|
Синергетика и проблема времени в физике Московский педагогический государственный университет Научный руководитель: Розгачёва Ирина Кирилловна, К. Ф.-М. Н. Проблема времени" появилась в результате попыток ответить на вопрос "что такое время?". Главное свойство времени состоит в том, что оно всегда неумолимо изменяется от прошлого к будущему. "Проблема времени" заключается в том, чтобы найти причины необратимой последовательности событий от прошлого к будущему.Есть всего три постулата в современной физической картине мира. Во-первых, энергия каждой структуры квантуется. Во-вторых, движение материи имеет вероятностную природу. Согласно третьему постулату, для каждой физической структуры можно определить функцию, которую называют энтропией. Наш мир устроен так, что энтропия любой замкнутой системы растет с течением времени. Таким образом, можно сказать, что в нашем мире есть стрела времени, которая и определяет такие понятия как прошлое, настоящее и будущее. Эти постулаты есть свойства нашего мира. Их можно рассматривать как своеобразные структуры, свидетельствующие об упорядоченности Вселенной. Эту упорядоченность можно понять, исходя из синергетического принципа. Согласно ему, все физические структуры и закономерности появляются благодаря коллективному взаимодействию физических полей.В справедливости этого утверждения можно убедиться на примере обычного маятника. Его полная энергия сохраняется и равна    (1) Маятник гравитационно взаимодействует с массой Земли и его потенциальная энергия равна  (2), где g - ускорение силы тяжести. Период колебаний маятника     (3), где   (4)
Если  , то угол отклонения  , и маятник совершает колебания. Если  , то грузик совершает вращения. Если  , то маятнику хватает энергии для того, чтобы достичь самой верхней точки. Она называется неустойчивой, т. к. при малом воздействии маятник может либо начать колебаться, либо вращаться.
Изменим теперь конструкцию нашего прибора. Пусть маятник с максимальным углом отклонения  может двигаться между двумя упруго отражающими стенками, и его угол отклонения не превышает   .
В этом случае потенциальная энергия маятника в момент отражения от стенки равна  (5). Для того, чтобы его движение было периодическим, необходимо чтобы отношение периодов и  (6) было целым числом:  (7). Мы видим, что потенциальная энергия периодического маятника с отражающими стенками оказывается квантованной по отношению к потенциальной энергии математического маятника без стенок  (8).
Введя определенным образом отражающие стенки, мы добились того, что энергетические состояния маятника стали квантованы. Упругие отражающие стенки можно рассматривать как имитацию взаимодействия, которое не изменяет полной энергии системы. Такое взаимодействие называют внутренним. Оно только перераспределяет энергию внутри системы между ее отдельными частями и является коллективным взаимодействием. Таким образом, рассмотренный пример показывает, что коллективное взаимодействие может сделать систему квантованной. Как можно добиться хаотичного или случайного поведения маятника? Хаотичное состояние маятника означает, что он одновременно участвует в двух возможных для него движениях - колебания и вращение. Это возможно, если энергия маятника  , он находится вблизи верхнего неустойчивого состояния равновесия и может двигаться между двумя вертикальными упруго отражающими стенками. Движение грузика между стенками сложное, но его можно представить как сумму колебательных и вращательных движений.
Таким образом, поведение маятника стало случайным благодаря отражающим стенкам. Случайность появилась благодаря коллективному взаимодействию в системе. Переход к хаотичному движению сопровождается ростом энтропии. Действительно, определим энтропию, следуя Людвигу Больцману, как величину S, которая пропорциональна натуральному логарифму от числа состояний системы N ( (9)). В состоянии вращения N=1 и S0=0. При движении между стенками N=2 (маятник участвует в колебаниях и вращениях) и  (10).
Как можно видеть, для маятника все три постулата современной физики оказываются следствием коллективного взаимодействия. В динамике каждой физической системы можно найти аналогию с динамикой маятника. Поэтому синергетический принцип "работает" в любой системе. С его помощью мы познаем единство нашего мира. Хаос, который появляется в системе благодаря только внутреннему коллективному взаимодействию частиц системы, называют динамическим хаосом. В динамическом хаосе происходят процессы самоорганизации структур. Неповторимость структур динамического хаоса позволяет решить проблему времени. В нашем мире существует необратимое течение времени, наблюдаемое как последовательность неповторимых событий, потому что пространство однородно и изотропно, время течет равномерно, скорость распространения взаимодействий ограничена скоростью света в вакууме и, наконец, существует коллективное взаимодействие частиц и физических полей. Это время является своеобразным математическим образом неограниченного процесса самоорганизации материи. Теперь мы можем согласиться с Платоном, который утверждал, что время превращает хаос во Вселенную. |
| (c) АСФ России, 2001 |