ТЕМА 2.4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ В СОВРЕМЕННОЙ

ФИЗИКЕ

2.4.1.Проблема детерминизма и причинности.

Проблемы, связанные с категориями детерминизма и причинности в современной

физике — наиболее актуальные философские проблемы естествознания. Основным

содержанием этих проблем является анализ соотношения динамических и статистических

законов (теорий) и объективных закономерностей.

Детерминизм — философского учение об объективной закономерной взаимосвязи и

взаимообусловленности явлений, вещей и процессов материального и духовного мира.

Центральным ядром детерминизма является положение о существовании причинности.

Идея детерминизма состоит в том, что все явления, события в мире непроизвольны и

подчиняются объективным закономерностям, которые существуют вне и независимо от их

познания.

В современной физике проявление детерминизма связывается с существованием

объективных физических закономерностей и находит наиболее полное и общее отражение в

фундаментальных физических теориях.

Фундаментальные физические теории (законы) представляют собой квинтэссенцию

наших знаний о физических закономерностях. Это приближенное, но наиболее полное на

сегодняшний день отражение объективных процессов в природе. Все многообразие

физических законов — следствия тех или иных фундаментальных теорий.

Для решения проблем детерминизма важное значение имеет подразделение

физических законов (а тем самым и теорий) на динамические и статистические.

Динамический закон — физический закон, отображающий объективную

закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых

количественно. Динамической теорией является физическая теория, которая представляет

совокупность динамических законов.

Статистические теории и законы рассмотрим ниже.

2.4.2. Механический детерминизм и физические теории динамического характера

Механический (классический) детерминизм связан с фундаментальными

физическими теориями динамического характера. Исторически первой и наиболее простой

теорией такого рода явилась классическая механика И. Ньютона.

Механика И. Ньютона претендовала и претендует на описание механического

движения, т.е. перемещения в пространстве с течением времени любых тел или частей тел

относительно друг друга, с какой угодно скоростью.

Непосредственно законы механики, сформулированные И. Ньютоном, относятся к

физическому телу, размерами которого можно пренебречь — к материальной точке. Однако

любое тело макроскопических размеров всегда можно рассмотреть как совокупность

материальных точек и, следовательно, точно описать его движение.

Законы И. Ньютона составили прочный фундамент классической механики,

сохранили свое значение и сегодня для тел, обладающих сравнительно небольшими массами

и движущихся сравнительно медленно.

С помощью этих законов и ныне определяют наступление затмений Солнца, Луны,

делают расчеты различных сооружений, машин. Большие разделы механики, такие как

гидродинамика, аэродинамика, теория упругости, теория пластичности, теория ползучести,

теория прочности опираются на законы классической механики.

Основу же классической механики и любой другой фундаментальной физической

теории составляют 3 элемента:

1.Совокупность физических величин, с помощью которых описываются объекты

данной физической теории (координаты, импульсы, энергия и др. в механике И. Ньютона).

2.Понятие состояния (координаты и импульсы всех частиц в механике).

3.Уравнения движения, т.е. уравнения, описывающие эволюцию состояния системы

материальных точек.

Другой пример фундаментальной теории динамического характера —

электродинамика Д. Максвелла. Предмет исследования в этой теории резко отличается от

предмета исследования классической механики.

В электродинамике Д. Максвелла объектом исследования является

электромагнитное поле, а уравнения движения дано для электромагнитной формы материи.

При этом структура электродинамики в самых общих отношениях повторяет структуру

механики И. Ньютона.

Другие фундаментальные теории динамического характера имеют ту же структуру,

что и механика И. Ньютона, и электродинамика Д. Максвелла. К их числу относятся:

механика сплошных сред, термодинамика и теория гравитации (в настоящее время это общая

теория относительности).

Необходимо отметить, что метафизическая философия считала, что все объективные

физические закономерности (и не только физические) имеют точно такой же характер, что и

динамические законы.

Иначе говоря, не признавались никакие другие виды объективных закономерностей,

кроме динамических закономерностей, которые выражали однозначные связи физических

объектов и описывали их абсолютно точно в форме связи вполне определенных физических

величин. Отсутствие такого полного описания трактовалось как недостаток наших

познавательных способностей.

Основанная на метафизической абсолютизации динамических закономерностей

форма детерминизма получила название жесткого механического детерминизма П. Лапласа,

т.к. именно он обосновал эту форму. Согласно провозглашенному П. Лапласом принципу,

все явления в природе предопределены с «железной» необходимостью. Случайному, как

объективной категории, нет места в нарисованной П. Лапласом картине мира. Только

ограниченность наших познавательных способностей заставляет рассматривать отдельные

события в мире как случайные.

