|
<<<
Interlibrary |
Рябинин А.Г., Рябинин Г.А.
ПРИНЦИП
«МИНИМИЗАЦИИ
ОБЩЕЙ ЭНЕРГИИ
ОТКРЫТОЙ
СИСТЕМЫ»
|
Традиционно под энергией всегда понималось одно из основных (если не основное!)
свойств материи – мера ее движения, а также способность производить работу.
Для количественной характеристики качественно различных форм движения в
практике вводились соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя,
электромагнитная, химическая, ядерная и др. Эзотерическое понимание энергии
можно найти за много столетий до нашей эры в древнеиндийской, древнекитайской
или древнеегипетской философии. Однако, научная интерпретация этого термина
была впервые дана Аристотелем (384-322 гг. до н.э.), который понимал под
энергией так называемое «движение к осуществленности» [1] . В XVII-XIX вв.
достижения науки потребовали вновь возвратиться к уточнению содержания этого
термина, причем через трансформацию понятия силы из механики И.Ньютона, в «живую
силу» по Г.Лейбницу (конец XVIIв.).
Разработками понятия энергии в этот период занимались Б.Румфорд (1798), Т.Юнг
(1807), С.Карно (1824), М.Фарадей (1831), Г.Гельмгольц (1847), Д.Максвелл
(1870), Л.Больцман (1872) и многие другие выдающиеся ученые. В конце XIX и начале XXв. понятие энергии снова потребовало уточнения.
Р.Майер провозгласил эквивалентность сил природы, или «закон об эквивалентной
превратимости различных форм энергии», и открыл в энергии наиболее общую
инварианту, «господство которой простирается на всю область физических сил».
В.Оствальдом энергия также рассматривалась как самая общая эквивалентность в
мире природы, т.к. все явления природы, считал он, могут быть подчинены этому
понятию: «Понятие энергии включает в себя не только проблему субстанции, но и
проблему причинности» [2-4]. Для формулирования «энергетического постулата» поясним некоторые термины и понятия.
Взаимодействие (в физике) – воздействие тел или частиц друг на друга,
приводящее к изменению состояния их движения (имеющее
колебательно-вращательный характер). В механике Ньютона взаимное действие тел
друг на друга характеризуется силой. Более общей характеристикой
взаимодействия является потенциальная энергия. Взаимодействие между телами в реалии осуществляется не через
какое-то «пустое» пространство, которое не принимает никакого участия в
передаче взаимодействия, а посредством тех или иных полей, непрерывно
распределенных в пространстве (так, например, всемирное тяготение
осуществляется гравитационным полем). Несмотря на разнообразие форм материи и
воздействий тел друг на друга, в природе, по современным данным, имеются лишь
4-е типа фундаментальных взаимодействий это (в порядке возрастания
интенсивности взаимодействия): гравитационное взаимодействие, слабое взаимодействие,
электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. Суть постулата
сводится к тому, что «изменение состояния движения тел происходит
только посредством реализации тех или иных взаимодействий и имеет
колебательный или вращательный (колебательно-вращательный) характер». Тогда, в общем виде для энергии тела (системы) стало возможным ввести
следующее понятие: «ИЗМЕНЕНИЕ ОБЩЕЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА (СИСТЕМЫ)
ПРОИСХОДИТ ТОЛЬКО ПОСРЕДСТВОМ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХ ИЛИ ИНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ, Т.К.
ЭНЕРГИЯ – МЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛА (СИСТЕМЫ) С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ (ПОСРЕДСТВОМ
ТЕХ ИЛИ ИНЫХ ПОЛЕЙ)». Мы здесь
не будем описывать как шло уточнение понятия энергии в XXв. в связи с появлением теории относительности
А.Энштейна, волновой (квантовой) механики Э.Шредингера, практическим решением
проблемы ядерной энергии, выходом человека в Космос и проникновением в мир
элементарных частиц, открытием
«темной» материи (которой во Вселенной оказывается более 95% и «не
проявленной» энергии о которой мы пока вообще ничего не знаем (например,
энергия торсионных полей, полевые виды энергии, биоэнергия и т.д.).
