Главная | Обратная связь

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

Задание 22.1 (выберите несколько вариантов ответа).

Синергетика является ...

Варианты ответа:

1.Прикладной наукой.

2.Лженаукой.

3.Теорией самоорганизации.

4.Междисциплинарным научным направлением.

Обоснование ответа. Синергетика изучает общие свойства систем, способных к самоорганизации, независимо от природы и структуры этих систем . В этом отношении синергетика близка к теории колебаний, которая также изучает колебательные процессы в системах независимо от того, что представляют собой эти системы. Поэтому из предложенных вариантов ответа следует выбрать третий и четвертый. Несмотря на то что выводы синергетики имеют важное практическое значение, считать эту науку прикладной сейчас вряд ли возможно. И конечно, никак нельзя синергетику считать лженаукой, так как она опирается на широкую эмпирическую базу и развитые теоретические модели.

Правильными являются варианты ответов: 3) теорией самоорганизации; 4)междисциплинарным научным направлением.

 

Задание 22.2 (выберите несколько вариантов ответа).

Процессы самоорганизации происходят ...

Варианты ответа:

1.При получении новых веществ в замкнутых реакторах.

2.В ходе развития Земли.

3.Во всех равновесных реакциях.

4.В колебательных реакциях Белоусова-Жаботинского.

Обоснование ответа. Процессы самоорганизации происходят в открытых нелинейных системах, находящихся вдали от состояния (теплового) равновесия. В связи с этим следует сразу отбросить первый и третий варианты ответа. Второй и четвертый варианты относятся к процессам, где возможно (и происходят) процессы самоорганизации: это геологическая эволюция,характеризующаяся структурированием первоначально однородного вещества Земли, и химическая колебательная реакция Белоусова-Жаботинского, когда смесь реагентов циклически меняет свой состав и соответственно цвет.

Правильными являются варианты ответов: 2) в ходе развития Земли;4) В колебательных реакциях Белоусова-Жаботинского.

 

Задание 22.3 (выберите несколько вариантов ответа).

К числу необходимых условий самоорганизации относятся ...

Варианты ответа:

1.Неравновесность системы.

2.Присутствие живых организмов в системе.

3.Химическая неоднородность системы.

4.Нелинейность системы.

Обоснование ответа. Процессы самоорганизации происходят в открытых нелинейных системах, находящихся вдали от состояния (теплового) равновесия. Это утверждение позволяет выбрать в качестве подходящих первый и четвертый варианты ответа. Ни химическая неоднородность системы,ни присутствие живых организмов не являются условием возникновения процессов самоорганизации, что легко иллюстрируется многочисленными примерами.

Правильными являются варианты ответа: 1) неравновесность системы; 4) нелинейность системы.

Задание 22.4 (выберите несколько вариантов ответа).

К закономерностям самоорганизации в любой системе относится ...

Варианты ответа:

1.Возрастание устойчивости системы перед формированием диссипатив­ной структуры.

2.Возрастание неустойчивости системы перед формированием диссипа­тивной структуры.

3.Плавность, постепенность формирования диссипативной структуры.

4.Внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры.

Обоснование ответа. Самоорганизация в любых системах характеризу­ется тем, что резко возрастают флуктуационные колебания, система стано­вится неустойчивой и в какой-то момент (точка бифуркации) резко, скачком переходит в новое состояние с другой структурой. Эти свойства самооргани­зации описываются вторым и четвертым вариантами ответа.

Правильными являются варианты ответа: 2) возрастание неустойчиво­сти системы перед формированием диссипативной структуры; 4) внезап­ность, быстрота формирования диссипативной структуры.

 

Задание 22.5 (выберите один вариант ответа).

Процессы самоорганизации в открытых системах изучает ...

Варианты ответа:

1.Информатика.

2. Евгеника.

3.Генетика.

4. Синергетика

Обоснование ответа. Как уже неоднократно говорилось выше, синерге­тика изучает общие свойства систем, способных к самоорганизации, незави­симо от природы и структуры этих систем. Поэтому выбор варианта ответа в этом задании очевиден.

Правильным является вариант ответа: 4) синергетика.

 

Задание 22.6 (укажите соответствие между условием и вариантом ответа).

