Динамические и статистические закономерности от истоков до современности

Оглавление

Введение

1. Лапласовский детерминизм

2. Динамические законы

2.1. Классическая механика Ньютона

2.2. Уравнения Максвелла

2.3. Уравнения теории относительности

3. Статистические закономерности

3.1. Вероятностный характер микропроцессов

3.2. Законы статистической физики

Заключение

Литература

Наука, с каждым годом, все стремительнее идет вперед и общие (классические) концепции существования природы известны уже сейчас. Физика изучает огромнейшее количество различных процессов в природе. Не все из них поддаются изучению и объяснению. Конечно, многое человеку еще не известно, а если известно, то может быть не объяснено сейчас

Процессы, окружающие нас не всегда поддаются точному объяснению. Как раз на этом этапе перед человеком и встала проблема создания таких моделей и методов познания, которые бы смогли объяснить непознанное. Конечно же в решении этой нелегкой задачи главную роль сыграло не только физическое толкование и применение физики, а пришлось обращаться к математики, к прикладной математики и ряду других точных наук. Каков же результат? Постепенное постижение истины

В этой работе речь пойдет о динамических и статистических законах, на которых сегодня и держится современная картина мира. Такое деление законов еще раз подтверждает что не познанное, не точно исчисляемое и объясняемое постепенно становится явью с помощью новых концепций. Появление статистических методов в познании, а также развитие теории вероятностей ѕ вот новое оружие современного ученого

Причинное объяснение многих физических явлений, т. е. реальное воплощение зародившегося еще в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце XVIII — начале XIX вв. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение — механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749—1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма — уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Суть его можно понять из высказывания Лапласа:

Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными... Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами... Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением.

  Дальнейшее развитие физики показало, что в природе могут происходить процессы, причину которых трудно определить. Например, процесс радиоактивного распада происходит случайно. Подобные процессы происходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, которые показывают ограниченность классического принципа — лапласовского детерминизма. Абсолютно точное описание всего прошедшего и предсказание будущего для колоссального многообразия материальных объектов, явлений и процессов — задача сложная и лишенная объективной необходимости. Даже в самом простейшем случае классической механики из-за неустранимой неточности измерительных приборов точное предсказание состояния даже простого объекта — материальной точки — также нереально

Многие физические явления в механике, электромагнетизме и теории относительности подчиняются, так называемым динамическим закономерностям. Динамические законы отражают однозначные причинно-следственные связи, подчиняющиеся детерминизму Лапласа

Причина Следствие

Динамические законы – это законы Ньютона, уравнения Максвелла, уравнения теории относительности

Основу механики Ньютона составляют закон инерции Галилея, два закона открытые Ньютоном, и закон Всемирного тяготения, открытый также Исааком Ньютоном

1.       Согласно сформулированному Галилеем закону инерции, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния

2.       Этот закон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением

3.       Устанавливает связь между силой действия и силой противодействия

4.       В качестве IV закона выступает закон всемирного тяготения

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массе сил и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел.

Уравнения Максвелла – наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных

Специальная теория относительности , принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской теорией , а специфические явления, описываемые этой теорией - релятивистским эффектом (эффект замедления времени)

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления механические, электродинамические, оптические и др. во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково

Согласно второму постулату, постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы.

Общая теория относительности , называемая иногда теорией тяготения – результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменятся от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения

При попытке использовать однозначные причинно-следственные связи и закономерности к некоторым физическим процессам обнаружилась их недееспособность. Появились многозначные причинно-следственные связи, подчиняющиеся вероятностному детерминизму

Следствие

Причина Следствие

Следствие

Причина

Следствие Причина

Причина

Статистические закономерности и законы используют теорию вероятностей. Это наука о случайных процессах. В этих рамках следует пояснить следующие понятия:

Достоверные события, невозможные события и промежуточные между достоверными и невозможными случайные события .

Количественно случайные события оцениваются при помощи вероятности:

Достоверные и невозможные события можно рассматривать как частные случаи случайных событий:

Вероятность достоверна = 1

Вероятность невозможна = 0

Этой вероятностью называется отношение числа элементарных событий к общему числу равнозначных событий

Например рассмотрим куб. У него 6 граней. 6 – это число равнозначных событий. Появление определенной грани – это элементарное событие (в данном случае 1). Следовательно:

P = 5

Приведем пример статистического закона, который описывает физические явления, наблюдаемые в физических средах, состоящих из большого числа частиц:

Этот закон устанавливает зависимость вероятности в распределении скорости движения молекул газа от скорости движения молекул, причем с вероятной скоростью движется большинство молекул

Вероятностные процессы также наблюдаются в поведении отдельно взятых микрочастицах:

Y - волновая функция. ( де Бройля )

Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц — важная отличительная особенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т. е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицы в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательна, что не имеет смысла

Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн (1882—1970) в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер:

квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном, ограниченном объеме.

dP

dV частицы в данной точке пространства

Раздел физики, изучающий закономерности процессов, наблюдающихся в макроскопических телах (физические системы, состоящие из большого числа взаимодействующих частиц)

К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул – молекулярно-кинетическая теория , или статистическая механика . Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются

результатом совокупного действия огромного числа молекул

Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью

статистического метода , который основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии, давления и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул

После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных механических устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ, независимо от их внутреннего строения

Однако при расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить эти параметры. Но количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна. Поэтому в ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимы

В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы

1.      Первое начало термодинамики.

Всякая представленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия , в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы

2.      Второе начало термодинамики.

Сущность второго начала термодинамики составляет утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии

Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя

Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер . Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело

Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию , т. е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связана с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения или просто радующие глаз своеобразные фигуры

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния.

Нетрудно убедиться в том, что энтропия сложной системы равна сумме энтропии ее частей

Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии:

для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.

Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю.Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л.Больцманом)

Идеальному случаю — полностью обратимому процессу замкнутой системы — соответствует не изменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невозможности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают свое объяснение. Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично

В этой работе были рассмотрены закономерности, деление которых приводит к появлению статистических и динамических. Суть их заключается и подчиняется так называемой причинно-следственной связи, основоположником и представителем которой был Пьер Симон Лаплас. В работе я попытался показать суть и динамических и статистических закономерностей, причем грань различия между ними четкая и ясная

В заключении хотелось бы сказать, что из выше приведенного все законы и принципы применяются сейчас не только в современной физике, но и космологии, а также в развивающемся сейчас естествознании и в ряде других наук, изучающих природу в целом

Нельзя точно сказать, что статистические законы более точные и более применимые в описании явлений вокруг нас по сравнению с динамическими закономерностями и принципами. Ни в коем случае, ведь каждая из предложенных к рассмотрению совокупность законов рассматривает абсолютно не идентичные процессы, да и протекают они (процессы) совершенно по разному и в разных условиях. Поэтому и произошло такое разделение на две составные части

1.       Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: 1997

2.       Физическая энциклопедия

3.       Р. Фейнман. Характер физических законов

4.       Е.В. Ергопуло, Лекции по КСЕ