Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Мерность пространства
Под мерностью понимают количество замеров, которые следует сделать для однозначного определения места некоторой точки. Так, чтобы однозначно определить место точки в пространстве в фиксированный момент времени, необходимо и достаточно указать три ее координаты. В наиболее привычной прямоугольной декартовой системе координат это х, у, z - длина, ширина и высота (рис. 5.2, α); в сферической системе координат требуется указать радиус-вектор rи углы α и β (рис. 5.2, б); в цилиндрической системе - высоту h, радиус-векторrи угол α (рис. 5.2, в).
Считается, что все материальные процессы и взаимодействия реализуются именно в пространстве трех измерений. В одномерном (линия) или двухмерном (плоскость) пространстве не могут происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.
В настоящее время не известно каких-либо форм движения и взаимодействия, которые требовали бы четырех- или пятимерного пространства, и возможность таких процессов не вытекает ни из каких установленных законов природы.
В литературе нередки рассуждения о возможности существования пространств большего количества измерений. Так, в последнее время была выдвинута гипотеза о реальных 11 измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 - пространственных и одно — временное; затем они образуют 4-мерный пространственно-временной континуум. Эта гипотеза связана со следующими обстоятельствами. В математике и физике широкое применение получило представление о многомерных (n-мерных) пространствах. Данная математическая абстракция играет важную роль. Каждая координата многомерного пространства может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой физической реальности - температуру, плотность, скорость, массу и т.д. Если число таких параметров вместе с пространственно-временными характеристиками равно п, то считается, что они образуют «-мерное пространство, а конкретные значения свойств определяются как точки в «-мерном пространстве. При достаточно большом количестве свойств и взаимосвязанных переменных можно прийти к понятию многомерного и даже бесконечномерного пространства. Однако понятие пространства здесь имеет условный характер, так как применяется для характеристики совершенно других свойств.
Мерность времени
Что касается мерности времени, то чаще всего указывают на его одномерность: для определения времени достаточно задать одну координату. По мнению С.Т. Мелюхина, если бы время имело не одно, а два, три измерения и больше, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с нашим миры-двойники, в которых те же события разворачиваются в той же последовательности. Соответственно у каждого человека должны были бы существовать двойники в каждом из параллельных миров. Но для таких предположений нет оснований.
Другой точки зрения придерживается российский географ Ю.Г. Симонов. Он полагает, что вполне возможно предложить двухмерную модель времени, полезную для описания и изучения некоторого класса событий, и рассматривает ее на примере некоторых географических явлений. Здесь следует вспомнить о двух типах времени — солнечном и лунном. С фазами лунного и солнечного календарей могут быть связаны различные события. Известно, что эти векторы времени независимы и не совпадают по фазам, а их периоды не являются кратными друг другу. Так, изучая явления на Земле, можно отыскать среди них те, которые связаны лишь с гравитационными полями Земля - Луна и Земля - Солнце. Эти поля могут накладываться друг на друга, то суммируясь, то вычитаясь. В таком случае можно говорить об изучении гравитационной системы из трех тел. В такой системе количество векторов времени совпадает с количеством степеней свободы. Пусть в пространстве двух векторов времени ось х совпадает с вектором солнечного времени, а ось у — с лунным. В фазу новолуния силы лунного и солнечного притяжений складываются, а в фазу полнолуния — вычитаются. Поэтому в фазу новолуния максимальные гравитационные возмущения испытывают Земля и Солнце, а в фазу полнолуния — Луна и Солнце; минимум гравитационной напряженности Земли приходится на полнолуние, когда гравитационные поля вычитаются. Таким образом, на Земле гравитационная напряженность нарастает от полнолуния к новолунию, а затем убывает. При нарастании гравитационной волны возникают одни эффекты, а на фоне убывания (снятия) напряженности - другие. Так, тектонические трещины в разные фазы сжимаются и расширяются; процессы, связанные с трещинно-поровым давлением грунтовых вод, протекают с разной силой и т.д.
В общем случае, по мысли Симонова, векторов времени может быть не два, а больше. Выбор модели многомерного времени (в частности, определение количества временных векторов) удается осуществить довольно просто в том случае, когда изучаемые процессы причинно не зависят друг от друга и их можно представить себе как циклически проявляющиеся, причем циклы могут длиться не часами и сутками, а годами, столетиями и даже тысячелетиями.
Ускорение
Ускорение – это величина, которая характеризует быстроту изменения скорости.
Например, автомобиль, трогаясь с места, увеличивает скорость движения, то есть движется ускоренно. Вначале его скорость равна нулю. Тронувшись с места, автомобиль постепенно разгоняется до какой-то определённой скорости. Если на его пути загорится красный сигнал светофора, то автомобиль остановится. Но остановится он не сразу, а за какое-то время. То есть скорость его будет уменьшаться вплоть до нуля – автомобиль будет двигаться замедленно, пока совсем не остановится. Однако в физике нет термина «замедление». Если тело движется, замедляя скорость, то это тоже будет ускорение тела, только со знаком минус (как вы помните,скорость – это векторная величина).
Среднее ускорение> – это отношение изменения скорости к промежутку времени, за который это изменении произошло. Определить среднее ускорение можно формулой:
где – вектор ускорения.
Направление вектора ускорения совпадает с направлением изменения скорости Δ = - 0(здесь 0 – это начальная скорость, то есть скорость, с которой тело начало ускоряться).
В момент времени t1 (см. рис 1.8) тело имеет скорость 0. В момент времени t2 тело имеет скорость . Согласно правилу вычитания векторов найдём вектор изменения скорости Δ = - 0. Тогда определить ускорение можно так:
Рис. 1.8. Среднее ускорение.
В СИ единица ускорения – это 1 метр в секунду за секунду (или метр на секунду в квадрате), то есть
Метр на секунду в квадрате равен ускорению прямолинейно движущейся точки, при котором за одну секунду скорость этой точки увеличивается на 1 м/с. Иными словами, ускорение определяет, насколько изменяется скорость тела за одну секунду. Например, если ускорение равно 5 м/с2, то это означает, что скорость тела каждую секунду увеличивается на 5 м/с.
Мгновенное ускорение тела (материальной точки) в данный момент времени – это физическая величина, равная пределу, к которому стремится среднее ускорение при стремлении промежутка времени к нулю. Иными словами – это ускорение, которое развивает тело за очень короткий отрезок времени:
Направление ускорения также совпадает с направлением изменения скорости Δ при очень малых значениях промежутка времени, за который происходит изменение скорости. Вектор ускорения может быть задан проекциями на соответствующие оси координат в данной системе отсчёта (проекциями аХ, aY, aZ).
При ускоренном прямолинейном движении скорость тела возрастает по модулю, то есть
v2 > v1
а направление вектора ускорения совпадает с вектором скорости 2.
Если скорость тела по модулю уменьшается, то есть
v2 < v1
то направление вектора ускорения противоположно направлению вектора скорости 2. Иначе говоря, в данном случае происходит замедление движения, при этом ускорение будет отрицательным (а < 0). На рис. 1.9 показано направление векторов ускорения при прямолинейном движении тела для случая ускорения и замедления.
Рис. 1.9. Мгновенное ускорение.
При движении по криволинейной траектории изменяется не только модуль скорости, но и её направление. В этом случае вектор ускорение представляют в виде двух составляющих (см. следующий раздел).
Тангенциальное (касательное) ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль касательной к траектории в данной точке траектории движения. Тангенциальное ускорение характеризует изменение скорости по модулю при криволинейном движении.
Рис. 1.10. Тангенциальное ускорение.
Направление вектора тангенциального ускорения τ (см. рис. 1.10) совпадает с направлением линейной скорости или противоположно ему. То есть вектор тангенциального ускорения лежит на одной оси с касательной окружности, которая является траекторией движения тела.
Нормальное ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль нормали к траектории движения в данной точке на траектории движения тела. То есть вектор нормального ускорения перпендикулярен линейной скорости движения (см. рис. 1.10). Нормальное ускорение характеризует изменение скорости по направлению и обозначается буквой n. Вектор нормального ускорения направлен по радиусу кривизны траектории.
Полное ускорение при криволинейном движении складывается из тангенциального и нормального ускорений по правилу сложения векторов и определяется формулой:
(согласно теореме Пифагора для прямоугольно прямоугольника).
