Тема 19. Динамические и статистические закономерности в природе

Детерминизм – основополагающая идея научного познания, согласно которой все существующее в мире возникает и уничтожается необходимо и закономерно, в результате действия определенных причин. В естествознании идея Д. выражается в признании существования объективных закономерности природы; цель науки – открыть их и сформулировать в виде законов.

Закономерности природы – объективно существующие (независимо от нашего сознания) необходимые, существенные, повторяющиеся связи между природными явлениями.

Законы (теории) естествознания – отражение в научном познании (научных знаниях, языке) объективно существующих закономерностей в природе. В современном естествознании признано, что все фундаментальные законы (теории) хотя и соответствуют действительности, не являются абсолютно точным ее отображением: любой закон относителен, он лишь в большей или меньшей степени соответствуют закономерностям природы; любая фундаментальная теория имеет определенные границы своей применимости (гносеологические предпосылки). В естествознании известны два типа законов (теорий) – динамические и статистические, которые выделились в свете вопроса о соотношении необходимого и случайного в природе.

Случайность (вероятность) и необходимость в природе – теоретический вопрос естествознания о характере закономерностей происходящего в природе. В одном варианте решался путем абсолютизации роли необходимости и отрицания случайности в природе (классический детерминизм, динамические законы), в другом варианте путем признания существования как необходимости, так и элемента случайности (вероятности) в природе (современный детерминизм, статистические законы).

Механический (жесткий) детерминизм – концепция классической науки (XVII-XIX вв.), согласно которой все происходящее в природе подчиняется "вечным", неизменным, незыблемым динамическим законам, которые выражают однозначную связь физических объектов; все явления в природе предопределены с железной необходимостью, поэтому будущее (и прошлое) полностью предопределено современным состоянием Вселенной и законами механики. В основе МД лежит представление классической механики о единственно возможной траектории движения материальной точки при заданном начальном состоянии. Концепцию МД связывают с именем П.Лапласа, который сформулировал ее в образе "демона Лапласа" – некоего Ума, способного, восприняв в любой данный момент времени положение и скорость каждой частицы во Вселенной, проникнуть как в прошлое, так и в будущее Вселенной. В процессе развития естествознания концепция МД оказалась несостоятельной, потому что: (а) она основана на предположении, что механическое начальное состояние может быть абсолютно точно известно (это невозможно вследствие неизбежной погрешности измерений); (б) она предполагает знание координат и скоростей всех частиц во Вселенной, что на практике неосуществимо; (в) начальные параметры любых механических систем невозможно фиксировать с абсолютной точностью, поэтому точность предсказания со временем уменьшается. МД очень сильно огрубляет реальные природные процессы, в которых есть элемент случайности.

Состояние – совокупность всех измеримых характеристик объекта или системы; так, состояние материальной точки в классической механике задается ее координатами и скоростью в данный момент времени.

Динамические теории – научные теории, состоящие из динамических (строгих) законов, которые отображают объективную закономерность в природе в форме однозначных связей физических величин, выраженных количественно. В основе ДТ лежит концепция классического ("лаплассовского", механического, жесткого) детерминизма, согласно которой в природе не существует случайностей, есть только "железная" необходимость; предсказания динамических законов носят определенный и однозначный характер. В соответствии с этой концепцией, в ДТ считается, что а) все процессы в природе могут быть описаны абсолютно точно посредством определенного набора физических величин; б) можно точно и однозначно рассчитывать средние значения физических величин, характеризующих изучаемую систему, в данный момент времени; в) возможно по начальному состоянию системы однозначно установить значения характеризующих ее физических величин на любой момент времени; г) в расчетах можно пренебрегать случайными отклонениями от нормы. Примеры ДТ: классическая механика Ньютона, механика сплошных сред, равновесная термодинамика, классическая электродинамика Максвелла, общая теория относительности Эйнштейна (теория гравитации), эволюционная теория Ламарка, теория химического строения.

