Концепции современного естествознания

                        По современным представлениям  для  характеристики субатомного  мира бессмысленны такие понятия,  как «эл.частица», «материальная  субстанция», «изолированный объект». Вселенная сегодня должна представляться как подвижная сеть взаимосвязанных энергетических процессов, в которых из энергии полей рождаются частицы, а частицы, аннигилируя между собой или античастицами, рождают энергию. Неспособность квантовой механики предсказать строго и однозначно поведение микрообъектов остро поставило вопрос о принципиальной возможности описать и познать окружающий человека мир, вопрос об истинности уже открытых физических законов.

                         Для любого научного исследования фундаментально необходим принцип причинности, согласно которому любое изменение процесса, взаимодействия (следствие) вызвано определенными причинами  (предшествующими во времени процессами и взаимодействиями). Концепция детерминизма дополняет активные факторы (причины) пассивными (условия) и утверждает в качестве универсального принципа, что всякое явление (состояние, процесс) причинно обусловлено. Согласно принципу классического (механического) детерминизма  по известному состоянию системы  в некоторый момент времени (полностью определяемому значениями координат и импульсов всех элементов системы) и силам, приложенным к ней, можно абсолютно точно описать ее состояние в любой последующий момент. Т.е. классическая физика основывается на следующем понимании причинности: состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующий момент – следствие. Законы механики позволяют в принципе по начальному состоянию системы, описываемому величинами координат и скоростей тел, входящих в систему, однозначно определить значение физических величин, определяющих его состояние для любого будущего или прошлого момента времени.  Тем же свойством обладает уравнение электродинамики  Максвелла с той лишь разницей, что в ней состояние системы определяется не координатами и скоростями частиц, а значениями электрического и магнитного полей в каждой точке пространства. По этому детерминизм также свойственен электромагнитной картине мира, как и механической. Однако, тот же Максвелл стал одним из создателей теории продемонстрировавшей – молекулярно-кинетической теории газов. Пытаясь вывести законы термодинамики из механического движения молекул газа, он убедился в невозможности записать уравнение движения для каждой молекулы  в такой системе, не говоря уже о том, чтобы решить их. Был сделан вывод, что в системах с большим числом элементов всегда присутствует элемент случайности, который принципиально не может быть учтен в рамках механической, детерминированной схемы. Физик Л.Больцман, пытаясь вывести законы термодинамики из ньютоновской механики молекул, пришел к выводу, что поведение больших коллективов частиц управляется более глубокими законами – не механическими, а вероятностными. Так, молекула воздуха испытывает миллиард столкновений ежесекундно  и рассчитать ее траекторию невозможно. Но температура и давление газа неизменны при удалении молекулы или слабом изменении начальных условий, так как эти величины пропорциональны средним значениям энергии и импульсам молекулы, вычисляемым с помощью теории вероятности. В МКТ состояние системы описывалось уже не значениями физических величин, а вероятностями этих значений. Причину отличия от механического детерминизма поначалу видели лишь в очень большом количестве частиц в молекулярных системах. Считалось, что система, описываемая небольшим числом уравнений, всегда ведет себя упорядоченно, а хаос возникает с ростом числа элементов системы. В наше время установлено, что хаотическим непредсказуемым, поведением  могут обладать и системы из трех частиц (метеорит в системе двух звезд). Ситуация, когда поведение простой системы невозможно предсказать из-за ее чувствительности к слабому изменению начальных условий называется динамическим хаосом. Хаос следует отличать от беспорядка – поведение, определяемого постоянно действующими факторами, которые мы не можем или не хотим учитывать (броуново движение). Хаос же возникает, когда все определяющие его факторы известны, но воспользоваться этим знанием невозможно из-за чрезвычайной чувствительности расчетов к малым ошибкам. Так, хаотична динамика солнечной системы, земной атмосферы, курса акций и т.д.

                        Объекты квантовой механики, как  уже известно, однозначно в своем  состоянии не определяются. Если  же состояние системы точно не определено в начальный момент времени, то не могут быть предсказаны последующие состояния, т.е. как бы нарушается принцип причинности. Но никакого нарушения нет, ибо в квантовой механике понятие состояния микрообъекта имеет иной смысл, полностью определяясь волновой функцией, которая не имеет наглядного смысла. Согласно уравнениям Э.Шрёденгера и М.Борна, задание волновой функции для данного момента времени определяет ее значение в последующие моменты, как того и требует принцип причинности.  Понятие же состояния системы в квантовой механике, как и в МКТ, оказалось вероятностным, статистическим.