Установите соответствие между научной дисциплиной и ее предметной областью:

1.Термодинамика.

2.Теория относительности.

3.Синергетика.

Варианты ответа:

А. Общие закономерности процессов самоорганизации в природных и со­циальных системах.

Б. Общие пространственно-временные свойства всех природных процессов.

В.Всеобщие принципы бытия, познания, отношений между человеком и миром.

Г. Общие закономерности процессов взаимопревращения различных форм энергии.

Обоснование ответа. Из четырех предложенных вариантов ответа один должен оказаться «лишним», так как в условии задания указаны только три научные дисциплины. Очевидно, этим «лишним» вариантом является вариант В, так как всеобщие принципы бытия, познания, отношений между человеком и миром — это область интересов философии. Что касается оставшихся вариантов, то ясно, что общие вопросы самоорганизации должны быть связаны с синергетикой (3 — А). Теория относительности в широком смысле занимается пространственно-временными свойствами процессов (2 — Б). А термодинамика (точнее, феноменологическая термодинамика) изучает общие закономерности процессов взаимопревращения различных форм энергии (1 — Г).

Правильным является соответствие: 1 — Г; 2 — Б; 3 — А.

 

Задание 22.7 (укажите соответствие между условием и вариантом ответа). Установите соответствие между научной дисциплиной (исследовательской программой) и ее предметом исследований:

1. Синергетика.

2.Биологический эволюционизм.

3.Универсальный эволюционизм.

Варианты ответа:

А.Происхождение и развитие живых систем.

Б. Универсальные закономерности самоорганизации в природе и обществе.

В.Эволюция и форма существования Вселенной.

Г. Пути преодоления глобального экологического кризиса современности. Обоснование ответа. Как уже неоднократно указывалось выше, синергетика изучает универсальные закономерности самоорганизации. Биологический эволюционизм занимается вопросами происхождения и развития живых систем. Универсальный эволюционизм рассматривает со своих позиций все вопросы эволюции и формы существования Вселенной. Для четвертого варианта ответа соответствующей научной дисциплины (исследовательской программы) в условии задания нет.

Правильным является соответствие: 1 — Б; 2 — А; 3 — В.

 

V.

ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

23.

КОСМОЛОГИЯ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

23.1.Космология — это наука о строении и эволюции Вселенной. В осно­ве космологии лежат результаты исследования наиболее общих свойств (од­нородности, изотропности и расширения) той части Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений. Теоретическим фундаментом космологии являются общая теория относительности, теория поля и дру­гие фундаментальные физические теории.

23.2.Первое научно обоснованное космологическое представление, сло­жившееся в XVIII в., было связано с механистической концепцией детер­минизма, в соответствии с которой все процессы во Вселенной подчиняют­ся жестким причинно-следственным закономерностям, исключающим по­явление нового качества. В XIX в. стало ясно, что процессы во Вселенной развиваются необратимо, по сложным сценариям, которые никак не сво­дятся к обратимым движениям отдельных материальных точек по траекто­риям. В то время существовала одна-единственная физическая теория, опи­сывающая необратимое поведение объектов природы — статистическая тер­модинамика. Основные положения этой теории и были применены к Вселенной как к замкнутой системе, в результате чего появилась концепция «тепло­вой смерти» Вселенной. В соответствии с этим термодинамическим сцена­рием, современное состояние Вселенной является результатом гигантской флуктуации Вселенной, ее спонтанным, самопроизвольным «прыжком» в упорядоченное состояние, после чего началась медленная релаксация к хао­тическому состоянию с максимальной энтропией, когда и вещество, и поле будут распределены в пространстве равномерно и прекратятся все процес­сы в природе.

23.3.В 1917 году А. Эйнштейн опубликовал статью, которая стала исход­ным пунктом на пути к современным космологическим представлениям. В этой статье Эйнштейн применил к Вселенной только что выведенные им уравнения общей теории относительности. Самым удивительным оказалось то, что из написанного им «мирового уравнения» вытекала невозможность стационарного, т. е. не изменяющегося со временем, состояния Вселенной.

