Министерство образования и науки РФ

ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

А. В. Попов

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Учебное пособие

Часть II

Рекомендовано Алтайским государственным техническим

университетом им. И. И. Ползунова в качестве учебного пособия для студентов всех специальностей

Изд-во АлтГТУ Барнаул • 2010

УДК 50(075.8) ББК 20я73

Попов А. В. Концепции современного естествознания : учебное пособие. Ч. II / А. В. Попов; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2010. – 147 с.

ISBN 978-5-7568-0334-1

Знакомит студентов с наиболее важными достижениями различных наук о мире и месте человека в нем на уровне фундаментальных идей и концепций.

Пособие написано в виде курса лекций в двух частях в соответствии с Тезаурусом 2008 по дисциплине «Концепции современного естествознания». В конце каждой лекции имеется глоссарий и контрольные вопросы в виде тестов, применяемых при аттестации студентов.

Для студентов высших учебных заведений.

Рекомендовано Алтайским государственным техническим университетом им. И. И. Ползунова в качестве учебного пособия для студентов всех специальностей. Протокол № 3 заседания НМС АлтГТУ от 17.11.2010 г.

Рецензенты:

А.С. Киркинский, к. ф.-м. н., доцент, АлтГТУ; Б. Ф. Демьянов, д. ф.-м. н., профессор, АлтГТУ; О. В. Андрухова, к. ф.-м. н., доцент, АлтГТУ

ISBN 978-5-7568-0334-1

©А. В. Попов, 2010

©Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, 2010

2

3

4

ТЕМА 4 ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ

Лекция 10 Порядок и беспорядок в природе

10.1Динамические и статистические закономерности в

природе.

10.2Концепции квантовой механики.

10.3Принцип возрастания энтропии.

10.4Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма.

10.1 Динамические и статистические закономерности в природе

Согласно общепринятой терминологии, под динамическими закономерностями (или теориями) понимаются закономерности, в которых связи всех физических величин однозначны. В

статистических закономерностях (или теориях) однозначно связаны только вероятности определенных значений тех или иных физических величин, а связи между самими величинами неоднозначны.

Мы уже познакомились с историей естествознания как науки, которая берет свое начало с античных времен. Именно во времена античности был сформулирован принцип детерминизма (причинности). В соответствии с этим принципом любые события влекут за собой определенные следствия и в то же время представляют собой следствие из некоторых других событий, совершавшихся ранее. Демокрит понимал принцип детерминизма механистически, отождествляя причинность и необходимость. Все, что происходит в мире, не только причинно обусловлено, но и необходимо, неизбежно. Он отвергал объективное существование случайности, говоря, что человек называет событие случайным, когда не знает (или не хочет узнать) причины события. Эти взгляды Демокрита легли в основу так называемого «жесткого детерминизма» как идеи полной предопределенности всех будущих событий.

5

Однако Эпикур не разделял этих взглядов и создал свое учение о неустранимой случайности в движении атомов. Он говорил: «Лучше уж следовать мифу о богах, чем быть рабом физиков; миф дает надежду умилостивить богов, а судьба заключает в себе неумолимую необходимость».

Тем не менее, концепция детерминизма господствовала еще долгое время, а с появлением классической механики достигла своего пика развития. В XVII в. сформировался механистический детерминизм, в основе которого лежала лапласова концепция полной выводимости всего будущего (и прошлого) Вселенной из ее современного состояния с помощью законов механики.

Факт. Опираясь на мощный аналитический аппарат механики, Лаплас пришел к выводу, что, поскольку, во-первых, все планеты вращаются в одном направлении, во-вторых, их орбиты имеют весьма малые эксцентриситеты и мало отличаются от окружностей и, в-третьих, так как их взаимные наклонения и наклонения к эклиптике имеют незначительные величины, то всеобщего тяготения достаточно для сохранения Солнечной системы. Всеобщее тяготение позволяет изменяться формам и наклонениям орбит, но только в определенных пределах; эти изменения носят периодический характер и по истечении определенного времени возвращаются к своему среднему состоянию.

Таким образом, в умах ученых надолго закрепилось детерминистское описание мира с помощью динамических теорий, которые однозначно связывают между собой значения физических величин, характеризующих состояние системы.

Примеры динамических теорий:

-механика;

-электродинамика;

-термодинамика;

-теория относительности;

-эволюционная теория Ламарка;

-теория химического строения.

6

Итак, согласно классической механике, зная начальное состояние системы и законы движения (законы Ньютона), можно однозначно определить состояние системы во все последующие моменты времени, т. е. однозначно определить траектории движения частиц. Траектории движения дают полное описание поведения частиц в прошлом, настоящем и будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости. Здесь полностью исключается элемент случайности, все заранее жестко причинно-следственно обусловлено.

Возникновение теории относительности не изменило установившегося в классической физике детерминистского подхода. В релятивистской теории, несмотря на совершенно иной взгляд на пространство-время, вся эволюция физических явлений также определяется знанием начальных условий и дифференциальных уравнений движения, на основе чего однозначно можно охарактеризовать состояние системы в прошлом, настоящем и будущем в любой заданный момент времени. То есть при описании четырехмерного пространства теория относительности предполагает заданной всю совокупность состояний, соответствующих любому моменту времени (для каждого наблюдателя как совокупность состояний по мере течения его собственного времени).

Классическая равновесная термодинамика вводит две однозначные функции состояния – внутреннюю энергию и энтропию. Понятие равновесности процессов, т. е. процессов, протекающих бесконечно медленно, практически снимает вопрос о рассмотрении эволюции систем. Поэтому с помощью термодинамики, в основном, устанавливаются связи между термодинамическими параметрами различных равновесных состояний.

Что касается классической электродинамики, то и здесь состояние электромагнитного поля задается конкретными значениями векторов напряженностей и индукцией электрических и магнитных полей. Уравнения Максвелла позволяют по заданным начальным значениям этих величин внутри некоторого объема (и граничным условиям) однозначно определить величину электромагнитного поля в любой последующий момент времени.

7

Однако задание начального состояния системы абсолютно точно не всегда возможно, точнее вообще невозможно вследствие неизбежной погрешности измерений. Поэтому все теории носят приближенный характер и действуют в определенных рамках, называемых границами применимости теорий или физических законов. Мы уже убедились в существовании трех ограничений в применимости законов Ньютона: во-первых, если скорость рассматриваемых тел близка к скорости света, то нужно применять релятивистскую механику специальной теории относительности. Во-вторых, в случае сильных гравитационных полей следует пользоваться теорией тяготения Эйнштейна, то есть общей теорией относительности. Проявление гравитации как искривления пространства-времени приводит к неадекватности описания поведения частицы в искривленном пространстве с помощью теории Ньютона. В-третьих, классическая ньютоновская механика не работает в микромире; аппаратом, описывающим движение микрообъектов, является квантовая механика.

Более того, существуют системы с динамическим хаосом, для которых любая допущенная в измерениях или расчетах погрешность очень быстро нарастает с течением времени. Примерами таких систем, систем с динамическим хаосом, могут служить погода и климат, турбулентность, фондовые рынки.

Описание систем с хаосом и беспорядком проводят с помощью статистических теорий, которые однозначно связывают между собой вероятности тех или иных значений физических величин.

Примеры статистических теорий:

-молекулярно-кинетическая теория;

-квантовая механика;

-эволюционная теория Дарвина;

-молекулярная генетика.

Молекулярно-кинетическая теория позволяет описать поведение системы, состоящей из огромного числа частиц (например, газ). Состояние такой системы характеризуют не полным набором значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных

8

интервалов. Тогда состояние системы задается с помощью функции распределения, зависящей от координат, импульсов всех частиц системы и от времени. Функция распределения интерпретируется как плотность вероятности обнаружения той или иной физической величины (например, xi или Pi) в определенных интервалах от xi до xi +Δxi или от Pi до Pi + ΔPi. По известной функции распределения можно найти средние значения любой физической величины, зависящей от координат и импульсов, и вероятность того, что эта величина принимает определенное значение в заданных интервалах.

В квантовой механике вектором состояния является волновая функция, представляющая собой амплитуду вероятности. Уравнение Шредингера однозначно описывает эволюцию состояния с течением времени. Волновая функция представляет собой, таким образом, полную характеристику состояния: зная волновую функцию, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения любой физической величины и средние значения всех физических величин.

Существует важное различие между описанием состояния в статистической физике и в квантовой механике. Оно состоит в том, что состояние в квантовой механике описывается не плотностью вероятности, а амплитудой вероятности. Плотность вероятности пропорциональна квадрату амплитуды вероятности. Это и приводит к сугубо квантовому эффекту интерференции вероятностей.

Как уже отмечалось выше, идеалом классического описания физической реальности считалась динамическая детерминированная форма законов физики. Поэтому первоначально физики негативно относились к введению вероятности в законы. Многие считали, что вероятность в законах свидетельствует о мере нашего незнания. Однако это не так. Статистические законы также выражают необходимые связи в природе. Действительно, во всех фундаментальных статистических теориях состояние представляет собой вероятностную характеристику системы, но уравнения движения по-прежнему однозначно определяют состояние (статистическое распределение) в любой последующий

9