Единственное, что необходимо отметить – к концу XXв. мировое научное сообщество согласилось с тем,
что: «…ВСЕ,
ЧТО МЫ ВИДИМ (ИЛИ ПОКА ЕЩЕ НЕ ВИДИМ) ВОКРУГ НАС, А ТАКЖЕ В МИКРОМИРЕ И
КОСМОСЕ, С ЧЕМ МЫ СТАЛКИВАЕМСЯ ПОВСЕДНЕВНО (ИЛИ СТОЛКНЕМСЯ В БУДУЩЕМ) – ВСЕ
ЭТО ЭНЕРГИЯ, ТОЧНЕЕ РАЗЛИЧНЫЕ ЕЕ ФОРМЫ…»
[5]. К концу XX, началу XXIв.,
когда наука вплотную подошла к решению таких глобальных философских проблем,
как единство макро- и микромира, взаимоотношения Космоса и человека (живого и
неживого), моделирования переходных
энергетических процессов как на Земле, так и в Космосе и т.п., стало ясным,
что традиционное определение, надежно закрепившееся за понятием энергия,
обнаруживает уже явную узость в новом диалоге человека с природой, возникшего
в ходе разработки биогеохимического фактора в развитии биосферы и ноосферы,
термодинамики неравновесных процессов, теории катастроф, синергетике,
квантовой теории вакуума, рассмотрении новых морфологических проблем
биологии, появления биоэнергетики и биоинформационной медицины и т.д.
Напротив, оно стало не только общезначимо, но уже с полным правом может
рассматриваться как важнейшая, самостоятельная философская категория [6],
базирующаяся на едином, фундаментальном принципе построения мира природы
(формулировка которого и была приведена в названии статьи).
Сформулированный принцип «минимизации полной энергии открытой системы»
определяет вектор движения системы любого происхождения, как органической,
так и неорганической природы. Он включает в себя множество частных, и даже
общих законов, таких как закон всемирного тяготения или принцип наименьшего
действия. Действительно, яблоко Ньютона всегда свободно падает в направлении
Земли, т.к. в этом направлении выполняется минимизация потенциальной энергии
яблока. В пчелиной ячейке улья, как ни странно, дважды реализуется этот
принцип минимизации энергии системы, т.к. сама ячейка формируется пчелами в
виде шестигранника (в сечении), где глубина ячейки еще и равна диаметру
(сечения). Такая конструкция обеспечивает минимизацию энергетических затрат
при строительстве как с точки зрения беззазорной стыковки ячеек друг с
другом, так и с точки зрения минимизации затрат на возведение внешней
поверхности ячейки (т.к. шестигранник предельно близок к кругу). Последняя
задача аналогична задаче минимизации площади поверхности цилиндра, при
сохранении объема. Здесь также глубина (высота) цилиндра должна быть равна
диаметру. При изготовлении таких изделий (например, емкостей) тратится
намного меньше материала и расходуется естественно меньше энергии. Но это еще
не все! Если обратиться к математике, то можно увидеть, что практически вся
вычислительная математика держится на принципе минимизации функционалов. Наилучшее
приближение функции основано на принципе наименьших квадратов, методе Ритца
(вариационный метод) основанного на минимизации интегрального функционала.
Наиболее мощный из численных методов – метод конечных элементов, основанный
на минимизации энергии системы, записанной в интегральной форме и т.д. [7-8].