В соответствии с жесткой формой детерминизма природа стала рассматриваться как

состоящая из определенных тел, движущихся по раз и навсегда установленным законам;

необходимая связь стала отождествляться с причинной связью, мир трактоваться в качестве

машины, которая, будучи однажды пущена в ход, вечно движется по предопределенным

законам.

И такое механическое понимание природы вплоть до XIX в. было господствующим

в мировоззрении многих естествоиспытателей. Закономерности классической физики,

начиная с законов механики И. Ньютона и кончая законами классической электродинамики

Д. Максвелла, получили название законов строго динамического порядка или, как теперь их

называют, закономерностей жесткой детерминации.

Необходимость _______отказа от классического механического детерминизма в физике

стала очевидной после того, как выяснилось, что динамические законы не универсальны и не

единственны. Более глубокими законами природы являются не динамические, а

статистические (или вероятностные) законы, открытые во 2-й половине XIX в.

2.4.3. Вероятностный детерминизм и статистические законы и теории в физике

Представления о закономерностях особого типа, в которых связи между

величинами, входящими в теорию, неоднозначны, впервые ввел Д. Максвелл в 1859 году.

Д. Максвелл первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа

частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике И. Ньютона. Для

этого Д. Максвелл ввел в физику понятие вероятности, выработанное ранее в математике.

Очевидно, 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.

Поэтому, несмотря на то, что движение каждой отдельной частицы в газе

подчиняется механическим закономерностям динамического порядка, эти закономерности

отступают здесь на задний план, а с наибольшей силой начинают проявляться

закономерности статистического порядка.

Статистические законы связывают не только состояние системы в один момент

времени с состоянием системы в другой момент времени, как это имеет место в

классической физике, но и каждую индивидуальную частицу со всем ансамблем частиц

системы в течение всего периода времени.

Статистические законы возникают на основе взаимной компенсации случайных

флуктуаций (превращений, отклонений) в больших совокупностях предметов или частиц.

Так Д. Максвелл дал толчок развитию молекулярно-кинетической теории (или

статистической механики). В дальнейшем Л. Больцман построил кинетическую теорию

газов. Свое завершение статистическая механика получила в работах В. Гиббса, создавшего

эффективный и изящный метод расчета для любых произвольных систем (а не только газов),

находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Были, наконец, заложены основы

статистической теории неравновесных процессов.

Метод В. Гиббса оказался настолько общим, что не потерял своего значения и после

того, как появилась квантовая механика. Он позволил построить квантовую статистику,

которая отличалась от классической статистики, открытой Д. Максвеллом. В ее составе

статистика Ферми – Дирака, описывающая состояние частиц, у которых полуцелый спин;

статистика Бозе-Эйнштейна, построенная для описания релятивистского газа (фотонов и

альфа-частиц).

В статистических теориях состояние систем определяется не значениями

физических величин, а статистическими (вероятностными) распределениями этих величин.

2.4.4. Проблема соотношения динамических и статистических законов и

закономерностей

Сразу же после появления в физике понятия статистического закона возникла

проблема существования статистических закономерностей и их соотношения с

динамическими законами и закономерностями.

Так как статистические законы, как новый тип описания закономерностей, были

первоначально сформулированы на основе динамических уравнений классической

механики, то длительное время динамические законы считались основным, первичным

типом отображения физических закономерностей, а статистические законы рассматривались

в значительной мере как следствие ограниченности наших способностей к их познанию. В

частности, невозможность проследить за изменением всех параметров сложных систем

вынуждает нас к некоторому осредненному, статистическому описанию.

Но возникновение и развитие квантовой теории постепенно привело к пересмотру

представлений о роли динамических и статистических законов в отображении

закономерностей природы. Был обнаружен статистический характер поведения отдельных

элементарных частиц. При этом за описывающими это поведение законами квантовой

механики не было обнаружено никаких динамических законов.

Поэтому крупнейшие ученые Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн, П. Ланжевен

выдвинули тезис о первичности статистических законов. Однако связывали они это

положение с индетерминизмом.

Индетерминизм — философская концепция, отрицающая закономерную связь и

обусловленность явлений и событий в природе и обществе.

Принципиально статистический характер закономерностей микромира означал, по

мнению этих ученых, недопустимость первичного идеала детерминизма.

