Реферат: Закономерности и случайности

В современной физике, например, считается вполне возможным и эвристически ценным опираться на универсальные физические законы при описании свойств физических систем, в том числе их случайного поведения. Так, П. Девис, автор книги "Случайная Вселенная", в качестве квинтэссенции своего исследования на обложке книги выделил следующее содержание: "Разнообразие и сложность физических систем, из которых состоит наблюдаемая Вселенная, столь поразительны, что задача открытия простых законов, способных описать все эти системы, кажется безнадежной. Примечательно все же, что фундаментальные законы, управляющие столь несходными объектами, как атомы и звезды, достаточно хорошо поняты, чтобы большинство наиболее распространенных систем можно было описать единым образом". Итак, универсальные законы выявляются и применяются для описания глобальных систем, хотя в то же время в поведении системы фиксируются индивидуальные, случайные явления.

Заметим, что вопрос о соотношении случайности и закономерности рассматривался применительно к любой системе, в самом общем плане, поэтому и сделанный вывод носит не частный характер, а распространяется на системы самой различной природы. Обратимся теперь к опыту биологии в вопросе о соотношении случайного и закономерного в развитии. История становления эволюционизма в биологии убеждает, что реализация идеи эволюции стала возможной в контексте стохастического понимания изменчивости или, как говорят биологи, благодаря популяционному мышлению, формирование которого связано с осознанием неоднородности субстрата развития. Распространение генетических представлений с организменного уровня на популяционный, укрепило представление биологов об эволюции как стохастическом процессе, течение которого определяется выбором эволюционного материала из поля возможностей, неоднозначно.

Дальнейший шаг в понимании случайности эволюции был связан с теорией молекулярной эволюции (Кимура, Ота, 1974), обосновавшей стохастичность процесса на молекулярном уровне (случайный дрейф генов). Японские генетики утверждали, что случайное закрепление нейтральных мутаций происходит еще чаще, чем это представлялось неодарвинистам. Итак, популяционная биология, молекулярная биология подтверждают случайность процесса эволюции, но является ли исчерпывающим такое ее прочтение?

Есть и другая сторона биологической эволюции - ее закономерный характер, на чем традиционно акцентировали внимание сторонники номотетического толкования процесса. В истории этого учения выделяются разные точки зрения на то, как понимать закономерность, но всех объединяет уверенность в наличии таковой. Л С. Берг и Д. Н. Соболев связывали номогенез с изначальной запрограммированностью, предзаданностью. А. А. Любищев понимал номотетичность развития как ограничение многообразия и канализованность. Есть мнение, что и на молекулярном уровне эволюция содержит закономерные элементы наряду со стохастическими. Так, например, Ю. А. Урманцев замечает: "Мутации предстают в виде случайной формы проявления необходимости - особой формы существования, движения, абсолютного атрибута материи. При этом генные, хромосомные, геномные "случайные" мутации действительно точно укладываются в ограниченное число возможностей - в 7. Таким образом, в процессах биологического формирования (видообразования) приходится признать наличие очень существенного номогенетического компонента, который сторонниками СТЭ (Симпсоном, Майром, Шмальгаузеном, Завадским, Грантом) фактически не учитывается".

В связи с наличием в биологической эволюции стохастического и номогенетического аспектов, возникает вопрос об их соотношении. В дарвинизме отстаивается случайность изменчивости, предполагается, что у вида всегда имеется возможность развиваться в разных направлениях. Л. С. Берг, автор концепции номогенеза, полемизируя с таким мнением, писал: "Мы же на основании данных палеонтологии и сравнительной анатомии утверждаем, что направление развития предопределено (курсив наш. - И.Ч.) химическим строением белков данного вида". Сопоставляя эти две позиции, прежде всего, заметим, что у Дарвина речь идет об эволюции на популяционном уровне, а у Л. С. Берга - на молекулярном. То, что случайно на одном уровне и в одном отношении на другом может оказаться закономерным. Однако это "жонглирование" уровнями рассмотрения не дает все же принципиального ответа на вопрос, неизбежны ли номотетическое и стохастическое понимания эволюции или одно из них может быть редуцировано к другому.