Направление полного ускорения также определяется правилом сложения векторов: = τ + n
Скорость
Скорость – это количественная характеристика движения тела.
Средняя скорость – это физическая величина, равная отношению вектора перемещения точки к промежутку времени Δt, за который произошло это перемещение. Направление вектора средней скорости совпадает с направлением вектора перемещения . Средняя скорость определяется по формуле:
Мгновенная скорость, то есть скорость в данный момент времени – это физическая величина, равная пределу, к которому стремится средняя скорость при бесконечном уменьшении промежутка времени Δt:
Иными словами, мгновенная скорость в данный момент времени – это отношение очень малого перемещения к очень малому промежутку времени, за который это перемещение произошло.
Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории движения тела (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Вектор мгновенной скорости.
В системе СИ скорость измеряется в метрах в секунду, то есть единицей скорости принято считать скорость такого равномерного прямолинейного движения, при котором за одну секунду тело проходит путь в один метр. Единица измерения скорости обозначается м/с. Часто скорость измеряют в других единицах. Например, при измерении скорости автомобиля, поезда и т.п. обычно используется единица измерения километр в час:
1 км/ч = 1000 м / 3600 с = 1 м / 3,6 с
или
1 м/с = 3600 км / 1000 ч = 3,6 км/ч
Скорости движения тела в различных системах отсчёта связывает между собой классический закон сложения скоростей.
Скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта равна сумме скоростей тела в подвижной системе отсчёта и самой подвижной системы отсчёта относительно неподвижной.
Например, пассажирский поезд движется по железной дороге со скоростью 60 км/ч. По вагону этого поезда идет человек со скоростью 5 км/ч. Если считать железную дорогу неподвижной и принять её за систему отсчёта, то скорость человека относительно системы отсчёта (то есть относительно железной дороги), будет равна сложению скоростей поезда и человека, то есть
60 + 5 = 65, если человек идёт в том же направлении, что и поезд
и
60 – 5 = 55, если человек и поезд движутся в разных направлениях
Однако это справедливо только в том случае, если человек и поезд движутся по одной линии. Если же человек будет двигаться под углом, то придётся учитывать этот угол, вспомнив о том, что скорость – это векторная величина.
А теперь рассмотрим описанный выше пример более подробно – с деталями и картинками.
Итак, в нашем случае железная дорога – это неподвижная система отсчёта. Поезд, который движется по этой дороге – это подвижная система отсчёта. Вагон, по которому идёт человек, является частью поезда.
Скорость человека относительно вагона (относительно подвижной системы отсчёта) равна 5 км/ч. Обозначим её буквой Ч.
Скорость поезда (а значит и вагона) относительно неподвижной системы отсчёта (то есть относительно железной дороги) равна 60 км/ч. Обозначим её буквой В. Иначе говоря, скорость поезда – это скорость подвижной системы отсчёта относительно неподвижной системы отсчёта.
Скорость человека относительно железной дороги (относительно неподвижной системы отсчёта) нам пока неизвестна. Обозначим её буквой .
Свяжем с неподвижной системой отсчёта (рис. 1.7) систему координат ХОY, а с подвижной системой отсчёта – систему координат XПОПYП (см. также раздел Система отсчёта). А теперь попробуем найти скорость человека относительно неподвижной системы отсчёта, то есть относительно железной дороги.
За малый промежуток времени Δt происходят следующие события:
Тогда за этот промежуток времени перемещение человека относительно железной дороги:
= Ч + B
Это закон сложения перемещений. В нашем примере перемещение человека относительно железной дороги равно сумме перемещений человека относительно вагона и вагона относительно железной дороги
Закон сложения перемещений.
Закон сложения перемещений можно записать так:
= ΔЧ • Δt + ΔB • Δt
Скорость человека относительно железной дороги равна:
= / Δt
Так как
= Ч + B
то
Скорость человека относительно вагона:
ΔЧ = Ч / Δt
Скорость вагона относительно железной дороги:
ΔB = B / Δt
Поэтому скорость человека относительно железной дороги будет равна:
= ΔЧ + ΔB
Это закон сложения скоростей:
|
Скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта равна сумме скоростей тела в подвижной системе отсчёта и скорости самой подвижной системы отсчёта относительно неподвижной. |
Диссипативный подход
ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ
Единый процесс развития охватывает явления живой и неживой природы и общества, поэтому естественно описать весь процесс развития на одном языке, в рамках единой схемы, с использованием общей терминологии. В эволюционной теории для описания процессов развития используют триаду: изменчивость, наследственность, отбор. Эти же факторы рассматривает Н.Н.Моисеев в своей монографии «Алгоритмы развития». Изменчивостью он называет любые проявления стохастичности и неопределенности. Наследственностью – способность материи сохранять свои особенности, способность изменяться от прошлого к будущему, способность будущего зависеть от прошлого.
Принципами отбора он называет те принципы, которые вызывают к существованию более или менее устойчивые образования, ими являются законы сохранения, законы физики и химии в частности, второй закон термодинамики, вариационные принципы и т.д..
Задача состоит в том, чтобы выявить то общее содержание, которое присуще любым процессам развития. Моисеев строит классификацию принципов отбора и рассматривает с единой точки зрения его механизмы.
Он выделяет два разных класса отбора. Это адаптационные механизмы (определение множества состояний системы, которые будут обеспечивать ее устойчивость при данных условиях внешней среды) и бифуркационные механизмы (качественный скачок, изменение организации системы).
Определяющую роль эволюционного периода развития систем играют такие понятия, как адаптация, устойчивость, стабилизирующий отбор.
Необходимым условием существования живых организмов является постоянство внутренней среды. Гомеостазис (от греческого «гомео» – тот же, «стазис» – состояние) рассматривается биологами как способность биологических систем противостоять изменениям внешней среды и сохранять состояние равновесия. Например, только благодаря механизмам поддержания гомеостазиса некоторые растения могут жить на ядовитых отвалах рудников. Есть растения – концентраторы металлов – алюминия, молибдена, никеля, свинца, стронция. При этом для предотвращения отравления тканей в растениях синтезируются специфические белки (определяющие устойчивость к высоким концентрациям металлов), изменяются количество и качество корневых выделений, тяжелые металлы связываются в клетках дубильными веществами и органическими кислотами. Механизмы поддержания гомеостазиса исторически закреплены и направлены на повышение устойчивости организма в онтогенезе, что обеспечивает успех в воспроизведении потомства.
Развитие – это борьба двух противоположных тенденций – сохранение гомеостазиса и поиск новых организационных форм, уменьшающих локальную энтропию.
Этапность развития органического мира, на которой в значительной мере базируется периодизация геологической истории, – твердо установленный факт. Однако общая теория этапности разработана еще очень слабо, особенно это касается наиболее принципиального ее раздела «О закономерностях перехода от одного этапа к другому». До сих пор обычно недооцениваются изменения биоценотических связей в экосистемах прошлого, вызывавшиеся появлением новых групп организмов. Вместе с тем чрезвычайно большое внимание уделяется возможной роли глобальных катастроф.
Согласно концепции прерывистого равновесия, разработанной американскими исследователями С.Гоулдом, Н.Элдриджем и С.Стэнли, эволюция, во всяком случае на видовом уровне, по крайней мере в 95% случаев идет не непрерывно, а своего рода скачками. Предполагается, что виды остаются практически неизменными на протяжении буквально миллионов лет, а затем за несколько десятков или сотен лет происходит формирование новых видов. Переход от вида к виду совершается в ее свете не посредством скачка в одном поколении, а путем накопления мутации и отбора. Всякое значительное изменение экологических условий влечет за собой перестройку всей организации сообщества животных.
Например, у животных, ведущих одинокий образ жизни, в случае необходимости возникает строгая иерархическая структура. В период нехватки корма такая организация сообщества определяет очередность доступа к пище. Доминирование может не только разделять, но и объединять животных, оно способствует процессу локализации, образованию структуры в сообществе взамен агрессивных взаимодействий особей.
Биологические системы обладают способностью сохранять и передавать информацию в виде структур и функций, возникших в прошлом в результате длительной эволюции.
Открыты подвижные генетические элементы, которые оказались замешаны в таких общебиологических явлениях, как азотфиксация, злокачественный рост клеток, работа иммунной системы и приспособление бактерий к антибиотикам, нестабильные мутации, материнская наследственность.