Реализацию принципа минимизации энергии можно найти и в физике, и в химии, и
в биологии, и в медицине. Подтверждением тому могут служить «принцип
наименьшего действия» (Мопертюи, Эйлер, Лагранж, Гельмгольц, Гамильтон,
Гельдер) или принцип Ферма для «скорейшего пробега светового луча»
(теоретическая физика); принцип понижения энергии активации катализируемых
реакций (химия) и фотоактивируемых реакций фотосинтеза (биохимия); «правило
поверхностного натяжения», в соответствии с которым каждая жидкость стремится
к уменьшению суммарной поверхности, т.к. расположенные на поверхности
жидкости молекулы обладают повышенной энергией (гидравлика); принцип
наименьшей кривизны (Франк, Герц) – (ядерная физика); принцип наименьшего
рассеяния энергии (Дебай, Хюккель, Онзагер) – (электрохимия); все известные
законы диетологии строятся
на минимизации потребляемой энергии с сохранением рациона питания
на таком минимальном уровне, который обеспечивал бы нормальное функционирование
организма в целом [9]; все органы человеческого организма, так или иначе,
также работают в режиме энергосбережения (здоровые органы!). В
монографии акад. А.Ю.Ишлинского [10] в статье «Сопоставление двух моделей
развития трещин в твердом теле», установлено «… таким образом, одно из
равенств эквивалентно обращению в ноль вариации ( Как
видно, принцип минимизации общей энергии той или иной системы в том или ином
виде известен науке и практике очень давно.
Заслуга авторов состоит
в том (и только в том!), что они постарались достаточно корректно
его сформулировать и показали что он всеобщий для мира природы (как живой,
так и не живой). Кратко
рассмотрим, как наука подходила к пониманию реализации этого принципа на
примере математической физики [14-16]. 1. «Принцип наименьшего действия» (или принцип Мопертюи) – один из вариационных
принципов классической механики. В 1744г. П.Мопертюи дал первую словесную
формулировку данного принципа, а затем вывел из него законы отражения и
преломления света. По его словам: «…ПРИРОДА ПРИ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ СВОИХ
ДЕЙСТВИЙ ИДЕТ ВСЕГДА НАИБОЛЕЕ ПРОСТЫМИ ПУТЯМИ»
[17]. В 1746г.
П Мопертюи объявил его «Принцип наименьшего действия» универсальным законом
движения и равновесия: «ОБЩИЙ ПРИНЦИП. КОГДА В ПРИРОДЕ ПРОИСХОДИТ НЕКОТОРОЕ ИЗМЕНЕНИЕ, КОЛИЧЕСТВО ДЕЙСТВИЯ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ЭТОГО ИЗМЕНЕНИЯ, ЯВЛЯЕТСЯ НАИМЕНЬШИМ ВОЗМОЖНЫМ…» Под
количеством действия Мопертюи понимал произведение массы тел на их скорость и
на расстояние, которое они пробегают. Кроме законов распространения света П.Мопертюи
вывел из открытого им «Принципа наименьшего действия» известные законы удара
тел и равновесия рычага. Первая
математически обоснованная идея «Принципа наименьшего действия» для частного
случая изолированных тел была сформулирована Л.Эйлером (1744г), а для
общего случая движения любой системы
тел установлена Ж.Лагранжем (1760). Он писал: «ЭТОТ
ПРИНЦИП, БУДУЧИ СОЕДИНЕН С ПРИНЦИПОМ ЖИВЫХ СИЛ И РАЗВИТ ПО ПРАВИЛАМ
ВАРИАЦИОННОГО ИСЧИСЛЕНИЯ, ДАЕТ ТОТЧАС ЖЕ ВСЕ УРАВНЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ
РАЗРЕШЕНИЯ КАЖДОЙ ПРОБЛЕМЫ; ОТСЮДА ВОЗНИКАЕТ СТОЛЬ ЖЕ ПРОСТОЙ, КАК И ОБЩИЙ,
МЕТОД РАЗРЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ, КАСАЮЩИХСЯ
ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ» [18]. 2. «Принцип
стационарного действия» (интерпретация
«Принципа наименьшего действия»). Это один
из вариационных принципов классической механики, согласно которому: «ДЛЯ ДАННОГО КЛАССА СРАВНИВАЕМЫХ ДРУГ С ДРУГОМ ДВИЖЕНИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫМ ЯВЛЯЕТСЯ ТО, ДЛЯ КОТОРОГО ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА, НАЗЫВАЕМАЯ ДЕЙСТВИЕМ, ИМЕЕТ НАИМЕНЬШЕЕ (ТОЧНЕЕ, СТАЦИОНАРНОЕ) ЗНАЧЕНИЕ». Обычно этот
