Философские проблемы науки и техники

Динамический закон – это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно.

Абсолютизацию динамических закономерностей и, следовательно, механического детерминизма обычно связывают сП. Лапласом, который считал, что все явления в природе предопределены с «железной» необходимостью. Случайному нет места в нарисованной Лапласом картине мира. Классический механический детерминизм еще был назван жестким, или лапласовским детерминизмом.

Предсказания, сделанные на основе динамических законов, имеют достоверный и однозначный характер. Но динамические законы не универсальны и не единственны. Следующим этапом познания законов природы являются статистические законы, открытые во второй половине ХIХ века для явлений микромира. Предсказания, сделанные на их основе, являются не определенными, а только вероятными.

Представления о закономерностях особого типа ввел Максвелл в 1859 году. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Максвелл ввел в физику понятие вероятности, которое раньше использовали математики.

Многочисленные физические и химические опыты показали, что в принципе невозможно не только проследить изменения импульса или положения одной молекулы на протяжении длительного времени, но и точно определить импульсы и координаты всех молекул газа в данный момент времени. Ведь число молекул в 1 см3 газа или атомов в макроскопическом теле имеет порядок от 1019 до 1023. Из макроскопических условий, в которых находится газ (t, объем, давление), не вытекают с необходимостью определенные значения импульсов и координат молекул. Их следует рассматривать как случайные величины, которые в данных макроскопических условиях могут принимать различные значения.

51

На фоне множества случайных событий обнаруживается определенная закономерность, выражаемая числом. Это число – вероятность наступления именно данного события – позволяет определить статистические средние значения выпадения именно такого импульса для всех молекул газа. Получают эту вероятность делением рассчитываемого импульса на число всех молекул, что позволяет сосчитать вероятностные распределения молекул газа по разным импульсам.

Статистические законы не отрицают причинности, но детерминизм статистических законов есть вероятностный детерминизм, истинное значение которого стало очевидным после создания квантовой механики – статистической теории, описывающей движение микрочастиц и состоящих из них систем. В результате был сделан вывод о том, что открытие динамических законов – это первый, низший этап в познании окружающего нас мира, а открытие статистических законов – более высокий этап познания.

Статистические законы отображают реальные физические процессы глубже, чем динамические. Не случайно статистические законы познаются вслед за динамическими.

Возвращаясь к проблемам причинности (детерминизма), мы делаем вывод, что на основе динамических и статистических законов возникает динамическая и вероятностная причинность. Эмпирические (динамические) и статистические подходы к познанию свойств вещества дополняют друг друга.

Однако процесс познания детерминизма (постнеклассический этап развития физики, в частности) еще не завершен, предполагается дальнейшее углубление понимания законов детерминизма в микромире.

3.6. Принципы современной физики

Наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, были названы принципами современной физики.

52

Принцип симметрии и законы сохранения

Симметрия в физике – это свойство физических величин оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях.

Из принципа симметрии вытекают законы сохранения. Симметрия (симметрии) – одно из фундаментальных

понятий в современной физике, играющее важнейшую роль в формулировке современных физических теорий. Симметрии, учитываемые в физике, довольно разнообразны, начиная с симметрий обычного трёхмерного «физического пространства» (таких, например, как зеркальная симметрия), продолжая более абстрактными и менее наглядными (такими как калибровочная инвариантность).

Некоторые симметрии в современной физике считаются точными, другие – лишь приближёнными. Также важную роль играет концепция спонтанного нарушения симметрии.

Исторически использование симметрии прослеживается с древности, но наиболее революционным для физики в целом, по-видимому, стало применение такого принципа симметрии, как принцип относительности (как у Галилея, так и у Пуанкаре– Лоренца–Эйнштейна). Этот принцип стал затем образцом для введения и использования в теоретической физике других принципов симметрии (принцип общей ковариантности, являющийся прямым расширением принципа относительности).

Суперсимметрия или симметрия Ферми́–Бозе́ – гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Ожидается, что Большой адронный коллайдер сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под сомнение суперсимметричные теории, если ничего не будет обнаружено.

Принцип соответствия

Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий. Был сформулирован датским физиком Нильсом Бором в 1923 году.

53

Теории, доказанные экспериментально для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы этих старых теорий. Теория Ньютона является частным (предельным) случаем общей теории относительности Эйнштейна.

Новые теории не отрицают старых именно потому, что старые теории отражают объективные закономерности природы.

Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей

Всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Каким образом эти противоречивые свойства совмещаются у одного объекта? Ответ на этот вопрос Нильс Бор дал в 1927 году. Прежде всего, подчеркнул ученый, наши органы чувств не воспринимают микропроцессы. Для этого есть соответствующиемакроскопическиеприборы.

Макроприборы подчиняются законам классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микромире на язык понятий классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализировано как отдельно взятое, а обязательно должно включать взаимодействие с классическим макроскопическим прибором. С помощью такого прибора мы можем исследовать либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо – волновые, но не те и другие одновременно. Обе стороны объекта должны рассматриваться как дополнительные друг к другу.