Казалось, что от малейшего «толчка» силы тяготения начнут либо неумолимо сжимать все вещество, находящееся во Вселенной, в точку, либо, наоборот «распираемый изнутри» мир станет неудержимо расширяться. После некоторых колебаний Эйнштейн добавил к «мировому уравнению» еще одно слагаемое, так называемую космологическую постоянную, учитывающую гипотетическую антигравитацию. Это позволило Эйнштейну «закрепить мир, не дать ему потерять устойчивость (модель бесконечной стационарной Вселенной).

23.4. В 1922 году в авторитетном немецком журнале была помещена статья российского физика-теоретика Александра Фридмана «О кривизне пространства», где была выдвинута динамическая модель Вселенной и родился термин «расширение Вселенной». Идеи Фридмана и Эйнштейна подхватили учёные в разных странах. Особого внимания заслуживают работы бельгийского астронома и священника аббата Ж. Леметра, впоследствии президента Папской академии наук в Ватикане. Именно он впервые высказал предположение о конечности Вселенной, о Большом Взрыве, сопровождавшем возникновение Вселенной.

23.5. В 1929 году американский астрофизик Э. Хаббл, изучая закономерности «красного смещения» спектральных линий излучения, приходящего от удаленных галактик, пришел к выводу о том, что «разбегание» любых двух галактик происходит со скоростью v, пропорциональной расстоянию L между этими галактиками (закон Хаббла):

v = HL,

гдеH- постоянная Хаббла.

Если принять, что расширение Вселенной происходит достаточно равномерно, то легко убедиться, что промежуток времени t — L/v от начала расширения равен обратной постоянной Хаббла

t = 1/H

Таким образом, экспериментально измерив постоянную Хаббла, можно оценить возраст Вселенной. По последним данным, он составляет 13,7 млрд лет.

23.6. Настоящим триумфом концепции Большого Взрыва стало одно из самых великих научных открытий XX века — экспериментальное обнаружение в 1965 году (Пензиас А., Вильсон Р.)реликтового излучения, которое путешествует» в пространстве с тех времен, когда Вселенной было всего около миллиона лет. Это излучение могло возникнуть только в том случае, молодая Вселенная была достаточно горячей и если свет в то время был самым активным участником физических процессов.

23.7.В настоящее время считается, что материя во Вселенной существует в трех формах: видимая материя (~4%), «темная» материя (~23%) и так называемая «темная» энергия (~73%), связанная с антигравитирующим физическим вакуумом. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов, полагается, что во Вселенной существует до миллиарда различных га­лактик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапар­сека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопле­ния (кластеры). Однако если рассматривать Вселенную в очень большом мас­штабе, например, «разбивая» ее на «ячейки» с линейным размером, превы­шающим 200 Мпк, то неравномерность структуры Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная явля­ется однородной и изотропной.

23.8.В основе концепции Большого Взрыва лежит предположение о том, что началу эволюции Вселенной (t = 0) соответствовало состояние с бесконеч­ной плотностью р = со (сингулярное состояние Вселенной). С этого момента Все­ленная расширяется^[10], а ее средняя плотность р уменьшается со временем.

При очень высоких температурах (Т > 10¹³К, t < 10-⁶ с) Вселенная была абсолютно непохожа на то, что мы видим сегодня. В той Вселенной не было ни галактик, ни звезд, ни атомов... Как в «кипящем котле», в ней непрерыв­но рождались и исчезали кварки, лептоны и кванты фундаментальных взаи­модействий, в первую очередь, фотоны (у). При столкновении двух фотонов могла, например, родиться пара электрон (е-) - позитрон (е⁺), которая прак­тически сразу аннигилировала (самоуничтожалась), вновь рождая кванты света: у + у <-» е~ + е⁺. Аннигиляция электрон-позитронной пары могла при­вести к рождению и других пар частица-античастица, например нейтрино (v) и антинейтрино (v). Следует, однако, иметь в виду, что рождение пары частица-античастица при столкновении фотонов возможно только при ус­ловии, что энергия фотонов W_y превышает энергию покоя W₀ = m₀c² рож­дающихся частиц. А так как средняя энергия фотонов в состоянии термоди­намического равновесия определяется температурой W_y = kT, где k — посто­янная Больцмана, то обратимый характер процессов с участием фотонов имел место только при температурах, превышавших вполне определенное значе­ние для каждого типа элементарных частиц Т ~ m₀c²/k.

