Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Динамічні і статистичні закони

Динамічні і статистичні закони

ФІЗИКА

Частина 5 АТОМНА ФІЗИКА

Розділ 16 ХВИЛЬОВІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ

16.8. Динамічні і статистичні закони

Із розвитком фізики поряд з динамічними законами (механіки Ньютона) було встановлено статистичні закони. Під динамічними законами розуміють не лише закони динаміки, а й всі закони, що характеризують поведінку індивідуальних об’єктів. Статистичні закони, навпаки, є законами поведінки сукупності об’єктів або подій. При цьому конкретний вигляд законів – механічних чи електромагнітних – значною мірою неістотний,

він відступає на задній план. Динамічний закон розглядався як первинний, а відкриття його сприймалось як вищий етап пізнання. Статистичний закон розуміли двояко: або як деякий сурогат “істинного” (динамічного) закону, який виникає лише в результаті нашої нездатності враховувати всі фактори, що належать до цього явища, тобто внаслідок обмеженості нашого пізнання, або як своєрідний тип об’єктивних закономірностей (а не тільки сурогат “істинних” законів), що керують поведінкою великих сукупностей об’єктів. Проте в обох випадках статистичні закони розглядаються як вторинні, похідні від динамічних,

з яких вони виводяться, коли замість окремого об’єкта береться їхня велика сукупність. Це підтверджувалося успіхами класичної статистичної механіки. На основі припущення, що окрема молекула підлягає динамічному закону (другому закону Ньютона), виводились статистичні закони поведінки великих сукупностей молекул. Отже, властивий класичній фізиці тип відношення динамічних і статистичних законів може бути виражений на основі такого положення: динамічні закони первинні, статистичні – вторинні, похідні від перших. За статистичними завжди стоять відповідні їм динамічні закони. В класичній фізиці статистичні закони хоч і застосовуються, але лише як замінники істинних динамічних законів. Статистичні закони мають, так би мовити, динамічний еквівалент, що зберігається в скарбниці пізнання.

Квантова механіка змусила переглянути погляди на співвідношення динамічних і статистичних законів. Статистичні закони в квантовій механіці вже не спираються на динамічні закони (принаймні ці закони нам невідомі).

Усі успіхи у фізиці XX ст. були досягнуті не в пошуках динамічних законів мікрооб’єктів, а саме в послідовному проведенні принципів ймовірнісного описання їх. Категорія ймовірності відіграє в науці всезростаючу роль і тісно пов’язується з пізнанням внутрішніх властивостей, з розкриттям внутрішньої структури відносно елементарних об’єктів. Тільки там, де можна не враховувати внутрішню структуру, мають силу динамічні закони. Врахування внутрішньої структури, аналіз різноманітних можливостей неодмінно пов’язаний із введенням ймовірностей і застосуванням ймовірнісних методів. Якщо співвідношення динамічних і статистичних законів розглядати на основі квантової механіки, то вони виявляться протилежними класичній фізиці. Класичний тип співвідношення цих законів має силу, оскільки беруться різні форми руху матерії, як це є у випадках класичної механіки Ньютона і статистичної механіки. Тут статистичні закони виводяться на основі динамічних законів, але ті й другі стосуються різних сфер явищ: перші описують механічні рухи, а другі – теплові. Картина буде іншою, якщо розглядатимемо співвідношення динамічних і статистичних законів у межах тієї самої предметної сфери. Тоді часто навіть у межах класичної фізики статистичні закони дають більш глибокі відомості про дійсність, ніж відповідні динамічні закони. В цьому можна переконатися, якщо взяти термодинаміку і статистичну термодинаміку або класичну макроскопічну електродинаміку (теорія Максвелла) і класичну мікроскопічну електродинаміку (електронна теорія). Другі члени цих пар становлять статистичні теорії, і вони глибше описують ці предметні сфери, ніж перші члени, які належать до динамічної теорії.

Оскільки статистичний тип співвідношення виявляє себе при розгляді квантових теорій, то можна виділити такі пари теорій: 1) класична і квантова механіки; 2) класична і квантова теорії випромінювання (квантова електродинаміка); 3) релятивістська механіка і релятивістська квантова механіка. Теорії, названі першими, є динамічними, другі – статистичними, за допомогою яких часто можна більш грунтовно вивчати відповідні об’єкти.