Прямо сформулированный вывод об отсутствии детерминации (причинности)

вызвал резкие возражения со стороны А. Эйнштейна, М. Планка, Э. Шредингера. Они

настаивали на необходимости отыскания динамических законов для описания микромира,

воспринимая статистические законы квантовой механики, как промежуточный этап,

позволяющий описывать поведение совокупности микрообъектов, но не дающий еще

возможности точно описать поведение отдельных микрообъектов.

Когда стало очевидным, что нельзя отрицать роль статистических законов в

описании физических явлений, была выдвинута теория «равноправия» статистических и

динамических законов. Те и другие законы рассматривались как законы «равноправные», но

относящиеся к различным явлениям, имеющие каждый свою сферу применения, не

сводимые друг другу, но могущие друг друга дополнять.

Однако эта теория не учитывала того бесспорного факта, что все фундаментальные

статистические современной физики (квантовая механика, квантовая электродинамика,

статистическая термодинамика и др.) содержат в качестве своего приближения

соответствующие динамические теории.

Поэтому в настоящее время многие крупные ученые склонны рассматривать

статистические законы как наиболее глубокую, наиболее общую форму описания всех

физических закономерностей. Эти представления возникли вследствие того, что было

показано: нет оснований делать вывод об индетерминизме в природе, потому _______что законы

микромира являются принципиально статистическими.

Утверждение о том, что статистические законы в физике представляют собой более

высокий этап познания, чем динамические, означает, что современный (вероятностный)

детерминизм является обобщением классического детерминизма.

После создания квантовой механики можно с полным основанием утверждать, что

динамические законы представляют собой первый, низший этап в познании окружающего

нас мира и что статистические законы более полно отражают объективные связи в природе,

являясь более высоким этапом познания.

Смена динамических теорий статистическими, конечно, не означает, «старые»

динамические теории отживают свой век и сдаются в архив. Практическая их ценность в

определенных границах нисколько не умаляется фактом создания новых статистических

теорий. Говоря о смене теорий, мы имеем в виду, в первую очередь, смену менее глубоких

физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений.

Статистические теории распространяются на более широкий круг явлений,

недоступный динамическим теориям. Статистические теории находятся в лучшем

количественном согласии с экспериментом, чем динамические.

Вообще же, все фундаментальные физические теории и законы не являются

абсолютно точным отображением действительности. Все они в той или иной мере

представляют собой приближение к объективным закономерностям. По мере развития

науки, углубления наших знаний менее точные теории сменяются более точными, которые

описывают те же самые формы движения материи, что и прежние теории и которые

охватывают более широкие круги процессов.

Каждая фундаментальная физическая теория имеет определенные границы

применимости. Здесь мы вплотную подходим к принципу соответствия, который утверждает

преемственность физический теорий.

2.4.5. Фундаментальные принципы и законы сохранения

Фундаментальные принципы появились в начале XX в. и связаны они с развитием

квантовой механики.

Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором. Его суть сводилась к

следующему: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для

определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но

сохраняют свое значение для прежней области явлений, как предельное выражение законов

новых теорий.

Т.о., принцип соответствия выражает объективную ценность физических теорий.

Новые теории не отрицают старых именно потому, что старые теории с определенной

степенью приближения отражают объективные закономерности природы.

В процессе развития квантовой физики Н. Бор для объяснения корпускулярно-

волнового дуализма формулирует еще один принцип, который получил название принципа

дополнительности. Согласно этому принципу, для полного описания квантово -

механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих классических

понятия (например, частиц и волн). Только совокупность таких понятий дает

исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

Можно сказать, что принцип дополнительности является результатом философского

осмысления новой необычной теории — квантовой механики. Он выражает на

микроскопическом уровне один из основных законов диалектики природы — закон единства

противоположностей.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение

неопределенностей В. Гейзенберга. Это фундаментальное положение квантовой теории,

утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых

координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные,

точные значения. Из этого принципа следует, что чем точнее определена одна из входящих

в неравенство величин, тем менее определенно значение другой. Никакой эксперимент не

может привести к одновременно точному измерению таких динамических переменных, при

этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной

техники, а с объективными свойствами материи.

Следующий принцип — принцип относительности А. Эйнштейна. Еще во времена

Г. Галилея было установлено, что в любых инерциальных системах отсчета все

механические явления протекают одинаково при одинаковых начальных условиях. Это

утверждение называется принципом относительности Г. Галилея. А. Эйнштейн расширил

это положение на все физические явления.

