов, электронов и других частиц. Чем больше порядка, тем меньше энтропия. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.: Высшая школа,1999. -198с.
2. Естествознание и экология. Экологическая обстановка в месте моего проживания
2.1 Взаимосвязь экологии и естествознания
Термин «экология», впервые употребленный немецким биологом Э. Геккелем в 1866 г., обозначает науку о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой.
Сегодня экологическую ситуацию в мире можно охарактеризовать как близкую к критической. Первая Конференция ООН по окружающей среде в 1972 г. официально констатировала наличие на Земле глобального экологического кризиса всей биосферы. Сегодня налицо уже не локальные (региональные), а глобальные (всемирные) экологические проблемы: уничтожены и продолжают уничтожаться тысячи видов растений и животных; в значительной мере истреблен лесной покров; стремительно сокращается имеющийся запас полезных ископаемых; мировой океан не только истощается в результате уничтожения живых организмов, но и перестает быть регулятором природных процессов; атмосфера во многих местах загрязнена до предельно допустимых норм, чистый воздух становится дефицитом; на Земле практически нет ни одного квадратного метра поверхности, где бы не находилось искусственно созданных человеком элементов.
С началом космических полетов проблемы экологии переместились и в открытое космическое пространство. Неутилизированные отходы от космической деятельности человека накапливаются в космосе, что также становится все более острой проблемой.
Возникла еще одна неведомая ранее проблема - экология и здоровье человека. Загрязнение атмосферы, гидросферы и почвы привели к росту и изменению структуры человеческих заболеваний. Появляются новые болезни, принесенные цивилизацией: аллергические, лучевые, токсические.
Каковы же пути решения экологических проблем"? Прежде всего следует перейти от потребительского, технократического подхода к природе к поиску гармонии с нею. Для этого, в частности, необходим ряд целенаправленных мер по экологизации производства: применение природосберегающих технологий и производств, обязательная экологическая экспертиза новых проектов, а в идеале - создание безотходных технологий замкнутого цикла, безвредных как для природы, так и для здоровья человека. Необходим неумолимый, жесткий контроль за производством продуктов питания, что уже осуществляется во многих цивилизованных странах.
Кроме того, нужна постоянная забота о поддержании динамического равновесия между природой и человеком. Человек должен не только брать у природы, но и отдавать ей (посадки лесов, рыборазведение, организация национальных парков, заповедников и т.п.).
Экологический интернационал Зеленого Креста и Зеленого Полумесяца в настоящее время разрабатывает программу по решению проблемы «озоновых дыр» в атмосфере Земли. Следует, однако, признать, что из-за весьма различного уровня социально-политического развития государств мира международное сотрудничество в экологической сфере еще весьма далеко от желаемого и необходимого уровня.
2.2 Экологическая обстановка в городе Новосибирске
Основными источниками загрязнений атмосферы города является автомобильный транспорт (до 66 %), ТЭЦ (до 25 %), коммунальные котельные (до 4 %), предприятия (до 4,5 %) и выбросы частного сектора (печные трубы). Ежегодно в воздушный бассейн выбрасывается 300ч360 тыс. тонн загрязняющих веществ, в том числе тех, концентрация которых превышает предельно допустимые уровни. Более всего воздух в городе загрязнен: формальдегидом (от 3 до 4,5 ПДК), бенз(а)пиреном (до 3 ПДК), диоксидом азота (до 1,2-1,3 ПДК), аммиаком (до 1,2 ПДК), фтористым водородом (до 1,1 ПДК). пылью (до 1,2 ПДК). Именно автомобильный транспорт определяет уровень загрязнения атмосферы города наиболее опасными канцерогенными и мутагенными веществами: на 82,2 % бенз(а)пиреном и на 99,3 % - формальдегидом, а также другими загрязняющими веществами - оксидом углерода (92,9 %) и оксидом азота (28,3 %).
Уровень загрязнения атмосферы Новосибирска, как и многих крупных городов, зависит не только от количества выброшенных в атмосферный воздух загрязняющих веществ, но и от наличия неблагоприятных метеорологических условий - штилей, инверсий температур, туманов -способствующих накоплению вредных примесей в приземном слое воздуха. При неблагоприятных для рассеивания примесей метеорологических условиях, происходит рост концентраций окислов азота, оксида углерода, сажи, пыли. Кроме того, при температуре воздуха свыше 22-24oС и ее небольшом изменении в течение суток в городской атмосфере происходит увеличение содержания формальдегида. В целом рассеивающие способности атмосферы в районе Новосибирска выше чем, например, в Кузбассе и Восточной Сибири, но существенно ниже по сравнению с европейской территорией России, что и отражает повышенный метеопотенциал загрязнения атмосферы.
В городе систематически ведется работа, направленная на снижение загрязнения атмосферы. Существенно сократилось вредное влияние автотранспорта после перевода его в 2000 году на неэтилированный бензин и малосернистое дизельное топливо. Это в частности на 90 % избавило горожан от выбросов автомобилями свинца. Муниципальный транспорт оснащается оборудованием, где в качестве моторного топлива используется сжатый природный газ, что позволяет сократить выбросы оксида углерода в 5 раз, оксидов азота и углеводородов - вдвое, а канцерогенных веществ почти в 100 раз. За последние годы в Новосибирске прошли экологический контроль более 100 тыс. автомобилей. На ТЭЦ постоянно проводятся работы по росту КПД котлоагрегатов, улучшению газоочистки, повышению эффективности золоулавливания, а также подавлению пыления золоотвалов. Введение новых технологий на ряде промышленных предприятий наряду с усилением технологической дисциплины позволило уменьшить загрязнение воздуха в городе.
