Тема 19: Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма

1.Рост упорядоченности при возникновении диссипативной структуры в неравновесной системе происходит за счет …

ускорения выноса энтропии из системы в окружающую среду

замедления производства энтропии в системе

охлаждения системы, сопровождающегося кристаллизацией

приближения системы к равновесному состоянию

Решение:

Согласно закономерностям самоорганизации, возникновение диссипативной структуры всегда сопровождается скачкообразным ростом производства энтропии. Потому структура и называется «диссипативной», то есть «рассеивающей» энергию, переводящей энергию в менее качественные формы. Чтобы при этом обеспечить рост упорядоченности, то есть снижение энтропии системы, необходимо одновременно столь же резко ускорить вынос энтропии за пределы системы, в окружающую среду. Именно поэтому любое человеческое поселение непременно окружено кольцом свалок, постоянно и быстро растущих, пока это поселение существует и развивается.

2. К числу условий, необходимых для начала самоорганизации в системе, не принадлежит требование ее …

неоднородности

неравновесности

сильной неравновесности

нелинейности

Решение:

В синергетике установлены три условия, необходимые для самоорганизации, то есть такие, при отсутствии любого из которых самоорганизация не начнется. Эти условия требуют, чтобы система была:

1) нелинейной (то есть достаточно сложной по своему поведению),

2) неравновесной, причем степень отклонения от равновесного состояния должна быть достаточно велика.

3. Результатом процесса самоорганизации является (-ются) …

европейский бобер

«Лестница гигантов» в Ирландии

истуканы острова Пасхи

Аральское море

Решение:

Самоорганизация – это процесс самопроизвольного возникновения сложных упорядоченных структур в силу объективных законов природы и общества. Структуры, возникающие в результате самоорганизации, называются диссипативными, поскольку они, возникнув в неравновесной системе, сами являются сильно неравновесными и быстрыми темпами рассеивают (диссипируют) энергию, то есть переводят ее в низкокачественные формы. В соответствии со сказанным к результатам самоорганизации нельзя относить структуры:

– равновесные (не диссипативные);

– менее сложные и упорядоченные, чем их предшественники;

– возникшие не самопроизвольно, а в результате внешнего целенаправленного воздействия (например, со стороны человека или животных).

4. Результатом процесса самоорганизации является (-ются) …

 

5. Состояние системы, приближающейся к точке бифуркации, характеризуется …

неустойчивостью

стабильностью

полным отсутствием флуктуаций

полной определенностью пути дальнейшего развития

Решение:

Согласно общим закономерностям самоорганизации, прохождение точки бифуркации – это системный кризис, характеризующийся развитием неустойчивости системы, ростом амплитуды и продолжительности существования всевозможных отклонений от нормы (флуктуаций) и, как следствие, невозможностью предсказать даже ближайшее будущее системы.

6. К принципам универсального эволюционизма относится положение о том, что …

настоящее и будущее зависят от прошлого, но не предопределяются им

механизм биологической эволюции включает изменчивость, естественный отбор и наследственность

преобладающей тенденцией во всех мировых процессах является тенденция к деградации и росту энтропии

развитие Вселенной определяется некоторой универсальной внешней силой, действующей из-за пределов нашего мира

Решение:

Выделяют следующие основные принципы универсального эволюционизма – важнейшей научной исследовательской программы современности:

1. Вселенная не просто существует, но и может существовать лишь в развитии.

2. Развитие Вселенной объяснимо внутренними по отношению к ней факторами, действующими объективно и познаваемыми рационально. Речь идет именно о само организации материи, а не об организации ее внешними или сверхъестественными силами.

3. В мире действуют принципы отбора, выделяющие из всех мыслимых состояний некоторое множество допустимых. Отбор действует на всех уровнях: физическом (законы сохранения), химическом, биологическом и социальном.

4. На ход всех процессов во Вселенной неизбежно влияют случайные факторы. Все процессы протекают в условиях некоторого уровня неопределенности.

5. Развитие материальных объектов неизбежно приводит к точкам бифуркации, из которых возможен переход в различные состояния. В этих точках дальнейшая эволюция оказывается принципиально непредсказуемой, поскольку определяется действующими в системе в данный момент случайными флуктуациями. Поэтому настоящее и будущее зависят от прошлого, но не определяются им.

