Метод молекулярной динамики

Почему из хаоса возникают сложные, упорядоченные системы. Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.

Разномасштабные самоорганизующиеся системы независимо от того, к какому разделу науки они относятся, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Разработкой теории самоорганизации занимаются несколько научных дисциплин:

1. Термодинамика неравновесных (открытых) систем.

2. Синергетика.

3. Теория катастроф.

Как идет процесс превращения? В каком направлении? Почему тепло переходит от горячего тела к холодному? Почему пирамида Хеопса разрушается, а не восстанавливается? Обратимые и необратимые процессы. В физике вводится понятие энтропии, как меры беспорядка в системе. Произвольно идущие процессы протекают в направлении увеличения энтропии, т.е. беспорядка в системе (точнее говорить о вероятности направления протекания процесса).

Может ли воздух собраться "сам" в одной половине сосуда? Конечно, нет (точнее, Р= 5*10^-22).

Неравновесные процессы и открытые системы.

Кристаллы - упорядоченные равновесные структуры. В природе существуют и иные упорядоченные структуры, которые возникают в диссипативных системах. Диссипативная система является подсистемой больших неравновесных термодинамических систем.

1. Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли - под действием солнечного излучения: - самоорганизация на Земле.

2. Ячейки Бенара - самоорганизация в физических явлениях.

3. Химическая реакция Белоусова-Жаботинского - самоорганизация в химии. Под воздействием BrO₃^-, H⁺ в растворе происходят реакции: Сe³⁺ -> Сe⁴⁺ - окисление, цвет раствора голубой. Сe⁴⁺ -> Сe³⁺ - восстановление, цвет раствора красный. Таким образом, имеется автоколебательный процесс изменения концентрации четырехвалентного церия с одновременным варьированием цвета

На поверхности раствора появляются поверхностные волны (химические спиральные волны)

4. Динамика популяций хищников и их жертв - самоорганизация в биологии.

Неравновесные процессы с возникновением в системах упорядоченных структур - диссипативных структур. Самоорганизация не связана с особым классом веществ, но она существует лишь в специальных системах, удовлетворяющих условиям:

1. открытые системы, т.е. открытые для притока энергии (вещества) извне;

2. макроскопические системы, т.е. системы описываются нелинейными уравнениями.

Следует также отметить, что диссипативные структуры являются устойчивыми образованиями, и их устойчивость определяется устойчивостью внешнего источника энергии.

Устойчивость и неустойчивость. Критические состояния. Бифуркации. Асимметрия.

В более сложных системах параметр X может изменяться под действием управляющего (или возмущающего) параметра  (лямбда). Рассмотрим диаграмму (X,l). Оказывается, что при малых  существует одно решение, характеризующее термодинамически устойчивое состояние, а при больших  - существует два устойчивых состояния с разными значениями X. Переход к новому состоянию при _кр под действием флуктуации называется явлением бифуркации.

Точка бифуркации и современное состояние. Механическая иллюстрация бифуркации.

Наша Галактика - Млечный путь - гигантский диск, диаметр которого около 100 тыс. световых лет, а толщина - около 1500 световых лет. Галактика может быть представлена в виде спиральной структуры: туманности и горячие массивные звезды распределены вдоль ветвей спирали. Наше Солнце - одна из звезд на периферии Галактики вблизи от ее экваториальной плоскости.Расстояние от Солнца до ядра Галактики составляет около 30 тыс. световых лет. Солнце - желтый карлик, звезда 2 или 3 поколения; вокруг Солнца вращаются планеты. Солнечная система образовалась около 4.5-5 млрд. лет назад

Напомним основные факты о нашей Солнечной системе

1. Время образования - 4.5-5 млрд. лет назад.

2. В состав системы входит 9 планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и множество метеоритных тел.

3. Основная масса системы сосредоточена в Солнце (~99.9%), но 99% момента количества движения ("запаса вращения" системы) связано с движением планет.

4. Все планеты условно делятся на три группы:

   1. Меркурий, Венера, Земля, Марс - планеты небольшого размера с плотностью p=3-5.5 г/см3;

   2. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун - планеты - гиганты с небольшой плотностью p=1-2 г/см3;

   3. Планета Плутон со спутником Хароном, находящаяся на краю Солнечной системы.

Необходимо также выделить пояс астероидов, занимающий место между Марсом и Юпитером.

5. Орбиты всех планет - почти круговые, и все они (за исключением орбиты Плутона) лежат примерно в плоскости эклиптики (в плоскости Солнечного экватора). Почти все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (совпадающем с направлением вращения Солнца), как и почти все спутники вокруг своих планет.

6. Расстояния планет от Солнца подчиняются эмпирическим формулам и составляют некоторую прогрессию, определяемую правилом Тициуса-Боде.

7. Наличие в Солнечной системе метеоров и комет.