принцип применяется в одной из двух форм: в форме Гамильтона-Остроградского
или форме Мопертюи-Лагранжа, суть которых сводится к следующему, что: «СРЕДИ ВСЕХ КИНЕМАТИЧЕСКИ ВОЗМОЖНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ СИСТЕМЫ ИЗ ОДНОЙ КОНФИГУРАЦИИ В ДРУГУЮ (БЛИЗКУЮ К ПЕРВОЙ), СОВЕРШАЕМЫХ ЗА ОДИН И ТОТ ЖЕ ПРОМЕЖУТОК ВРЕМЕНИ (t1 – t0), ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫМ ЯВЛЯЕТСЯ ТО, ДЛЯ КОТОРОГО ДЕЙСТВИЕ (S) БУДЕТ НАИМЕНЬШИМ». Данный
принцип используется для составления уравнений движения механических систем
(и для исследования общих свойств этих движений) и находит приложения в
механике непрерывной среды, в электродинамике, квантовой механике и т.д. 3. «Теорема
Лагранжа-Дирихле» устанавливает достаточное
условие устойчивости равновесия консервативной механической системы. Согласно
этой теореме, «КОНСЕРВАТИВНАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НАХОДИТСЯ В ПОЛОЖЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАВНОВЕСИЯ, ЕСЛИ ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ СИСТЕМЫ В ЭТОМ ПОЛОЖЕНИИ ИМЕЕТ СТРОГИЙ МИНИМУМ». В
частности, из теоремы Лагранжа-Дирихле следует, что «ПОЛОЖЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ ТЯЖЕСТИ БУДЕТ УСТОЙЧИВЫМ, КОГДА ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ СИСТЕМЫ ЗАНИМАЕТ НИИНИЗШЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ». 4. «Принцип
наименьшего принуждения» (или принцип
Гаусса) – один из основных принципов классической механики: «ДВИЖЕНИЕ СИСТЕМЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ ТОЧЕК, СВЯЗАННЫХ МЕЖДУ СОБОЙ ПРОИЗВОЛЬНЫМ ОБРАЗОМ И ПОДВЕРЖЕННЫХ ЛЮБЫМ ВЛИЯНИЯМ, В КАЖДОЕ МГНОВЕНИЕ ПРОИСХОДИТ В НАИБОЛЕЕ «СОВЕРШЕННОМ», КАКОЕ ТОЛЬКО ВОЗМОЖНО, СОГЛАСИИ С ТЕМ ДВИЖЕНИЕМ, КАКИМ ОБЛАДАЛИ БЫ ЭТИ ТОЧКИ, ЕСЛИ БЫ ОНИ СТАЛИ СВОБОДНЫМИ, ТО ЕСТЬ ДВИЖЕНИЕ ПРОИСХОДИТ С НАИМЕНЬШИМ ВОЗМОЖНЫМ ПРИНУЖДЕНИЕМ…» Этот принцип был предложен К.Гауссом в
1829г. Следствием «Принципа наименьшего принуждения» стал другой принцип
Гаусса – так называемый «Принцип наименьших реакций». 5. «Принцип
прямейшего пути» (или принцип Герца), он же
«Принцип наименьшей кривизны», постулированный Г.Герцем (1894г.) в качестве
основного закона разработанной им механики, которой, в отличие от механики
Ньютона, вместо понятия силы введены представления о скрытых связях, скрытых
массах и скрытых движениях. Принцип Герца эквивалентен принципу Гаусса для
систем, стесненных стационарными связями и не подверженных действию активных
сил. Принцип Герца – один из основных вариационных принципов классической
механики: «ВСЯКАЯ СВОБОДНАЯ СИСТЕМА ПРЕБЫВАЕТ В СВОЕМ СОСТОЯНИИ ПОКОЯ ИЛИ РАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ ВДОЛЬ «ПРЯМЕЙШЕГО» ПУТИ». Под
свободной системой Г.Герц понимает систему, не подверженную действию активных
сил и стесненную только внутренними связями, накладывающими условия лишь на
взаимное расположение точек системы. «Прямейший» путь определяется им как
такая (энергосберегающая) траектория, элементарные дуги которой обладают
наименьшей кривизной по сравнению с любыми другими дугами. 6. «Первый
принцип термодинамического равновесия». Свободная энергия – термодинамический
потенциал, однозначная функция состояния термодинамической системы при
условии, что в качестве независимых термодинамических параметров выбраны
объем V и температура T. Принцип формулируется следующим образом: «СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ МИНИМАЛЬНА В СОСТОЯНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ, ПРИ ПОСТОЯННЫХ (V) И (T) ». При
изотермических процессах изменение свободной энергии равно работе,
совершаемой системой. 7. «Второй
принцип термодинамического равновесия».