По А. Эйнштейну любые физические процессы протекают одинаково в

изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же

системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояние

движения или покоя определяется по отношению к произвольно выбранной инерциальной

системе отсчета; физически эти состояния равноправны.

Эквивалентная формулировка: законы физики имеют одинаковую форму во всех

инерциальных системах отсчета (при одинаковых начальных условиях). После утверждения

этого принципа и теории относительности явления, описываемые ими, но не объяснимые с

позиций классической физики стали называть релятивистскими (от лат. relativus —

относительный) явлениями или эффектами.

Затем был сформулирован еще один принцип — принцип запрета Паули. Его суть

сводится к тому, что две тождественные частицы с полуцелым спином не могут

одновременно находится в одном одинаковом состоянии.

Этот принцип сыграл решающую роль в понимании закономерностей заполнения

электронных оболочек атома, послужил исходным пунктом для объяснения атомных и

молекулярных спектров.

Большое значение в физике имеют также законы сохранения. Законы сохранения

физических величин — это утверждения, согласно которым численные значения некоторых

физических величин не изменяются со временем в любых процессах.

Первым законом сохранения в науке был закон сохранения массы вещества. Он был

сформулирован М.В. Ломоносовым в 1748г. Второй закон сохранения — закон сохранения

энергии. Открыт в XIX в. Майером. И третий закон сохранения – это закон сохранения

электрического заряда. Открыт также в XIX в. Д. Фарадеем.

Законы сохранения запрещают для замкнутой системы исчезновение массы

вещества, энергии, импульса, электрического заряда и др. Системы могут вести себя как

угодно, но законы сохранения не могут быть нарушены, не может измениться в мире

порядок вещей.

Т.о., законы сохранения вносят упорядоченность в поведение физических систем. За

упорядоченностью форм, структур стоит более глубокий порядок, на котором основана

вечность и несотворимость мира.

Контрольные вопросы

1.Что такое детерминизм?

2.Чем механический (классический) детерминизм отличается от вероятностного

детерминизма?

3.Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным?

4.Какие две группы фундаментальных физических законов и теорий имеются в

современной физике?

5.С группой каких физических законов и теорий связан механический детерминизм?

6.С группой каких физических законов и теорий связан вероятностный

детерминизм?

7.Что такое индетерминизм?

8.Какую Вы можете дать общую характеристику динамическим и статистическим

законам?

9.В чем состоит проблема соотношения динамических и статистических законов в

физике?

10. В чем заключается суть фундаментальных физических принципов?

11.Какие Вы знаете законы сохранения?

12.В чем состоит значение фундаментальных физических принципов и законов

сохранения?

Литература

1.Изанов Б.Н. Законы физики. — М., 1986.

2.Мигдал А.Б. Как рождаются физические теории. — М., 1984.

3.Мякишев Г.Я. Динамические и статистические закономерности в физике. — М.,

1973.

4.Рузавин Г.И. Вероятность, причинность, детерминизм //Философ. науки, 1972, №

5.

5.Свечников Г.А. Причинность и связь состояний в физике. — М., 1971.

Контрольные задания по теме 2.4.

№ 1. Дайте определения а) классического детерминизма; б) индетерминизма; в)

вероятностного детерминизма.

№ 2. Изобразите схематично классификацию физических законов.

№ 3. Составьте схему – таблицу, показывающую связь динамических и

статистических законов в физике. Используйте для этого следующие понятия:

I. Классическая механика; термодинамика; классическая теория электромагнитных

процессов; механика сплошных сред; классическая электродинамика;

II. Квантовая электродинамика; квантовая механика; статистическая термодинамика;

электронная теория; статистическая теория неравновесных процессов.

Схема соотношения динамических и статистических законов в современной физике

Описание физических

закономерностей

динамическими законами

Описание физических

закономерностей

статистическими законами

№ 4. Дайте определение динамического закона.

№ 5. Перечислите фундаментальные принципы современной физики и раскройте их

смысл.

№ 6. Дайте определение статистическому закону.

№ 7. Назовите автора а) закона сохранения массы вещества;

б) закона сохранения энергии; в) закона сохранения электрического заряда.

№ 8. Поясните, кто ввел в физику понятие вероятности?

№ 9. Укажите когда и почему появились фундаментальные физические принципы.

№ 10. Выберите правильный ответ.

Сущность законов сохранения выражается в том, что … а) численные значения

некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах; б) энергия

не возникает из ничего и не исчезает, она лишь превращается из одного вида в другой в

эквивалентных соотношениях; в) масса веществ, участвующих в реакциях не изменяется.