Концепции материальности мира

10 концепции материальности мира.

10.1 Материя: вещество, энергия, организация.

Все то, что нас окружает вместе с нами и есть материя. Это ее самое общее определение. Поэтому никакие уточнения свойств мира не влияют на сущность материи. Любое изучение материи сводится к расчленению ее на части для анализа различных ее сторон и свойств. Одной из составляющих материи является вещество на уровне атомов и молекул, второй ее составляющей является энергия – обе они предмет изучения физики. Эти две составляющие материи как-то довольно сложно организованы и взаимодействуют между собой. Организацией вещества и энергии занимается кибернетика, информирующая об этой их организации.

Пример: в атоме ядро и электроны взаимодействуют по закону Кулона. С точки зрения строения атома нас не интересует природа ядерных сил, а лишь то, как электроны и ядро взаимодействуют.

При рассмотрении молекул уже берут атом как целое. Польза от четкого формулирования системы, введенная кибернетикой, очевидна. Это стимулировало развитие науки. Можно полагать, что материя M = b·B + e·E + o·O, где b, e, o – размерные коэффициенты, а B, E, O – вещество, энергия и организация. По-видимому, в векторном виде,

В этом случае закон сохранения материи  выглядит так:

= const

В координатах bB, eE оO это будет сфера (рис.9), описывающая эволюцию системы при . Однако, при этом все изменения протекают взаимосвязано с одновременными изменениями (в различной степени) каждой доли материи: B, E, O.

Ещё Аристотель утверждал, что материя это земля, огонь, вода и воздух. Но с XVIII века пришли к отождествлению материи с веществом, массой (Ломоносов). В 1748 г. Ломоносов писал Эйлеру уже о законе сохранения: «все перемены в натуре встречающиеся такого суть состояния, что если чего где убудет, то столько же присовокупится в другом месте». Через 17 лет Лавуазье вновь открыл этот закон (но без представлений об атомном строении вещества). При этом он его экспериментально обосновал, изучая химические реакции в ретортах. И Ломоносов и Лавуазье считали, что материя есть вещество, масса.

Хотя это и упрощение, но оно дало закон сохранения массы, описавший взаимодействия частиц и вещества. Майер в 1841 г. пришел к выводу о том, что климатические условия, влияя на интенсивность окислительных процессов в организме человека, меняют цвет его крови: у южан она более яркой окраски, чем у северян. При этих исследованиях он пришел к мысли, что между теплотой и работой есть количественная связь и даже некий эквивалент (1 калория = 4,182 Дж). Это была идея об эквивалентности различных форм энергии и количественного сохранения её при переходе от одного вида к другому.

Рекомендуемые материалы

Через 100 лет (1947) Шеннон сформулировал закон сохранения организации. Он ввел для информационных систем термин неопределенности, или энтропии. Разность неопределенностей для объекта – это информация. В 1954 г. Схоутен уже говорил о законе сохранения информации: эксперимент изменяет знание и незнание на равные величины, но с противоположными знаками. Советский философ Новик (1964) сформулировал этот закон для каналов связи (в них полная сумма информации плюс шум остается постоянной).

Антомонов (1965) утверждает, что «на любом этапе эволюции замкнутой системы сумма реализованной и нереализованной неопределенности остается неизменной». Шеннон предложил неопределенность состояния определять по формуле:                                                     ,

где P_i – вероятность нахождения системы в i – состоянии, n – число состояний.

Если наблюдать за человеком, который либо бодрствует, либо работает, либо спит (n = 3), то поскольку в среднем он по 8 часов находится в одном из этих состояний, то Р₁ = Р₂ = Р₃ = 1/3. Если неопределенность в системе максимальна, то в ней царит беспорядок, или хаос. Действительно, она максимальна для человека бодрствующего или отдыхающего (за которым наблюдают целые сутки и каждую минуту фиксируют его состояние), когда ему все равно, в каком состоянии он находится. Тогда-то неопределенность максимальна и .

Если наблюдать за больным человеком (в постели) или за мертвым (в гробу), то получим соответственно для вероятностей Р₁= 0 (что стоит), Р₂= 0 (что работает), Р₃= 1 (что лежит). При этом число интересующих нас событий равно числу опытов. Тогда неопределенность , то есть она минимальна. Хаос исчез, появился порядок.