Нестойкое, нестабильное состояние гена, когда он начинает мутировать в десятки, сотни раз чаще обычного, связано не с изменениями внутри самого гена, а с введением в район его расположения определенного «контролирующего» элемента, способного блуждать по хромосомам. Эти элементы влияют на «включение» и «выключение» генов, т.е. на темп наследственной изменчивости. Одно из самых удивительных открытий для генетиков в последние 15-20 лет состояло в осознании повсеместности подвижных элементов, общности их строения и причастности к самым разным генетическим явлениям. Подвижные гены имеют на одном и другом конце повторы. Такие генетические тексты, обрамленные повторами, начинают вести свою отдельную от общей наследственной системы жизнь. Именно такого рода структуры получают возможность увеличивать число своих копий в хромосомах. Они подчиняют своему звучанию близлежащие гены, которые либо замолкают, либо усиливают активность, либо начинают работать в другом режиме. Включив в свой состав участок ДНК, отвечающий за самоудвоение, подвижный элемент превращается в плазмиду, которая самостоятельно размножается вне дочерней хромосомы у бактерий и вне ядра в клетках высших организмов.
В классической генетике: мутация возникает случайно; им подвержены единичные особи; их частота очень мала. В «подвижной генетике» изменения не случайны, зависят от типа подвижного элемента; им подвержены много особей; их частота велика, может достигать десятка процентов.
Именно с мобильностью активных элементов связывают обнаруженные в природных популяциях дрозофил регулярные вспышки мутации определенных генов. Темп мутационного процесса непостоянный, так, время от времени популяции или виды вступают в «мутационный» период. Самое поразительное открытие в генетике за последнее время – это возможность с помощью мобильных элементов переносить гены или группы генов от одних видов к другим (иногда к самым далеким), т.е. благодаря перемещающимся элементам генофонды всех организмов объединены в общий генофонд всего живого мира. Это особенно ярко продемонстрировали плазмиды с детерминантами устойчивости к антибиотикам в колоссальном эксперименте, невольно поставленном человеком на бактериях. С помощью генсектицидов человек расширяет эксперимент на насекомых, и в ответ их популяции, вероятно, охватываются определенными, быстро распространяющимися генетическими элементами, повышающими устойчивость организма («генетическая экспансия»). Предполагается, что когда-то в клетках насекомых поселились бактерии – симбионты, которые постепенно передали большинство своих генов в ядро и превратились в митохондрии и пластиды. Это замечательный пример переноса генов от про– к эукариотам. Способность клеток одного вида воспринимать ДНК от других, иногда эволюционно далеких видов, возможность горизонтального переноса генов считается «одним из главных чудес XX века». Классическая генетика гласит: каждый ген располагается на своей хромосоме и занимает на ней строго фиксированное положение. Сейчас известно много вариантов перемещающихся элементов, которые могут менять свое место на хромосоме и даже перемещаться с хромосомы на хромосому. Таким образом могут рождаться новые признаки организма.
Однако способность системы обмениваться информацией с внешней средой, увеличивать или уменьшать число элементов-признаков, сохранять устойчивость еще не делает эту систему развивающейся.
Порождаемая неравновесными внешними условиями неустойчивость приводит к увеличению интенсивности диссипации, вследствие чего создаются условия возникновения новой неустойчивости. Иными словами, в системе увеличивается интенсивность протекания некоторых необратимых процессов, благодаря чему и отклонение системы от равновесия становится еще большим. Это означает, что вероятность существования такого класса флуктуаций, по отношению к которым новые процессы становятся неустойчивыми, возрастает.
С другой стороны, если бы в результате возникновения неустойчивости интенсивность диссипации снижалась, то система по своим свойствам приблизилась бы к некоторой равновесной замкнутой системе, т.е. к состоянию, в котором затухают любые флуктуации. Такой механизм можно изобразить следующим образом (И.Р.Пригожин, И.Стенгерс):
Интенсивность диссипации, т.е. увеличение энтропии, можно связать с интенсивностью роста числа новых элементов-признаков в системе. Если флуктуации вызывают интенсивный рост новых элементов и между ними не успевают образовываться связи, организация системы нарушается, энтропия возрастает, система становится структурно неустойчивой.
Существование неустойчивости можно рассматривать как результат флуктуации, которая сначала была локализована в малой части системы, а затем распространилась и привела к новому макроскопическому состоянию.
Исследования школы Пригожина показали, что понятия структурной устойчивости и порядка через флуктуации применимы к системам различной природы, в том числе экономическим, социальным: «Пределов для структурной устойчивости не существует. Неустойчивости могут возникать в любой системе, стоит лишь ввести подходящие возмущения. Мутации и «новорожденные» элементы возникают стохастически и собираются в единую систему господствующими в данный момент детерминистическими принципами. Это позволяет нам надеяться на непрестанную генерацию «новых типов» и «новых идей», которые могут быть включены в структуру системы, обеспечивая тем самым ее непрерывное развитие».
Удаленность от равновесия, нелинейность может служить причиной возникновение упорядоченности в системе.
Биологическая упорядоченность, генерация когерентного света лазером, возникновения пространственной и временной упорядоченности в химических реакциях и гидродинамике, автоволны в различных средах, наконец, функционирование экосистем в животном мире или жизнь человеческого общества – все эти примеры являются поразительной иллюстрацией явлений самоорганизации, образования диссипативных структур. Эти структуры наряду с замечательными регуляторными свойствами проявляют необычайную гибкость и разнообразие.
Как показали работы школы Пригожина, важнейшей общей чертой широкого класса процессов самоорганизации является потеря устойчивости и последующий переход к устойчивым диссипативным структурам. В точке изменения устойчивости в результате ветвления должны возникнуть по меньшей мере два решения, соответствующие устойчивому, близкому к равновесному состоянию и диссипативной структуре.
Для диссипативных структур характерна устойчивость, которая одновременно является структурной и функциональной.
Эволюцию можно рассматривать как проблему структурной устойчивости. Система не всегда является структурно устойчивой, причем эволюция диссипативной структуры определяется последовательностью событий в соответствии со схемой (Г.Николис, И.Р.Пригожин).
Шмальгаузен в качестве одного из факторов эволюции выделял борьбу за существование. Согласно теории конкуренции, близкие виды могут населять район лишь в том случае, если они эффективно делят между собой необходимые ресурсы.
Хатгинсон провозгласил принципиально новую программу изучения неравновесных сообществ, чьи принципы организации коренным образом отличаются от тех, к которым привыкли экологи, рассматривающие сообщество как жестко организованную совокупность видов.
В альтернативном подходе прямая конкуренция за пищу подменяется сложными и динамичными информационными связями. В зависимости от условий метаболиты (продукты жизнедеятельности) данного вида либо угнетают, либо, наоборот, стимулируют размножение других видов. При этом возможны как негативные, так и позитивные межвидовые отношения. Разные виды не только не стремятся окончательно вытеснить друг друга, но как бы «удерживают» в сообществе те виды, численность которых падает ниже определенного уровня.
В теории конкуренции выражена концепция детерминизма; конкуренция определяет численность, облик и эволюцию существующих видов, потребляющих одну и ту же пищу. Другая парадигма: близкие виды, расположенные в экосистеме на одном трофическом уровне, всегда живут среди избытка пищи, поскольку их численность эффективно ограничивается сложным комплексом причин, в том числе и конкуренцией.
Согласно этой парадигме биологическое сообщество можно рассматривать как диссипативную структуру, которая, находясь в неравновесном состоянии, постоянно ведет обмен с внешней средой.
В исходной неупорядоченной системе за счет последовательно реализующихся неравновесных неустойчивостей, за счет когерентного поведения элементов может возникнуть функциональная организованность.
Приведем пример из нового быстро развивающегося научного направления – адаптологии. Клод Бернар назвал приспособление адаптационно-итоговой проблемой всей физиологии. Адаптация человека и животных представляет собой процесс, в течение которого организм приобретает отсутствовавшую ранее устойчивость к определенным факторам среды и в результате решает задачи, ранее несовместимые с жизнью.
При всем разнообразии приспособительных процессов в них есть сходство. На первом этапе адаптации к любому новому фактору организм подходит к максимуму своих возможностей, к критической (бифуркационной) точке. Если человек или животное не погибает, а фактор по-прежнему действует, то возможности живой системы возрастают, и на смену аварийной стадии в большинстве случаев приходит стадия эффективной и устойчивой привычки (возникает диссипативная структура).
