Методическая разработка для лекций по теме «Динамические и статистические закономерности в природе»

Кислинский В.Б.
Сызранский филиал
ФГБОУ ВПО
«Самарский государственный экономический университет»
2015 год

Динамические и статистические закономерности в природе.

Наука исходит из того, что всё существующее в мире возникает и умирает закономерно, в результате действия определённых причин, что все природные явления связаны между собой причинно-следственными связями, а беспричинных явлений не бывает. Такая позиция называется детерминизмом в противоположность индетерминизму, который отрицает объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.
В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей. Задачей науки является открытие этих закономерностей и формулирование их в виде законов и теорий.

1. Динамические и статистические законы.
Как показывает история науки, никакое научное знание, никакая научная теория не могут отразить окружающий мир в целом или его фрагменты полностью, без упрощений и огрублений. То же самое относится и к законам науки. Они могут лишь в большей или меньшей степени приближаться к адекватному отображению объективных закономерностей. Поэтому очень важно, какую форму имеют законы, насколько они соответствуют природным закономерностям.
Физика знает два типа законов (теорий) – динамические и статистические.
Динамический закон – это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно. Соответственно, динамической теорией называют физическую теорию, представляющую совокупность динамических законов.
Исторически первой динамической теорией явилась классическая механика Ньютона. Она претендовала на описание механического движения с какой угодно точностью. Примерами динамических теорий также могут служить термодинамика, механика сплошных тел, общая теория относительности.
Долгое время считалось, что никаких других законов, кроме динамических, просто не может быть. Если какие-то объективные явления и процессы не вписывались в динамические соотношения, не могли быть описаны абсолютно точно посредством определённого набора физических величин, то делался вывод о недостатке наших возможностей и понятий. Такая позиция, связанная с абсолютизацией динамических закономерностей и законов, называется механическим детерминизмом. Этот принцип сформулировал французский учёный Пьер Лаплас. В соответствии с ним, все явления в природе предопределены с безусловной необходимостью. Случайному, как объективной категории, в такой картине мира нет места. Считалось, что только ограниченность наших познавательных возможностей заставляет рассматривать некоторые события как случайные. Классический механический детерминизм называют ещё жёстким, или лапласовским, детерминизмом.
Однако по мере углубления наших знаний о природе выяснилось, что динамические законы не являются единственной и универсальной формой отражения объективных закономерностей. Например, оказалось, что при описании движения отдельных макроскопических тел, что всегда считалось сферой действия динамических законов, осуществление лапласовского детерминизма практически невозможно.
Кроме того, начальные параметры любых механических систем невозможно фиксировать с абсолютной точностью, поэтому точность получаемых результатов со временем ухудшается. Для каждой механической системы существует некоторое критическое время, начиная с которого невозможно точно предсказать её поведение.
Разумеется, механический детерминизм нельзя считать ложным, он отражает реальное поведение систем с определённой степенью точности. Однако, во многих случаях он слишком сильно упрощает и огрубляет реальные природные процессы. Действительность многообразия, а жёсткий детерминизм отражает лишь отдельные её стороны.
В середине XIX века в физике были сформулированы законы, результаты которых не являются строго определёнными, а только вероятны. Такие законы получили название статистических. Представление о законах и закономерностях особого типа, в которых связи между величинами, входящими в теорию, неоднозначны, впервые ввёл в физику английский учёный Дж. Максвелл в 1859 году при построении статистической механики – первой фундаментальной теорией нового типа. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц (молекулы газа в сосуде), нужно ставить задачу иначе, чем в механике Ньютона. Для этого Максвелл ввёл в физику понятие вероятности, разработанное ранее математиками при анализе случайных явлений, в частности, азартных игр.
Статистическими называют законы (теории), использующие понятия теории вероятностей.
При построении статистической механики (теории движения систем большого числа частиц) многочисленные опыты показали, что в принципе невозможно не только проследить изменение импульса или положения в пространстве одной молекулы газа, на протяжении большого интервала времени, но даже точно определить импульсы и координаты всех молекул газа в данный момент времени. Ведь число молекул в любом макроскопическом теле огромно. Из условий, в которых находится газ и которые могут быть измерены количественно, не вытекают с необходимостью определённые значения импульсов и координат молекул. Поэтому их следует рассматривать как случайные величины, которые могут принимать различные значения.
Максвелл обнаружил, что случайное поведение отдельных молекул газа подчиняется определённому статистическому (вероятностному) закону, используя который можно рассчитать средние значения физических характеристик молекулярной системы. И именно средние значения оказались связанными с измеряемыми параметрами (давление, температура и т.п.).
Другими статистическими теориями являются: статистическая теория неравновесных процессов, электронная теория, квантовая механика.
Статистические законы, в отличие от динамических, отражают неоднозначную связь физических величин, а статистическое распределение этих величин. Результат закона выражается не конкретными значениями физических величин, а вероятностями этих значений внутри заданных интервалов. Фактически, это тоже однозначный результат. Ведь статистические теории, как и динамические, отражают необходимые связи в природе, а они не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний. Различается только способ описания этих состояний.
На уровне статистических законов и закономерностей также присутствует причинно-следственная связь. Но это иная, более глубокая форма детерминизма. В отличие от жёсткого классического детерминизма его принять называть вероятностным (современным) детерминизмом. Его законы меньше упрощают и огрубляют действительность, они способны учитывать те случайности, которые происходят в природе.
Вероятностный детерминизм – это подход к изучению объективной действительности, основанный на формулировке законов, учитывающих те случайности, которые происходят в мире.
Сегодня любой известный в природе процесс более точно описывается статистическими законами. Это окончательно стало ясно после создания квантовой механики – статистической теории, описывающей явления и процессы атомарного масштаба, т.е. движение элементарных частиц и состоящих из них систем. Динамическое описание этих процессов принципиально невозможно.

