Презентация Концепции современного естествознания. Фундаментальные неклассические модели (лекция 6) онлайн

Содержание слайда: Концепции современного естествознания. Вечернее отделение Лекция 11.11.2016

Содержание слайда: Фундаментальные неклассические модели

Содержание слайда: Характеристики состояния могут флуктуировать Флуктуация (лат. fluctuatio - беспокойное движение) – случайное отклонение значения физической величины от ее среднего значения Дисперсия (= неопределенность) – численная мера флуктуаций A = <A> ± ΔA

Содержание слайда: С точки зрения неклассической стратегии изучения природы среди многих характеристик состояния объекта может оказаться С точки зрения неклассической стратегии изучения природы среди многих характеристик состояния объекта может оказаться пара различных величин А и В, дисперсии (неопределенности) которых обнаруживают согласованное поведение, т.е. коррелированны между собой, Одно состояние – две характеристики. Идея целостности

Содержание слайда: Взаимная обусловленность поведения (корреляция) имеет место не для одной, а для пары различных характеристик состояния, называемых сопряженными. Взаимная обусловленность поведения (корреляция) имеет место не для одной, а для пары различных характеристик состояния, называемых сопряженными. В данном состоянии подстройка взаимного поведения происходит на уровне не самих средних значений характеристик, а их флуктуаций относительно средних значений. При этом произведение дисперсий (неопределенностей) обеих сопряженных характеристик (ΔА· ΔВ) выступает как единая целостная величина, которая не может быть меньше некоторого значения R, характерного для данного состояния

Содержание слайда: Соотношения неопределенностей

Содержание слайда: Анализ СН => систему из равновесного состояния вывести довольно сложно. Большие флуктуации маловероятны. 2 начало термодинамики: замкнутая система стремится к состоянию теплового равновесия.

Содержание слайда: Необратимые процессы в природе:

Содержание слайда: В природе реализуются процессы, которые не могут протекать в обратном порядке. В природе реализуются процессы, которые не могут протекать в обратном порядке. Эти процессы называются необратимыми Им соответствует реальное время, которое всегда устремлено от прошлого к будущему – стрела времени. Ход реального времени проявляется себя через необратимые изменения, происходящие в системе

Содержание слайда: Расширение газа необратимо

Содержание слайда: Расплывание дымового облака необратимо

Содержание слайда: Установление теплового равновесия – необратимый процесс

Содержание слайда: Необратимость тепловых явлений Реальные физические, химические и др. процессы сопровождаются либо трением, либо другими формами потери (диссипации) энергии В любом случае, часть энергии тела переходит в некачественную энергию необратимого стохастического движения частиц – теряется безвозвратно!

Содержание слайда:

Содержание слайда: Упорядочение под действием магнитного поля (внешнее воздействие)

Содержание слайда: Возникновение структуры в результате регулярного воздействия звуковых волн

Содержание слайда: Пример использования в искусстве структур, возникающих в результате регулярного воздействия CYMATICS: Science Vs. Music - Nigel Stanford https://vimeo.com/111593305

Содержание слайда: Парадокс

Содержание слайда:

Содержание слайда: КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ

Содержание слайда: Примеры самопроизвольно возникающих структур в неживой природе Примеры самопроизвольно возникающих структур в неживой природе

Содержание слайда:

Содержание слайда: Self-Organized Criticality, SOC

Содержание слайда: Моделирование снежной лавины и песчаного оползня

Содержание слайда:

Содержание слайда: В технологии – лазер Образование когерентных электромагнитных волн, способных к интерференции –самоорганизация

Содержание слайда: Волновые цуги, испущенные из лампы (а), из лазера (б).

Содержание слайда: Установление генерации в лазере

Содержание слайда: Колебания численности хищников и жертв (рейдеры и предприниматели)

Содержание слайда: Волны химической активности (реакция Белоусова-Жаботинского)

Содержание слайда: Образование структуры на поверхности смеси реагирующих веществ (реакция Белоусова-Жаботинского)

Содержание слайда: Примеры спиральных структур в природе: - колонии микроорганизмов; - ритмичные сокращения сердечной мышцы вызываются спиральной волной возбуждений - обратное явление –фибрилляция, беспорядочные сокращения, приводящие к гибели.

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: УСТАНОВЛЕНИЕ ПОРЯДКА сопровождается 1. Возникновением корреляции между элементами или характеристиками системы 2. Понижением однородности и симметрии системы 3. Обычно понижением энтропии.

Содержание слайда: Концепция самоорганизации Во многих специальных условиях в открытой системе спонтанно возникает упорядоченность. Для этого не требуется никаких специальных внешних управляющих факторов.

Содержание слайда: Самоорганизация – это спонтанное возникновение упорядоченности В природе есть ситуации, когда при сочетании определенных условий порядок самопроизвольно возникает из хаоса При этом индивидуальные свойства отдельных объектов подавляются в пользу коллективных

Содержание слайда: Источник упорядоченности - спонтанное нарушение симметрии Стохастическое воздействие окружения во многих случаях приводит к спонтанному нарушению симметрии и возникновению упорядоченности в достаточно больших масштабах

Содержание слайда: НЕравновесность НЕзамкнутость НЕлинейность

Содержание слайда: Особенности самоорганизации: 1. Сильный рост флуктуаций – предвестник новой структуры 2. Упорядоченная структура возникает внезапно (пороговый характер)

Содержание слайда: 3. Упорядоченность возникает на больших расстояниях 3. Упорядоченность возникает на больших расстояниях 4. Дальнодействующая корреляция – согласованность поведения большого числа частиц. 5. Целостность. Поведение системы нельзя вывести из свойств ее элементов – появляются новые эмерджентные свойства (от англ. emergency – внезапность)

Содержание слайда: Фейнманов подход в явлении самоорганизации: Проявляется интенсивное взаимодействие объекта и окружения: -- Объект испытывает неконтролируемое стохастическое воздействие -- При этом объект обменивается с окружением веществом и энергией!

Содержание слайда: При самоорганизации Возникающая система поддерживается в упорядоченном состоянии за счет поддержания неравновесного состояния

Содержание слайда:

Содержание слайда: Упорядоченное движение – режим поведения

Содержание слайда: В обычных изолированных системах с трением: - колебания затухают, - энергия расходуется на преодоление трения, - происходит нагрев, - возможно разрушение структуры, - энтропия растет.

Содержание слайда: Нелинейные открытые системы с трением со временем приходят в новое устойчивое упорядоченное состояние – аттрактор attraction (англ. – влечение, притяжение)

Содержание слайда: Аттрактор (attract – притягивать англ.)

Содержание слайда: В области нелинейности: новая структура или режим поведения системы приобретает устойчивость.

Содержание слайда: Диссипативные структуры отличаются от других упорядоченных систем, например, кристаллов Кристаллы- это упорядоченные равновесные структуры. Они устойчивы безотносительно к диссипации энергии Устойчивость диссипативных структур обеспечивается благодаря поддержанию неравновесных условий

Содержание слайда: Не всякое упорядочивание – самоорганизация! При замерзании воды образуется лед – более упорядоченная система

Содержание слайда: Система функционирует как бы «вопреки» II началу термодинамики, т.е. происходит уменьшение ее энтропии Это возможно, т.к. система не изолирована от окружения, а получает от него энергию и теряет ее

Содержание слайда: Развитие через бифуркации В своем развитии диссипативная структура проходит через состояния, в которых точный прогноз ее поведения на отдаленное будущее невозможен. Эти состояния – точки бифуркации

Содержание слайда: В. Васнецов. Витязь на распутье, 1882 г. (Холст, Масло) Государственный Русский музей, Санкт-Петербург

Содержание слайда:

Содержание слайда: Пример бифуркаций – филогенетическое дерево

Содержание слайда: Самоорганизация в природе Пространственное распределение особей в животном мире Структура колоний микроорганизмов Развитие живых организмов в ходе онтогенеза Узорчатая раскраска животных

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: н

Содержание слайда: Изменение структуры раскраски при изменении размеров животного

Содержание слайда: Ячейки Бенара, возникающие в ранее однородной жидкости при критическом значении температурного градиента

Содержание слайда: Опыт Бенара Явление открыто в 1900 г. Подогревается слой силиконового масла

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: СПОСОБЫ передачи энергии в форме теплоты 1.Теплопроводность – при непосредственном контакте двух тел с разными температурами за счет потока энергии

Содержание слайда: СПОСОБЫ передачи энергии в форме теплоты 2.Диффузия – без контакта тел, за счет БЕСПОРЯДОЧНОГО перемещения частиц промежуточной среды, переносящих энергию

Содержание слайда: СПОСОБЫ передачи энергии в форме теплоты 3. КОНВЕКЦИЯ

Содержание слайда: Механизм конвекции – потоки вещества за счет разности температур: При нагревании – низшие слои жидкости горячéе, их плотность меньше, чем более верхних, и они «всплывают». Верхние слои – опускаются как более «тяжелые».

Содержание слайда: ИТАК, как протекает процесс образования ячеек Бенара? Создается перепад температур между нижним и верхним слоями жидкости Сначала движению жидкости препятствует ее вязкость Позже возникают восходящие и нисходящие потоки жидкости – конвекция

Содержание слайда: Теплообмен между верхом и низом: сначала путем теплопроводности (поток энергии), а затем - начинается конвекция (поток частиц). ПРОИСХОДИТ СМЕНА РЕЖИМА ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ и резкий рост потока энергии за счет упорядоченного конвективного движения!

Содержание слайда: Неупорядоченное тепловое движение сменяется согласованным упорядоченным движением «струй» Неупорядоченное тепловое движение сменяется согласованным упорядоченным движением «струй» Жидкость разбивается на шестиугольные ячейки (~ мм) - возникает структура При дальнейшем нагреве ячейки начинают колебаться с определенной частотой. Позже возникает целый набор возможных частот

Содержание слайда: Конвективные потоки в жидкости

Содержание слайда: Ключевые понятия самоорганизации на примере ячеек Бенара: Перепад температур Потоки энергии, частиц Особые свойства жидкости (специальный сорт масла) Вязкость жидкости Огромное число частиц ……………………..

Содержание слайда: При малых ΔТ( еще где-то вблизи от равновесия) теплообмен происходит за счет индивидуальных вкладов отдельных молекул, движущихся хаотически- теплопроводность. Сама жидкость неподвижна При малых ΔТ( еще где-то вблизи от равновесия) теплообмен происходит за счет индивидуальных вкладов отдельных молекул, движущихся хаотически- теплопроводность. Сама жидкость неподвижна Случайно возникающие слабые потоки молекул рассасываются благодаря вязкости Конвекции нет, т.к. вязкость стабилизирует жидкость. Жидкость находится в устойчивом состоянии

Содержание слайда: При больших ΔТ – объект находится вдали от равновесия --эффективность переноса энергии через теплопроводность падает; -- влияние вязкости ослабевает и случайные потоки частиц не рассасываются -- возникает конвекция – новый, более эффективный режим теплообмена за счет коллективного движения большого числа молекул

Содержание слайда: Большой перепад температур означает, что наступает Сильно неравновесное состояние: большие флуктуации, система находится в неустойчивом состоянии

Содержание слайда: При пороговом значении ΔТ Стабилизирующее влияние вязкости становится недостаточным и состояние жидкости теряет устойчивость.

Содержание слайда: Следующее условие: Верхняя поверхность жидкости рассеивает подводимую к ней энергию во внешнюю среду Вместе с ней в окружение уходит и энтропия, поддерживавшая «беспорядок». Возникает своеобразный «энтропийный насос», откачивающий энтропию во вне Понижение энтропии способствует возникновению особого порядка!