Согласно принципу дополнительности Н. Бора для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частица и волна). Только совокупность измерений

54

в обоих направлениях дает полную информацию о квантовомеханических явлениях как о целостных.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Пример: частица с определённым значением энергии, находящаяся в коробке с идеально отражающими стенками. Она не характеризуется ни определённым «положением» (волновая функция частицы делокализована на всё пространство коробки, то есть ее координаты не имеют определенного значения, локализация частицы осуществлена не точнее размеров коробки), ни определённым значением импульса (учитывая его направление!). Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения. Рассмотрим переменный во времени сигнал, например звуковую волну. Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, теряя таким образом точность определения времени. Другими словами, звук не может одновременно иметь и точное значение времени его фиксации, как очень короткий импульс, и точное значение частоты для непрерывного (и в принципе бесконечно длительного) чистого тона (чистой синусоиды).

Принцип суперпозиции

Данный принцип имеет особое значение в квантовой механике (а в квантовой физике выполняется лишь приближенно). Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым

55

воздействующим явлением в отдельности, при условии, что эффекты не влияют друг на друга. Другими словами, данный принцип можно выразить следующими закономерностями:

–взаимодействие между двумя частицами не изменяется при внесении третьей частицы, также взаимодействующей с первыми двумя;

–энергия взаимодействия всех частиц в многочастичной системе есть просто сумма энергий парных взаимодействий между всеми возможными парами частиц. В системе нет

многочастичных взаимодействий;

–уравнения, описывающие поведение многочастичной системы, являются линейными по количеству частиц.

Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, по которому складываются две силы, воздействующие на тело. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма – принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью.

Но если песок, поднятый ветром, ухудшает работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет.

Принцип суперпозиции играет большую роль в теории колебаний, теории цепей, теории полей и других разделах физики. В микромире принцип суперпозиции – фундаментальный принцип, который вместе с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.

Основы термодинамики

Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура», и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до

56

появления строгой теории этих явлений. Начиная с постулатов (к примеру, первый, или основной, постулат термодинамики утверждает, что у изолированной системы существует состояние термодинамического равновесия, в которое она приходит с течением времени и никогда самопроизвольно выйти из него не может), термодинамика в своем развитии созрела до формулировки важных законов.

Первый закон термодинамики: в изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной.

Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой. Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел. Существуют другие формулировки этого закона.

1.Невозможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии из ничего и уничтожения ее в ничто).

2.Любая форма движения способна и должна превращаться

влюбую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии).

3.Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу, не используя никакого источника энергии.)

4.Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.

Если первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти

57

превращения, то практика требует формулирования этих условий. Повседневные наблюдения и опыты показывают, что теплота сама может переходить только от нагретых тел к более холодным (до полного равновесия). Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты. Это свойство теплоты резко отличается от работы. Работа легко и полностью превращается в теплоту.

В тепловых машинах превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источниками теплоты и теплоприемниками. При этом вся теплота не может быть превращена в работу. Закон, позволяющий указать направление теплового потока и устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах, является вторым законом термодинамики.

Второй закон термодинамики: вечный двигатель второго рода невозможен. (Под вечным двигателем второго рода понимается машина, которая могла бы превращать всю подводимую к ней теплоту в работу. Такая машина имела бы КПД = 1.)

Другая формулировка этого закона: стопроцентное

превращение теплоты в работу посредством тепловой машины-двигателя невозможно.

Условия работы тепловых машин:

тепловая машина всегда работает при определенном перепаде температур. (Это значит, что для работы такой машины необходимо иметь по крайней мере один источник теплоты и один приемник теплоты);

любая тепловая машина должна работать циклично, т.е. рабочее тело, совершая за определенный промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние.

Другими словами, в природе не может быть круговых процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу.

58

Второй закон термодинамики можно сформулировать и как закон, согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы.

Энтропия – мера отклонения системы от статического термодинамического равновесия, мера неупорядоченности, мера хаоса.

При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти.

Речь идет о принципе возрастания энтропии – важнейшем принципе термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия (статического равновесия), которое традиционно отождествляли с хаосом (до открытия синергетической концепции И. Пригожина).

Антиподом энтропии является самоорганизация. Самоорганизация – это способность к стабилизации некоторых параметров путем направленной упорядоченности структуры системы с возможностью противостояния энтропийным факторам среды.

В настоящее время теория и методология, исследующая процессы самоорганизации, называется синергетикой.

Вопросы для самопроверки

1.Отличие релятивистской картины мира от картины мира, выстраиваемой на основе классической механики и физики.

2.Структурность и системность как атрибуты материи.

3.Что такое материя с точки зрения физики?

4.Классификация элементарных частиц.

5.Взаимодействие и связь в природе.

6.Фундаментальные физические взаимодействия, их характеристика.

7.Что такое пространство и время?

59

8. Пространство и время с точки зрения учения А. Эйнштейна.

9.Динамические законы и механический детерминизм.

10.Статистические законы и вероятностный детерминизм.

11.Два закона термодинамики.

12.Принципы современной физики и их взаимосвязь.

Пригодится для тестирования

2. Типы связей:

–в масштабах 10–13 см – сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами;

–целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы;

иответственно за бета-распад ядра)

–в космических масштабах – гравитационные силы.

60