2. Соотношение динамических и статистических законов.
Сразу же после появления первых статистических законов в работах Максвелла возникла проблема их соотношения с динамическими законами. Первоначально никаких сомнений в преимуществе динамических законов перед статистическими не было. Достаточно долго учёные пытались обосновать статистическую механику на базе динамических законов Ньютона, хотели её результаты свети к однозначным связям физических величин. Таким образом, считалось, что динамические законы являются основным способом отображения физических закономерностей, а статистические законы рассматривались как следствие ограниченности наших познавательных возможностей. Они рассматривались как временная мера до открытия соответствующих динамических законов.
Однако к концу XIX века стало появляться все больше статистических теорий, причём их результаты полностью подтверждались экспериментальными данными. В итоге ученые пришли к мысли о равноправии динамических и статистических законов. Считалось, что каждый тип закона имеет свою сферу применения и они взаимно дополняют друг друга. Полагали, что индивидуальные тела, простейшие формы движения должны описываться с помощью динамических законов, а совокупность объектов, более сложные формы движения – с помощью статистических законов. Соотношение таких теорий, как термодинамика и статистическая механика, электродинамика и электронная теория Лоренца, казалось, подтверждало это.
Ситуация в науке кардинально изменилась после создания и развития в начале XX века квантовой теории. В результате исследований таких выдающихся учёных, как Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн, П. Ланжевен и др., было установлено, что закономерности поведения объектов микромира и законы квантовой механики носят принципиально статистический характер. Никаких динамических законов для описания движения отдельных элементарных частиц не существует. Следовательно, можно с полным основанием утверждать, что динамические законы представляют собой первый, низший этап в познании окружающего нас мира. Статистические законы являются более высокой ступенью познания, более полно отражают объективные связи в природе. Вся история науки свидетельствует о том, что первоначально возникающие динамические теории, описывающие определенный круг явлений, сменяются по мере развития науки статистическими теориями, описывающими тот же круг явлений более полно, более точно. Только статистические теории способны отразить случайность, играющую огромную роль в окружающем нас мире.
Смена динамических теорий статистическими вовсе не означает, что старые динамические теории следует за ненадобностью отбросить. Их практическая ценность остается весьма существенной. Говоря о смене теорий, в первую очередь, ученые имеют в виду замену физических представлений более глубокими, более правильными. Статистические теории находятся в лучшем количественном согласии с экспериментом, чем динамические. Но при определенных условиях статистическая теория приводит к таким же результатам, как и более простая динамическая теория, чье применение в этих случаях оправданно.
Связь необходимого и случайного не может быть раскрыта в рамках динамических законов, так как они отбрасывают случайность. В динамическом законе отражается тот необходимый средний результат, к которому приводит течение процессов, но не отражаются те вариации этого результата, которые могут возникнуть под влиянием окружающих условий.
Следует четко осознать, что абсолютно точных однозначных связей физических величин, о которых говорят динамические теории, в природе не существует. В реальных процессах всегда происходят неизбежные отклонения от необходимых средних величин – случайные флуктуации, которые при определенных условиях могут сыграть весьма существенную роль.
Динамические теории не могут описывать те явления, когда флуктуации значительны. Иными словами, в динамических законах учитывается только необходимость, а случайность отбрасывается. Отсюда следует, что статистические законы, способнее учесть и необходимость, и случайность, отображают реальные природные процессы более глубоко и точно. Не случайно, что статистические законы познаются вслед за динамическими.




Контрольные вопросы:
1. Чем отличаются динамические законы от статистических?
2. Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным?
3. Как можно было бы определить современный детерминизм?
4. Какая теория исторически была первой динамической теорией?
5. В рамках какой теории впервые были применены статистические законы и понятия?
6. Какие законы называют статистическими?
7. Опишите соотношение между динамическими и статистическими теориями.
8. Почему в рамках динамических теорий невозможно раскрыть связь необходимого и случайного в природе?


Примерные темы рефератов:
1. Проблема детерминизма и индетерминизма в современном естествознании.
2. Роль вероятностных методов в классической физике и квантовой механике.
3. Современный вероятностный детерминизм.
4. Дж. Максвелл как основоположник статистического подхода в естествознании.


Тестовые задания:
1. Какая из теорий не относится к числу статистических:
1. Квантовая механика.
2. Классическая механика.
3. Электронная теория.
4. Неравновесная термодинамика.

2. Математической основой статистических теорий является:
1. Теория дифференциальных уравнений.
2. Теория вероятностей.
3. Дифференциальное исчисление.
4. Линейная алгебра.
















13PAGE 15


13PAGE 14415




15

Приложенные файлы

  • doc file15.doc
    Размер файла: 59 kB Загрузок: 5