6. Упорядоченные диссипативные структуры, возникшие в результате самоорганизации, в отличие от кристаллов или технических устройств, поддерживают свое существование путем непрерывного самовоспроизводства. Диссипативную структуру, наподобие живой клетки, правильнее рассматривать уже не как структуру, а как устойчивый самоподдерживающийся процесс.

7. К числу закономерностей самоорганизации относится положение о том, что самоорганизация …

происходит в результате потери системой устойчивости

происходит благодаря повышению устойчивости системы

требует внешнего по отношению к системе управляющего воздействия

сопровождается понижением энтропии как системы, так и окружающей среды

Решение:

Общие закономерности самоорганизации:

1) диссипативная структура возникает быстро, по достижении критического уровня неравновесности;

2) диссипативная структура возникает после прохождения системой точки бифуркации (кризиса, потери устойчивости);

3) утрата устойчивости системой по мере приближения к точке бифуркации проявляется в росте амплитуды и времени существования флуктуаций – случайных отклонений системы от нормы;

4) после прохождения системой точки бифуркации флуктуации стабилизируются и становятся элементами возникающей упорядоченной диссипативной системы;

5) направление выхода системы из точки бифуркации определяется непредсказуемой игрой флуктуаций, поэтому точное предсказание будущего развивающейся системы на период, включающий хотя бы одну точку бифуркации, невозможно в принципе;

6) образование диссипативной структуры в результате самоорганизации понижает энтропию системы, так как упорядоченность системы возрастает; однако достигается это за счет ускоренной диссипации энергии, то есть ускорения производства энтропии в системе; чтобы сохранить собственную упорядоченность, система отводит избыточную энтропию в окружающую среду, повышая тем самым ее энтропию.

8. Согласно законам синергетики и положениям универсального эволюционизма, будущее развивающейся системы …

принципиально невозможно точно предсказать на период, включающий хотя бы одну точку бифуркации

легко предсказать абсолютно точно и однозначно, зная законы, управляющие поведением системы

можно предсказать точно, но это требует очень трудоемких и сложных расчетов, а также большого объема информации о системе

принципиально невозможно предсказать точно даже на очень короткий период

Решение:

Синергетика утверждает, что путь выхода развивающейся системы из точки бифуркации непредсказуем, поскольку определяется флуктуациями, игрой случая. С каждой следующей точкой бифуркации неопределенность только нарастает. Поэтому дальние прогнозы для эволюционирующей системы невозможны в принципе, а вот траектория ее развития между точками бифуркации (то есть в течение относительно небольшого периода времени) вполне поддается достаточно точному расчету и прогнозированию.

 

Тема 20: Космология

1.Научная космология начала развиваться в …

XX веке на основе общей теории относительности

Древней Греции на основе натурфилософской картины мира Аристотеля

эпоху Возрождения на основе гелиоцентрической системы Коперника

XVII веке на основе классической механики Ньютона

Решение:

Впервые возможность поставить задачу научного описания свойств Вселенной в целом появилась в начале XX века после создания общей теории относительности, связывающей свойства пространства, времени и материи.

2.На рисунке приведена карта реликтового излучения, построенная по результатам спутниковых измерений. Каждая точка карты соответствует определенному направлению небесной сферы, с которого принималось реликтовое излучение, цвет этой точки соответствует интенсивности излучения с этого направления. Переход от одного цвета к другому соответствует изменению интенсивности примерно на 10–6 (то есть на 0,000001) от ее среднего значения по всем направлениям. Карта позволяет сделать вывод, что реликтовое излучение …

практически изотропно

полностью изотропно

сильно анизотропно

имеет в основном зеленоватый цвет

Решение:

Реликтовое излучение – это тепловое излучение молодой Вселенной. В его свойствах отпечаталось состояние Вселенной той далекой эпохи (13 миллиардов лет назад), когда она была горячей и непрозрачной (плотной). Поэтому свойства реликтового излучения так важны для космологов.

Условный цвет на карте не следует путать с реальным цветовым ощущением, которого реликтовое излучение не создает, ведь оно сосредоточено в радиодиапазоне электромагнитных волн.

Поскольку на карте присутствует не более десятка разных цветов, это означает, что интенсивность реликтового излучения, приходящего с разных направлений небесной сферы, различается не более, чем на десять миллионных долей от ее среднего значения. Таким образом, интенсивность реликтового излучения практически не зависит от направления или, в научной терминологии, реликтовое излучение практически изотропно. Это означает, что в эпоху отделения излучения от вещества, то есть 13 миллиардов лет назад, Вселенная тоже была практически изотропной, а те неоднородности, которые мы наблюдаем сейчас (галактики, их скопления и сверхскопления) сформировались позднее, в ходе эволюции Вселенной.

3. Суть открытия, сделанного американским астрономом-наблюдателем Э. Хабблом в 20-х годах XX века и ставшего эмпирической основой для становления научной космологии, заключалась в том, что галактики …

удаляются друг от друга тем быстрее, чем больше расстояние между ними

преимущественно удаляются друг от друга, а не сближаются

сближаются тем быстрее, чем больше расстояние между ними

преимущественно сближаются друг с другом, а не удаляются

Решение:

Еще до работы Хаббла, вышедшей в 1929 г., было известно (по крайней мере, с 1912 г.), что в спектрах большинства галактик наблюдается красное смещение, то есть они удаляются от нашей Галактики (и друг от друга). Заслуга Хаббла заключается в наблюдательном выяснении того факта, что скорость удаления галактик друг от друга v пропорциональна расстоянию l между ними (закон Хаббла): Из этого закона немедленно следует, что Вселенная как целое расширяется из некоторого особого начального состояния, что блестяще подтвердило теоретические соображения А. А. Фридмана и других первых космологов.

4. Сходство между Большим Взрывом (процессом, в ходе которого образовалась и приобрела свои свойства наша Вселенная) и обычным взрывом артиллерийского снаряда состоит в том, что …

расстояния между галактиками с течением времени увеличиваются, подобно тому, как разлетаются в разные стороны осколки взорвавшегося снаряда

и осколки снаряда, и галактики разлетаются по направлению от определенной точки в пространстве – центра взрыва

движущей силой расширения и Вселенной, и продуктов взрыва снаряда является давление раскаленных газов

расширение происходит только в ограниченной области (которую успела охватить ударная волна от взрыва), а за пределами этой области никакого расширения нет

Решение:

Термин «Большой взрыв» несколько неудачен в том смысле, что он сильно дезориентирует широкую публику относительно сущности космологических процессов. Между взрывом снаряда и Большим взрывом нет практически ничего общего. Космологическое расширение охватывает всю бесконечную Вселенную, а не какую-то ограниченную область, как расширение газов при обычном взрыве. Движущей силой разбегания галактик служит изменение геометрических свойств пространства (точнее, пространства-времени), а не действие (давление) какой-то силы со стороны какого-то тела или среды. У расширения Вселенной нет центра – из любой ее точки наблюдатель увидит одну и ту же картину удаляющихся от него галактик. Лишь в том, что расстояния между галактиками с течением времени растут, можно провести аналогию с разлетающимися после взрыва осколками снаряда. И то, аналогия эта будет довольно условной, поскольку разлетающиеся осколки движутся относительно неизменного пространства, в то время как галактики, грубо говоря, уносит друг от друга растяжение разделяющего их пространства.

5. Расширение Вселенной происходит …

однородно, без какого-либо особого или выделенного центра расширения

во все стороны от центра Большого взрыва, произошедшего в нашей Галактике

быстрее в плоскости Галактики, чем в перпендикулярном направлении

со скоростью, которая за все время существования Вселенной не изменилась

Решение:

Согласно современным представлениям, расширение Вселенной происходит однородно и изотропно, то есть одинаково во всех ее частях и во всех направлениях. Скорость же расширения с течением времени менялась. В частности, сейчас Вселенная переживает эпоху перехода от расширения с замедлением к расширению с ускорением.

