Классические примеры самоорганизующихся систем

Ячейки Бенара.Классическим примером образования структур нарастающей сложности из хаотического движения считается явление в гидродинамике, а точнее состояние гидростатической неустойчивости в жидкости. названное ячейками Бенара.

В 1900 году была опубликована статья Х. Бенара с фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты (рис. 1 а, б).

Рис. 1. Ячейки Бенара: а) общий вид структуры; б) отдельная ячейка

Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как температурный градиент превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (может быть и другая вязкая жидкость) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой (ячейка Бенара). В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается.

Возникающая на поверхности жидкости (ртути) при определенных условиях диссипативная пространственная структура, была названа ячейками Бенара.

Механизм образования ячеистой структуры:

При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур ∆Т = Т2 – Т1. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит (для малых до критических разностей ∆Т < ∆Тkp жидкость остается в покое, тепло снизу вверх передается путем теплопроводности). При достижении температуры подогрева критического значения Т2 = Тkp (соответственно ∆Т =∆ Тkp) начинается конвекция. Однако при достижении некоторого критического значения градиента в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры, так называемые пространственно диссипативные структуры. Сверху такая макро- упорядоченность выглядит как ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. С позиции физики происходит фазовый переход – образовалась новая структура, но переход неравновесный, и требует подвода внешней энергии.

Итак, при возникновении организованного конвекционного потока огромное число микрочастиц (молекул жидкости) как «по команде» начинают вести себя согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом движении, каждая молекула как бы «знает», что делают все остальные, и «желает» двигаться в общем строю.

9Современные космологические концепции

Религия всегда оказывается права. Она разрешает все вопросы и, следовательно, снимает все вопросы в мире. Религия придает нам уверенность, незыблемость, умиротворение и сознание абсолютности. Она защищает нас от прогресса, который всех нас приводит в трепет. Наука поступает совсем наоборот. Она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десяток новых.

Б. Шоу

9.1

Во второй половине XX в. астрономия вступила в период научной революции, которая изменила способ астрономического познания – на смену классическому пришел «неклассический» способ астрономического познания

Мегамир или космос современная наука рассматривает как системную организацию в форме планет и планетных систем, возникших вокруг звезд; звезд и звездных систем – галактик; система галактик – Метагалактики.

В этой связи термин «Вселенная» приобретает более узкое специфически научное толкование. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится в основном в звездном состоянии; 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах. В других звездных системах (галактиках) предполагается, что «звездная субстанция» составляет более 99,9% их массы. Большинство галактик имеет эллиптическую или спиралевидную форму. Сами галактики образуют так называемые «облака» или «скопления галактик», содержащих до несколько тысяч отдельных звездных систем. Распределение галактик в пространстве указывает на существование определенной упорядоченной системы – Метагалактики. Метагалактика или гигантская система галактик, включает в себя все известные космические объекты.

Что такое космология? Космология - физическое учение о Вселенной как целом объекте. «Земля на трех китах» — это космология. И «хрустальная сфера» тоже. Но первая космологическая теория, которую вообще как-то можно обсуждать в рамках науки, — это бесконечная вечная Вселенная, идущая от Джордано Бруно и Галилея. Правда, уже в XIX веке было понятно, что что-то не так с этой бесконечностью. Первый парадокс — так называемый парадокс Ольберса — почему ночью небо темное. Другой парадокс — гравитационная неустойчивость Вселенной. Она должна сжиматься комками все больше и больше. Третий парадокс — температуры везде во Вселенной должны выровняться.

Первый вопрос: возраст Вселенной. И три варианта: Вселенная существует вечно, ее возраст 20 млрд лет или 14 млрд лет (правильный ответ — 14 млрд лет. ).

Второй вопрос: размер Вселенной. И варианты: 14 млрд световых лет, Вселенная бесконечна, размер Вселенной неизвестен, но он точно больше 14 млрд световых лет (правильный ответ — размер неизвестен.). Размер наблюдаемой части Вселенной. Что значит «наблюдаемой»? Ну вот, свет путешествовал к нам 13,7 миллиарда лет, значит надо умножить это на скорость света и получится расстояние, на котором мы сейчас видим вещи. Однако, те объекты, которые послали к нам свет 13,7 миллиарда лет назад, они сейчас от нас находятся дальше. И мы от них видим свет‑то, а они дальше, поэтому в действительности мы видим больше, чем скорость света умножить на время существования Вселенной. Средняя плотность вещества – примерно 10^–29 г/см³. Очень мало

Третий вопрос: температура Вселенной. Ноль градусов, три градуса Кельвина, у Вселенной нет температуры (правильный ответ — три градуса Кельвина, а точнее, два и семь).

Четвёртый вопрос: сколько измерений у Вселенной? Три, четыре или одиннадцать? На самом деле это дело вкуса — либо четыре, либо одиннадцать. И то, и другое правильно.

Метагалактика.Область пространства, доступная наблюдению с Земли. Сегодня наиболее удаленные объекты расположены на расстоянии 4,3 ∙10³ Мпс (1 пс=3.26 св.года=30,86∙10¹² км), т.е. около 15∙ 10⁹ св. лет. На таком расстоянии сейчас расположен горизонт Вселенной.

Горизонт- это граница, определяющая область пространства, которую в данный момент может видеть наблюдатель, и отделяющая область, принципиально не наблюдаемую. Это сфера радиуса , R = c t₀ где c - скорость света, t₀ - возраст Вселенной.

Возраст Вселеннойt₀ = (10 ÷-20) ∙10⁶ лет, т.е. горизонт расположен на расстоянии (3÷6) 10³ Мпс..

Галактики –Составные части Метагалактики.

В хорошо исследованной области пространства найдено ~ 6 ∙10⁹ галактик

в среднем на одну галактику приходится 6 ∙10⁹ звезд

Местное скопление,насчитывает несколько десятков членов. Большинство скоплений имеют размеры от 20 до 100 Мпс.

Межзвездная среда.Вещество и поля, заполняющие межзвездное пространство внутри галактик, Она состоит из межзвездного газа, межзвездной пыли и пронизывается магнитными полями, электромагнитным излучением и космическими лучами

Фотометрия

Шкала звездных величин основана на восприятии света глазом. Человеческий глаз четко отмечает различие интенсивности источников света, если один из них приблизительно в 2,5 раза ярче другого. Это свойство глаза стало известно лишь в конце XVIII в. и является частным случаем более общего психофизиологического закона, сформулированного в XIX в. Э. Вебером (1795-1878) и Г. Фехнером (1801 - 1887). Этот закон гласит:

Изменение какого-либо ощущения прямо пропорционально относительному изменению раздражающего фактора, или, иначе, если сила раздражения увеличивается в геометрической прогрессии, то восприятие (ощущение) возрастает в арифметической прогрессии.

Наши органы чувств, в том числе и глаза, реагируют не на абсолютное, а на относительное изменение внешнего раздражителя, и если, образно говоря, к двум светящимся электролампам одинаковой мощности подключить еще две такие же, то мы уверенно зафиксируем увеличение освещенности; но если эти две лампы добавят свой свет к излучению десяти аналогичных ламп, то наши глаза почти или даже вовсе не заметят различия в освещении.

Гиппарх (180-110 г. до и. э.), не имея представления о законе Вебера - Фехнера, невольно использовал его при введении шкалы звездных величин.

Наиболее ярким звездам Гиппарх приписал первую звездную величину; следующие по градации блеска (т. е. более слабые, примерно в 2,5 раза) он посчитал звездами второй звездной величины; звезды, слабее звезд второй звездной величины в 2,5 раза, были названы звездами третьей звездной величины и т. д.; звездам на пределе видимости невооруженным глазом была приписана шестая звездная величина.

При такой градации блеска звезд получалось, что звезды шестой звездной величины слабее звезд первой звездной величины в 97,66 раза. Поэтому в 1856 г. английский астроном Н. Р. Погсон (1829-1891) предложил считать звездами шестой величины те, которые слабее звезд первой звездной величины ровно в 100 раз. Это предложение было принято всеми астрономами и до сих пор является основой для определения блеска звезд.

В любом интервале шкалы разность в пять звездных величин означает различие блеска звезд ровно в 100 раз. Тогда соотношение блеска звезд двух смежных целых звездных величин получается равным не 2,5, а 2,512, что нисколько не влияет на точность определения звездных величин.

Из принципа построения шкалы звездных величин видно, что чем слабее звезда, тем больше ее видимая звездная величина. Это позволяет выражать в звездных величинах блеск слабых звезд, не видимых невооруженным глазом, но открываемых в телескопы, не нарушая стройности самой шкалы: по мере открытия более слабых звезд шкала продолжается в сторону увеличения звездных величин (10-я, 11-я, 12-я и т. д.).

В настоящее время известны звезды 24-й звездной величины, которые слабее звезд первой величины примерно в миллиард раз.