Статистические законы и теории и вероятностный детерминизм
Описанные выше динамические законы имеют универсальный характер, то есть они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Отличительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер.
Наряду с ними в естествознании в середине прошлого века были сформулированы законы, предсказания которых являются не определенными, а только вероятными. Свое название эти законы получили от характера той информации, которая была использована для их формулировки. Вероятностными они назывались потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Поскольку сама информация при этом носит статистический характер, часто такие законы называются также статистическими, и это их название получило в естествознании значительно большее распространение.
Представления о закономерностях особого типа, в которых связи между величинами, входящими в теорию, неоднозначны, впервые ввел Максвелл в 1859 г. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Для этого Максвелл ввел в физику понятие вероятности, выработанное ранее математиками при анализе случайных явлений, в частности азартных игр.
Многочисленные физические и химические опыты показали, что в принципе невозможно не только проследить изменения импульса или положения одной молекулы на протяжении большого интервала времени, но и точно определить импульсы и координаты всех молекул газа или другого макроскопического тела в данный момент времени. Ведь число молекул или атомов в макроскопическом теле имеет порядок 1023. Из макроскопических условий, в которых находится газ (определенная температура, объем, давление и т.д.), не вытекают с необходимостью определенные значения импульсов и координат молекул. Их следует рассматривать как случайные величины, которые в данных макроскопических условиях могут принимать различные значения, подобно тому, как при бросании игральной кости может выпасть любое число очков от 1 до 6. Предсказать, какое число очков выпадет при данном бросании кости, нельзя. Но вероятность выпадения, например, 5, можно подсчитать.
Эта вероятность имеет объективный характер, так как выражает объективные отношения реальности и ее введение не обусловлено лишь незнанием нами деталей течения объективных процессов. Так, для кости вероятность выпадения любого числа очков от 1 до 6 равно '/6, что не зависит от познания этого процесса и потому есть явление объективное.
На фоне множества случайных событий обнаруживается определенная закономерность, выражаемая числом. Это число - вероятность события - позволяет определять статистические средние значения (сумма отдельных значений всех величин, деленная на их число). Так, если бросить кость 300 раз, то среднее число выпадения пятерки будет равно 300 • 'Л = 50 раз. Причем совершенно безразлично, бросать одну и ту же кость или одновременно бросить 300 одинаковых костей.
Несомненно, что поведение газовых молекул в сосуде гораздо сложнее брошенной кости. Но и здесь можно обнаружить определенные количественные закономерности, позволяющие вычислить статистические средние значения если только ставить задачу так же, как в теории игр, а не как в классической механике. Нужно отказаться, например, от неразрешимой задачи определения точного значения импульса молекулы в данный момент, а пытаться найти вероятность определенного значения этого импульса.
Максвеллу удалось решить эту задачу. Статистический закон распределения молекул по импульсам оказался несложным. Но главная заслуга Максвелла состояла не в решении, а в самой постановке новой проблемы. Он ясно осознал, что случайное в данных макроскопических условиях поведение отдельных молекул подчинено определенному вероятностному (или статистическому) закону.
После данного Максвеллом толчка молекулярно-кинетическая теория (или статистическая механика, как стали называть ее в дальнейшем) начала стремительно развиваться.
Статистические законы и теории имеют следующие характерные черты.
1. В статистических теориях любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Это означает, что состояние в статистических теориях определяется не значениями физических величин, а статистическими (вероятностными) распределениями этих величин. Это принципиально иная характеристика состояния, чем в динамических теориях, где состояние задается значениями самих физических величин.
2. В статистических теориях по известному начальному состоянию в качестве результата однозначно определяются не сами значения физических величин, а вероятности этих значений внутри заданных интервалов. Тем самым однозначно определяются средние значения физических величин. Эти средние значения в статистических теориях играют ту же роль, что и сами физические величины в динамических теориях. Нахождение средних значений физических величин - главная задача статистических теории.
Вероятностные характеристики состояния в статистических теориях совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Тем не менее динамические и статистические теории обнаруживают в самом существенном отношении замечательное единство. Эволюция состояния в статистических теориях однозначно определяется уравнениями движения, как и в динамических теориях. По заданному статистическому распределению (по заданной вероятности) в начальный момент времени уравнение движения однозначно определяет статистическое распределение (вероятность) в любой последующий момент времени, если известны энергия взаимодействия частиц друг с другом и с внешними телами. Однозначно определяются соответственно и средние значения всех физических величин. Здесь нет никакого отличия от динамических теорий в отношении однозначности результатов. Ведь статистические теории, как и динамические, выражают необходимые связи в природе, а они вообще не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний.
На уровне статистических законов и закономерностей мы также сталкиваемся с причинностью. Но детерминизм в статистических закономерностях представляет более глубокую форму детерминизма в природе. В отличие от жесткого классического детерминизма он может быть назван вероятностным (или современным) детерминизмом.
Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, любой известный на сегодняшний день процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Однозначная связь состояний в статистических теориях говорит об их общности с динамическими теориями. Различие между ними в одном - способе фиксации (описания) состояния системы.