Например, для нуклонов m₀с²~1О¹⁰эВ, значит, Г_нукл ~ 10¹³ К. Так что при Т > Т_нукл могло происходить и происходило непрерывное возникновение пар нуклон-антинуклон и их почти мгновенная аннигиляция с рождением фотонов. Как только температура Т стала меньше, чем Т_нукл, нуклоны и ан­тинуклоны за весьма короткое время исчезли, превратившись в свет. И если бы это имело место для всех нуклонов и антинуклонов, то Вселенная оста­лась бы без стабильных адронов, а значит, не было бы и того вещества, из которого впоследствии образовались галактики, звезды и другие космиче­ские объекты. Но оказывается, что в среднем на каждый миллиард пар ну­клон—антинуклон приходилась одна (!) «лишняя» частица. Именно из этих «лишних» нуклонов и построено вещество нашей Вселенной^[11].

Аналогичный процесс аннигиляции электронов и позитронов произошел позже, при t ~ 1 с, когда температура Вселенной упала до -10¹⁰ К, и энергии фотонов стало не хватать для рождения электрон-позитронных пар.

Оставшиеся после глобального самоуничтожения протоны и нейтроны не- которое время обратимо переходили друг в друга в соответствии с реакционными формулами р+е^-↔ n+ṽ; р+v ↔ n+е⁺. И здесь решающую роль сыграло небольшое отличие масс покоя протонов и нейтронов, которое в конце концов привело к тому, что концентрации нейтронов и протонов оказались различны­ми. Теория утверждает, что к исходу пятой минуты на каждые 100 протонов приходилось примерно 15 нейтронов. Именно в это время температура Вселенной упала до ~10¹⁰ К, и создались условия для образования стабильных ядер, прежде всего ядер водорода (Н) и гелия (Не). Если пренебречь ядрами других элементов (а они тогда действительно почти не возникали), то с учетом приведенного выше соотношения протонов и нейтронов во Вселенной должно было образоваться ~70% ядер водорода и -30% ядер гелия. Именно такое соотношение этих элементов и наблюдается в межгалактической среде и в звездах первого поколения, подтверждая тем самым концепцию Большого Взрыва.

После образования ядер Н и Не в течение длительного времени (порядка миллиона лет) во Вселенной почти ничего заслуживающего внимания не происходило. Было еще достаточно горячо, чтобы ядра могли удерживать электроны, так как фотоны тут же их отрывали. Поэтому состояние Вселенной в этот период называют фотонной плазмой.

Так продолжалось до тех пор, пока температура не упала до -4000 К, а это случилось через -10¹³ с или почти через миллион лет после Большого Ззрыва. При такой температуре ядра водорода и гелия начинают интенсивно захватывать электроны и превращаться в стабильные нейтральные атомы энергии фотонов уже недостаточно, чтобы эти атомы разбивать). Астрофи­зики называют этот процесс рекомбинацией.

Только с этого момента вещество Вселенной становится прозрачным для излучения и пригодным для образования сгустков, из которых потом образовались галактики. Излучение же, называемое реликтовым, с тех пор ведет независимое существование, путешествуя по Вселенной по всем направлениям.

23.9.Представленная здесь реконструкция событий за время существо­вания Вселенной поражает удивительной взаимозависимостью и взаимообу­словленностью явлений на огромном временном интервале почти в 14 млрд пет. Кажется, что в этом грандиозном сценарии нет места случайности. Раз­мышления над этой предопределенностью эволюции Вселенной привели уче­ных к формулировке антропного принципа, который, скорее, отражает фи­лософское «восхищение» слаженностью эволюционных процессов во Все­ленной, чем ведет к новым эвристическим обобщениям. Слабый антропный принцип утверждает, что наблюдаемые свойства Вселенной зависят от чело­века как наблюдателя, т. е. Вселенная такая потому, что мы ее такой видим.

Сильный антропный принцип говорит, что Вселенная устроена таким образом, что в ней с неизбежностью должен появиться человек. Такой под­ход фактически реанимирует антропоцентрическую идею о человеке как о цели творения.