Энтальпия – термодинамический
потенциал, однозначная функция состояния термодинамической системы при
условии, что в качестве независимых термодинамических параметров выбраны
энтропия S и давление P. При изобарных процессах изменение энтальпии
равно поглощенному системой количеству теплоты. Поэтому энтальпию еще
называют тепловой функцией, или
теплосодержанием. Принцип формулируется следующим образом: «ЭНТАЛЬПИЯ МИНИМАЛЬНА В СОСТОЯНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ, ПРИ ПОСТОЯННЫХ (S) и (P) ». При
адиабатно-изобарных процессах в сложной системе убыль энтальпии равна работе
немеханических сил. 8. «Эффект нарушения симметрии». Спонтанное нарушение симметрии – частичная или полная потеря системой имеющейся в ней симметрии, выражающаяся в том, что энергетически или термодинамически наиболее выгодные состояния системы обладают меньшей симметрией, чем уравнения, ее описывающие, причем преобразования симметрии переводят эти состояния друг в друга. Примером системы со спонтанным нарушением симметрии может служить изотропный ферромагнетик, состоящий из локализованных спинов. Такая система, как известно, инвариантна относительно 3-х мерных вращений; вместе с тем ЕЕ ЭНЕРГИЯ СТАНОВИТСЯ МИНИМАЛЬНОЙ, КОГДА ВСЕ СПИНЫ ВЫСТРАИВАЮТСЯ В ОДНОМ (ПРОИЗВОЛЬНОМ) НАПРАВЛЕНИИ. 9. «Принцип устойчивости системы А.М. Ляпунова». Устойчивость – в наиболее широком толковании, это сохранение целостности системы или общего характера ее поведения в течение длительного времени. В физике «устойчивость» обычно понимают более узко: система устойчива, если малые внешние воздействия приводят к малым изменениям ее поведения. Между тем, развитие математической теории устойчивости существует в настоящее время для всех систем, имеющих конечно-мерное фазовое пространство (ее основы были заложены А.М.Ляпуновым еще в конце XIXв. [19-21] ). Существует два основных подхода к изучению устойчивости: линеаризация и «энергетический принцип». Последний, был сформулирован А.М.Ляпуновым так: «СОСТОЯНИЕ УСТОЙЧИВО, ЕСЛИ ЭНЕРГИЯ В НЕМ МИНИМАЛЬНА». Строгое
определение устойчивости используется
сравнительно редко. Обычно устойчивость
понимается как отсутствие экспоненциально растущих решений линеаризированных
уравнений или как минимальность энергии
(здесь речь идет, естественно, не об абсолютном минимуме). 10. Согласно законам квантовой механики, энергия
электрона, связанного в атоме, а следовательно, и энергия атома в целом, как
известно не произвольна. Она может иметь лишь определенный (дискретный) ряд
значений Е0, Е1, Е2 … Еn , называемый уровнями энергии (энергетический
спектр атома). Самый нижний уровень энергии Е0, при котором энергия атома наименьшая, называется
ОСНОВНЫМ УРОВНЕМ. Остальные уровни Е1,
Е2 … Еn соответствуют более высокой энергии атома и
называются ВОЗБУЖДЕННЫМИ. Это и
объясняет эффект излучения и поглощения электромагнитных волн веществом [22].
В квантовой механике с помощью теории сейчас находят различные возможные
состояния и различные энергетические уровни системы. Как и всегда, самыми
стабильными оказываются состояния с НАИБОЛЕЕ НИЗКОЙ ЭНЕРГИЕЙ [23]. И этот
ряд изысканий в самых различных областях знаний о природе может быть
продолжен. Таким образом, принцип минимизации общей энергии системы открытого
типа может быть наделен свойствами ВСЕОБЩЕГО ПРИНЦИПА ПРИРОДЫ. В
заключение хотелось бы акцентировать внимание еще на одном тезисе. Человек –
сложнейшая биологическая многоуровневая энергоинформационная система, причем
полностью открытая (имеет место прямой обмен энергией, веществом и
информацией с другими системами, в частности с окружающей средой), способная
к самосовершенствованию и самовоспроизводству. Думается, что исходя из сформулированного принципа минимизации
энергии, целесообразно было бы в дальнейшем именно с этих позиций исследовать
и лечить эту систему (т.е. с позиций новой науки - биоэнергоинформационной
медицины). Какие основные выводы можно сделать из всего вышеизложенного: 1.
Дальнейшее ПОЗНАНИЕ мира природы (от микро- до макро) современная
наука уже не в состоянии, необходим новый качественный «прорыв», как в
физике, химии, математике, так и в других науках. Самое главное – научный мир
уже вплотную подошел к реализации этого прорыва. 2.
Скорее всего,
придется научному сообществу поменять свои взгляды на многие вещи казавшиеся
до сих пор незыблемыми, такие, например, как законы сохранения или мировые
константы. 3.
Необходимо признать,
что все системы живой и неживой материи являются на самом деле открытыми (в
той или иной степени), а все известные законы физики (да и других наук) были
получены для абстрактных «закрытых» или замкнутых систем. Парадокс! Но дело
обстоит именно так. Вот почему мы не можем двигаться дальше в познании мира,
имея «устаревшие» уже инструменты исследования. Здесь выход только один –
создать новую науку (ФИЗИКУ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ) с новыми принципами и законами. 4.
Говоря о новой
науке, необходимо понимать, что известная нам сейчас, например, физика
представляет из себя не отдельную науку, а большую совокупность крупных
самостоятельных наук (которые в свое время сами породили уже новые науки),
также обстоит дело с химией, биологий и др. Существующие сейчас сотни
различных наук пытаются самостоятельно исследовать Природу, что естественно
уводит нас от истины. Поэтому говоря о ФИЗИКЕ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ, мы должны
будем «поглотить» и все другие науки и научные направления необходимые для
познания и описания мира живой и неживой материи, во всех ее проявлениях и
эволюциях. Литература
1. Аристотель. Сочинения в 4-х томах. М., 1981 2. Оствальд В. Несостоятельность научного материализма и его устранение. СПб., 1896 3. Оствальд В. Натурфилософия. М., 1904 4. Оствальд В. Философия природы. СПб., 1903 5. Рябинин Г.А. Тайные грани эволюции. Основы космической безопасности. ИД «Петрополис», СПб., 2004 6. Федоров В.М., Узкова Е.С. Философское осмысление энергетического ресурса ноосферы. В кн.: Реалии ноосферного развития. М.: ИД «Ноосфера», 2003 7. Зенкевич А., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.:Мир, 1988 8. Смирнов В.И. Курс высшей математики. т. IV, ч.1 М.:Наука, 1974 9. Рябинина Е.Г. Культура питания и экология пищи (докторская диссертация). СПб., МАФО, 2003.
|
|
<<<
Interlibrary |