Фізика відкритих систем. Синергетика

Розділ 1. Поняття відкритих систем, дисипативні структури. 3

Розділ 2. Фізичний та динамічний хаос. 5

Розділ 4. Фрактальні структури й розмірність дивних атракторів. 17

Розділ 5. Застосування понять фізики відкритих систем до моделювання обробки інформації. 25

Висновок. 30

Список використаної літератури. 31

Вступ

Метою даної роботи є розгляд питання, чим являється у наш час фізика відкритих систем? Під час навчання нам довелося вивчити курс загальної фізики і у ньому не було згадки про фізику відкритих систем. То ж чи являється фізика відкритих систем окремим предметом і які питання вона вивчає?

Фізика відкритих систем – міждисциплінарний науковий напрям. Для його характеристики можна привести короткий перелік ключових слів і понять: хаос і порядок; відкриті системи; критерії відносного ступеня впорядкованості станів відкритих систем; норма хаотичності; деградація й самоорганізація; діагностика відкритих систем; конструктивна роль динамічної нестійкості руху атомів; перехід від оборотних рівнянь до необоротних. Кінетичний і гідродинамічний опис нерівноважних процесів з урахуванням структури "суцільного середовища"; опис на цій основі рівноважних і нерівноважних фазових переходів; єдиний кінетичний опис ламінарних і турбулентних рухів; квантові відкриті системи. Багато із цих понять не є новими. Однак, метою фізики відкритих систем є розвиток ідей і методів єдиного опису цього широкого кола питань.

Фізика відкритих систем почала свій розвиток лише нещодавно, із середини ХХ століття, коли вчені побачили, що за допомогою тих чи інших математичних моделей можна описати досить складні процеси у відкритих системах, зокрема рухи повітряних мас та шарів води, які отримали своє застосування у гідро- та аеродинаміці, коливні процеси. Останнім часом фізика відкритих систем почала вивчати також і процеси обміну інформацією, адже процеси навчання, передачі та обробки інформації також можна віднести до галузі застосування фізики відкритих систем.

Розділ 1. Поняття відкритих систем, дисипативні структури.

Розглянемо питання, що ж являють собою відкриті системи? Відкриті системи можуть обмінюватися з навколишніми тілами енергією, речовиною й, що не менш важливо, інформацією. Процес обміну енергії чи маси носить назву дисипації. Розглянемо лише макроскопічні відкриті системи. Вони складаються з багатьох об'єктів, які приймемо за елементи структури. Ці елементи можуть бути мікроскопічними, наприклад атоми або молекули у фізичних і хімічних системах. Ці елементи також можуть бути відносно малими, але все-таки макроскопічними. Це, наприклад, макромолекули в полімерах, клітини в біологічних структурах.

Завдяки складності відкритих систем у них можливе утворення різного роду структур. Дисипація енергії відіграє при утворенні таких структур конструктивну роль. Це здається, на перший погляд, дивним, так як поняття дисипації асоціюється із згасанням різного роду рухів, з розсіюванням енергії, із втратою інформації. Однак, і це надзвичайно істотно, дисипація необхідна для утворення структур у відкритих системах. Щоб підкреслити це, Ілля Пригожин ввів термін " дисипативні структури" (7, ст. 56). Це надзвичайно ємка й точна назва поєднує всі види структур: тимчасові, просторові й, нарешті, найбільш загальні просторово-тимчасові структури. Прикладом останніх можуть бути автохвилі.

Складність відкритих систем визначає широкі можливості для існування в них кооперованих явищ. З метою підкреслити роль об’єднання при утворенні дисипативних структур Герман Хакен ввів термін синергетика, що означає – спільна дія. Мета синергетики – виявлення загальних ідей, загальних методів і загальних закономірностей у самих різноманітних областях природознавства, а також соціології й навіть лінгвістики. Більше того, у рамках синергетики відбувається кооперування різних спеціальних дисциплін. Синергетика народилася на базі термодинаміки й статистичної фізики. Тому необхідно підкреслити, що в основі теорії відкритих систем лежать фундаментальні фізичні закони.

Розділ 2. Фізичний та динамічний хаос.

Хаос і порядок – поняття, які відігравали істотну роль уже у світогляді філософів древності, зокрема, представників школи Платона. Не вдаючись у деталі, відзначимо лише два сформульованих ними положення, які зберігають своє значення й донині.

По уявленнях Платона і його учнів хаос – стан матерії, що залишається в міру усунення можливостей прояву її властивостей. З іншого боку, з хаосу виникає все, що становить зміст світобудови, тобто з хаосу може народжуватися порядок .

В фізиці поняття "хаос" й "хаотичний рух" є фундаментальними, але все-таки недостатньо чітко визначеними. Дійсно, згідно Больцмана, найбільш хаотичним є рух у стані рівноваги. Однак, хаотичними називають і рухи, далекі від рівноважного. Це, наприклад, рух у генераторах шуму, призначених для придушення сигналів.

Хаотичним називають, як правило, і різного роду турбулентні рухи в газах і рідинах. Прикладом може бути турбулентний рух рідини у трубах. Він виникає із ламінарного руху при досить великому перепаді тиску на кінцях труби. При цьому уявлення про турбулентний рух як більш хаотичний, ніж ламінарний, здається зрозумілим. Однак, такий висновок базується на змішуванні понять складності й хаотичності. При спостереженні турбулентного руху проявляється саме складність руху. Питан