Презентация на тему: Самоорганизация в живой и неживой природе. Кибернетика. Синергетика

Самоорганизация в живой и неживой природе. Кибернетика. Синергетика

Структурные уровни организации материи. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами. Закономерности новых уровней специфичны, несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли. Структурное многообразие, то есть системность является способом существования материи.

Структурные уровни организации материи. Неорганическая природа : микроэлементарный (уровень элементарных частиц и полевых взаимодействий) ядерный атомарный молекулярный уровень макроскопических тел различной величины планеты звездно-планетные комплексы галактики метагалактики

Структурные уровни организации материи Живая природа: уровень биологических макромолекул клеточный уровень микроорганизменный органов и тканей организм популяционный биоценозный биосферный.

Система и элемент. Целое и часть. Система - комплекс взаимодействующих элементов. Элемент - далее неразложимый компонент системы при данном способе ее рассмотрения называется.Для анализа сложноорганизованных, саморазвивающихся систем, когда между элементами и системой имеются "промежуточные комплексы" более сложные, чем элементы, но менее сложные, чем система, используют понятие "подсистема".

Основные законы классической (равновесной термодинамики).Термодинамическая система – это система, состоящая из большого числа частиц, взаимодействующих между собой. Термодинамические системы могут быть:а) изолированными (замкнутыми) – это те системы, которые не сообщаются с окружающей средой ни работой, ни теплом, ни веществом, ни информацией. Другое название – равновесные.Б) открытыми – сообщающиеся с окружающей средой. Открытые системы не изучаются классической термодинамикой.

Термодинамические законы. Классическая термодинамика описывается д двумя законами:1. Закон сохранения и превращения энергии - первое начало термодинамики. Q=ΔU+A, где ΔU – изменение внутренней энергии, А – работа.Количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и совершение телом работы.

Сущность второго начала термодинамики - невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре.Иногда этот закон выражают в еще более простой форме:Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к более горячему.

Рудольф Клаузиус использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии Людвиг Больцман интерпретировал в термине изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует (закон возрастания энтропии): Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.

Энтропия – это количественная мера хаоса в системе, ме мера неупорядоченности. Общий итог достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, как предполагает классическая термодинамика, и возвратится.

Равновесные и неравновесные состояния системы Равновесное состояниеСистема меняет свою структуру только при наличии сильных возмущений.Элементы системы пребывают в хаотическом движении. Энтропия возрастает.Одно дискретное устойчивое состояние системы.Нечувствительность к флуктуациям.Поведение системы характеризуется линейными зависимостями. Неравновесное состояние Система меняет свою структуру, реагируя на внешние условия. Приток энергии создает в системе упорядоченность; энтропия уменьшается.Неравновесностъ - причина порядка системы; ее элементы ведут себя коррелировано.Множество дискретных устойчивых состояний системы.Чувствительность к флуктуациям.Наличие бифуркации (критическое состояние, переломная точка в развитии системы).Неопределенность поведения системы.

Концепции эволюции реальных систем. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Самоорганизация в живой и неживой природе. Кибернетика. Кибернетика – от греческого искусство управления. В основе кибернетики лежит идея возможности использовать общий подход к рассмотрению процессов управления в системах различной природы. Рождение кибернетики принято связывать с именем Норберта Винера (1948 год книга «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине»).

Классическое представление о мире, состоящем из материи и энергии, уступило место представлению о мире, состоящем из трех составляющих: энергии, материи и информации. Информация – от лат. ОзнакомлениеРазъяснение - обозначает меру организованности системы в противоположность понятию «энтропия» как меры неорганизованности.

Кибернетика как наука об управлении имеет, очевидно, объектом своего изучения управляющие системы. Для того чтобы в системе могли протекать процессы управления она должна обладать определенной степенью сложности и быть динамичной (изменяться). К сложным динамическим системам относятся и живые организмы (животные и растения), и социально-экономические комплексы (организованные группы людей, бригады, предприятия, государства, отрасли промышленности), и технические агрегаты (поточные линии, транспортные средства).

К основным задачам кибернетики относятся:& установление фактов, общих для всех управляемых систем или по крайней мере для некоторых их совокупностей;& выявление ограничений, свойственных управляемым системам, и установление их происхождения;нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы;определение путей практического использования установленных фактов и найденных закономерностей

Теоретическая кибернетика – разработка научного аппарата и методов исследования систем управления независимо от их конкретной природы (теория информации и теория алгоритмов, теория игр, исследование операций и т.д.)Прикладная кибернетика подразделяется на Техническую кибернетику – управление техническими системами.Биологическую кибернетику - общие законы хранения, передачи и переработки информации в биологических системах. Она подразделяется на медицинскую кибернетику (моделирование заболеваний, использование этих моделей для диагностики, прогнозирования и лечения); физиологическую кибернетику (изучает и моделирует функции клеток и органов в норме и патологии); нейрокибернетику (моделирует процессы переработки информации в нервной системе); психологическую кибернетику (моделирует психику на основе изучения поведения животных).

