Вероятностная революция в науке

1. Вероятностная  революция в науке.

Становление вероятностных  методов исследования (вторая половина 19 - первая половина 20 вв. ) привело к  революционным преобразованиям  в науке. На базе вероятностных идей и методов были разработаны генетика и классическая статистическая физика, квантовая физика и теория информации. По существу, на вероятностных представлениях основываются также эволюционное учение и современная теория организации, включая и учение о социальных структурах и управлении. Эти грандиозные нововведения преобразовали всё научное мышление. Был разработан новый класс научных теорий - статистические теории, которые качественно обогатили представления о строении систем знаний. Была создана обобщенная модель развития, которую символизирует модель Дарвина. Сказанное означает, что вероятность привела к новому стилю научного мышления. Соответственно этому становление вероятностных идей в науке даёт интереснейший образец, на котором               могут быть плодотворно проанализированы особенности                                             строения и  динамики современного естественно–научного знания.  

2. Вероятность  и случайность.

Принципиальное  значение вероятностных методов  в развитии современного познания в настоящее время признано весьма широко. Вместе с тем по вопросам их обоснования нет ещё достаточной ясности, о чём свидетельствуют продолжающиеся дискуссии. Обоснование вероятностных методов есть объяснение их возможности и значимости с позиций наиболее общих, философских представлений о природе бытия и познания, об особенностях человеческой деятельности и её ценностных ориентирах. Исторически первые наиболее острые дискуссии по вопросам трактовки вероятностны представлений в естествознании возникли при вхождении вероятности в классическую физику. В этих дискуссиях были поставлены многие существенные вопросы, позволяющие раскрыть силу и мощь вероятностных идей и методов в познании природы.  
        Чем же  определяется первый     колоссальный успех вероятности в физико-математическом   естествознании? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо   рассмотреть   общую структуру классической статистической физики, проанализировать постановку основных задач, решаемых её методами.    При этом на понимание последних большое воздействие оказала история её становления.    Идеи статистической физики стали вырабатываться в ходе познания   природы тепловых явлений, и прежде всего в учении о газах. Общие представления о молекулярном строении веществ, особенно газов, в истории науки высказывались весьма давно. Их развитие   прослеживается по работам Р.Бройля, И.Ньютона,     Д.Бернулли, М.Ломоносова и других учёных периода разработки классической физики.  
       Однако становление статистических представлений в физике как "работающих"физических идей связано прежде всего с именами Р.Клаузиуса, Дж.Максвелла, Л.Больцмана и У.Гиббса. Разрабатывая кинетическую теорию газов, рассматривая газ как систему, состоящую из огромнейшего числа частиц, подчиняющихся законам классической механики, Клаузиус фактически понял, что для этих исследований нужно видоизменение методов. Именно об этом говорят введённые им представления о "средних" при характеристики состояний движений молекул газа. Это давало возможность перейти от механики систем частиц к исследованию физического состояния систем, образованных из огромного числа молекул.  
        По словам Максвелла, главная заслуга Клаузиуса "заключается в том, сто он открыл новую область математической физики, показав, каким образом можно математически трактовать движущиеся системы бесчисленного количества молекул". Однако именно Максвелл ясно осознал, что в ходе разработки молекулярно-кинетической теории газов происходит переход от строго динамических методов механики к теоретико-вероятностным методам. Соответственно этому центр тяжести основных интересов теории сместился с представлений о средних значениях величин, характеризующих движение молекул в макросистемах, на представления о вероятностных распределениях значений этих величин. Для отображения свойств и закономерностей материальных систем стало использоваться понятие вероятностного распределения, и с тех пор оно выступает как центральное в многочисленных и разнообразных приложениях теории вероятностей.  
         Свою относительно завершённую и целостную форму выражения классическая статистическая физика получила в работах Л.Больцмана и У.Гиббса. Благодаря работам Больцмана (его знаменитой Н-теореме) получил статистическую трактовку основной закон термодинамики - её второе начало. В работах Гиббса статистическая механика получила абстрактно-обобщенную форму выражения, пригодную для исследования систем весьма различной физической природы. Из сказанного следует, что исторически (генетически) статистическая физика начала разрабатываться как механика огромнейшего числа частиц. Поскольку в данном случае отказывались от прямого решения соответствующих уравнений механики, а переходили к вероятностным методам, то и утверждалось, что последнее есть следствие огрубления, упрощения и т.п. в постановке задач исследования. Соответственно этому сразу же возникли утверждения, что к идеям и методам теории вероятностей наука вынуждена обратиться вследствие невозможности строгого решения ряда сложных задач, т.е. что вероятность в физике есть следствие неполноты наших знаний.  
        Подобная характеристика оснований вероятностных методов получала и более солидное философское обоснование. Специфику статистических систем стали связывать и характеризовать через категории случайности. Естественно, что широкая философская трактовка вероятностных методов зависела от трактовки этой категории. В классический период развития естествознания категории случайности трактовалась в большинстве случаев чисто субъективным образом - как характеристика тех явлений и процессов, причины и необходимые связи которых мы просто не знаем. Тем самым получала подкрепление мысль, что основания применения вероятностных методов заключены лишь в неполноте наших знаний - там, где исследуемые процессы сложны, и мы не в состоянии проследить сцепление всех величин или же их просто не знаем, там мы и обращаемся к помощи вероятностных методов. 
        Этим методам придавался временный, неполноценный, второстепенный статус. Однако по мере развития приложений вероятностных методов, особенно в физике, всё больше раскрывался их объективный характер и самостоятельная ценность. Последнее непосредственно связано с обогащением наших представлений о случайности, с раскрытием её внутренней природы. В нашей философской литературе достаточно устоялось, что категория случайности характеризует, прежде всего определённый класс (тип, вид) связей, имеющих место в материальном мире. При этом основная трудность заключена в вопросе - в чем специфика, особенности данного класса связей? Специфику тех связей, которые характеризуются как случайные, нередко определяют, как нечто внешнее, побочное, второстепенное, несовместимое с внутренней сущностью исследуемого процесса, характеризуются только через категорию необходимости. В чем же недостатки подобного подхода к определению случайности? Разве оно ложно? При осмыслении весьма многих научных результатов, и особенно в нашем повседневном языке, понятие о случайности мы используем именно в таком его смысле. 
        Однако рассмотрим подробнее, что мы имеем ввиду, говоря о случайности уже в простейших приложениях классической статистической физики - при анализе свойств и закономерностей газов? В газах представления о случайности используются для характеристики отношения молекул друг к другу, то есть  для характеристики их внутренней структуры. Другими словами, представления о случайности используются отнюдь не для описания чего-то внешнего, побочного, второстепенного, а для выражения внутренней сущности данных материальных систем. 
        Аналогичным образом и в других случаях приложения теории вероятностей представления о случайности используется для раскрытия специфики, а следовательно, и сущности исследуемых процессов. Например, в генетике представления о случайности используется для определения взаимоотношений между мутациями в их определённых системах, то есть для характеристики внутренней структуры мутационного процесса. Из сказанного следует, что анализ объективных оснований случайности осуществляется через раскрытие роли и значения в познании представлений о независимости. Случайным считаются такие взаимоотношения между объектами, событиями или элементами множества, когда прямые, непосредственные, обусловливающие друг - друга связи и зависимости между ними практически отсутствуют или же играют несущественную роль. Независимость означает, что состояние или поведение объекта исследования не зависит и не определяется состоянием и поведением других объектов, ему "родственных" или его окружающих.  
        Связи, которые определяются как случайные, являются неустойчивыми, изменяющимися, в обязательном порядке варьируемыми. Значение вероятностных методов в классической физике заключается в том, что они представляют собою методы исследования и выражения структур определённого класса систем типа газовых. Тем самым они характеризуют собой взаимосвязи между микро и макро характеристиками исследуемых систем, между характеристиками атомов и молекул, с одной стороны, и характеристиками определённых образованных из них систем - с другой.  
        Такая постановка основной задачи классической статистической физики прослеживается по многим работам, в частности по работам А.Я.Хинчина. В последнее время подобный подход к раскрытию основной задачи статистической физики подчеркивался в высказываниях Г.Уленбека. В работах по фундаментальным проблемам статистической механики он специально подчеркивает, что "задача статистической механики всегда заключается в отыскании соответствия между микроскопическим, или атомным миром и миром макроскопическим". Поскольку основная задача вероятностных методов в статистической физике связана с задачами синтеза, то неправомерными становятся утверждения, что основой применения вероятностных методов является неполнота знаний об исследуемых системах.  
        Конечно, любое теоретическое исследование материальных процессов представляют собой известное огрубление, упрощение реального положения дел. Чем сложнее исследуемые объекты, тем более явственно ощущается наличие таких огрублений и упрощений, и в ряде случаев такие огрубления и упрощения действительно могут быть ответственны за применение вероятностных методов. Вместе с тем не эти особенности познания являются, прежде всего, ответственными за вероятностные методы - упрощения и огрубления характерны для любого метода исследований. "Назначение", смысл вероятностных методов имеет большую ценность, нежели выступать просто в роли "строительных" лесов. Итак, специфика вероятностных методов, специфика статистических закономерностей в классической физике раскрывается через понятие случайности. Последнее оказывается родственным понятию независимости и тем самым таким понятиям, как спонтанность, неопределённость, хаос.  
         На эти понятия всегда особое внимание обращает философия. Отсюда следует, что через группу этих понятий, которые символизируют понятие случайности, выражается одно из важнейших начал структуры и эволюции нашего мира. Тем самым становится достаточно ясным, почему вероятностные концепции играют столь существенную роль в познании мира. Однако в ходе новых применений получает дальнейшее развитие и сама трактовка вероятности. В каком же направлении происходили дальнейшие изменения в нашем понимании существа вероятностных методов?          

3. Квантовая  физика: вероятность и уровни.        

 Кульминационным пунктом развития вероятностных концепций в естествознании является разработка квантовой механики. В отличие от классической физики в квантовой теории вероятностные методы используются для познания свойств и закономерностей индивидуальных, отдельных частиц - микрообъектов. 
         Переход от изучения систем, образованных огромнейшего числа частиц, к исследованиям отдельных частиц говорит об исключительной гибкости и плодотворности вероятностных методов. Этот переход стал возможен на основе существенных изменений в способах задания (выражения, характеристики) вероятностных представлений. В классической физике свойства и закономерности физических систем выражались непосредственно на языке вероятностных распределений. В квантовой физике состояния микрочастиц выражаются посредством особого рода характеристик, прежде всего волновых функций. Волновые функции носят довольно абстрактный характер, и нередко считают, что они вообще не имеют непосредственного физического смысла.  
       Исторически волновые функции были введены в квантовую теорию чисто формальным образом и утвердились в физике, лишь когда их удалось связать с вероятностным распределениями: квадрат модуля волновой функции в некотором представлении определяет собой вероятность соответствующей физической величины. Связь волновых функций с вероятностью вообще является оправданием употребления их в квантовой теории. Волновые функции характеризуют состояния микрочастиц. Но это такие характеристики, которые позволяют определить и все возможные проявления свойств микрочастиц, которые могут наблюдаться в их поведении и взаимодействиях. Отсюда и утверждение, что волновая функция характеризует потенциальные возможности поведения объекта в тех или иных условиях. "Я полагаю,- пишет В.Гейзенберг, - что язык, употребляемый физиками, когда они говорят об атомных процессах, вызывает в их мышлении такие же представления, что и понятие "потенция". 
       Так физики постепенно действительно привыкают рассматривать траектории электронов и подобные понятия не как реальность, а скорее разновидность "потенций". Язык, по крайней мере, в определённой степени, уже приспособился к действительному положению вещей. ...Этот язык вызывает в нашем мышлении образы, а одновременно с ними и чувство, что эти образы обладают недостаточно отчетливой связью с реальностью, что они отображают только тенденции развития реальности ." Вместе с тем утверждения, что квантовая теория характеризует особые потенциальные возможности поведения микрообъектов, ещё не выражают всю истину.  
         При рассмотрении спектра возможностей поведения микрообъектов квантовая механика позволяет отобразить наличие определённых упорядоченностей, регулярностей в "массе" этих возможностей, и на факте наличия таких упорядоченностей, по существу, и основывается её основные положения. При этом оказывается, что сами закономерности в спектре возможностей обусловлены более глубинными свойствами микрообъектов и о них прежде всего идёт речь в квантовой теории. Весьма существенно, что в теории сами эти глубинные характеристики определяются не как потенциальные возможности, когда результат наблюдения не предопределён однозначно и зависит не только от объекта, но и от его макроокружения. Постановка квантовомеханической задачи, отмечает В.А.Фок, "вполне допускает введение величин, характеризующих самый объект независимо от прибора (заряд, масса, спин частиц, а также другие свойства объекта, описываемые квантовыми операторами), но в тоже время допускает разносторонний подход к объекту: объект может характеризоваться с той его стороны(например, корпускулярной или волновой), проявление которой обусловлено строением прибора и создаваемыми им внешними условиями." Последнее означает, что не все характеристики объекта в рамках квантовой механики могут относиться к рангу потенциально возможных. Это указывает на особенности строения, на особенности логической структуры физического знания в квантовой механике. Для раскрытия последней весьма существенно, что используемые в квантовой теории понятия делятся в своей основе на два класса: первый класс составляют так называемые "непосредственно наблюдаемые" в опыте величины, рассматриваемые в теории как типично случайные (в теоретико-вероятностном смысле); второй класс образуют квантовые числа (типа спина). Различия между этими классами понятий заключаются, прежде всего, в "степени близости" к непосредственно данному в физическом опыте. Первые выражают наиболее общие характеристики объектов, вторые - более глубокие, внутренние характеристики. первые позволяют индивидуализировать квантовые процессы, вторые носят обобщённый характер. Первые во многом тяготеют по своему характеру к классическим понятиям, вторые, прежде всего, выражают специфичность квантовых явлений. Первые непрерывно изменяются, вторые более устойчивы. Первые более связаны с явлением, вторые - с сущностью, хотя и несомненно, что сущность является, а явление существенно. 
        Естественно, что полнота теоретического выражения квантовых процессов достигается при использовании понятий обоих классов, относящихся к различным логическим уровням. Весьма существенно, что установление взаимосвязи, синтеза в рамках единой теории этих двух классов величин с учётом их различной природы оказалось возможным на основе вероятностных представлений (волновых функций). Другими словами, зависимости между этими двумя классами понятий раскрываются уже не в плане координации, а в плане субординации. При этом субординация включает в себя определённую независимость, "автономность": характеристики высшего уровня не определяют собою однозначно значение характеристик "низшего", исходного уровня, а лишь спектр их допустимых значений.  
       Сказанное позволяет нам сделать вывод, что значение вероятностных методов в квантовой физике заключается, прежде всего в том, что они позволяют исследовать и теоретически выражать закономерности объектов, имеющих сложную, "двухуровневую" структуру, включающую в себя и определённые черты независимости, "автономности".  

4. Сложные системы.        

 Несмотря  на исключительную плодотворность  вероятностных методов исследования (как в рамках физики, так и далеко за её пределами), в настоящее время всё сильнее сказывается ограниченность, недостаточность этих методов в развитии познания сложноорганизованных систем и объектов. В своё время становление вероятностных методов привело к ломке лапласовского (классического, жесткого) детерминизма, на базе которого обосновывалось развитие классической физики. Аналогичным образом в наши дни стоит вопрос о совершенствовании моделей структурной организации материи, порождённых вероятностью. Последнее особо сказывается на нашем понимании случайности. В качестве базовых моделей, в наибольшей степени воплощающих идею случая, практически выступают модели газа, модели типа газовых. Особенности взаимоотношений между молекулами в газах и олицетворяют собою обычно представления о случайности. Более глубокое понимание случайности возможно пи анализе оснований ее включенности в структуру не просто физических, а эволюционных процессов.  
         Исходно здесь дарвиновская модель, которая является наиболее разработанной моделью развития, по крайней мере в отношении наук о природе. В этой модели случайность играет конструктивную роль: она отражает наличие разнообразия в материальном мире, создаёт неисчерпаемую генетическую изменчивость, которая упорядочивается и канализируется путём отбора. Однако для понимания случайности здесь существенно, что она вплетена и взаимодействует с определёнными "механизмами" порождения новых форм. Если исходить из того, что жизнь возникла в результате чисто случайных столкновений атомов или же что все существующее многообразие видов живого возникло в ходе простого перебора мутантов, то для создания эволюционным путём наблюдаемого разнообразия существующих видов с их фантастически сложными органами и поведением не хватило бы ни времени существования наблюдаемой вселенной, ни исходного материала. Здесь случайность не вписывается в структуру реальных эволюционных процессов. Ориентированные в будущее эволюционные процессы пробивают себе дорогу далеко не простым образом.  
       Сложность обусловлена тем, что в эволюции задействовано множество разнообразных параметров. Случайность, как бы, предопределяет первичный поиск в изменениях систем, а осуществившаяся случайность делает сам процесс изменений необратимым, т.е. направленным. Разработка таких представлений в последнее время привела к рассмотрению бифуркационных моделей развития, разрабатываемых в ходе анализа физических основ явлений самоорганизации. Согласно развиваемым подходам, процессы формообразования, становление новых форм происходят в те моменты времени, когда системы в ходе своих внутренних изменений и усложнений приобретают черты крайней неустойчивости, что с необходимостью приводит к качественным преобразованиям. Эти переломные моменты характеризуются рядом существенных особенностей, и прежде всего здесь открываются весьма разнообразные направления и пути таких качественных изменений систем и процессов.  
        Соответственно эти точки в историческом развитии систем и процессов называются точками ветвления, точками бифуркаций. Весьма интригующе и "механизмы" выбора того или иного пути дальнейшей эволюции. В неустойчивых состояниях перестройка структур происходит "спонтанно": на базе отбора тех или иных флуктуационных изменений и последующего их усиления. Бифуркационная модель развития демонстрирует, что на уровне результата (макро следствие) нет непосредственных и "равновеликих" причин, его обуславливающих, а потому он и характеризуется как случайный. Последнее озачает, что само определение случайности строится на базе её соотнесения с такими понятиями и представлениями, как неравномерность, существенная неустойчивость, малые причины - большие следствия, эффект усиления (самодействие) флуктуационно выбранного направления изменений. Осюда следует, что случайность есть существенно нелинейная характеристика, есть характеристика нелинейного мира. Случайность становится ответственной за перемены глобального масштаба. Через дальнейший анализ проблем самоорганизации и лежит путь развития наших представлений о случайности.  

5. Заключение. 

  Опыт становления и развития теоретико-вероятностных методов свидетельствует, что сила воздействия естественнонаучных концепций на научное познание в целом прямо определяется глубиной их проникновения в коренные особенности структуры и эволюции материального мира. Не дополнив революционные преобразования в естествознании разработкой, обновлением коренных положений о природе окружающего нас мира, принципах его структурной организации и эволюции, мы не сможем глубоко разобраться в существе нововведений. 
        Попытки раскрыть содержание новых идей с позиции ранее выработанных базисных представлений науки могут вести лишь к отторжению самих новых идей, о чем свидетельствует имевшее место в недалёком прошлом отрицательное отношение к таким революционным преобразованиям в науке, как теория относительности и генетика. Становление и развитие идей и методов теории вероятностей в естествознании также свидетельствуют, что в совершенствовании базисных положений науки в настоящее время наибольший вес приобрели проблемы динамики и эволюции основ материального мира. Соответственно этому методология естественнонаучного познания всё в большей и большей степени начинает ориентироваться на анализ и разработку обобщающих идей и представлений, которые встают в ходе познания сложных и высокоорганизованных систем.

Список используемой литературы:

1. Максвелл Дж.К. "Статьи и речи." М., 1968. с.108. 
   2. Хинчин А.Я. "Математические основания статистической механики." М.; Л.,1943 
   3. Хинчин А.Я. "Математические основания квантовой статистики." М.;Л.,1951 
   4. Уленбек Г. "Фундаментальные проблемы статистической механики"// УФН. 1971. т 103, вып.2 с.275 
   5. Ulenbek G.E. "Problems of statistical physics"// The physicist's conception of nature. Dortreht, 1973. p.501 
   6. Гейзенберг В. "Физика и философия" М. 1963. с.153 
   7. Фок В.А. "Квантовая физика и философские проблемы"// М. 1969. с.194. 
   8. Чайковский Ю.В. "Разнообразие и случайность" // Методы научного познания и физика. М. 1986. с.149 и след. 
   9. Мора П. "Несостоятельность вероятностного подхода// Происхождение 
   предбиологических систем. М. 1966 с.47 и след. 
   10.Уоддингтон К.Х. "Зависит ли эволюция от случайного поиска?"// На пути к теоретической биологии. 1970 с.1970 с.108 и след. 
   11. Волькенштейн М.В. "Сущность биологической эволюции"//УФН. 1984 т.143, вып.3. с.429 и след. 
   12. Пригожин И., Стенгерс И. "Порядок из хаоса." М. 1986 
   13. Сачков Ю.В. "Конструктивная роль случая"// Вопросы философии. 1988 номер 5, с. 82 .