Выполнила : студентка 106 группы Бадалян А. А.. Негэнтропия, отрицательная энтропия ( англ. negentropy), или синтропия ( англ. syntropy) живой системы. - презентация

1 Выполнила : студентка 106 группы Бадалян А. А.

2 Негэнтропия, отрицательная энтропия ( англ. negentropy), или синтропия ( англ. syntropy) живой системы энтропия, которую живая система экспортирует, чтобы снизить уровень собственной энтропии ( см. негэнтропия и жизнь ). Понятие и термин отрицательная энтропия были введены (1943) Шрёдингером в его научно - популярной книге « Что такое жизнь ?». Позднее Леон Бриллюэн (Léon Brillouin, 1953) сократил термин до негэнтропия, чтобы выразить это понятие « более положительным » способом : живая система импортирует негэнтропию, чтобы увеличить уровень собственной негэнтропии. В 1974, Альберт Сент - Джорджи (Albert Szent-Györgyi) предложил заменить термин негэнтропия на термин синтропия, который, по - видимому, был введён в ых итальянским математиком Луиджи Фантаппи (Luigi Fantappiè), когда он пытался построить объединённую теорию биологии и физики ( его попытка не получила признания и не принесла больших результатов ). Хотя Бакминстер Фуллер (Buckminster Fuller) и пробовал популяризировать термин синтропия, использование негэнтропии остается общепринятым.

3 Негэнтропия противоположна энтропии и имеет отношение к живым системам к тому, что более упорядочено и более определённо в сравнении с системами косной материи. Жизнь, как полагают, является негэнтропичной, потому что потребляет то, что имеет меньшую упорядоченность ( мёртвая пища ) и превращает это в то, что имеет большую упорядоченность ( клетки в теле, тканях и органах ). При этом возрастает температура. Внешняя сторона живой системы, или кожа организма, всегда имеет максимальную энтропию в теле, потому что она удаляет тепло.

4 Негэнтропия, основанная на идеях, противоположных идеям энтропии, имеет отношение не к системам косной материи, а к живым системам. Клифф Джослин (Cliff Joslyn) предложил ряд способов измерения негэнтропии, отличных от измерения тепла, исходящего от тела. Живые существа, ищущие с целью выживания эти способы, создают модели, которые более упорядочены, чем то, что измеряется, эти модели объединяются, обдумываются, возникающая в итоге наука негэнтропична как любая часть жизни. Идея, что живые существа упорядочивают вселенную, называется человеческим принципом. Он имеет сильную форму, которая говорит, что « люди призваны, чтобы сделать это.» И слабую или очевидную форму, которая говорит, что « не имеет значения, призваны люди делать это или нет, но люди делают это.»

5 В теории информации и статистике, дифференциальная негэнтропия используется как мера отклонения от нормальности. Рассматривают сигнал с некоторым распределением. Сигнал называют гауссовским, если он имеет нормальное распределение. Дифференциальная негэнтропия сигнала всегда неотрицательна, инвариантна при любых линейных обратимых преобразованиях координат и исчезает, если и только если сигнал является гауссовским.

6 Дифференциальная негэнтропия определяется как : J (p_x) = S (\phi_x) - S (p_x) где \phi_x имеет гауссовскую плотность с тем же самым средним и дисперсией как p_x, а S (p_x) дифференциальная энтропия : S (p_x) = - \int p_x (u) \log p_x (u) du.

7 Дифференциальная негэнтропия используется в статистике и обработке сигналов, имеет отношение к сетевой энтропии, которая используется в независимом компонентном анализе. Интуитивно дифференциальная негэнтропия понимается как информация, которая может быть сохранена, если представить p_x эффективным способом ; а \phi_x случайная величина ( с гауссовским распределением ) с тем же самым средним и дисперсией, которая нуждается в максимальной длине данных для представления самым эффективным способом. Поскольку p_x менее случайна, то кое - что о ней известно заранее, она содержит меньше неизвестной информации и нуждается в меньшей длине данных для представления самым эффективным способом.

8 На диаграмме можно видеть количество, называемое ёмкостью для энтропии. Это количество энтропии, на которое она может быть увеличена без изменения внутренней энергии или увеличения объема системы. Иными словами, это разность между максимально возможной, при данных условиях энтропией и фактической энтропией : J = S_{\max} - S = -\Phi = -k \ln Z\, где : J негэнтропия ( гиббсовская ёмкость для энтропии ); \Phi потенциал Массье (Massieu); Z = \sum_{j} e^{- \beta E_j} частичная функция ; k постоянная Больцмана.

