Нелинейность мира в явлениях природы

Сб, 03/01/2014 - 20:22

Солитоны возникают при значительных энерговыделениях в литосфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере, т. е. при землетрясениях, извержениях вулканов, мощных взрывах, стартах и полетах ракет и т. д. «Родственником» солитона является шаровая молния.

«Родственником» солитона является знаменитый «девятый вал» во время шторма на море. Он, как известно, обычно образован семнадцатью уединенными волнами. Самая сильная из них — девятая, она же — центральная. Собственно солитоном является огибающая этого семейства из семнадцати волн.
Солитоноподобные объекты существуют и в мегамире. К ним относятся Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера, черные дыры, спиральные галактические структуры и др. «Родственники» солитонов обнаруживаются и в мире живой природы. Их примером являются нервные импульсы. Процессы со свойствами солитонов характерны для экономики и общества. Таким образом, солитон — это не экзотическое образование, как считалось ранее. Он — проявление универсальных фундаментальных свойств природы. Понятие солитона существенно расширилось. Теперь к ним относят многие локализованные нелинейные структуры.

Порядок и хаос

Настало время ответить на вопрос: «Могут ли существовать детерминированный хаос, хаотический порядок?» Оказывается, могут. Первый также именуется динамическим хаосом, а второй называется самоорганизацией.

Общие сведения. Порядок и хаос эквивалентны устойчивости и неустойчивости динамической (т. е. изменяющейся во времени) системы. Природа устроена так, что не бывает ни абсолютного хаоса, ни абсолютного порядка. Реальная система, как правило, находится в некотором промежуточном состоянии.Категория «хаос» отражает факт непредсказуемости поведения системы, а категория «порядок», напротив, — ее предсказуемость.Следует подчеркнуть, что детерминированный хаос — результат нелинейности и открытости системы — отличается от просто случайного процесса. В динамическом хаосе есть гармония, он значительно «красивее» обычного случайного процесса. Грубо говоря, детерминированный хаос — лишь отчасти хаотичный, а отчасти — детерминированный, он как бы находится посередине между порядком и хаосом.

Как же зарождались столь непривычные и противоречивые представления о динамическом хаосе?

Эволюция представлений о детерминированном хаосе. Математические основы описания детерминированного хаоса берут свое начало в работах профессора Харьковского университета А.М. Ляпунова и французского математика А. Пуанкаре, выполненных на рубеже ХIХ-ХХ веков. Первая математическая модель, описывающая такой хаос, была построена и численно исследована американским метеорологом Э. Лоренцом в 1963 г. Он впервые обнаружил неустойчивый характер поведения системы. В отсутствие случайных сил в детерминированной системе почему-то возникали хаотические процессы. Чем они вызываются? Оказалось, что главная причина появления хаоса — нелинейность системы. Еще одна причина состоит в том, что система — открытая, т. е. с притоком извне энергии (вещества, информации). Нелинейность приводит к бифуркации, т. е. к выбору пути эволюции, который и является случайным. Это означает, что две одинаковые системы спустя некоторое время оказываются в совершенно разных условиях. Иначе говоря, незначительно изменив начальное условие, удается перевести систему в совсем другое состояние. Например, легкий взмах крыльев бабочки в Европе теоретически сможет вызвать обильный снегопад в летнее время на территории США. Такая сильная зависимость от исходных или начальных условий получила название «эффекта бабочки» (или баттерфляй-эффекта).

Динамику нелинейных систем удобно описывать при помощи траекторий в так называемом фазовом пространстве (в простейшем случае осями на фазовой плоскости является координата и скорость объекта исследования). В случае детерминированного хаоса набор траекторий образуют густое множество кривых, именуемых странным аттрактором). В математическом плане подобными эффектами занимается теория катастроф. Настоящий всплеск интереса к детерминированному хаосу наблюдается с 1970-х гг. , когда было обнаружено, что в простейших радиотехнических генераторах в отсутствие случайных внешних сил могут возникать хаотические колебания. С тех пор проявления динамического хаоса были обнаружены во всех разделах современного естествознания. Например, появление хаоса не позволяет надежно прогнозировать погоду, климат, моменты наступления землетрясения или извержения вулкана и многое другое.
Таким образом, возникновение хаоса в простых детерминированных, но непременно нелинейных и открытых системах — универсальное фундаментальное свойство природы, мира.

Хаотизация, деградация и самоорганизация. Может ли из беспорядка возникнуть порядок? Классическая физика на этот вопрос дает отрицательный ответ. Такой же ответ подсказывает нам повседневная жизнь: предоставленный самому себе огород быстро зарастает сорняками, дом без ремонта и ухода стареет и разваливается, разбитая рюмка потеряна безвозвратно, сожженный уголь превратился в тепло и дым. Примеры можно продолжать до бесконечности. Но посмотрим на природу с другой стороны. Почему же во Вселенной царит достаточно хорошо выраженный порядок, почему он наблюдается в Солнечной системе? Почему относительно упорядочены границы океанов и континентов? Почему существуют циклоны и антициклоны в атмосфере, ринги (вихри) в океанах? Ведь они — проявления порядка! Почему, наконец, на Земле зародилась жизнь и появилось мыслящее существо — человек? Эти и другие вопросы, связанные с возникновением порядка из беспорядка, издавна волновали естествоиспытателей. Но ответ был получен лишь во второй половине ХХ века. И не сразу, а постепенно.

Другие материалы рубрики


  • ...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


  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • 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


  • 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


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • 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


  • 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


  • 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


  • ...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


  • 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