Бионика – промежуточное звено между биологической и технической кибернетикой- использование моделей биологических процессов и механизмов в качестве прототипов для совершенствования существующих и создания новых технических устройств.Социальная кибернетика – наука, в которой используются методы и средства кибернетики в целях исследования и организации процессов управления в социальных системах.

В кибернетике отвлекаются от конкретных особенностей изучаемых систем, выделяют закономерности, общие для некоторого множества систем, и вводят понятие абстрактной кибернетической системы.

Управление – это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся для этого информации из множества возможных воздействий, улучшающее его функционирование или развитие. 

Самоорганизация в живой и неживой природе. Синергетика. «Синергетика»- в переводе с древнегреческого означает совместное, объединенное действие и подчеркивает кооперативный характер эффектов, связанных с самоорганизацией. Основоположниками синергетики считаются Г. Хакен И. Пригожин.

СИНЕРГЕТИКА: Фокусирует свое внимание на неравновесности, нестабильности как естественном состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и неоднозначности путей их эволюции. В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым – могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы.Флуктуации - случайные отклонения физических величин от средних значений.Неравновесность порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и "учитывать" их в своем функционировании.

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность.Диссипативность - качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, возникать новые динамические состояния материи.

В развитии открытых и сильнонеравновесных систем наблюдаются 2 фазы:1 фаза - период плавного эволюционного развития, заканчивающийся неустойчивым критическим состоянием. Под точкой бифуркации понимается состояние рассматриваемой системы, после которого возможно некоторое множество вариантов ее дальнейшего развития.

Аттрактор – это относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает к себе все множество траекторий развития, возможных после точки бифуркации.2 фаза:     выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Новый порядок связан с появлением и накоплением флуктуаций в системе. В дальнейшем они нарастают и способ-ствуют появлению хаоса в системе. Флуктуации ведут к возрастанию энтропии. Новый порядок всегда восстанавливается через хаос. Флуктуации расшатывают систему, она становится неустойчивой, и любое незначительное воздействие толкнет ее к саморазрушению, а дальше – к выбору пути. Любая революция есть выбор пути социальной системы. Система приходит к точке бифуркации (выбора), где существует несколько альтернатив дальнейшего развития.

Явление бифуркации

Примеры самоорганизации систем разной природы химические часы (реакция Белоусова-Жаботинского);Конфигурации, возникающие при реакции Белоусова-Жаботинского в тонком слое в чашке Петри

Примеры самоорганизации систем разной природы Ячейки Бенара, возникающие в подогретом слое жидкости

Примеры самоорганизации систем разной природы действие лазера,

Примеры самоорганизации систем разной природы рост кристаллов; формирование живого организма; образование форм растений и животных; динамика популяций; пространственно-временные структуры в электрической активности сердца и мозга;образование уличных пробок,развитие рыночной экономики, формирование культурных традиций и общественного мнения, демографические процессы.

Динамика популяции жертв и хищника

Некоторые условия самоорганизации Система должна быть открытой и иметь приток энергии и вещества извнеНаличие флуктуации. Процессвозникновения и усиления порядка черезфлуктуации характеризуют как принципсамоорганизацииПроцесс самоорганизации системы возможен только при определенном,достаточном количестве взаимодействующих элементов Открытая система должна находиться вдали от точки термодинамического равновесияСамоорганизация основывается наположительной обратной связи, в отличие отдинамического равновесия систем, котороеопирается на отрицательную обратную связьПроцесс самоорганизации предполагает нарушение симметрии

Возникновение синергетики означает начало новой научной революции, так как она меняет стратегию научного познания и ведет к выработке принципиально новой картины мира и новой интерпретации фундаментальных принципов естествознания. Синергетика обращается к процессам неупорядоченности в открытых системах, неустойчивости, неравновесности.

Заслуга синергетики:открыла и исследовала самоорганизующиеся процессы в самой простейшей элементарной форме и тем самым способствовала раскрытию единства и взаимосвязи между неживой и живой природой. дает возможность изучать процессы усложнения и эволюции материи с точки зрения ее самоорганизации на разных уровнях ее развития.философско-мировоззренческое значение: ее выводы и результаты служат естественнонаучным подтверждением самодвижения и внутренней активности материи.