5. Динамические и статистические закономерности в природе.

Все физические законы и теории делятся на динамические и статистические. Они отличаются способом представления состояния системы. Состояние системы – это совокупность параметров, которые характеризуют данную систему в определенный момент времени. Понятие состояния физической системы впервые было использовано при построении Галилеем и Ньютоном классической механики. Законами физики определяется поведение изучаемых в ней материальных объектов при некоторых начальных условиях, которые не определяются физическими законами.

Эти условия определяются из эксперимента или задаются. Начальные условия вместе с физическими законами полностью определяют поведение объекта. Одним из важных достижений физики эпохи Ньютона было как раз четкое отделение физических законов от начальных условий.

Динамический (предопределенный, детерминированный) закон – это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной количественной связи физических величин.

Примером является классическая механика Ньютона, где по заданным значениям

координат и импульсов всех частиц системы в начальный момент времени можно однозначно определить координаты и импульсы в другой момент времени. Эволюцию состояния системы определяет уравнение движения. К числу других теорий динамического характера относится электродинамика (теория поля ) Максвелла, термодинамика, гидродинамика и теория гравитации.

Однако, дальнейшее развитие физики показало, что иногда осуществление идеального классического детерминизма невозможно. При рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, невозможно точно определить импульсы и координаты каждой частицы(вспомним постоянную Авогадро – один моль газа содержит 6,022·1023 молекул). Их следует рассматривать как случайные величины, которые характеризуются вероятностью.

Статистические закономерности характеризуются тем, что:

1.Состояние системы представляет собой вероятностную характеристику т.е. определяется не значением физических величин, а статистическим распределением этих величин. Это принципиально другая характеристика состояния, чем в динамических системах. По известной функции распределения можно найти средние значения любой физ. величины и вероятность того, что эта величина принимает определенное(в заданных интервалах ) значение.

2. В статистических теориях по известному начальному состоянию в качестве результата однозначно определяются только средние значения(вероятности ) этих величин. Эти средние значения играют роль физических величин в динамических теориях.

Т.о, статистический закон, в отличие от динамического, определяет широкий диапазон возможностей для поведения элемента, отдельно взятого из совокупности. Каждый элемент должен реализовать одну из этих возможностей, но какую именно с точки зрения статистического закона безразлично.

История науки показала, что преобразование лапласовского детерминизма в вероятностный подход обусловлено усложнением предмета исследования в связи с изучением глубинной структуры материи и увеличением числа участвующих элементов. При этом абстрагирование и идеализация при изучении природы привели к пренебрежению некоторых эффектов и противоречий.

После появления в физике понятия статистических закономерностей возникла проблема их соотношения с динамическими. Они имеют общее свойство: эволюция состояния системы однозначно определяется уравнением движения. По заданному статистическому распределению в любой момент времени уравнение движения однозначно определяет статистическое распределение величины в любой последующий момент времени. Поэтому не существует принципиального отличия статистических теорий от динамических в отношении однозначности результатов. Различие между ними заключается в способе описания состояния системы. В отличие от жесткого классического детерминизма, детерминизм, соответствующий статистическим закономерностям, называют вероятностным детерминизмом.

До появления квантовой механики считалось, что законы, описывающие поведение индивидуальных объектов- динамические, а большой совокупности объектов – статистические. Но в квантовой механике статистические закономерности отражают свойства каждой отдельной микрочастицы. Основной величиной, характеризующей состояние системы в квантовой механике является волновая функция(ψ- функция). Если известна зависимость волновой функции от координат и времени ψ(x,y,z,t), то квадрат модуля |ψ|2 определяет вероятность нахождения микрообъекта в пространстве и позволяет получить полную информацию о других физических величинах, характеризующих эти микрообъекты. Уравнение Шредингера тоже однозначно определяет эволюцию системы во времени – переход от одного квантово-механического состояния микрочастицы к другому.

По мере развития квантовой механики становилось ясно, что динамические законы представляют собой первый, низший этап в описании окружающего мира. Статистические законы более полно отражают объективные связи в природе, являясь более высоким этапом познания. По мере развития науки динамические теории сменяются статистическими, описывающими тот же круг явлений с более глубоких позиций. Например:

Классическая механика Квантовая механика

Термодинамика Статистическая физика

Классическая электродинамика Квантовая электродинамика

Статистические теории распространяются на более широкий круг явлений и находятся в лучшем согласии с экспериментом, чем динамические. Однако, согласно принципу соответствия, статистическая теория приводит при определенных частных условиях к тем же результатам, что и статистическая.

Объективная диалектическая связь необходимого и случайного заключается в следующем. В динамическом законе отражается тот средний необходимый результат, к которому приводит течение процессов, но не отражается сложный характер установления данного результата. В тех случаях, когда отклонения от среднего ничтожны, такое описание процессов вполне удовлетворительно.

В реальных процессах всегда происходят неизбежные отклонения от необходимых средних величин – флуктуации. Динамические законы не способны описывать явления, когда флуктуации значительны. Это обстоятельство учитывают статистические законы. Отсюда следует, что статистические законы глубже отражают реальные физические процессы, чем динамические. В статистических законах, в отличие от динамических, необходимость выступает в неразрывной связи со случайным.