Согласно учению Ухтомского, формирование систем, обеспечивающих адаптацию, происходит следующим образом. Под влиянием внешних раздражителей в организме формируются, сменяя друг друга, созвездия возбужденных нервных центров – доминанты. Именно доминанты обеспечивают приспособление организма к среде, его выживание, а если надо – и преобразующее влияние на среду. В доминирующей системе образуется структура, которая увеличивает мощность системы и становится материальной основой долговременной адаптации (например, после перенесенных заболеваний сердца – рост сердца в целом, соотношение структур в клетках сердца меняется так, что орган в целом становится более мощным и эффективным). Стресс – реакция (флуктуация) нужна для того, чтобы возникла доминирующая в адаптации система и образовался структурный след (новая структура, обеспечивающая новый способ функционирования).
Доминирующая система работает под нагрузкой, в ее клетках возрастает производство нуклеиновых кислот и белков, строятся новые структуры. Смотря по тому, к какому фактору приспосабливается организм, доминирующая система и ее след выглядят по-разному. Но этот след всегда увеличивает мощность системы, материально обеспечивает переход к долговременной адаптации.
Как и любая другая архитектура, архитектура системного структурного следа есть отражение задачи, которую среда выдвигает перед организмом.
Перед современным человеком чаще возникают задачи, требующие не физической, а умственной адаптации. При обучении – формировании условных рефлексов, навыков, идей возбуждение нейронов в высших отделах мозга активизирует в них производство нуклеиновых кислот и белков. Белки из тела нейронов поступают в отростки, которыми нервные клетки контактируют между собой. Так, перестраиваются межнейронные связи, возникают новые нейронные сети.
Сегодня модели нейронных и иммунных сетей строятся в рамках представлений о диссипативных структурах.
Переход системы после критической точки из неустойчивого состояния к устойчивому (к диссипативной структуре) можно рассматривать как качественный скачок в развитии системы, в результате которого возросла организованность, упорядоченность системы,
Место нервной клетки в структуре мозга определяется очень рано – у млекопитающих и человека в основном до рождения, и это место далеко не случайно. Это не значит, что структура мозга генетически полностью предопределена. Связи формируются преимущественно после рождения, а следовательно, в различной мере зависимы от внешней среды. Некоторые связи будут обязательно, другие могут быть, а могут и не быть, третьи могут оказаться патологическими. Поэтому нормальное развитие мозга зависит от гармонии усложнения внутренней и внешней среды организма. При этом для человека наиболее существенным фактором внешней среды, гармонизирующим внутреннюю структуру мозга, являются другие люди.
Работы нейрофизиологов в области исследования пространственной организации как отдельных образований, так и целых систем мозга показали, что структурно-функциональной единицей мозга служит не отдельный нейрон, а популяция нейронов, пространственно организованная в виде вертикальной колонки, расположенная в одном или нескольких слоях коры. Эволюционные преобразования мозга в определяющей мере зависят от изменений взаиморасположения элементов, т.е. от изменений конструкций, как отдельных структур мозга, так и мозга в целом. И в меньшей степени – от изменений самих элементов.
Выявлена зависимость между увеличением вертикальной упорядоченности и усложнением функций мозга. Максимальная величина упорядоченности соответствовала наиболее новым и сложноорганизованным формациям коры мозга человека, имеющим отношение к восприятию речи, ее воспроизводству.
Законы Менделя
В 1856–66 годах чешским монахом Грегором Менделем были поставлены знаменитые опыты, результатом которых стало появление новой науки – генетики. Объектом для экспериментов был выбран огородный горох, так как существует множество его сортов, чётко различающихся по ряду признаков; растения легко выращивать и скрещивать. Успех Менделя объясняется тщательным планированием и аккуратным проведением экспериментов, а также наличие большого количества опытов, позволявших получить статистически достоверные сведения.
|
Огородный горох |
Для своих первых опытов Мендель выбирал растения, чётко различающиеся по какой-либо паре признаков, например, по расположению цветов («пазушные» или «верхушечные»). Выращивая растения каждого типа на протяжении нескольких поколений, Мендель убедился в их пригодности для проведения эксперимента. Мендель проводил скрещивание – опылял растения одного типа пыльцой растений другого типа. Ряд предосторожностей (например, удаление тычинок у цветков, которые впоследствии опылялись, и надевание колпачков на цветы, чтобы избежать дополнительного опыления со стороны других растений) позволили получить достоверные результаты. Во всех случаях из семян, собранных с этих гибридов, вырастали растения с пазушными цветками. Признак «пазушные цветки», наблюдаемый у гибридов первого поколения, был назван доминантным, признак «верхушечные цветки» – рецессивным.
Далее растениям первого гибридного поколения была предоставлена возможность самоопылиться. Во втором гибридном поколении у части растений образовались пазушные цветки, а у другой части – верхушечные. Мендель предположил, что признак «верхушечные цветки» присутствовал и в первом поколении, но в скрытом виде. Во всех подобных опытах, проведённых с какой-либо парой признаков, примерно три четверти гибридов второго поколения обладали признаком, проявлявшимся и в первом поколении гибридов (его назвали доминантным), а четверть потомства второго поколения обладала признаком, не проявившимся у гибридов первого поколения (рецессивным). Важно, что чем больше опытов было поставлено, тем ближе был полученный результат к отношению 3 : 1.
На основании этой серии опытов были сделаны следующие выводы:
- У родительских растений было по два одинаковых «фактора» (например, «пазушные цветки» либо «верхушечные цветки»).
- Гибриды первого поколения получили по одному фактору от каждого родителя, причём эти факторы не слились, а сохранили свою индивидуальность.
Таким образом, был сформулирован закон расщепления (первый закон Менделя).
|
Признаки данного организма детерминируются парами внутренних факторов (генов). Второе поколение потомков от моногибридного скрещивания примерно на четверть состоит из особей с рецессивным признаком. |
Итак, каждый признак организма контролируется парой вариантов гена (или, как говорят, порой аллелей). Если в генотипе организма имеются аллели обоих типов, то один из них (доминантный) будет проявляться, полностью подавляя другой (рецессивный). При мейозе каждая пара аллелей расщепляется, и с каждой гаметой как дискретная, не изменяющаяся величина, может передаваться только один аллель. Передача генов потомкам находится в полном соответствии с теорией вероятности. Вероятность того, что гамета, полученная от гибрида первого поколения, будет нести доминантный аллель, равна 1/2. Вероятность каждой из четырёх комбинаций при оплодотворении составит 1/4; из них три комбинации будут содержать доминантный аллель и приведут к появлению особей с доминантным признаком. Первая из этих комбинаций содержит исключительно доминантные аллели – AA (говорят, что она гомозиготна по доминантному аллелю), а две другие содержат по одному доминантному и одному рецессивному аллелю – Aa (гетерозиготны). В четвёртой комбинации будут содержаться только рецессивные аллели; они будут соответствовать потомству с рецессивным признаком (то есть будут гомозиготны по рецессивному аллелю).
Гомозиготные особи при последующем самоопылении не расщепляются (дают единобразное потомство). В потомстве самоопыляющихся гетерозиготных особей наблюдается расщепление по внешним признакам в том же соотношении 3 : 1.
|
Моногибридное скрещивание на примере гена окраски цветка гороха |
Ген обычно обозначается первой буквой, с которой начинается название доминантного аллеля этого гена (например, A). При этом доминантный аллель обозначается прописной буквой (A), а рецессивный – строчной (a).
Гибрид первого поколения в описанных опытах гетерозиготен по своему генотипу, но обладает доминантным фенотипом (то есть имеет доминантный признак). Во втором поколении особи с доминантным фенотипом могут обладать как гомозиготным, так и гетерозиготным генотипом. Чтобы выяснить генотип гибрида второго поколения за одно скрещивание, необходимо произвести возвратное (анализирующее) скрещивание с особью, гомозиготной по рецессивному аллелю изучаемого гена. Если у всех потомков от этого скрещивания проявится доминантный фенотип, то особь с определяемым генотипом была гомозиготна по доминантному признаку. Если же появятся особи как с доминантными, так и рецессивными признаками (в примерном соотношении 1:1), то изучаемая особь была гетерозиготна.
|
Анализирующее скрещивание на примере гена окраски цветка гороха |
В описанных опытах проводилось моногибридное скрещивание – брались особи, различавшиеся только по одному признаку. В дальнейшем Мендель перешёл к изучению дигибридного скрещивания, когда по той же методике ставились опыты над чистосортными (гомозиготными) особями, различающимися по двум признакам (например, жёлтые и зелёные семена, морщинистые и гладкие семена). В результате, во втором поколении могли получиться особи с семенами четырёх типов: жёлтые и гладкие, жёлтые и морщинистые, зелёные и гладкие, зелёные и морщинистые. Соотношение разных фенотипов во втором поколении составило примерно 9 : 3 : 3 : 1. При этом для каждой пары признаков приближённо выполнялось соотношение 3 : 1. На основании этого Мендель вывелпринцип независимого распределения (второй закон Менделя).
|
Каждый признак из одной пары признаков может сочетаться с любым признаком из другой пары. При этом пары признаков распределяются по потомкам независимо одна от другой. |
Схему дигибридного скрещивания удобно записывать в специальной таблице – так называемой решётке Пеннета; при этом количество возможных ошибок при определении генотипа потомства сводится к минимуму. Все генотипы мужских гамет вносятся в заголовки вертикальных столбцов, а все генотипы женских гамет – в заголовки горизонтальных. Если вернуться к примеру с семенами гороха, то можно выяснить, что вероятность появления во втором поколении особей с гладкими семенами (доминантный аллель) равняется 3/4, с морщинистыми семенами – 1/4 (рецессивный аллель), с жёлтыми семенами – 3/4 (доминантный аллель) и с зелёными семенами – 1/4 (рецессивный аллель). Таким образом, вероятности сочетания аллелей в генотипе равны:
- гладкие и жёлтые – 9/16 (3/4 ∙ 3/4);
- гладкие и зелёные – 3/16 (3/4 ∙ 1/4);
- морщинистые и жёлтые – 3/16 (1/4 ∙ 3/4);
- морщинистые и зелёные – 1/16 (1/4 ∙ 1/4);
|
Решётка Пеннета |
Законы Менделя не были восприняты мировым научным сообществом. В 1900 году Хуго де Фриз, Карл Корренс и Эрих Чермак независимо друг от друга заново открыли законы Менделя, сформулировав их в форме, близкой к современной. Одновременно по мере совершенствования микроскопа стала очевидной роль ядра и хромосом в передаче наследственных факторов. В результате была создана хромосомная теория наследственности, согласно которой каждая пара генов локализована в паре хромосом, причём каждая хромосома несёт по одному фактору.
Последние исследования показали, что наследственные признаки могут передаваться не только в хромосомах, но и через цитоплазму (будучи локализованными в генетическом материале митохондрий и пластид). Цитоплазматическая наследственность передаётся только по материнской линии (при оплодотворении митохондрии и пластиды из мужских половых клеток не попадают в зиготу).
|
Первый закон Менделя на языке хромосом |
|
Второй закон Менделя на языке хромосом |
ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
Одно из обобщений в генетике, утверждающее, что наследственные факторы (гены) расположены в хромосомах, передача которых от родителей потомкам обеспечивает в поколениях преемственность свойств и признаков у особей одного вида. Толчком к её развитию послужило переоткрытие в 1900 г. закономерностей наследования, установленных ранее Г. Менделем (см. Менделя законы). Основы хромосомной теории заложили работы немецкого биолога Т. Бовери (1902–1907) и американского цитолога У. Сеттона (1902–1903), которые независимо друг от друга предположили, что гены расположены в хромосомах, и связали закономерности Менделя, описывавшие поведение наследственных факторов, с поведением хромосом во время мейоза и при оплодотворении. Таким образом, были вскрыты соответствия в данных генетики и цитологии. Детальная разработка хромосомной теории была произведена Т.Х. Морганом и его учениками (начиная с 1910 г.). Изучая наследование окраски глаз у плодовой мушки дрозофилы, Морган показал, что цвет глаз – признак, сцепленный с полом, и что по характеру его наследования ген, определяющий этот признак, должен находиться в половой хромосоме (Х-хромосоме). Так экспериментально была доказана связь конкретного гена с конкретной хромосомой. В дальнейшем было установлено, что многие признаки наследуются совместно – как один комплекс. Это означало, что контролирующие их гены образуют группы сцепления. Число таких групп сцепления оказалось равным гаплоидному числу хромосом, постоянному для каждого вида организмов (см. Геном). Затем Морган обнаружил, что сцепленное наследование признаков может нарушаться в результате кроссинговера во время мейоза. На основании детального исследования сцепления генов и кроссинговера (на материале различных мутаций у дрозофилы) Морган и его сотрудники разработали методы определения взаимного положения различных генов на хромосомах и построения генетических карт хромосом. Хромосомная теория нашла подтверждение и дальнейшее развитие в открытии химической природы гена, выяснении строения хромосом и в других достижениях молекулярной генетики.
Парадокс близнецов
"Парадокс часов", он же "парадокс близнецов", был сформулирован в 1912 году Полем Ланжевеном через 7 лет после создания специальной теории относительности. (Данную информацию я почерпнул у Владимира Макаровича Мясникова на его персональном сайте http://quater1.narod.ru/index.html.)Задачка оказалась трудная. Какое-то время даже считалось, что в рамках специальной теории относительности парадокс разрешить нельзя. Конечно, когда на теорию навалились математики, этот и другие парадоксы были разрешены. Но не зря Эйнштейн сам признавался, что с тех пор, как за теорию относительности принялись математики, он ее уже сам не понимает. Те объяснения парадокса, которые мне встречались, на мой взгляд, очень сложные. Далее я собираюсь изложить элементарное решение для парадокса. Мне оно кажется проще, хотя утверждать это я не берусь. Во всяком случае, раз оно мне кажется проще, возможно, покажется проще кому-то еще.
Для того, чтобы рассудить братьев, придется пережить события за каждого из них. Начнем с более простого случая и проследим за процессами с Земли. Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать условно неподвижной или просто неподвижной.
Для того, чтобы проще было рисовать брата-космонавта будем изображать шариком, а брата-наблюдателя – конусом. Пусть x – ось, связанная с неподвижной системой координат. В точках A и B неподвижной оси расположены наблюдатели. Пусть наблюдатель B расположен как раз в той точке, долетев до которой космонавт останавливается и поворачивает обратно. Будем считать, что остановка и поворот происходят мгновенно. С точки зрения земного наблюдателя все его часы синхронизированы и показывают одно и то же время. Расстояние до точки B по земным меркам равно L. Буквами a и bобозначен космонавт в начальном и в конечном пунктах своего путешествия. Когда космонавт доберется до наблюдательного пункта B, часы земного наблюдателя в его системе координат будут показывать одно и то же время .
Часы космонавта идут медленнее и, поэтому, в точке B они будут показывать меньшее время .
Теперь заметим, что когда космонавт пролетает непосредственно над пунктом B, наблюдатель, который находится в этом месте, может непосредственно рассмотреть часы космонавта и убедиться в том, что его часы показывают данное время. То же самое можно сказать о космонавте. Следовательно, показания часов наблюдателя и космонавта в пункте B будут иметь именно это значение из любой системы отсчета: инерциальной или нет. Пусть теперь космонавт резко остановится. На показаниях часов в точке B это никак не может отразиться, даже если они сломаются. Когда космонавт придет в себя и сможет сопоставить показания своих часов с показаниями земного наблюдателя, сразу станет ясно, что он моложе своего брата. Для большей убедительности он может повторить путешествие в обратном направлении и при этом он выиграет ровно столько же времени.
Когда космонавт вернется в пункт A, его часы будут показывать время . Часы земного брата покажут соответственно . Следовательно, космонавт моложе .
Посмотрим теперь на события глазами космонавта.
С его точки зрения неподвижные наблюдатели движутся относительно него со скоростью . Собственное расстояние между наблюдателями равно L, но космонавт видит их на расстоянии
. Для того, чтобы преодолеть это расстояние, наблюдателю A пришлось затратить время . Именно это время и должны показывать часы космонавта, когда он достигнет наблюдателя B. Этот результат находится в полном соответствии с результатом каждого земного наблюдателя. Часы земного наблюдателя в точке B космонавт может наблюдать непосредственно и, поэтому, его точка зрения на то, что он видит, не должна расходиться с точкой зрения земного наблюдателя B относительно показаний своих собственных часов. Наблюдатель B знает, что когда он встретил космонавта, его часы показывали время равное , следовательно, такое же время увидит и космонавт. Показания часов космонавта и наблюдателя Bизвестны им обоим и, если теперь космонавта мгновенно затормозить, показания часов не успеют измениться. Следовательно, космонавт, остановленный в точке B, будет моложе и с точки зрения космонавта.
Изменим теперь направление движения космонавта. С точки зрения космонавта в этом случае наблюдатель A будет приближаться к нему со скоростью . Расстояние от A до космонавта в начальный момент движения, когда космонавту придали уже скорость в обратном направлении, будет равна . Следовательно, как и ожидалось, на обратный путь космонавт затратит время . Полное время на все путешествие в прямом и в обратном направлении по часам космонавта составит .
Время наблюдателя A будет идти медленнее и за время обратного пути космонавта изменится всего лишь на . Но этот результат мы не можем использовать, так как не знаем начальных показаний часов наблюдателя A в начале обратного путешествия космонавта. В начале обратного путешествия космонавта мы знаем только показания часов в пункте B, а это не одно и то же. С точки зрения космонавта все часы на Земле вдоль оси x показывают разное время. Самый простой способ узнать показания часов земного наблюдателя в момент его встречи с космонавтом – это перейти на его точку зрения. С точки зрения земного наблюдателя по его часам к этому моменту пройдет времени . Следовательно, в момент встречи мы снова получаем .
Движущиеся синхронизированные часы с точки зрения неподвижного наблюдателя
При анализе парадокса близнецов и решении многих других задач по релятивизму известную трудность вызывает тот факт, что показания часов движущейся системы, синхронизированных в этой системе, для неподвижного наблюдателя представляются различными. Остановимся на этом эффекте подробнее.
Вернемся снова к точке зрения земного наблюдателя. Пусть часы a и b принадлежат подвижной системе и они синхронизированы в этой системе. Когда часы b проходят над наблюдателем B часы a проходят над наблюдателем A. Пусть кроме того часы земного наблюдателя начали свой отсчет в тот момент, когда часы b проходили над наблюдателем A. Тогда в тот момент, когда часы b пройдут над пунктом B, часы земного и космического наблюдателя будут показывать соответственно
, .
В этот же момент над наблюдателем A проходят часы подвижной системы координат t2. Иначе можно сказать, что часы t2 прошли над наблюдателем A, когда его часы показывали время . Теперь перейдем в подвижную систему координат. С точки зрения подвижного наблюдателя все его часы показывают одно и то же время. Кроме того ему известно, что в момент встречи часов t2 и наблюдателя A, часы наблюдателя A показывали время . Но часы наблюдателя A идут медленнее его собственных часов. Следовательно его часы (любые, а значит и t2) должны показывать в момент встречи время . Именно этот результат и должен увидеть земной наблюдатель в пункте A.
Запишем оба выражения рядом:
,
.
Видно, что с точки зрения земного наблюдателя подвижные синхронизированные часы показывают разное время. Найдем разницу в их показаниях.
, где .
Запомним этот результат.
Если двое синхронизированных в своей системе отсчета часов t1 и t2 движутся относительно неподвижной системы со скоростью , а расстояние между ними равно L в неподвижной системе, то они показывают разное время. Причем
, где – разница в показаниях подвижных часов.
Та же самая разница по часам неподвижного наблюдателя будет равна
.
При этом отстающие часы показывают опережающее время: t2 > t1.
Еще одно полезное замечание.
Из полученных выражений видно, что если наблюдатель на Земле будет следить за часами удаляющегося наблюдателя, то заметит, что они отстают от его часов: . А если он будет следить за часами движущейся системы, которые проносятся непосредственно над ним, то эти часы будут опережать время на Земле: .
Теперь вернемся к задаче о близнецах и решим ее еще одним способом.
Еще один способ решения парадокса близнецов
Расставим в каждой точке подвижной системы координат часы и синхронизируем их. Пусть наблюдатель в точке A следит за проносящимися над ним часами.
Пусть в тот момент, когда часы t1 находились на расстоянии L, часы t2 над – наблюдателем A, и часы наблюдателя A показывали время , подвижная система остановилась. ... Оказывается, что мы не можем так сказать. Протяженную подвижную систему можно остановить не одним, а многими способами и с каждым из способов связаны некоторые проблемы. Мы в данной задаче будем считать, что система останавливается мгновенно по наблюдениям из сопутствующей системы в тот момент, когда вторые часы проходят над пунктом наблюдения A. Поскольку в сопутствующей системе все часы космонавта показывают одинаковое время, все они в момент остановки будут показывать то же самое время, что и часы t2 в момент достижения пункта A.
В земной системе отсчета часы t1 и t2 показывают разное время, причем часы t1 отстают, следовательно, после остановки часов t2 они будут продолжать движение.
В момент остановки часов t2 показания часов в земной системе координат были следующие:
,
.
Следовательно, часы t1 после остановки часов t2 будут двигаться еще
по их собственному времени,
как мы уже отмечали.
На Земле при этом пройдет
.
За это время часы t2 в земной системе координат пролетят расстояние
.
Следовательно, в момент своей остановки часы t1 будут находиться на расстоянии
от пункта A
и будут показывать время
.
Часы же на Земле покажут в этот момент время
.
Следовательно, и в этом случае часы космонавта показывают время меньшее, чем часы земного наблюдателя:
.
На обратном пути все происходит аналогично.
Основная причина недоразумений, связанных с парадоксом часов или близнецов, вызвана кажущейся симметрией картины, которую могут наблюдать близнецы. В действительности настоящей симметрии здесь нет. Космонавт улетает, и пока он летит, картина действительно симметричная: либо он летит, а брат покоится, либо наоборот. Дальше возможны два варианта развития событий: либо космонавт цепляется за систему отсчета Земли и на ней остается, либо землянину надоедает сидеть дома и он перепрыгивает на проносящуюся мимо него систему отсчета космонавта. От того, какой вариант изберут наши герои, зависит, кто из них будет моложе.
Вернемся к предыдущей задаче. Пусть в тот момент, когда над наблюдателем A пролетали часы t2, он за них зацепился и остался в системе космонавта. В этот момент его часы показывали , а часы . Следовательно, перейдя на космический корабль, землянин оказывается моложе своего брата-космонавта.
Симметричная версия парадокса близнецов
Традиционная версия парадокса близнецов, предложенная Полем Ланжевеном, изначально не симметрична. Один из близнецов остается на Земле и ничего не делает, а второй сначала улетает, затем поворачивает и возвращается обратно. Мы можем сказать, что активная жизненная позиция позволяет второму брату лучше сохраниться. Конечно, мы понимаем, что дело здесь в другом, но то, что из ассиметричного условия вытекает ассиметричный результат – вполне закономерно.
Рассмотрим идеально симметричную версию парадокса.
Пусть близнецов будет трое. Один из них, так же как и раньше, не любит летать. Он нам пригодится только как сторонний наблюдатель. В принципе без него можно обойтись. Два других брата разлетаются с Земли одновременно в разные стороны с одинаковой скоростью и останавливаются на одинаковом от нее расстоянии в точках A и B. Затем они поворачиваются и возвращаются с той же скоростью на Землю. Пролетая над Землей, они могут сверить часы, и земной брат результаты этого сравнения может засвидетельствовать. Что же это сравнение даст? По наблюдениям земного наблюдателя часы обоих космонавтов должны показывать одинаковое время. По наблюдениям космонавта A относительно него двигается космонавт B и его часы должны показывать меньшее время. С другой стороны, космонавт B вправе считать, что относительно него двигается все время космонавт A и его часы должны показывать меньшее время. Что же в действительности они увидят, когда сравнят часы?
Задачу можно разбить на два этапа. На первом этапе космонавты разлетаются. На втором летят обратно. Полное решение получается длинным. Сосредоточим наше внимание на наиболее драматичном заключительном этапе путешествия. Будем считать до пунктов A и B братья как-то добрались, и при этом часы всех трех братьев показывают одинаковое время. Этого можно добиться, если двигаться очень медленно. Выйдя на свои исходные позиции на расстоянии L от Земли, братья разворачивают свои корабли. Одновременно по команде с Земли они начинают свое возвращение.
Точка зрения земного наблюдателя
Картина является полностью симметричной и оба космонавта встретятся на Земле через . В момент встречи часы космонавтов будут показывать одинаковое время .
