Динамические и статические закономерности в природе

 

 
Введение 

     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 новое оружие современного ученого.

 

      Глава I. Детерминизм процессов природы. 

       Детерминизм в современной науке определяется как учение о всеобщей, закономерной связи явлений и процесс окружающего мира. Наличие таких связей является доказательством материального единства мира и существования мире общих закономерностей. Очень часто детерминизм отождествляется с причинностью, но такой взгляд нельзя считать правильным хотя бы потому, что причинность выступает как одна из форм проявления детерминизма.

     Законы, с которыми имеет дело классическая механика, имеют универсальный характер, т. е. они относятся к без исключения изучаемым объектам природы. Отличительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер. Наиболее ярко они проявились после того, как на основе закона всемирного тяготения, изложенного И. Ньютоном в 1671 г. в "Математических началах натуральной философии", и законов механики возникла небесная механика. На основе законов небесной механики были вычислены отклонения в движении Урана, вызванные возмущающим влиянием неизвестной тогда планеты. Определив величину возмущения, независимо друг от друга по законам механики положение неизвестной планеты рассчитали Д. Адамс и У. Леверье. Всего на угловом расстоянии в 1° от рассчитанного ими положения И. Галле обнаружил планету Нептун. Открытие Нептуна блестяще подтвердило справедливость законов небесной механики и наличие в природе однозначных причинных связей. Это позволило французскому механику П. Лапласу сказать: дайте мне начальные условия и я, с помощью законов механики, предскажу дальнейшее развитие событий. Это вошло в историю как лапласовый, или механистический детерминизм, который допускает однозначные причинные связи в явлениях природы.

     Наряду  с ними в науке с середины XIX в. стали все шире применяться  законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятностными. Вероятностными они называются потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Информация при этом носит статистический характер, законы, выражающие эти процессы, называются статистическими законами, и этот термин получил в науке большое распространение.

 

      Глава II. Динамические законы 

     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  

2.1. Классическая механика Ньютона 

     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».  

2.2. Уравнения Максвелла 

     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. 

2.3. Теория относительности 

     Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905г. 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.

 

Глава III. Статистические закономерности 

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

     Статистические  закономерности и законы используют теорию вероятностей. Это наука о  случайных процессах. В этих рамках следует пояснить следующее понятие: достоверные события, невозможные события и промежуточные между достоверными и невозможными – это случайные события.

     Количественно случайные события оцениваются при помощи вероятности.

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

     Примером статистического закона, который описывает физические явления, наблюдаемые в физических средах, состоящих из большого числа частиц, является закон распределения Максвелла.

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

 

3.1. Вероятностный характер микропроцессов 

     Вероятностные процессы также наблюдаются в поведении отдельно взятых микрочастицах.

     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.  

3.2. Законы статистической физики

Статическая механика

     К концу XIXв. 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.

Термодинамика

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.