Таким образом, получается, что . Шеннон предложил считать организацией разницу между максимальной неопределенностью системы и ее реальной величиной, т.е. O = H _max– H, или иначе .

Это и есть закон сохранения порядка и беспорядка для системы с постоянным значением максимальной неопределенности (для замкнутой в организационном отношении системы). В детерминированной системе разность неопределенностей, то есть организация, достигает максимума (O _max).

10.2 Законы взаимопревращений и модель эволюции материи.

Из закона сохранения материи следует, что сумма вещества, энергии и организации на всех этапах эволюции материи не меняется. Это накладывает определенные ограничения (запреты) на разнообразие эволюций системы: лишь была бы , но ее составляющие могут переходить друг в друга: масса, например, в энергию при альфа и бета распадах ядер атомов.

При аннигиляции вещества и антивещества (например ) будет то же самое: вещество и антивещество превращаются в энергию. Еще в 1905 г. Эйнштейн записал формулу E = mc², подтверждаемую опытом. Из связи между энергией и массой следует, что должен существовать и закон сохранения энергии-массы-организации.

Например, для образования пары инужно, чтобы энергия фотона была больше 2m₀c². Если организация O = 0, тогда . Для элементарных частиц O = 0 (нет никакой организации!). Сопоставление с опытом показывает, что .

По-видимому, есть еще неизвестные виды перехода компонентов материи друг в друга, это подсказывает нам интуиция. По аналогии между организацией O и энергией E должна существовать связь, либо вида O = k·E, либо функциональная O = f(E). По-видимому, организация О аналогично связана и с дефектом энергии.

Но в микромире значения и влияние организации малы. Поэтому микромир – мир с наиболее простой эволюцией материи, ибо для него ΔE = Δmc². Организация же выступает на передний план в биологических системах. Хорошо бы экспериментом выявить связь организации и энергии по аналогии с известным m_J> m₀  и m_живого > m_{неживого}.

Покой для биосистем это смерть и ΔE = E_жив.– E_мертв.~ O. Смерть биосистем это эксперимент, который ставится природой ежесекундно, но по нему не удается рассчитать коэффициент k в формуле O = k·E.

Следовательно, в биоэкспериментах следует искать закон перехода энергии в организацию. То же самое, но в меньшей мере относится к химии полимеров. Действительно, физические факторы влияют на возникновение сложных молекул. Для примера рассмотрим эволюцию материи, взяв два момента времени при   Тогда получаем равенство .

Усложнение материи в данном случае происходит за счет превращения более грубых ее составляющих в более тонкие. Вещества и энергии в этом случае становится меньше, а организации больше. В другом варианте организация может возрастать за счет уменьшения и вещества и энергии.

Таким образом, можно отметить три характерных этапа эволюции материи.

Первый этап – эволюция неорганического мира (от космического развития до образования планетных систем). На этом этапе организация практически постоянна, а основное – это превращение вещества в энергию.

Второй этап – эволюция Биосферы. В этом случае вещество преобразуется в энергию и организацию. Роль организации резко возросла. Четкой количественной связи между всеми изменениями составляющих материи пока не установлено.

Третий этап – усложнение биосистемы в онтогенезе (индивидуальное развитие организмов от рождения до смерти) после рождения в результате обучения. При этом изменениями вещества пренебрегают, что приводит к переходу энергии в организацию.

Описание поведения человека при изменении организации окружающей среды также не удается выразить количественно. Для жизни в биосистемах характерна совокупность законов сохранения и переходов с многократными актами взаимодействия вещества, энергии (подразумевается под последней электромагнитное поле) и организации. При этом необходим постоянный обмен с окружающей средой веществом, энергией и организацией.

Заметим, что постоянство материи  является следствием симметрии пространства и времени, которая, как уже говорилось, не является идеальной. Что касается того, что материя имеет в качестве составляющих вещество, энергию (электромагнитное поле) и организацию, то эта концепция наиболее распространена. Однако в науке большинство мнений не является критерием истинности утверждения. Критерием истинности является лишь опыт, который, как было рассмотрено выше, подтверждает эту концепцию структуры материи.

В самых общих чертах моделирование различных этапов эволюции материи можно представить блок-схемами: