Динамические и статистические процессы и явления в природе

Введение

В естествознании известны два типа теорий – динамические и статистические. Одно из основных положений научного метода состоит в том, что мир предсказуем – т.е. для данного набора обстоятельств есть только один возможный (и предсказуемый) исход. Основной линией раздела между обоими видами теорий является их подход к описанию исходного и некоторого последующего состояния системы (хотя, безусловно, есть различия и в описании (расчете) путей от исходного состояния к последующим). Выяснение различия между подходами к описанию состояния системы и является главной задачей этого раздела.

 

Динамические закономерности.

 

К динамическим теориям относятся классическая механика (создана в XVII-XVIII веках), механика сплошных сред, т. е. гидродинамика (XVIII век), теория упругости (начало XIX века), классическая термодинамика (XIX век), электродинамика (XIX век), специальная и общая теория относительности (начало ХХ века).

Динамические законы приложим к исследованию движения всех объектов макромира: твердым, жидким и газообразным телам, упругим и деформируемым, к телам переменной массы. Макромир – это мир крупных тел, состоящих из множества мельчайших частиц.

Изучением движения макросистем занимается раздел механики динамика. Классическая динамика базируется на 3-х основных законах ньютоновской механики. Используя эти законы, динамика способна решить задачи по определению силы, под действием которой происходит движение тела, если известен закон движения данного тела, а также определить закон движения тела, если известны силы, действующие на него.

Физические явления в механике, электромагнетизме и теории относительности в основном 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. Классическая механика Ньютона. Основу механики Ньютона составляют закон инерции Галилея, два закона открытые Ньютоном, и закон Всемирного тяготения, открытый также Исааком Ньютоном.

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.

Этот закон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением. Устанавливает связь между силой действия и силой противодействия.

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.

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, то есть 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.

Уравнения теории относительности

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 году 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:

1. 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;
2. 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 изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

 

Статистические закономерности

Статистические законы – это форма причинной связи, при которой данное (начальное) состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а с определенной вероятностью.

Статистические законы позволяют определить лишь спектр возможных значений параметров системы и вероятность того, что этот или иной параметр системы примет данное конкретное значение, а также однозначно рассчитать средние значения параметров системы.

К статистическим теориям относятся статистическая механика (вторая половина XIX века), микроскопическая электродинамика (начало ХХ века), квантовая механика (первая треть ХХ века).

В микромире господствуют статистические законы, которые можно применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Микромир – это мир мельчайших частиц (молекул, атомов и т.д.) Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы.

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

Статистические закономерности и законы используют теорию вероятностей. Это наука о случайных процессах. В этих рамках следует пояснить следующие понятия:

Достоверные события, невозможные события и промежуточные между достоверными и невозможными случайными событиями.

Количественно случайные события оцениваются при помощи вероятности:

1. Статистическая вероятность.

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

Вероятность достоверна = 1. Вероятность невозможна = 0.

2. Классическая вероятность.

Этой вероятностью называется отношение числа элементарных событий к общему числу равнозначных событий.

Например, рассмотрим куб. У него 6 граней. 6 – это число равнозначных событий. Появление определенной грани – это элементарное событие (в данном случае 1). Следовательно: P = 5.

Приведем пример статистического закона, который описывает физические явления, наблюдаемые в физических средах, состоящих из большого числа частиц: 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.

Вероятностный характер микропроцессов

Вероятностные процессы также наблюдаются в поведении отдельно взятых микрочастицах: Y – волновая функция ( де Бройля ).

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 годы) в 1926 году 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.

 

dP / Y / = вероятность обнаружения dV частицы в данной точке пространства.

 

Заключение

динамический статистический микропроцесс

Рассматривая проблему соотношения между динамическими и статистическими закономерностями, современная наука исходит из концепции примата статистических закономерностей. Не только динамические, но и статистические законы выражают объективные причинно-следственные связи. Более того, именно статистические закономерности являются фундаментальными, более глубокими по сравнению с динамическими закономерностями, они ярче выражают указанные связи.

Динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего мира; статистические же законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.

В качестве примера динамических законов можно назвать закон Ома, выражающий зависимость сопротивления от его состава, площади поперечного сечения и длины. Этот закон охватывает множество различных проводников и действует в каждом отдельном проводнике, входящем в это множество. Статистический характер имеет, например, взаимосвязь изменений давления газа и его объема при постоянной температуре, выявленная Бойлем и Мариоттом. Данная закономерность имеет место лишь в массе хаотически перемещающихся молекул, составляющих тот или иной объем газа. Статистическими являются законы квантовой механики, касающиеся движения микрочастиц; они не в состоянии определить движение каждой отдельной частицы, но определяют движение группы, того или иного множества. В отличие от динамических законов, статистические законы не позволяют точно предсказать наступление или не наступление того или иного конкретного явления, направление и характер изменения тех или иных его характеристик. На основе статистических закономерностей можно определить лишь степень вероятности возникновения или изменения соответствующего явления. Динамические теории не противостоят статистическим, а включаются в рамки последних как предельный случай. Это хорошо видно на примере классической механики; которую можно рассматривать как предельный случай квантовой механики.

Таким образом, согласно современной научной концепции, можно говорить о всеобщности, универсальности вероятностного подхода. Это означает, в частности, что деление фундаментальных теорий на динамические и статистические является, строго говоря, условным. Фактически все фундаментальные теории должны рассматриваться как статистические.  
Список использованных источников и литературы

 

1. Горелов А.А., Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2008. – 208 с;
2. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р., Концепции современного естествознания: Учебник. – 2-е изд. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К’»,2009. – 692 с;
3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания.- М.: ФЕНИКС, 2008.-304 с.

Размещено