С. В. Мейен предположил, основываясь на мнении А. А. Любищева о многоаспектности эволюции, что оба способа описания (концепция номогенетического толка и селекционизм) в равной степени необходимы и взаимодополняют друг друга. Разъясняя свою позицию, он пишет, что номогенез делает неявный упор на системной упорядоченности в пределах определенных уровней организации, отсюда акцентирование внимания на жестком детерминизме, необходимости, закономерности. Селекционизм же с его популяционным мышлением осознал статистичность биологических явлений, но исключил из рассмотрения нестатистические законы системы. В этом смысле номогенез и селекционизм дополнительны.

Обобщая рассмотренное, отметим, что, во-первых, стохастичность и закономерность характеризуют движение материи на фундаментальном, физико-химическом уровне, следовательно, они в той или иной форме присущи любому процессу; во-вторых, развитие эволюционного знания в биологии, геологии, астрономии показывает устойчивость альтернативы случайность - закономерность в объяснении эволюции. Есть основание считать концепции, акцентирующие внимание на случайности или закономерности эволюции, дополнительными.

Противоречивость эволюции отмечалась со времен Эмпедокла. Заострил значение противоречий в познании эволюции, представил противоположности в форме системы антиномий первым, пожалуй, А. А. Любищев. Борьба и взаимопомощь (симбиогенез), интеграция (социабилизм) и дифференциация (отбор); случайность и закономерность, более четырнадцати пар противоположных сторон выделил он в эволюционном процессе. В подавляющем большинстве указанные стороны эволюции считаются обоснованными в современной биологии

Глава 2. Ответы на вопросы

2.1. Можно ли точно рассчитать траекторию пули?

Покинув канал ствола под действием пороховых газов, пуля или дробовой снаряд продолжают полет к цели по инерции. При этом центр тяжести пули или дробинки (картечины) летит по определенной кривой линии, которая называется траекторией. Траектория представляет собой кривую линию, неравномерно изогнутую под воздействием силы сопротивления воздуха и силы тяжести на летящий снаряд. Сила тяжести постепенно понижает траекторию пули, а сила сопротивления воздуха уменьшает скорость движения пули, т. е. происходит потеря скорости.

Для расчета траектории приняты определенные обозначения ее элементов. Точка вылета — центр дульного среза ствола — является началом траектории. Горизонт оружия — это горизонтальная плоскость, проходящая через точку вылета. Линия возвышения — продолжение оси канала ствола. Угол возвышения — положительный угол между линией возвышения и горизонтом оружия. Угол склонения — отрицательный угол между линией возвышения и горизонтом оружия (при стрельбе сверху вниз, например в горах). Линия бросания — прямая, являющаяся продолжением оси канала ствола в момент вылета пули. Угол бросания — угол между линией бросания и горизонтом оружия. Угол вылета — угол между линией возвышения и линией бросания. Точка падения — пересечение траектории с горизонтом оружия. Угол падения — угол между касательной к траектории в точке падения и горизонтом оружия. Полная горизонтальная дальность — расстояние от точки вылета до точки падения. Скорость пули в точке падения называется окончательной скоростью. Полное время полета — время полета пули от точки вылета до точки падения. Наивысшая точка траектории называется вершиной траектории. Высота траектории — расстояние от вершины траектории до горизонта оружия. Та часть траектории, которая заключена между точкой вылета и вершиной, называется восходящей ветвью, а другая, до точки падения, — нисходящей ветвью.