Содержание слайда: 2. Незамкнутость системы обеспечивает потоки вещества, энергии и энтропии в окружение

Содержание слайда: нелинейность возникают большие последствия от малых воздействий. Метафора – «Эффект бабочки» Пекин: Нью-Йорк

Содержание слайда: Случайно (флуктуационно) возникшие конвекционные потоки усиливаются за счет особых свойств жидкости и принимают макроскопические размеры

Содержание слайда: Если отклик системы y возрастает непропорционально воздействию x, напр., по закону y ~ xn , имеет место нелинейный отклик. Система называется нелинейной

Содержание слайда: В опыте Бенара ПРИ ПОРОГОВОМ ЗНАЧЕНИИ ΔТ проявляется нелинейность свойств ИСПОЛЬЗУЕМОЙ жидкости, усиливающая ее реакцию на малые воздействия возникает УСТОЙЧИВАЯ ячеистая структура – система переходит в качественно новое состояние порядка.

Содержание слайда: Нелинейная реакция системы на воздействие. Флуктуации (отклик) сильно растут

Содержание слайда:

Содержание слайда: Возникает корреляция в макроскопической области. Возникает корреляция в макроскопической области. Она проявляется в виде пространственной структуры

Содержание слайда: В подобных системах рассеяние энергии сопутствует - «сбросу» энтропии и снижению симметрии, т.е. к возникновению упорядоченной структуры.

Содержание слайда: Диссипативные структуры – это устойчивые структуры, возникающие в результате развития неустойчивостей Диссипативные структуры – это ОТКРЫТЫЕ системы, энергия которых необратимо рассеивается в окружение.

Содержание слайда: Диссипативные структуры способны: В состоянии, ДАЛЕКОМ от РАВНОВЕСИЯ, не только устойчиво существовать, но и развиваться; При ПОЛУЧЕНИИ ЭНЕРГИИ извне приобретать новые формы в результате флуктуаций, усиленных ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ.

Содержание слайда: Диссипативная структура - оксиморон Диссипация – рассеивание, утечка, потеря, разрушение (порядка) Структура – воплощение порядка Система избавляется от прежней формы и реорганизуется в новую, более подходящую к внешним условиям.

Содержание слайда: Концепция самоорганизации При выполнении определенных условий на отношения между объектом и его окружением повышение уровня сложности (организации) в открытых природных системах может происходить самопроизвольно.

Содержание слайда: Дополнительные материалы по теме лекции 1.Фильм «Тайная жизнь хаоса» Оригинал на англ. яз.: http://www.dailymotion.com/video/xv1j0n_the-secret-life-of-chaos_shortfilms или с русским дубляжом https://rutube.ru/video/f0d456f786edf11e41a8ea2b5d91f6a0/ 2. Плакат «Фракталы» http://elementy.ru/posters/fractals

Содержание слайда: Самостоятельная работа №6 Выполнить до истечения дня лекции Esystem.pfur.ru -> мои курсы -> «Концепции современного естествознания…» -> САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ПОСЛЕ ЛЕКЦИИ 6

Содержание слайда: ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ Какими процессами сопровождается возникновение более упорядоченной структуры? Что означает термин «самооргинизация»? Как ведет себя энтропия системы при переходе к равновесию и упорядочивании системы? Приведите примеры необратимых явлений в природе. При каких воздействиях они имеют место? Обратимы ли квантовые состояния? Почему рост однородности системы связан с повышением ее симметрии? Приведите примеры самоорганизции в живой и неживой природе. Всегда ли возниконовение упорядоченной структуры является самоорганизацией? Приведите поясняющий пример.

Содержание слайда: ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ В чем состоит самоорганизация в случае химической реакции Белоусова-Жаботинского? Перечислите условия самоорганизации. Поясните их роль при самоорганизации на примере возникновения ячеек Бенара. Что такое открытая система? Приведите по одному примеру замкнутой и открытой систем. Возможна ли самоорганизация в замкнутых системах? Что такое нелинейные эффекты? Почему ячейки Бенара не возникают в воде? Что называют «диссипативными структурами»? В чем состоят особенности равновесия в диссипативных структурах? Что такое бифуркация? Приведите пример точки бифуркации. Что происходит с системой в этой точке?