Динамічні закони абстрагуються від випадковості, вони виражають безпосередню необхідність і тому дають відображення дійсності з точністю до нехтування випадковістю. Статистичні закони виражають об’єктивну необхідність в її нерозривному зв’язку з випадковістю, вони не нехтують випадковістю, а розглядають її як форму виявлення необхідності. Отже, співвідношення динамічних і статистичних законів обгрунтовує концепцію ймовірнісної причинності. Це розширення уявлень про причинність пов’язане з діалектичною єдністю статистичних і динамічних закономірностей, коли випадкові події, статистичні закономірності виступають як форма виявлення і доповнення динамічних закономірностей.

Динамічні закони є абстракцією деякого виду залежності, яка характерна для поодиноких об’єктів за певних умов, тоді як статистичні закони є абстракцією істотних зв’язків деякої сукупності. Статистичні закони є не менш об’єктивними і точними, ніж динамічні. Динамічні закони проявляються там, де роль випадковості незначна і нею можна знехтувати, де необхідність збігається з однозначною причинною обумовленістю, де попередній стан безпосередньо породжує наступний. Динамічні закони дійсні для кожного окремого явища, що входить до цієї системи.

У світі немає абсолютно автономних процесів, існує закономірність такого типу, що не детермінує поведінку відповідного конкретного індивідуального явища, а виходить за його межі і зумовлює взаємодію ряду випадкових явищ. Інакше кажучи, не можна ігнорувати роль випадковостей. Випадкові явища та ознаки також виникають і зникають з певною регулярністю, але ця регулярність або закономірність є не однозначною, а статистичною, тобто діє не в межах одного певного явища, а розподілена в сукупності явищ як стійка тенденція зміни системи однорідних явищ.

Методологічний аналіз порівняльної цінності статистичних та динамічних законів дає змогу пояснити тенденцію до розширення значення статистичних законів у сучасній фізиці.

До появи квантової механіки вважали, що поведінка індивідуальних об’єктів завжди підлягає динамічним законам, а поведінка сукупності має статистичний характер. Проте досвід засвідчує, що закони поведінки як сукупності, так і окремих частинок можуть бути статистичними.

Динамічні закони є першим етапом у процесі пізнання навколишнього світу, статистичні – більш досконало віддзеркалюють об’єктивні зв’язки в природі і є вищим етапом пізнання. Не можна стверджувати, що відомі статистичні закони грунтуються на динамічних, що динамічні закони є первинними. Динамічний зв’язок може існувати тільки локально, тобто між окремими станами системи, які розділені досить малими проміжками часу. Поведінка навіть однієї частинки в статистичній системі не підлягає динамічній закономірності, якщо розглядаються досить великі часові інтервали.

Статистичні закони не є випадковими. Як і будь-які інші закони, вони відображають необхідні зв’язки в природі. Головна відмінність статистичних законів від динаміки полягає у врахуванні випадкового. Як динамічні, так і статистичні закони віддзеркалюють необхідні зв’язки. Проте, на відміну від динамічних, у статистичних законах необхідність проявляється діалектично, в нерозривному зв’язку з випадковим. Необхідність, яка в статистичних законах виступає як середнє незліченної множини миттєвих випадкових станів, в динамічних законах розглядається як дещо точно і однозначно визначене. Факт, що сучасні фундаментальні фізичні теорії є статистичними і містять як наближення динамічні теорії, свідчить про віддзеркалювання статистичними теоріями необхідних зв’язків. Необхідне й випадкове в об’єктивних процесах відображається в статистичних законах.

Отже, перехід від фізики макросвіту до фізики мікросвіту супроводжується зростанням ролі ймовірнісних методів. Проте поняття ймовірності вводиться до квантової механіки не через відсутність або недостатність знання, а як віддзеркалювання особливостей стану мікрооб’єктів.

Ось чому в квантовій механіці не можна застосовувати детермінізм Лапласа, який враховує лише необхідність і заперечує випадковість. Непридатність лапласівського детермінізму до явищ мікросвіту не є запереченням принципу причинності взагалі, а тільки свідчить про те, що зв’язки і залежності явищ природи набагато багатші, ніж ті, які узагальнені лапласівським детермінізмом.

У статистичних процесах причинність проявляється інакше, ніж у динамічних. Тут початковий стан системи визначає її наступні стани не однозначно, а лише з деякою ймовірністю, як усереднення випадкових тенденцій.

Ймовірнісно-статистичні закони так само, як і будь-які інші наукові закони, можуть давати правильне передбачення. Проте вони, звичайно, передбачають і елемент невизначеності, проблематичності, який притаманний їм не більше, ніж іншим законам.