Точка, в которую наводят оружие, вернее, прицельное приспособление, называется точкой прицеливания. Линией прицеливания служит прямая, соединяющая глаз стрелка, целик, мушку и точку прицеливания. Угол прицеливания находится между линией возвышения и линией прицеливания. Угол места цели образуется линией прицеливания и горизонтом оружия. Прицельная дальность — расстояние от точки вылета до пересечения траектории с линией прицеливания. Превышение траектории над линией прицеливания — кратчайшее расстояние от любой точки траектории до линии прицеливания. Линия, соединяющая цель с точкой вылета, называется линией цели, а длина этой линии — наклонной дальностью. При стрельбе на охотничьи дистанции линия цели почти совпадает с линией прицеливания, а наклонная дальность — с прицельной дальностью. Точка пересечения траектории с поверхностью цели называется точкой встречи, а угол между касательной к траектории и касательной к поверхности цели в точке встречи — углом встречи. За угол встречи принимается меньший из смежных углов, измеряемый от 0 до 90°. От него зависит, произойдет ли рикошетирование пули или нет. Чем меньше угол встречи, тем больше возможность рикошета при попадании в твердую преграду, а иногда и в поверхность воды.

2.2. Точно ли повторяется траектория движения Земли вокруг Солнца из года в год?

Каждые сутки Земля делает один оборот вокруг своей оси, наклоненной к плоскости орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца. За год мы совершаем полное путешествие вокруг Солнца, проходя весь цикл времен года со всеми переменами, которые они приносят с собой. Со звездами также происходят перемены, которые можно наблюдать от ночи к ночи.

В прежние времена люди считали, что Солнце вращается вокруг Земли и что вечер наступает тогда, когда Солнце, в соответствии со своим маршрутом, уходит за линию горизонта. На картинах, обнаруженных в могилах древних египтян, изображается Солнце, едущее по небу в колеснице. Теперь мы знаем, что, путешествуя по орбите вокруг Солнца, Земля одновременно вращается вокруг собственной оси, совершая полный оборот за 24 часа. При этом на той стороне Земли, что обращена к Солнцу - день, а на другой половине - ночь.

Почему же в таком случае день по продолжительности не равен ночи в течение всего года? Как известно, долгота дня и ночи меняется вместе с ходом годового цикла времен года. Времена года на Земле существуют по той причине, что земная ось не находится под прямым углом к плоскости траектории, по которой Земля движется вокруг Солнца. Если бы этот угол был прямым, никаких времен года у нас не было бы. Но ось вращения Земли отклонена от вертикали на угол, равный приблизительно 23,5°.

В северном полушарии Земли наступает лето, когда Северный полюс наклоняется в сторону Солнца. Примерно 20 марта Солнце в полдень находится в зените (прямо над головой) на линии экватора. Затем каждый день вплоть до 21 июня Солнце в полдень находится в зените в более северных точках Земли. 21 июня Солнце стоит в зените на тропике Рака. Этот день является серединой лета в северном полушарии, когда долгота дня максимальна. Научное название этого явления - солнцестояние. За Северным Полярным кругом бывают дни, когда Солнце вообще не опускается за горизонт. Вот почему страны, расположенные на крайнем Севере, иногда называют "Землей полуночного Солнца". После 21 июня все эти явления происходят в обратном порядке, до тех пор, пока 23 сентября Солнце вновь не оказывается в полдень в зените на линии экватора.

Когда в северном полушарии стоит лето, Южный полюс отклонен от Солнца, и в южном полушарии зима. Времена года в южном и северном полушариях всегда противоположны. 21 декабря Солнце в полдень находится в зените в самых южных точках, где это вообще случается, а именно на тропике Козерога. Это второе солнцестояние в году - середина лета в южном полушарии.

Примерно 21 марта и 23 сентября, когда полуденное Солнце в зените находится на экваторе, во всем мире день продолжается 12 часов и ночь длится тоже 12 часов. Эти дни называются днями весеннего и осеннего равноденствия.