Статистические теории – научные теории, состоящие из статистических законов, которые отображают объективную закономерность в природе в форме вероятных связей значений физических величин внутри заданных интервалов. В основе СТ лежит концепция неклассического (современного) вероятностного детерминизма, согласно которой в природе есть неустранимый элемент случайности происходящего; предсказания статистических законов носят неопределенный, лишь вероятностный характер. Согласно этой концепции в СТ а) состояния системы описывается на языке вероятности, б) возможно рассчитывать и предсказывать лишь вероятность того, что величина, характеризующая систему, примет то или иное значение; в) возможно учитывать случайные отклонения от нормы, т.е. рассчитывать характерную величину флуктуаций — случайных отклонений системы от ее наивероятнейшего состояния; е) по заданному состоянию системы возможно рассчитать лишь вероятность того или иного значения физических величин, ее характеризующих. Примеры СТ: молекулярно-кинетическая теория газов (исторически первая СТ), квантовая механика, квантовая электродинамика (и другие квантовые теории); эволюционная теория Дарвина; молекулярная генетика, статистическая механика Максвелла, статистическая теория неравновесных процессов, электронная теория Лоренца и др.

Распределение Максвелла – статистический закон распределения молекул газа в сосуде по скоростям (или импульсам), открытие которого впервые обнаружило вероятностный характер обусловленности поведения природных объектов. Данный закон отражает зависимость средней скорости теплового движения молекул от температуры: чем ниже температура системы, тем большее число молекул имеют скорости, близкие к наиболее вероятной (v₀).

Динамический хаос – явление в теории динамических систем, при котором поведение нелинейной системы выглядит случайным, несмотря на то, что оно определяется детерминистическими законами. В отличие от беспорядка (при котором поведение системы определяется постоянно действующими на неё неконтролируемыми факторами) хаотическим называется поведение системы, непредсказуемое вследствие слишком сильной чувствительности поведения системы к начальным условиям (поведение системы с ДХ невозможно точно предсказать из-за сильной чувствительности системы к погрешностям в определении ее начального состояния, которое не может быть задано абсолютно точно, к примеру, из-за ограничений измерительных инструментов); поэтому в системе с ДХ близкие в начальный момент траектории движения с течением времени быстро разбегаются (любая допущенная в измерениях или расчётах погрешность очень быстро нарастает с течением времени). Примеры систем с ДХ: погода и климат, турбулентность, фондовые рынки, жидкость в миксере.

Соотношение между динамическими и статистическими теориями в современном естествознании решается в пользу последних, поскольку статистические законы отображают реальные природные процессы глубже, чем динамические, в которых необходимость в природе выступает в форме, огрубляющей (упрощающей) ее связь со случайностью. Предсказания ДТ и СТ совпадают, когда можно пренебречь флуктуациями; в остальных случаях СТ являются наиболее фундаментальными (первичными), они полнее, глубже и в более общей форме описывают природную реальность, отражают физические закономерности, т.к. они учитывают реально существующую в природе случайность. ДТ (законы) рассматриваются как промежуточный этап, позволяющий описать поведение совокупности макрообъектов, но не дающий возможности точно описать поведение отдельных микрообъектов (элементарных частиц). Поэтому каждой ДТ соответствует более точный статистический аналог, который полнее и глубже описывает реальность. Вместе с тем, можно отметить, что для каждой фундаментальной СТ существует соответствующий приближенный динамический аналог, справедливый, когда можно пренебречь случайностью (флуктуациями); хотя СТ всегда описывает более широкий круг явлений, чем ее динамический аналог. Так, классическая механика Ньютона (ДТ) является приближением квантовой механики (СТ) при описании движения макрообъектов (см. принцип соответствия).

Смена динамических теорий статистическими – происходящий в истории естествознания процесс, свидетельствующий о развитии науки, углубления наших знаний, когда менее точные теории сменяются более точными, описывающими те же самые области природы, что и прежние теории, но охватывающие более широкий круг процессов.

Принцип соответствия – принцип научного познания, утверждающий преемственность теорий (Н.Бор) и гласящий, что новая научная теория (закон) не может полностью отрицать старую теорию для той же группы явлений, справедливость которой была ранее доказана, а должна содержать в себе в качестве приближения старую теорию (к примеру, при описании движения макрообъектов упрощение уравнений квантовой механики приводит к уравнениям классической механики). Согласно ПС все фундаментальные статистические теории содержат в качестве своего приближения соответствующие динамические теории при условии, что можно пренебречь случайностью; и наоборот: каждой динамической теории соответствует более точный статистический аналог, который полнее и глубже описывает реальность (так классическая механика Ньютона является приближением квантовой механики при описании движения макрообъектов).