Нелинейность мира в явлениях природы

Сб, 03/01/2014 - 20:22

Наблюдались революционные изменения в представлениях о нелинейности мира. Произошло философское осмысление представлений о нелинейности мира. Сформулированы основные положения системной парадигмы. Стало понятным, что нелинейность — универсальное и фундаментальное свойство мира. Это свойство — всеобщее, оно более объемное, более разнообразное, чем свойства нелинейных колебательных и волновых процессов, чем свойства детерминированного хаоса или самоорганизации, чем те другие свойства, через которые нелинейность проявляется.
Автору удалось сформулировать следующие далеко идущие утверждения. Понятие нелинейности столь же фундаментально, сколь фундаментально понятие материи, понятие движения (эволюции) материи. Сама материя в общем случае должна рассматриваться как нелинейная система. Вообще говоря, нелинейным является и движение материи. И материя, и ее эволюция описываются нелинейными соотношениями, которые отражают нетривиальные процессы в движущейся материи. У автора появились веские основания для вывода о том, что нелинейность — главное свойство мира. Именно она управляет эволюцией мира.

Примеры нелинейных явлений

Чаще всего нелинейность — внутреннее свойство объектов и процессов — связана с большим энергосодержанием, значительным энерговыделением, высокими скоростями и температурами и т. п. Поэтому не вызывает никаких сомнений, что Большой взрыв, рождение, жизнь и смерть галактик и звезд — это нелинейные процессы. Солнечная система является нелинейной, что вызвано, в частности, нелинейной зависимостью силы всемирного тяготения от расстояния. Как правило, нелинейными являются процессы на Солнце и на планетах, а также внутри их. Большинство процессов на Земле, внутри ее и во внешних оболочках — также нелинейны. Сюда относятся землетрясения, цунами, вулканизм, вихри в атмосфере и океане, процессы в ионосфере и магнитосфере. Процессы горообразования, формирование рельефа, океанообразование — нелинейные. Нелинейны также такие явления, как молниевые разряды, падения метеоритов, а тем более комет и астероидов. Процессы, отвечающие за формирование погоды и климата, обычно нелинейны. Примеров существует очень много. Как правило, все катастрофические явления природы относятся к нелинейным. Разумеется, нелинейными есть и рукотворные катастрофы.

А как обстоит дело с нелинейностью в микромире? Оказывается, она не обошла, не «обделила» его своим вниманием. Рождение, превращение, взаимодействие частиц в микромире представляют собой нелинейные процессы.

Проявляется ли нелинейность в мире живой природы? Да, несомненно. Вот несколько примеров такой нелинейности: закон роста численности популяций, закон их взаимодействия, закон конкурентного вытеснения; зависимости удельного числа особей или количества потребляемой ими пищи от их массы. Таким образом, окружающий мир — нелинеен. Он описывается сложными нелинейными уравнениями, методы решения которых развиты значительно хуже, чем линейных. Часто приходится использовать линеаризацию, т. е. переход от нелинейного к приближенному и более простому линейному уравнению. Естественно, что при этом «с водой можно выплеснуть и ребенка».

Нелинейный мир обладает удивительными свойствами, некоторые из них будут упомянуты ниже. В целом же надо отметить, что мы очень мало знаем о нелинейных явлениях природы, но еще меньше умеем их использовать.

Один из красивейших проявлений нелинейного мира — солитон. Его классическим примером является бегущая одногорбая уединенная волна на воде. Наиболее яркий их представитель — цунами. Главной особенностью солитона является неизменность его профиля (т. е. вида, очертания) в процессе распространения. Как правило, это обусловлено притоком энергии извне. Поэтому такая волна имеет место в открытых системах. К тому же система должна быть нелинейной. Таким образом, солитон — нелинейная уединенная волна.

Впервые одиночную волну на воде описал в 1834 г. шотландский инженер и кораблестроитель Дж. С. Рассел: «Баржа неожиданно остановилась; но масса воды, которую баржа привела в движение, не остановилась. Вместо этого она собралась около носа судна в состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади, катясь вперед с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного возвышения, т. е. округлого, гладкого и четко выраженного водяного холма, который продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхом, и когда я нагнал его, он по-прежнему катился вперед со скоростью приблизительно восемь или девять миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной около тридцати футов и высотой от фута до фута с половиной. Его высота постепенно уменьшалась».

Уменьшение высоты холма обусловлено тем, что солитон не подпитывался энергией. Эта волна на воде использует только свою энергию. Но, тем не менее, она весьма устойчива. Почему? Дело в том, что в этом случае конкурируют два процесса. С одной стороны, явление дисперсии стремится «размазать» одногорбую волну вдоль направления ее распространения. С другой стороны, нелинейные явления «удерживают» ее от этого, и волна, двигаясь, сохраняет свою форму. Такой объект именуется классическим солитоном. Он — одномерный. Солитоны бывают двухмерными. К ним относится, например, циклон. Чаще солитоны существуют благодаря притоку энергии, и поэтому их называют диссипативными.

Оказалось, что солитон — вездесущ и имеет место в микромире, макромире и мегамире.

Термин солитон происходит от латинского слова solus, т. е. один, а окончание слова — «тон» — подчеркивает, что объект по своим свойствам похож на частицу (протон, нейтрон и т. п.). По современным представлениям элементарные частицы — это солитоноподобные объекты, или солитоны квантовых полей.
К ним относится монополь Дирака — гипотетический элементарный магнит с одним полюсом.

Другие материалы рубрики


  • В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.
    Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...В некоторых же отношениях электроны ведут себя подобно волнам. Человеческое воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица, которая называется корпускулярно-волновым дуализмом, не вызывает сомнения. Так, объект, который обычно считают волной, обретает в микромире свойство частицы, например, световая волна, ведет себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектронный эффект). Частицы света называются фотонам, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться, потому что в повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6