Високосные годы. Мы говорим, что Земля совершает весь свой путь вокруг Солнца за год, но этот год не продолжается ровно 365 суток. Точная продолжительность года, например, от одного дня середины зимы до другого, равна 365,24219 суток. Если бы каждые четыре года мы не добавляли один дополнительный день, то вскоре времена года перестали бы согласовываться с месяцами, что было бы крайне неудобно. Чтобы природный год еще точнее совпадал с календарным, установлены правила, по которым года с номерами, оканчивающимися двумя нулями, например 1900 год, не являются високосными, если только номер года не делится на 400. Так что 2000-й год будет високосным, а 2100-й - не будет. Эта система была введена в 1582 г., заменив календарь Юлия Цезаря (юлианский календарь).

2.3. Можно ли точно рассчитать время Солнечного затмения? А погоду в это время?

Миновало лунное затмение. Луна продолжает свое движение по небу вокруг Земли и постепенно теряет округлость, ущербляется. Через неделю после полнолуния настала последняя четверть, а еще через неделю Луна пропала в лучах утреннего Солнца: подошло новолуние. В этот момент может произойти солнечное затмение - ведь именно в новолуние Луна проходит между Солнцем и Землей. Астрономы заранее знают, когда и где будет наблюдаться солнечное затмение, и сообщают об этом в астрономических календарях.

Точно в назначенный час и минуту сквозь темное стекло видно, как на яркий диск Солнца наползает с правого края что-то черное, как появляется на нем черная лунка. Она постепенно разрастается, пока, наконец солнечный круг не примет вид узкого серпа. Быстро ослабевает дневной свет. Вот Солнце полностью прячется за темной заслонкой, гаснет последний дневной луч, и тьма, кажутся тем глубже, чем она внезапнее, расстилается вокруг, повергая человека и всю природу в безмолвное удивление.

Посмотрим на Землю и Луну со стороны, чтобы понять, где и как протекает солнечное затмение. Проходя между Солнцем и Землей, маленькая Луна не может полностью затенить Землю. Короткая лунная тень притемняет на Земле лишь небольшой кружок. Только здесь можно в этот момент наблюдать полное затмение Солнца. Но Луна движется по орбите, и Земля вращается под тенью. Поэтому тень как бы прочерчивает на Земле полосу полного затмения шириной около 100 км. Если теневая дорожка пройдет от нас в 3-4 тыс. километров или дальше, то мы не увидим никакого затмения. А если мы окажемся вблизи полосы полного затмения, для нас только часть Солнца заслоняется Луной, и будет наблюдаться частное затмение.

В некоторое новолуние острие лунной тени проходит мимо земного шар, а на Землю падает только полутень. Тогда календарь объявляет о частном затмении Солнца. Если в день затмения Луна, перемещаясь по своей вытянутой орбите, будет находиться на значительном удалении от Земли, то видимый диск ее окажется, мал и не сможет полностью покрыть Солнце. Поэтому в середине затмения края Солнца будут выглядывать из-за Луны, мешая видеть и фотографировать корону. Это - кольцеобразное затмение.

В наше время затмения с большой точностью вычислены на тысячу лет назад и сотни лет вперед. Затмения, рассчитанные для далекого прошлого, позволяют историкам совершенно точно датировать события, произошедшие в день и год затмения. Хотя в целом на Земле солнечные затмения случаются чаще, чем лунные, в какой-то определенной местности полные затмения Солнца наблюдаются крайне редко: в среднем раз в 300 лет. Например, за всю историю Москвы ее “посетили” четыре полных солнечных затмения: в 1140, 1450, 1476 и 1887 гг. Следующее полное затмение москвичи увидят 16 октября 2126 г. Астрономические календари публикуют карты полосы полного затмения и прилегающих зон частного затмения. Так что специалисты и астрономы-любители могут “не ждать милости от природы”, а заранее выбрать удобное место для экспедиции.

Полное затмение - лучшее время для изучения солнечной атмосферы: серебристой короны и более низкого слоя - красной хромосферы, над которой вздымаются огненные фонтаны протуберанцев. Правда, астрономы ухитряются все это видеть и в обычный солнечный день, устраивая заслонку солнечному диску прямо в трубе телескопа.

2.4. Привести примеры упорядоченного движения воздуха?