Поскольку все трое космонавтов смогут в этот момент непосредственно наблюдать часы друг друга, то этот результат они должны зарегистрировать все. На этом задачу можно было бы закончить. Правда, в этом случае остается неясно, как же это так получилось, что космонавты пришли к единому мнению.
Рассмотрим события с точки зрения космонавтов.
Точка зрения космонавта A
Космонавт A какое-то время, находясь в точке A, покоился относительно Земли, как, впрочем, и космонавт B. Начало движения всегда сопряжено с ускорением. Ускоренное движение – это трудное место в специально теории относительности. Свою первую работу по специальной теории относительности Эйнштейн опубликовал в 1905 году. В этой работе Эйнштейн, в частности, делает вывод, что если некоторые часы из произвольной точки A были перенесены по произвольной замкнутой кривой, и опять были возвращены в исходную точку, то они отстанут от других таких же часов, которые все это время покоились в точке A. Поль Ланжевен в 1912 году, как мы уже отмечали, получает из этого результата парадокс близнецов. Эйнштейн в 1918 году публикует статью, в которой он в популярной форме объясняет этот парадокс. В этой статье Эйнштейн утверждает, в частности, что для разрешения парадокса близнецов необходимо привлекать общую теорию относительности.
Я не думаю, что этот совет нам чем-то поможет: общая теория относительности принципиально более сложная теория. Если мы для объяснения сравнительно простой задачи обратимся к общей теории относительности, мы окончательно запутаемся. Как и прежде мы будем пользоваться только элементарными приемами, но мы должны сознавать, что возможно не все, что мы делаем, выглядит в достаточной степени корректно.
Введем вспомогательную систему отсчета, которая движется со скоростью по направлению от A к B.
Если мы перейдем на эту систему, то увидим, что Земля вместе с находящимися в точках A и B кораблями движется на нас со скоростью . Расстояние же между Землей и кораблями при этом сократится до . Но самое интересное, что мы увидим, это то, что часы в точках A, B и C показывают разное время. Часы B опережают часы C, а часы C опережают часы A на
по часам вспомогательной системы.
При этом , следовательно, .
Раз часы в точке B опережают, то корабль B начнет движение на раньше, чем корабль A. Все это время корабль A будет продолжать оставаться в точке A и двигаться с одной скоростью вместе с Землей. Корабль B во вспомогательной системе будет двигаться со скоростью,
которую можно вычислить по релятивистской формуле сложения скоростей .
Так как точка C (точка встречи кораблей) во вспомогательной системе движется со скоростью , то корабль B к ней приближается со скоростью
.
Чтобы достичь точки C ему понадобится время
, измеренное по часам вспомогательной системы.
По часам же космонавта B пройдет при этом
.
Подставляя значение для , получим
.
Через после начала движения корабля B начнет движение корабль A. С точки зрения вспомогательной системы это будет означать, что корабль A относительно нее остановится, и расстояние между кораблем и Землей начнет сокращаться со скоростью .
От начала старта корабля A и до встречи его с кораблем B в точке C по часам вспомогательной системы, а значит и по часам космонавта A пройдет времени
.
Мы получили, что часы обоих космонавтов в точке их встречи показывают одинаковое время . Таким образом, мы можем сказать, что точки зрения земного наблюдателя и наблюдателя A относительно показаний часов космонавтов совпали. Очевидно, что для космонавта B мы получим тот же самый результат.
Свой путь до точки C космонавт A преодолел за
, а космонавт B на это потратил , то есть на
больше.
Но именно на это значение он стартовал раньше, следовательно, они действительно встретятся в точке C.
Какой вывод мы можем сделать из этого? Парадокса не получилось. Мнения всех наблюдателей совпали.
Аналогичным образом можно проанализировать и начальный этап развития событий, на котором космонавты добираются до пунктов A и B. Если решить задачу полностью, то мы снова получим, что тот близнец, который все время оставался на Земле окажется старше, а оба брата космонавта будут моложе и одного возраста.
Время в удаленных точках
Пусть космонавт B находится в состоянии покоя относительно Земли на расстоянии L от нее в точке B. Часы космонавта и часы земного наблюдателя синхронизированы и показывают одинаковое время. Проследим, что скажет космонавт о часах наблюдателя A после старта.
Пусть космонавт стартует к Земле и мгновенно набирает скорость . Естественно, слово "мгновенно" означает только то, что период времени разгона или торможения должен быть существенно меньше тех эффектов с часами, о которых мы будем говорить. Отсюда с необходимостью следует, что расстояние L должно быть достаточно большим.
Приобретя скорость очень быстро, космонавт не должен заметить каких-то изменений в показаниях земных часов, находящихся в одном месте с ним, то есть в точке B. Следовательно, его часы и часы , оставшиеся на Земле, должны и после старта показывать одинаковое время.
Приобретя скорость относительно Земли, космонавт вправе считать, что Земля движется к нему с этой скоростью. Отрезок AB, принадлежащий земной системе координат, стал короче , а часы и , синхронизированные в земной системе координат, показывают разное время. Если верить нашим предыдущим вычислениям, то
, следовательно, за время разгона космонавта часы ушли вперед и показывают .
Нетрудно заметить, что если космонавт стартует в противоположном направлении, то часы земного наблюдателя отстанут на ту же величину.
Структура психики
Сущность сознания состоит в отражении объективных свойств различных предметов и явлений окружающего мира, в предварительном мысленном планировании действий и оценке результатов, в регулировании взаимоотношений человека с окружающей природной и социальной средой. Сознание – это та часть психики, которая может произвольно направляться на определенный реальный или идеальный объект, возбуждаться или тормозиться самим субъектом.
Способом выражения сознания является слово, язык, на основе которых формируется абстрактно-логическое мышление. Слово – это обобщающий сигнал, заменяющий конкретный предмет или явление. С их помощью мы получаем знания из окружающего мира и передаем их в общении с другими людьми.
Выделяют также подсознание – психические процессы, возникшие под влиянием сложных поведенческих программ, доведенных до автоматизма и ставших навыками. По сути дела, это – бессознательное, которое понимается как совокупность психических процессов и состояний, обусловленных явлениями действительности, во влиянии которых субъект не отдает себе отчета. Бессознательное отличается от сознания тем, что отражаемая им реальность сливается с переживаниями субъекта, его отношением к миру. Поэтому в бессознательном невозможен произвольный контроль осуществляемых субъектом действий и оценка их результатов.
И наконец, существует сверхсознание, или творческая интуиция – первоначальный этап творчества, не контролируемый ни сознанием, ни волей. Оно обеспечивает выдвижение и обоснование гипотез, поисковую деятельность человека. Такая активность возникает в процессе взаимодействия личности с миром культурных ценностей, с накопленным опытом человечества, из которого неосознанно выделяются средства или связи, способствующие решению творческих проблем.
Особое значение для человека имеют сознание и бессознательное. Различия между ними носят принципиальный характер, и лишь взятые вместе они обеспечивают человеку возможность адекватно воспринимать и понимать действительность. Различия между сознательным и бессознательным можно представить в следующем виде.
|
Сознательное Абстрактное, концептуальное |
Бессознательное Конкретное, образно-визуальное |
Основные состояния сознания, присущие всем людям: сон, который обычно воспринимается как период отдыха, и бодрствование, или период активности. В период активности организм может улавливать, отбирать и интерпретировать сигналы внешнего мира, отправлять некоторые из них в память или же реагировать на них немедленно своим поведением, опираясь при этом на свой предшествующий опыт и навыки. В этот период организм приспосабливается к внешней действительности.
Очень важен для организма сон. Это не только отдых и восстановление физических сил. Сейчас известно, что у сна есть две фазы: «медленная» и «быстрая». Они последовательно сменяют друг друга, образуя 4–5 циклов длительностью по 90 минут во время нормального ночного сна. Особенно велика роль «быстрого», или парадоксального сна. Во время него происходит отбор и хранение в памяти значимой для субъекта информации, накопленной за сутки. Кроме того, в продолжение сна мозг продолжает решать актуальные для личности проблемы, возникшие во время бодрствования.
