9.2. Детерминизм в науках о неживой природе

Науки о неживой природе объемлются физикой и химией. Качественное различие между физикой и химией очевидно. Однако, с точки зрения количественной – т.е. представления объяснений и предсказаний в измеримых величинах – различие между ними лишь в степени (полноте названного представления). Поэтому, не искажая сути дела, в обсуждении детерминизма в науках о неживой природе можно ограничиться детерминизмом в физике.

Детерминизм в физике воспроизводится законами и закономерностями (рядами законов, выражающих тенденции). Наиболее широкие различающиеся группы тех и других составляют динамические и статистические. Они различно изображают взаимосвязь обусловливающего и обусловленного, что именуется часто механическим и вероятностным детерминизмом.

Механический (или классический) детерминизм сводит все виды взаимообусловленности к динамическим законам (динамический закон – это однозначная связь между измеримыми величинами) и наиболее точно представлен динамическими теориями (системами принципов и допущений, опирающихся на динамические законы). Исторически первой и наиболее простой теорией такого рода явилась классическая механика Ньютона, наука о перемещениях в пространстве с течением времени любых тел или частей тел относительно друг друга с какой угодно точностью. В современной физике под классической механикой понимают механику материальной точки или системы материальных точек (частиц) и механику твердого тела.

Для расчета движения должна быть известна зависимость сил взаимодействия между частицами (точечными массами) от их координат и скоростей. Тогда по заданным значениям координат и скоростей (или импульсов – произведений масс на скорости) всех частиц системы в начальный момент времени второй закон Ньютона позволяет однозначно определить координаты и импульсы в любой последующий момент времени. Координаты и импульсы частиц системы полностью определяют ее состояние в механике (при этом любая механическая величина – энергия, момент импульса и т.д. – выражается через координаты и импульсы).

Другой пример фундаментальной физической теории динамического типа – это электродинамика Максвелла. В ней объектом исследования является электромагнитное поле. Уравнения Максвелла представляют собой уравнения движения для электромагнитного поля. Они позволяют по заданным начальным значениям электрического и магнитного полей внутри некоторого объема однозначно определить электромагнитное поле в любой последующий момент времени. Другие фундаментальные теории динамического типа имеют ту же структуру, что и механика Ньютона и электродинамика Максвелла. К их числу относятся: механика сплошных сред, термодинамика (феноменалистическая, трех начал) и теория гравитации (в том числе общая теория относительности).

В философии науки распространены диалектическая и метафизическая интерпретации механического, точнее динамического детерминизма. Диалектическая интерпретация усматривает в нем отражение одного из видов обусловленности в неживой природе, присущей определенным, ограниченным процессам. Метафизическая интерпретация приписывает ему универсальность: все виды закономерностей должны сводиться к динамическим, дающим однозначное, точное и полное описание действительности. Этот вариант детерминизма наиболее ярко выражен Лапласом, провозгласившим, что в природе все необходимо предопределено, случайного нет; только слабость познавательных средств и неполнота знания допускают случайности в мире.

При всей своей привлекательности лапласовский детерминизм столкнулся с трудностями точной фиксации начальных условий (координат и импульсов) даже для отдельных стабильных макроскопических тел; гораздо большими они оказались для нестабильных систем; и совсем непреодолимыми для систем с большим числом хаотически движущихся частиц. Представление о закономерностях особого типа, в которых связи между величинами, входящими в теорию, неоднозначны, впервые дал Максвелл. Оно основано на понятии вероятности, созданном ранее математиками для анализа случайных явлений, в частности в азартных играх (таких, например, как игра в кости).

Очевидно, что в принципе невозможно не только проследить изменения импульса или положения одной молекулы на протяжении макроскопически измеряемого 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 имеют порядок 10 . Из макроскопических условий существования объекта (объема, температуры и т.п.) не вытекают значения импульсов и координат отдельных молекул. Последние приходится считать случайными по величине для данных макроусловий. Определенные значения имеют вероятность, подобную вероятности выпадения граней игральной кости (от 1 до 6). Предсказать, какое именно число очков выпадет при данном броске кости нельзя, но можно определить вероятность выпадения, скажем, 1.

Вероятность наступления случайного события определяется отношением числа благоприятных событий к числу равновозможных, при условии что это последнее велико. Вероятность события оказывается некоторым числом, позволяющим определить средние статистические значения (а не средние арифметические, к примеру). Так, если для шестигранной игральной кости вероятность выпадения любого числа очков от 1 до 6 равна 1/6 (благоприятно выпадение именно этого числа, равновозможно выпадение шести различных чисел), то среднее статистическое число (количество) выпадений одного из чисел (граней), например, для 150 бросаний кости равно 150×1/6=25 раз. При этом безразлично, бросать 150 раз одну и ту же кость или одновременно бросить 150 одинаковых костей.

При всем отличии поведения молекул газа в сосуде от движения брошенной кости, удается вычислять средние статистические значения их характеристик (скоростей, импульсов, длин свободного пробега). Впервые это удалось Максвеллу. После него Л. Больцман создал кинетическую теорию газов. Свое завершение статистическая механика получила в трудах В. Гиббса, создавшего метод расчета любых равновесных термодинамических систем и заложившего основы статистической теории неравновесных процессов.

Особенности теорий статистической детерминации состоят в следующем.

В статистических теориях (или законах) состояние системы определяется не значениями физических и других величин, а статистическими распределениями (вероятностями) значений этих величин. В динамических теориях состояния систем задаются значениями самих величин.

В статистических теориях по известному начальному состоянию 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 сами физические величины в динамических теориях.

Нахождение средних значений физических величин – главная задача статистических теорий. Вероятностные характеристики состояния в статистических теориях отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Тем не менее, в одном важном отношении они сходны. 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. В отношении однозначности нет никакого различия между статистическими и динамическими теориями. Но именно через однозначную связь состояний выражаются все необходимые связи, обусловленности в природе.

Среди многих видов обусловленности в неживой природе наиболее известен причинный вид. «Чтобы понять отдельные явления, мы должны вырвать их из общей связи и рассматривать их изолированно, а в таком случае сменяющиеся движения выступают перед нами – одно как причина, другое как действие»¹. В физике под причинностью понимается связь состояний, описываемая физическими теориями, и причинность рассматривается применительно к динамическим и статистическим законам. В первом случае говорят о динамической причинности, во втором – о вероятностной. Причинность в динамических законах явилась основной идеей классического детерминизма. Вероятностная причинность имеет место в статистической механике. До появления квантовой механики можно было надеяться, что в основе мироздания лежат динамические законы с их динамической причинностью и классический детерминизм допустим хотя бы в качестве некой абстрактной возможности.

Положение изменилось после открытия статистического характера законов движения отдельных микрочастиц и создания квантовой механики. Оказалось, что вероятностная причинность может существовать сама по себе без стоящей за ней динамической причинности. Отвергая для микромира однозначность динамического типа, которая существует в классической механике и электродинамике, квантовая механика демонстрирует однозначность вероятностного типа, которая свойственна как объектам микромира, так и объектам классических статистических теорий (молекулам, частицам броуновского движения).

При всей убедительности и достаточности вероятностного представления причинности для ряда познавательных целей (объяснения, предсказания и т.д.) не теряет смысла вопрос о причинах случайных событий и вероятности их наступления. Ответ на него возможен с позиции более глубокого знания, одним из вариантов которого служит гипотеза скрытых параметров, связанных динамическими законами. Однако, названный и другие варианты ответа носят качественный, объяснительно-умозрительный характер и не предсказывают какие-либо особые наблюдаемые события.

Причинная обусловленность явлений наиболее полно представлена современным научным знанием, причем не только описательно, качественно, но и сущностно, количественно (в функциях, измеримых величинах). Другие виды обусловленности, связывающие содержание и форму, необходимость и случайность, сущность и явление, общее и единичное, действительное и возможное и т.д. представлены большей частью описательно, либо вовсе не представлены, а подразумеваемы. В то же время очевидно, что любая детерминация ограничена, единична лишь в ряду других детерминаций, но любая детерминация безгранична и всеобща как вид отношений всех явлений мира. Например, общее и единичное связаны не так как причина и следствие или содержание и форма и потому связи между общим и единичным не могут охватить или подменить собой связи между причиной и следствием или содержанием и формой. Но в связях между причиной и следствием, содержанием и формой всегда есть сторона, включающая связь между общим и единичным. Скажем, окисление водорода – причина выделения тепла. Но окисление – единичный вид (один из видов) реакций, в которых водород может вступить в соединение с другими химическими элементами, обусловив выделение тепла. Хотя такая констатация описательна, она составляет важный элемент знания одного из видов обусловленности (единичного общим).

Рассмотренные виды обусловленности в неживой природе представлены в естествознании линейными описаниями (иерархиями интенсивностей качеств или же в дополнении с линейной алгеброй в общем), приложимыми к равновесным замкнутым системам, которыми как идеальными объектами замещаются реальные процессы. В иных понятиях представлена обусловленность явлений синергетикой, избравшей идеальными объектами открытые неравновесные системы. Но поскольку все такие системы различаются степенью сложности, измеряемой лишь характером информации, присутствующей в них и воздействующей на них, постольку к пониманию детерминации в синергетике можно обратиться позже, после обозрения детерминизма в традиционных науках о живой природе и обществе.