Несколько слов о температуре воздуха или газа (в дальнейшем газа). Классическое понятие температуры подразумевает именно хаотическое (наиболее распространенное в природе) движение молекул газа, скорость движения молекул с увеличением температуры увеличивается, и это однозначно определяет классическую температуру газа, т.е. энергию хаотического движения и столкновения молекул газа. Хаотические направления движений отдельных молекул газа подразумевает и хаотические столкновения молекул, как между собой, так и со стенками объема или предметов в нем, и образованное таким образом давление газа, связанное с температурой. Данное понятие температуры прекрасно подходит для основных состояний газа, но, к сожалению не для всех.

Рассмотрим возможный случай, когда происходит нарушение данного закона температуры газа, вернее неприменимость классического понятия температуры. В реальных условиях существуют такие особенные состояния движения газа, когда понятие температуры теряет смысл и соответственно наблюдаются, на первый взгляд трудно объяснимые эффекты. А на самом деле все достаточно просто. Самый характерный пример: вихревое движение газа, сопровождаемый эффектом Ранка, т.е. мощным переносом тепла от центральной части вихря к периферии. Что бы разобраться в данном процессе, рассмотрим простую теоретическую ситуацию: в определенном объеме газа, имеющему температуру Т1, особым образом образуется локальная область с упорядоченным тепловым движением молекул газа в одну сторону, своеобразный поток газа со скоростью теплового движения молекул. Необходимо иметь ввиду, что тепловые скорости движения молекул близки к скорости распространения упругих колебаний, таких как звук; т.е. составляют сотни метров в секунду. Какие характерные особенности будет иметь данная локальная область? Кроме высокой скорости движения потока данная область будет иметь значительно более низкую температуру Т2, чем остальная масса газа, хотя скорости движения молекул практически не отличаются, но столкновений между ними не наблюдается (по сравнению с хаотическим движением). Дополнительно данная область должна иметь изначально пониженное давление, хотя и понятие давления, для скоростного потока относительно. Остается отметить, что нарушений закона сохранения энергии не наблюдается, локальная область газа приобрела большую кинетическую энергию в ущерб классической тепловой. И данная кинетическая энергия может совершить определенную работу, либо опять превратиться в тепловую при хаотическом торможении потока газа. При совершении работы произойдет еще большее охлаждение газа в обычном понимании.

Сделаем определенные выводы. Понятие температура газа относительно. Исходя из выше сказанного следует, что газ может иметь, в зависимости от состояния, две температуры. Одна – для хаотического движение молекул, и вторая для упорядоченного движения молекул газа. А если говорить точнее, необходимо вводить понятие относительной температуры газа. Которая будет характеризовать температуру любого участка газ, через определенное отношение температур Т1 и Т2, как отношение 100% хаотического движения молекул к полностью упорядоченному движению. Поскольку классическое понятие температуры не всегда подходит для характеристик возможных состояний газовой среды. Подобное утверждение с некоторой осторожностью можно сделать и для понятия давление.

Примеры. Упорядоченное тепловое движение молекул газа встречается часто даже в природе, не говоря уже о творениях человека. Вихревое движение воздуха, торнадо, смерчи – это движение воздуха. Температура внутри подобного вихря значительно ниже температуры окружающего воздуха. Вихревое движение жидкости имеет подобные особенности и достаточно широко применяется в технике, но полное применение подобного явления пока не наблюдается, хотя перспективы громадны.

2.5. С какой средней скоростью движутся молекулы воздуха при температуре +20 ⁰ С? А при температуре –20 ⁰ C?

Температура - величина, характеризующая степень теплового состояния тела (газа) или скорость хаотического движения молекул (чем выше температура, тем больше скорость их движения, и наоборот). Температуру воздуха можно измерять по двум шкалам: Цельсия и абсолютной шкале Кельвина. За нуль градусов по шкале Цельсия принято считать температуру таяния льда, а за 100° - температуру кипения воды при атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст. Если известна температура воздуха у земли, то можно определить температуру воздуха в тропосфере на любой высоте по формуле: