Реферат: Пространство и время 6

Соразмерность – таково древнее значение слова «симметрия». Античные философы читали симметрию, порядок и определенность сущностью прекрасного. Архитекторы, художники, даже поэты и музыканты с древнейших времен знали законы симметрии. Строго симметрично строятся геометрические орнаменты; в классической архитектуре господствуют прямые линии, углы, круги, равенство колонн, окон, арок, сводов. Конечно симметрия в искусстве не буквальная – мы не увидим на картине человека слева и точно такого же справа. Законы симметрии художественного произведения подразумевают не однообразие форм, а глубокую согласованность элементов. Ассиметрия – другая сторона симметрии, ни природа, ни искусство не терпят точных симметрий . Самая простая из симметрий – однородность и изотропность пространства. Красивое слово «изотропность» означает независимость свойств объектов от направления. Однородность пространства означает, что каждый физический прибор должен работать одинаково в любом месте, если не изменяются окружающие физические условия.

Понятие симметрии – соразмерности – относится не только к предметам, но и ко всем физическим явлениям и законам.

И так, физические законы должны быть инвариантны – неизменны – относительно перемещений и поворотов.

4.Необратимость процессов и стрела времени

Время – одно из самых загадочных понятий философии и естествознания. Это – одно из фундаментальных понятий научной картины мира. Блаженный Августин, христианский теолог и церковный деятель (354-430) признавался: пока его никто не спрашивает о том, что такое время, он это понимает, но когда хочет ответить на такой вопрос, попадает в тупик. «Душа моя горит желанием проникнуть в эту необъяснимую для нее тайну» — говорил он. Известно одно неотъемлемое свойство времени – его направленность от прошлого к будущему. При описании любых явлений, с которыми человеку приходится иметь дело, прошлое и будущее играют разные роли . Это справедливо для физики, изучающей макроскопические явления (для микромира, на фундаментальном уровне описания этой направленности времени не существует), биологии, геологии, гуманитарных наук. Почему это именно так и не иначе? Известный физик Эддингтон придумал яркое название «стрела времени». Одной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости реальных процессов в природе. Если снять кинофильм о хаотическом движении одной частицы в некотором замкнутом объеме и показать этот фильм, прокручивая пленку в обратном направлении, то ничего неправдоподобного в поведении частицы не обнаружится. Более того, просто невозможно будет даже определить, в какую сторону прокручивалась пленка. В этом случае говорят, что движение частицы обратимо. Практически ничего не изменится и в случаях, когда просматривается фильм о хаотическом движении двух, трех и вообще любого небольшого числа независимых частиц .
Однако когда частиц становится достаточно много, в их совместном поведении проявляется новая закономерность. Если, например, в начале фильма все частицы находились в каком-то определенном месте объема, то в дальнейшем они распределяются по объему более или менее равномерно, и если при демонстрации фильма обнаруживается, что частицы самопроизвольно скапливаются в каком-то месте, можно быть уверенным, что пленка прокручивалась в обратном направлении. Такое поведение, когда состояния системы могут появляться только в определенной последовательности, называется необратимым.

Почти все реальные процессы в природы являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от прошлого к будущему. Это свойство времени английский физик и астроном А. Эддингтон образно назвал "стрелой времени". Почему же, несмотря на обратимость поведения одной молекулы, ансамбль из большого числа таких молекул ведет себя существенно необратимо? В чем природа необратимости? Как обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона? Эти и другие аналогичные вопросы волновали умы самых великих ученых XVIII - XIX веков.
Первоначально с проблемой необратимости столкнулись в области термодинамики, которая занимается тепловыми явлениями в природе. Следует отметить, что вплоть до начала XVIII века считалось, что эти явления обусловлены наличием в телах определенной "жидкости" - теплорода. Этой концепции придерживались многие выдающиеся ученые. Гипотеза теплорода, хорошо объясняла процессы нагревания тел, их теплового расширения, теплообмен, и многие другие явления, она не помешала великому С. Карно заложить основы термодинамики и создать теорию тепловых машин. Именно Карно первым обратил внимание на необратимость тепловых процессов, которая, в частности, проявляется в том, что тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему.
После отказа от гипотезы теплорода и перехода к молекулярно-кинетической модели тепловых явлений возникла надежда свести теплоту к механике, что на заре классического естествознания являлось конечной целью любой теории. Формально для этого надо было записать уравнения движения (maх = F) и задать начальные состояния каждой молекулы нагретого тела (например, газа). Однако ни решить такую чудовищно большую систему уравнений, ни, самое главное, проанализировать полученное решение, если бы даже это и удалось, оказалось невозможным. А значит и природа необратимого поведения при механическом подходе к этой проблеме не раскрывается.

Английский астрофизик Фрейд Хойл высказал мысль о связи направления времени с направлением процесса увеличение расстояния между галактиками в ходе расширения Вселенной, которое наблюдается в настоящее время. Эту идею поддержал и Эддингтон. Однако расширение Вселенной, о котором свидетельствует т.н. “красное смещение” спектральных линий в излучении удаляющихся друг от друга галактик («разбегания» галактик) не означает расширения в каждом месте, иначе расширялись бы размеры тел, а этого не наблюдается. А поскольку нет этого общего физического влияния, разбегание галактик или расширения Вселенной не может влиять на ход времени в элементарных процессах. Связь с расширением Вселенной может определять только «космологическую шкалу времени». Существует и субъективное восприятие течения времени в результате психологических процессов, которые дают нам “психологическую шкалу времени”. Вопрос о психологическом времени сам по себе очень сложен. Для обычного — «природного» человека в первобытном, доцивилизованном племени время текло то быстро (например, ночью), то медленно (в минуты томительного ожидания) и сосредоточивалось в настоящем (по принципу «здесь и сейчас»). Прошлое при этом было вечным и, в то же время, одномоментным. Мы сохранили много пережитков субъективного восприятия времени. В частности, отмечая юбилейные даты, мы почти отождествляем их с первоначальным событием. У древних такое слияние было в порядке вещей. Известный психолог Эллиот Аронсон считает, что человеческая память является реконструирующей: мы не записываем прошлые события буквально, подобно магнитофону, а воссоздаем воспоминания из фрагментов, заполняя пробелы тем, что, по нашему мнению, должно было быть в тот момент. И эта реконструкция сильно зависит от внешнего мнения — человеку нетрудно внушить, что было в прошлом.

В то же время во Вселенной идет необратимый процесс роста энтропии. Не он ли определяет стрелу времени? Действительно, согласно Больцману, возрастание энтропии означает необратимость процесса и рассматривается как проявление возрастающего хаоса, постепенного “забывания” начальных условий. Таким образом,.термодинамические процессы определяют и «термодинамическую шкалу времени».

Три «стрелы времени»:

- космологическая (расширение Вселенной);

- психологическая (субъективное восприятие, опыт);

- термодинамическая (рост энтропии).

Тот факт, что эти «стрелы времени» в настоящее время в нашей Вселенной совпадают, является одной из загадок современной картины мира.

5. Время в живых системах (физиологические часы)

Совершенно по иному проявляется время в живых системах. Здесь наряду с линейным восприятием времени нашим сознанием (психикой) проявляется другая ипостась време­ни — его цикличность, порождаемая эндогенной (внутренней) организацией живой системы. Это время называют биологи­ческим временем или биологическими часами. Наше сознание воспринимает и это время через сложную взаимосвязь с внут­ренней организацией живой материи, очевидно на подсозна­тельном уровне.

Наше сознание как бы раздваивается при внешнем воспри­ятии явлений в пространстве линейного физического времени и внутреннем ощущении биологического времени с его цик­личностью, присущей биофизическим процессам. Появление биологического времени, своего для каждой живой системы, обусловлено необходимостью синхронизации большого чис­ла биохимических процессов, протекающих даже в самых про­стых одноклеточных организмах. Живой сложный организм является иерархической системой, где каждый уровень, выпол­няя свою цель, должен соразмерять ее с выполнением главной цели целой системы организма. Поэтому живая система мо­жет нормально функционировать только в случае хорошей синхронизации работы всех ее подсистем, будучи высокоорганизованной не только во времени, но и в биологическом пространстве. Такая синхронизация порождается наличием биоритмов в системе. Чем сложнее система, тем больше у нее различных биоритмов.

Ряд процессов обмена веществ, роста, развития и движе­ния у живых организмов подвержен ритмическим колебани­ям, которые часто, но не всегда, следуют смене дня и ночи и имеют в этом случае 24-часовую продолжительность периода. Например, у растений наиболее хорошо изучены такие рит­мические движения, как ночное закрывание цветков и опуска­ние листьев, открытых или приподнятых в дневное время.

Временной ход подобных процессов нередко управляется условиями среды, но в других случаях контролируется внут­ренней хронометрической системой, физиологическими часа­ми, которые имеются у одно- и многоклеточных организмов, у растений, животных, человека. Такая эндогенно управляе­мая ритмика называется циркадной ритмикой. Контролиру­ющую ее ход хронометрическую систему, свойственную орга­низму, называют физиологическими часами.

Физиологическими часами регулируются: частота митозов, объем клеточного ядра, форма хлоропластов у растений, ин­тенсивность фотосинтеза и дыхания, активность ферментов и т.д.

В естественных условиях ритмика, отклоняясь от эндоген­ной продолжительности периода в пределах 22 - 28 ч, синхронизируется путем ежедневного 'перевода часов точно на 24ч.

Все это убеждает, что живые системы функционируют в своем собственном биологическом времени. Эксперименты, проведенные на высших животных, показывают, что с возрас­том происходит омоложение лишь некоторых из двух типов клеток - сперматозоидов и яйцеклеток, в результате слияния которых только и может образовываться новый молодой ор­ганизм, начинающий заново отсчитывать свое собственное биологическое время, продолжительность которого сознание воспринимает в физическом или вернее в астрономическом времени.

Существует мнение, что биологическое время не равномер­но, т.е. идет с разной скоростью, если его сравнивать с астро­номическим. После слияния со сперматозоидом яйцеклетка начинает делиться, проявляя способность к пространственной и временной организации. Скорость деления, задаваемая био­ритмами, начинает расти, затем по мере развития организма, достигает максимума и снова уменьшается, становясь нулем при естественной смерти организма.

Подобная закономерность изменения скорости наблюда­ется и во многих циклических биохимических процессах из-за наличия обратной связи. Поэтому, как мы считаем, биологи­ческое время, вернее его скорость, сначала растет, а затем сни­жается. Для сохранения синхронности всех процессов в орга­низме, что необходимо для продолжения его жизни, скорость их тоже сначала растет, затем становится почти неизменной, а при старении начинает замедляться. Поэтому старение, воз­можно, является проявлением замедления биологического вре­мени, запрограммированного эволюцией. Для успешного про­должения развития каждый вид должен обновляться, а это свя­зано с ограничением времени жизни каждого индивидуума в виде. Науке известно, что ограниченность времени жизни ор­ганизма связана со сложностью структурной организации. Например, показано, что одноклеточные организмы могут жить при благоприятных условиях неограниченно долго.

Изменение скорости хода времени на протяжении жизни психологически ощущается каждым человеком. Так, в моло­дости биологическое время идет быстро, а "главный" биоритм делает десять оборотов за час астрономического времени.

Именно поэтому психологически кажется, что астрономичес­кое время тянется медленно: в организме прошло уже десять *" циклов, а в жизни только час. В старости, когда биологичес­кое время идет медленнее и, например, за час протекает толь­ко один цикл, психологически кажется, что астрономическое время летит быстро. Действительно, по часам прошел уже час, * а по внутренним часам совершился только один цикл, по срав­нению с теми десяти, которые проходили за один час в моло­дости. Интересен еще один аспект психологического воспри­ятия времени. Если физическое время разделяет прошлое и бу­дущее, как один миг, т.е. является точкой на оси времени, то настоящее удерживается в психике от 1 до 4—5 с. Если бы мы настоящее также ощущали как миг, то не могли бы восприни­мать мелодию, а воспринимали бы музыку, как отдельно зву­чащие ноты.

По аналогии со временем в живых системах мы считаем, что и физическое время есть первичная фундаментальная сущ­ность Вселенной, как и пространство, и вещество, т.е. мате­рия. И это действительное физическое время тоже, как и био­логическое, неравномерно, если измерять его нашим матема­тическим, искусственно придуманным временем. Оно при воз­никновении Вселенной после квантовой неопределенности, равной приблизительно Ю-⁴³ с начинает убыстряться вместе с расширением Вселенной, затем становится практически рав­номерным, и после начала сжатия, если такое будет, начнет снова уменьшаться. Интересно отметить, что невозможно при­думать прибор или опыт, который показал бы неравномер­ность времени, если оно действительно обладает таким свой­ством. Обнаружить это свойство времени можно лишь по тем следам, которые остались во Вселенной.

Поэтому время, наделенное таким свойством, может объ­яснить многие неразгаданные еще наукой "загадки" мира, ну, например, сразу становится понятой необратимость времени, т.е. его однонаправленность ("стрела времени"), несимметрич­ный распад К- мезонов и др. Из всего вышеизложенного следует, что время все еще ос­тается одним из самых загадочных явлений нашего мира и науке придется много пережить, прежде чем удастся найти пути к его действительному сознанию.

Заключение

Изучение проблем, связанных с философским анализом материи и её свойств является необходимым условием формирования мировоззрения личности, независимо от того, окажется ли оно в конечном счёте материалистическим или идеалистическим.