В реках Обь и Иня большая часть загрязнений поступает транзитом от «сопредельных территорий». На участке Оби от Барнаула до Новосибирского водохранилища вода характеризуется как «загрязненная». Новосибирское водохранилище, являющееся водоемом с высокой самоочищающей способностью, принимая загрязненные воды с территории Алтайского края, способствует улучшению качества воды до «умеренно загрязненной». Однако и город вносит немалый вклад в общую массу загрязняющих веществ, вследствие неорганизованных стоков. В пределах городской черты проявляется недостаток водоохранных зон. В настоящее время весь организованный и неорганизованный поверхностный сток с территории Новосибирска в объёме более 65 млн. м3/год поступает в реки Обь, Иня и их притоки без очистки, загрязняя их взвешенными веществами (27 тыс. тонн/год), нефтепродуктами (1,1 тыс. тонн), плавающими веществами (около тысячи м3, органическими и биогенными веществами, а также химическими веществами различной степени вредности, попадающими без очистки в водоемы (20% от общегородского сброса). В 1982 году в городе построены крупнейшие в Сибири очистные сооружения с полной биологической очисткой общегородского стока, а в 1995 году введена вторая очередь загородного самотечного коллектора. Однако до настоящего времени системой ливневой канализации не охвачено около 70 % территории города. Поэтому замеры обнаруживают содержание загрязнений вод в городе выше допустимых рыбохозяйственных нормативов.
Река Обь является основным источником водоснабжения Новосибирска. Из неё на хозяйственно-питьевые нужды ежегодно забирается четырьмя коммунальными и ведомственным (НЗКХ) водозаборами более 700 млн м3. Из подземных источников отбор воды составляет менее 2 % от общего объема потребления, и это опасно: в случае аварийного загрязнения Оби город может оказаться без воды. Для повышения надежности необходима комбинированная система водоснабжения, в которой определенную долю должна составлять вода из артезианских скважин.
Непростая в Новосибирске и радиационная обстановка. Источниками радиоактивного загрязнения городской среды являются повышенный естественный (природный) радиоактивный фон, техногенные загрязнения, выпавшие еще десятки лет назад радиоактивные осадки от подземных и воздушных ядерных испытаний, проводимых в Казахстане, использование радиоактивных пород в качестве строительных материалов, применение источников ионизирующего излучения в медицинских целях. Определенную опасность для города представляет собой озеро-отстойник в пойме речки Пашенки, куда по трубе-пульпопроводу ранее поступали радиоактивные отходы НЗКХ. Но, пожалуй, наиболее острыми является проблемы, связанные с радиационным воздействием на жителей города природного радона. Новосибирск расположен на гранитных массивах с повышенным содержанием урана-238, продуктом распада которого является радон-222. Суммарная активность радона в почвенном воздухе на территории города по данным ГПП «Березовгеология» изменяется в диапазоне 1000-91000 Бк/м3, в то время как допустимая концентрация составляет всего 200 Бк/м3.
Масштабы электромагнитного загрязнения среды городов стали столь существенны, что ВОЗ включила эту проблему в число наиболее актуальных для человечества. Электромагнитные поля влияют на нервно-гуморальную систему человека, вызывают нарушения обмена веществ, участвуют в сенсибилизации организма. Если ранее основным источником этого рода загрязнений были излучающие электромагнитную энергию 50 Гц высоковольтные линии электропередачи, то за последние годы в городах резко увеличилось количество разнообразных источников электромагнитных полей во вceм частотном диапазоне, вплоть до десятков ГГц. Это системы сотовой связи, большое количество систем мобильной радиосвязи, станций спутниковой связи, радары ГАИ, несколько новых телеканалов и десятки радиовещательных станций, нагревательные элементы и приборы с микроволновым и инфракрасным излучением, терминалы и компьютеры и другие технические системы.
Заключение
Естествознание - наука о природе («естество»-«природа»). Предмет естествознания- факты, явления, которые воспринимаются нашими органами чувств, окружающий нас мир и наше понимание мира. А также - различные формы движения материи в природе; лестница последовательных уровней организации материи и их взаимосвязи; основные формы всякого бытия- пространство и время; закономерная связь явлений природы.
Еще 200 лет назад законы природы представлялись как разрозненные правила, выведенные из опыта и почти не связанные между собой. Многие физики пытались превратить открытые законы, теории, правила, эффекты и явления в строгую науку, но сделать это было не легко .Одни считали, что все явления следует объяснять, опираясь на механику, и что все в природе состоит из мельчайших частиц: атомов, монад, корпускул. Другие настаивали на том, что первичным в природе являются жидкости и что Вселенная заполнена всепроникающей субстанцией - эфиром. Тепло также считали одной из жидкостей, и теория теплорода была весьма популярной основой учения о тепле. Истина рождалась в трудной борьбе идей и мнений.
Во Вселенной течением всех тепловых процессов управляет энтропия, которая возрастает с возрастанием Времени, и величина температуры, как и все другие величины, изменяется со временем и координатами.
Как и все науки, физика пребывает в состоянии непрерывного развития. Постоянно обнаруживаются новые эффекты, открываются связи между разными явлениями природы, формулируются законы.
Самое удивительное в нашем мире - это то, что он познаваем. Но понять его можно только изучив истоки физической науки. Это, может быть, важнее, чем досконально изучить сегодняшние идеи, которые в конце концов могут и сами измениться.
Список литературы
1. Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Академический проект, 2001. - 639 с.
2. Кибец И. Н., Кибец В.И. Физика. Справочник. - Харьков: Фолио ; Ростов н/Д : Феникс, 2003.-566с.
3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.: Высшая школа,1999. - 350 с.
4. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.: Культура и спорт, 2003.-722с.
5. Торосян В. Г. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 2002. - 208 с.
Страницы: 1, 2