Истинное, всеобъемлющее значение вероятностного детерминизма стало очевидным после создания квантовой механики - статистической теории, описывающей явления атомарного масштаба, то есть движение элементарных частиц и состоящих из них систем (другими статистическими теориями являются: статистическая теория неравновесных процессов, электронная теория, квантовая электродинамика). Несмотря на то, что квантовая механика значительно отличается от классических теорий, общая для фундаментальных теорий структура сохраняется и здесь. Физические величины (координаты, импульсы, энергия, момент импульса и т.д.) остаются в общем теми же, что и в классической механике. Основной величиной, характеризующей состояние, является комплексная волновая функция. Зная ее, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения не только координаты, но и любой другой физической величины, а также средние значения всех величин. Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики - уравнение Шредингера - однозначно определяет эволюцию состояния системы во времени.
- Т.Г.Грушевицкая, а.П.Садохин
- Тема 1. Наука и ее роль в жизни общества
- Тема 1 наука и ее роль в жизни общества проблема определения науки
- Соотношение науки, философии и религии
- Структура науки и ее функции
- Критерии научности знания
- Тема 2 научная теория. Структура и основания теории
- Теория как форма научного знания. Теория и научные программы
- Структура научной теории
- Гносеологические предпосылки науки
- Классификация научных теорий
- Научные понятия и способ их образования
- Введение и исключение научных абстракций
- Тема 3 методы научного познания. Развитие научного знания
- Методы научного познания
- Законы науки
- Развитие научного знания
- Специфика научных революций
- Тема 4 возникновение науки. Появление первых научных программ проблема начала науки
- Научные знания на древнем востоке
- Начало науки. Античная наука
- Первые научные программы античности
- Тема 5 формирование основ естествознания в эпоху средневековья и возрождения
- Основные черты средневекового мировоззрения
- Наука и научное познание в средние века
- Революция в мировоззрении в эпоху возрождения
- Тема 6 научная революция XVI-xvh вв. И становление классической науки
- Галилей и его роль в возникновении современной науки
- Основные аспекты научной революции
- Исаак ньютон и завершение научной революции
- Тема 7 специфика и природа современной науки
- Особенности классической науки
- Наука XIX века
- Новейшая революция в науке
- Основные черты современной науки
- Кризис современной науки. Постнеклассическая наука
- Тема 8 физическая картина мира
- Механическая картина мира
- Электромагнитная картина мира
- Становление современной физической картины мира
- Тема 9 структурные уровни организации материи структурность и системность материи
- Поле и вещество
- Классификация элементарных частиц
- Тема 10 физическое взаимодействие проблемы учения о взаимодействии и движении
- Общая характеристика физических взаимодействий
- Гравитационное взаимодействие
- Электромагнитное взаимодействие
- Слабое взаимодействие
- Сильное взаимодействие
- Теории большого объединения и суперобъединения
- Тема 11 концепции пространства и времени в современном естествознании
- Развитие представлений о пространстве и времени
- Теория относительности
- Единство и многообразие свойств пространства и времени
- Тема 12 детерминизм и причинность в современной физике. Динамические и статистические законы
- Динамические законы и теории и механический, детерминизм
- Статистические законы и теории и вероятностный детерминизм
- Соотношение динамических и статистических законов
- Тема 13 принципы современной физики
- Принцип симметрии и законы сохранения
- Принцип соответствия
- Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей
- Принцип суперпозиции
- Основы термодинамики
- Тема 14 космологические модели вселенной что такое космология?
- Начало научной космологии
- Космологические парадоксы
- Неевклидовы геометрии
- Модель расширяющейся вселенной
- Некоторые трудности гипотезы расширяющейся вселенной
- Тема 15 эволюция вселенной рождение вселенной
- Ранний этап эволюции вселенной
- Структурная самоорганизация вселенной
- Образование солнечной системы
- Тема 16 проблемы самоорганизации материи формирование идеи самоорганизации
- Понятие самоорганизации
- Основы синергетики
- Неравновесная термодинамика и. Пригожина
- Тема 17 становление и развитие химической картины мира возникновение химии
- Алхимия
- Арабская алхимия
- Западноевропейская алхимия
- Период зарождения научной химии
- Теория флогистона
- Закон сохранения массы лавуазье
- Открытие основных законов химии
- Химия как наука
- Тема 18 современные концепции химии структура химии
- Взаимосвязь химии с физикой
- Проблема химического элемента
- Концепции структуры химических соединений
- Учение о химических процессах
- Эволюционная химия
- Взаимосвязь химии с биологией
- Тема 19 происхождение и сущность жизни история проблемы
- Концепция происхождения жизни а.И. Опарина
- Современные концепции происхождения и сущности жизни
- Сущность и определение жизни
- Появление жизни на земле
- Формирование биосферы земли
- Тема 20 эволюция органического мира
- Становление идеи развития в биологии
- Концепция развития ж.-б.Ламарка
- Теория катастроф ж. Кювье
- Эволюционная теория ч.Дарвина
- Антидарвинизм конца XIX-начала XX века
- Тема 21 современные теории эволюции
- Основы генетики
- Синтетическая теория эволюции (стэ)
- Тема 22 человек как предмет естествознания
- Происхождение человека
- Сущность человека
- Телесность и здоровье человека
- Тема 23 человек, биосфера и космос
- Человек и космос
- Космизация современной науки и философии
- Антропный принцип
- Тема 24 на пути к ноосфере
- Современные концепции экологии
- Концепция ноосферы и устойчивого развития