Сон наряду с медитацией и галлюцинацией является измененным состоянием сознания. При этом происходит практически полное экранирование личности от внешнего мира. Медитация представляет собой произвольное интенсивное погружение мышления в предмет, идею и т.д. путем сосредоточенности на одном объекте. В ходе медитации происходит отвлечение от всех внешних и внутренних факторов, рассеивающих внимание. При этом достигается состояние полной расслабленности и «чистого сознания», из которого исключено восприятие внешнего мира. Состояние медитации способствует решению творческих проблем.
Эмоции человека
Личность существует только в постоянном контакте с окружающей средой. Под ее влиянием идет познавательная деятельность человека, регулируется его поведение. Особое значение в этой деятельности имеют эмоции человека, являющиеся тем внутренним механизмом, который превращает внешние раздражители в мотивы, создает оптимальные условия для приспособления организма к окружающей среде, обусловливает ее познание и творческое преобразование. Поэтому своеобразие каждой личности во многом определяется особенностями ее эмоционального реагирования. Ведь именно от эмоций зависит наше отношение к другим людям и их поступкам, наша оценка собственных действий. Кроме того, эмоции влияют на функции органов и тканей, а следовательно, и на здоровье человека. Эмоции выступают в роли регуляторов человеческого общения, влияя на выбор параметров общения и определяя его способы и средства.
Функции эмоций
Эмоции – это реакции человека или животных на воздействие внутренних или внешних раздражителей, имеющие ярко выраженную субъективную оценку и охватывающие все виды чувственности и переживаний.
Чувства – это психические состояния, отражающие субъективное отношение индивида к окружающей среде в зависимости от возраста и внешних воздействий.
Эмоции имеют отчетливо выраженный приспособительный характер. Поэтому эмоции человека имеют общие черты с эмоциями животных. Так, еще Ч. Дарвин в книге «Выражение эмоций у животных и человека» на большом фактическом материале показал общность внешних выразительных движений, возникающих при чувствах голода, ярости, страха и т.п. Эмоции возникли в процессе эволюции как средство, позволяющее живым существам определять биологическую значимость состояний организма и внешних воздействий. Поэтому их можно считать формой видового опыта. Ориентируясь на эмоции, индивид совершает необходимые действия, целесообразность которых для него самого может быть неясна.
Виды эмоций
Существует широкий спектр эмоций разных форм и оттенков. Все эмоции можно поделить на две группы:
И те и другие эмоции могут быть как положительными, так и отрицательными. Все зависит от того, как они воспринимаются самим человеком, его сознанием.
По признаку доставленного удовольствия или неудовольствия все эмоции можно поделить на три группы:
Считается, что в жизни человека преобладают положительные эмоции. Но человеку нужны любые эмоции, ведь они служат побуждением к действиям. Если у человека исчезнут эмоции и останется лишь голый расчет, то человек превратится в робота, поскольку без эмоций он потеряет способность расти, развиваться и совершенствоваться, потеряет интерес к жизни, к происходящему вокруг наc.
По обусловленности эмоций теми или иными потребностями человека их можно разделить на две группы:
По силе проявления напряженности чувств эмоции также можно разделить на три группы:
Эмоции, составляя часть нашей психической деятельности, влияют на работоспособность человека. Она тем выше, чем больше положительных эмоций. Поэтому стремление к поддержанию у себя и окружающих положительного эмоционального состояния – залог здоровья, бодрости и счастья.
Творчество как способность человека
Как мы отметили выше, творчество всегда связано с созданием нового, но степень новизны продуктов творческой деятельности может значительно различаться. Не следует считать, что творчество – это только совершение великих открытий в науке и технике или создание шедевров искусства. Каждый человек неповторим, но он должен в своей жизни освоить часть общечеловеческого опыта и знаний. Для него овладение этими навыками и знаниями также является творческим процессом. Поэтому решение любой частной задачи, в результате которой появляется что-то новое хотя бы для данного человека, связано с творчеством.
Разумеется, наибольший интерес исследователей привлекает творчество высших достижений. Главным в нем является обнаружение самой проблемы, а затем и ее решение. Не случайно говорят, что правильно заданный вопрос содержит 90% ответа. Большинство крупнейших открытий в науке и технике появились как результаты ответов именно на такие вопросы.
Для творческой деятельности очень важны такие свойства личности, как воображение, интуиция, умственная активность, а также способность к самонаблюдению и самооценке. Ведь без осознания структуры своих умений и навыков, базирующихся на определенном опыте решения тех или иных проблем, творчество будет невозможным. Важно также отметить, что творчество обычно способствует повышению или сохранению самооценки, поэтому оно становится личностно значимым для человека. Гибкий ум, глубокое мышление, его высокая критичность помогают человеку преодолевать препятствия на пути реализации творчества.
В современной науке существует несколько моделей творческой деятельности. В них обычно выделяются четыре основных этапа творческого процесса:
1) сознательное преобразование информации;
2) созревание идеи в бессознательном;
3) переход идеи из бессознательного в сознание (озарение, «инсайт»);
4) проверка истинности идеи, ее последующее сознательное развитие и формализация.
Первый и четвертый этады представляют собой логический поиск и преобразование необходимой для созревания интуитивного решения информации, а также анализ этого решения. Второй и третий этапы – иррациональная деятельность. Таким образом, в творчестве неразрывно связаны противоположные типы мышления.
На первом этапе, когда идет сознательное преобразование информации, человек выбирает актуальную для него проблему. Чаще всего это бывает, когда посильная для него задача вдруг не находит своего решения. В результате человек испытывает глубокий психологический дискомфорт, возникающий из-за возможного понижения самооценки. В этой ситуации человек обычно начинает перебирать возможные рациональные варианты решения проблемы, при этом отбираются факты, могущие оказаться полезными, а также выявляются противоречия и проблемы, требующие своего решения. Результатом первого этапа обычно является появление большого числа неадекватных решений и множества нерешенных проблем.
Из-за малой информационной емкости сознания появившиеся промежуточные понятия и образы, характеризующие отдельные стороны решаемой задачи, вытесняются в бессознательное. Начинается второй этап в творческом процессе, связанный с взаимодействием сознательного с бессознательным, правого и левого полушарий мозга. Идет мощная активация бессознательного, на первых порах не дающая желаемого результата. Поэтому нарастают отрицательные эмоции, может возникнуть ситуация угрозы для целостности личности.
В этом случае лучше всего на время отказаться от решения проблемы и переключиться на другие задачи. Когда сознание творца меньше всего занято решением проблемы и не контролируется личностью (сон, отдых), чаще всего происходит озарение – третий этап творчества. В момент озарения подготовленное на первом этапе левое («логическое») полушарие мгновенно распознает появляющийся в правом полушарии правильный образ – решение проблемы. При этом сразу же исчезают отрицательные эмоции, чувство тревоги и беспокойства. Они заменяются мощными положительными эмоциями, человек испытывает чувство ни с чем не сравнимого восторга и блаженства.
На последнем, четвертом этапе творчества найденное решение переводится в языковую форму, с помощью экспериментов проверяется его истинность, идет объяснение полученных результатов. Это очень важная часть работы, причем очень трудоемкая. Поэтому инсайт – начало продолжительного, нередко мучительного критического анализа, обоснования найденного решения.
Важнейшей предпосылкой творческой деятельности является полная внутренняя свобода личности, умение отрешиться от стереотипов – типизированных программ действий и мыслей в стандартных ситуациях, способность посмотреть на проблему с необычной стороны. Таким образом, творчество связано с инакомыслием, а также с умением терпеливо относиться к чужому мнению, пусть и отличающемуся от собственного.
Существует множество технологий решения творческих проблем. Самая простая и давно известная зафиксирована в пословице: «Утро вечера мудренее». Чтобы день был плодотворным, к нему нужно мысленно подготовиться еще накануне: сформулировать проблемы, требующие своего решения, наметить возможные пути их решения. Так наше бессознательное получит задание, над которым оно будет работать во время нашего сна или отдыха. В результате утром мы проснемся, имея достаточно четкую программу наших действий.
Разработаны также методы коллективного решения творческих проблем. Широкой известностью среди них пользуется метод «мозгового штурма», при котором вместе собираются две группы людей – генераторы идей (люди с образным мышлением) и аналитики (люди с логическим мышлением). Ведущий данной встречи излагает им проблему, после чего генераторы предлагают самые разные варианты, а аналитики их обсуждают. Замечательным примером применения данного метода является телевизионная игра «Что? Где? Когда?», участники которой всего за минуту находят ответы на достаточно сложные вопросы.