9 Энтропия ( от греч. ντροπία поворот, превращение ) понятие, впервые введенное в термодинамике для определения меры необратимого рассеивания энергии. Термин широко применяется и в других областях знания : в статистической физике как мера вероятности осуществления какого - либо макроскопического состояния ; в теории информации как мера неопределенности какого - либо опыта ( испытания ), который может иметь разные исходы, в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории ( инвариантности и вариативности исторического процесса ).

10 Энтропия функция состояния системы, равная в равновесном процессе кол - во теплоты сообщенной системе или отведенной из системы.

11 Впервые понятие энтропии в среду специалистов ввел выдающийся немецкий математик Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус. Он вывел прелюбопытнейший факт. Если мы, опять - таки, уберем сложную терминологию, он сведется к тому, что энтропия – это разница между идеальным и реальным процессом.

12 Суммарное уменьшение энтропии в результате обмена с внешней средой при определенных условиях может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость предшествоющего неупорядоченного состояния. Возникают и возрастают до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. При этом возможна саморегуляция, т. е. возникновение определенных структур из хаотических образований. Такие структуры могут последовательно переходить во все более упорядоченное состояние ( диссипативные структуры ). Энтропия в них убывает. Диссипативные структуры образуются вследствие развития собственных внутренних неустойчивостей в системе ( в результате самоорганизации ), что отличает их от организации упорядоченных структур, формирующихся под воздействием внешних причин.

13 Упорядоченные ( диссипативные ) структуры, спонтанно возникающие из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации, реализуются и в экологических системах. Примером может служить пространственно упорядоченное расположение бактерий в питательных средах, наблюдающееся при определенных условиях, а также временные структуры в системе « хищник - жертва », отличающиеся устойчивым режимом колебаний с определенной периодичностью численности популяций животных. Процессы самоорганизации основываются на обмене энергией и массой с окружающей средой. Это и позволяет поддерживать искусственно создаваемое состояние текущего равновесия, когда потери на диссипацию компенсируются извне. С поступлением новой энергии или вещества в системе возрастает неравновесность. В конечном итоге прежние взаимосвязи между элементами системы, определяющие ее структуру, разрушаются. Между элементами системы устанавливаются новые связи, приводящие к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Такова общая схема процессов самоорганизации в открытых системах, названная наукой синергетикой.

14 Концепция самоорганизации, по - новому освещая взаимосвязь неживой и живой природы, позволяет лучше понять, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность самоорганизующихся процессов, которые лежат в основе любого эволюционного развития. Целесообразно обратить внимание на следующее обстоятельство. Исходя из случайного характера флуктуации следует, что появление нового в мире всегда обусловлено действием случайных факторов. Возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи, в соответствии с которым изменения, возникающие в системе, не устраняются, а накапливаются. В итоге именно это и приводит к возникновению нового порядка и новой структуры.

15 Если между двомя системами существоет связь, возможен переход энтропии из одной системы в другую, вектор которого определяется значениями термодинамических потенциалов. Здесь - то и проявляется качественное различие между изолированными и открытыми системами. В изолированной системе ситуация остается неравновесной. Процессы идут, пока энтропия не достигнет максимума. В открытых системах отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. Такого рода условия способствоют возникновению и поддержанию стационарного состояния ( типа динамического равновесия ), называемого текущим равновесием. В стационарном состоянии энтропия открытой системы остается постоянной, хотя и не является максимальной. Постоянство поддерживается за счет того, что система непрерывно извлекает из окружающей среды свободную энергию. Динамика энтропии в открытой системе описывается уравнением И. Р. Пригожина ( бельгийский физик, лауреат Нобелевской премии 1977 г.): ds/dt = ds1/dt + dse/dt, где ds1/dt - характеристика энтропии необратимых процессов внутри самой системы ; dse/dt- характеристика обмена энтропией между биологической системой и окружающей средой.

16 Первый путь заключается в уменьшении потерь используемой человеком энергии при ее различных превращениях. Этот путь эффективен в той мере, в которой не приводит к понижению стабильности системы, через которую идет поток энергии ( как известно, в экологических системах увеличение числа трофических уровней способствоет повышению их устойчивости, но в то же время способствоет росту потерь энергии, проходящей через систему ). Второй путь заключается в переходе от повышения упорядоченности культурной системы к повышению упорядоченности всей биосферы. Общество в этом случае повышает организованность природной среды за счет понижения организованности части той природы, которая находится за пределами биосферы Земли.

17 Рис. 1. Пирамида энергий. Е энергия, выделяемая с метаболитами ; D = естественные смерти ; W фекалии ; R дыхание

18 Спасибо за внимание