6. Согласно современным космологическим представлениям, расширение Вселенной …

ускоряется и будет происходить, чем дальше, тем быстрее

за всю историю Вселенной не изменило свою скорость и не изменит ее в будущем

замедляется и будет продолжаться, пока скорость расширения не упадет практически до нуля

в настоящее время замедляется и вскоре (по космическим масштабам) сменится сжатием

Решение:

Классические космологические модели говорили, что расширение Вселенной должно постепенно тормозиться за счет взаимного притяжения находящейся в ней массивных тел (галактик и звезд). Однако в последние годы выяснилось, что более половины всей материи во Вселенной – это так называемая «темная энергия», равномерно заполняющая пространство и создающая своеобразную силу всемирного отталкивания. В настоящее время эта сила уже несколько превосходит совокупную силу тяготения обычной материи, и потому расширение Вселенной начинает ускоряться. Факт ускоряющегося расширения Вселенной уже получил ряд наблюдательных подтверждений.

 

Тема 21: Общая космогония

1.По современным представлениям, примерно через 5 миллиардов лет Солнце исчерпает основные запасы своего термоядерного горючего и …

превратится в белый карлик

станет голубым гигантом

взорвется как Сверхновая

провалится внутрь себя, оставив черную дыру

Решение:

Одиночные звезды солнечной массы заканчивают свой эволюционный путь спокойно – сначала раздуваясь и охлаждаясь, а затем, после сброса внешних слоев, превращаясь в белых карликов.

2. Космогония изучает происхождение …

Небесных тел и их систем

жизни на Земле и других планетах

Вселенной в целом

человека в процессе антропогенеза

Решение:

По определению, космогония – это научная дисциплина, изучающая происхождение и эволюцию небесных тел и их систем. Предметом ее интереса служат астероиды, кометы, планеты с их спутниками, звезды с их планетными системами, галактики, скопления галактик и космические структуры больших масштабов. Но происхождение Вселенной – это уже не космогоническая, а космологическая проблема.

3. Обязательным атрибутом звезды служит(-ат) …

термоядерные реакции в ее недрах в настоящем, прошлом или будущем

гигантские размеры звезды, измеряемые миллионами километров

пребывание вещества звезды в газообразном состоянии

химический состав, включающий только водород и гелий

Решение:

Звезды бывают не только гигантских, но и небольших размеров – например, белые карлики (размером с планету) или нейтронные звезды, от 15 до 300 км в диаметре.

Вещество большинства звезд – это, в основном, плазма, чьи свойства довольно сильно отличаются от свойств газа. А вот нейтронные звезды, как предполагается, могут иметь твердое ядро, окруженное нейтронной жидкостью, которая в свою очередь покрыта кристаллической железной корой.

Водород и гелий – самые распространенные в составе звезд элементы. Но химический состав звезды не исчерпывается ими: содержание других элементов может достигать нескольких процентов и даже более. Нейтронные звезды опять стоят особняком: поскольку в них все атомные ядра разрушены чудовищным давлением, понятие химического элемента для них теряет смысл.

И только протекание термоядерных реакций слияния легких ядер в более тяжелые имеет место в настоящем, прошлом и будущем любой звезды, какой бы экзотической она ни была.

4. Существовать в привычном нам виде Солнце будет …

примерно столько же, сколько уже существует, то есть несколько миллиардов лет

совсем недолго, поскольку оно уже практически полностью исчерпало запасы водорода

пока существует Вселенная, поскольку Солнце – очень молодая звезда

неизвестное время, поскольку его превращение в Сверхновую – процесс принципиально случайный

Решение:

Солнце в настоящее время – нормальная, не очень массивная и не очень горячая звезда («желтый карлик»). Стадия спокойного термоядерного «горения» водорода у таких звезд длится около 10 миллиардов лет. Сформировалось Солнце около 5 миллиардов лет назад, то есть еще на несколько миллиардов лет запасов водородного горючего в нем хватит. А в Сверхновую Солнце не превратится никогда – не хватит массы. В любом случае, вспышка Сверхновой – явление закономерное и предсказуемое.

5. Эволюционный путь звезды не может окончиться ее превращением в …

нормальную звезду главной последовательности

белый карлик

нейтронную звезду

черную дыру

Решение:

Звезды главной последовательности (на диаграмме Герцшпрунга–Рессела), согласно современным представлениям, находятся в середине своего эволюционного пути.