                        Все теории  разделяются на  динамические и статистические  соответственно своим предметам  – законам  динамическим, однозначным и вероятностным, статистическим. Динамическая теория предсказывает однозначные величины, характеризующие физическую систему: классическая механика, термодинамика, электродинамика, теория относительности, теория химического строения и т.д. Теория, в которой состояние системы определяется заданием вероятностей значений физических величин, является статистической и позволяет предсказывать лишь  вероятности значений физических величин системы: МКТ, статистическая механика в физике, дарвиновская теория эволюции, генетика. С ними естествознание вошло в фундаментальное понятие флуктуации -  случайного отклонения характеристик системы от наиболее вероятного или среднего значения, например, количеством молекул газа в определенном объеме, мутацией, влияние личности на общественный процесс. Динамические теории не учитывают и не допускают возможности флуктуации, а статистические допускают, учитывают. Первоначально фундаментальным знанием считалась динамическая теория – точная, однозначная, исключающая любую неопределенность  как  недостаточное знание. Статистические теории считались временным приблизительным знанием. Сейчас преобладает мнение что, наиболее фундаментальными, т.е. наиболее глубоко и полно описывающими реальность, являются статистические теории. В 1923 году Н.Бор выдвинул принцип соответствия: всякая новая  более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы ее применения, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую. Так, формулы кинематики и динамики переходят при скоростях много меньше скорости света в формулы механики Ньютона. Гипотеза  де Бройля приписывает волновые свойства всем телам, но у макроскопических тел ими можно пренебречь и применять, опять таки, классическую механику Ньютона. Динамическая теория, поэтому всегда играет роль приближения, упрощения соответствующей статистической теории. Статистическая теория рассматривает и учитывает флуктуации, случайные отклонения от среднего. Если эти отклонения не существенны, то,  пренебрегая ими, мы получим приближенную теорию, описывающую поведение средних значений, и эта теория будет уже динамической. Современное естествознание утверждает, что случайность заложена в основу основ мироздания и поэтому познание этих основ возможно лишь с помощью законов вероятности.

 Развитие представлений о пространстве и времени и их всеобщие свойства.

                         Естественнонаучные представления  о пространстве и времени прошли  длинный путь становления и развития. Понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования макрообъектов, их объемов и протяженности. Понятие времени возникло на основе восприятия человеком  смены событий, состояний предметов и круговорота различных процессов.

                           В истории  науки известны  два основных подхода в понимании  сущности пространства и времени  как объективных явлений природы  – субстанциональной и релятивной. Третий, субъективистский, трактовал  их или как свойства человеческого сознания - переживать и упорядочивать события, располагая их одно подле другого (пространство) и одно после другого (время) – Беркли, Юм, Мах, Авенариус, или как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания – Кант.                              

                           Авторами субстанционального подхода были древнегреческие атомисты, признавшие существование наряду с атомами – пустоты. Такое понимание наделяло пустоту как абсолютное, чистое пространство самодостаточностью субстанции, существующей независимо от материальных тел. Наиболее полно этот подход проявился в трудах Ньютона, который различал два вида понятий пространства и времени: абсолютные и относительные. Абсолютное, истинное, материалистическое время  само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точное, или изменчивое, постигаемое чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как- то: час, день, месяц, год… Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера … , которое определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего.

                            Релятивный подход пространства  и времени трактует их как  систему отношений (дальше –  ближе, до – после) между  материальными телами и происходящими  с ними событиями. Его сторонником  был Аристотель, полагавший, что понятие места можно определить только указанием на материальные тела, заключающие это место между собой, а понятие времени может возникнуть лишь, когда имеется ряд событий, упорядоченных в определенной последовательности. Отрицал он и существование пустоты, считая, что для перемещения необходимости в пустоте нет: все движется в круговороте, уступая место друг другу.

                       Авторитет Аристотеля обеспечил   господство этих взглядов почти  две тысячи лет, вплоть до  Ньютона. Взгляды последнего оспаривал Лейбниц, считавший пространство порядком существования тел (монад), а время – порядком отношения и последовательности событий. Именно эта трактовка пространства и времени была развита в 20 веке, после крушения гипотезы дальнодействия, эфира в рамках релятивистской физики и квантовой механики.

                      Современное их понимание было  сформулировано в теории относительности  А.Эйнштейна, по новому интерпретировавшей  реляционную концепцию пространства  и времени, дав ей научное  обоснование. Пространство  - это структура, выражающая порядок сосуществования материальных явлений, процессов и тел одно подле другого. Время – это структура, выражающая порядок следования материальных явлений и процессов одно после другого.

                    Поскольку, пространство и время не отделимы от материи, правильнее  было бы говорить о пространственно- временных свойствах и отношениях материальных систем. Обычно выделяют  всеобщие их свойства, которые неразрывно связаны с другими атрибутами материи,  и локальные, проявляющиеся лишь на определенных структурных уровнях последней. К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:

1. Их объективность  и независимость от сознания  людей или других разумных  существ в мире.

2. Их материальность – неразрывная связь с движущейся материей.

3. Их абсолютность, т.к.  они являются универсальными  формами бытия всей материи.

4. Их относительность  – конкретные структуры пространства  и времени определяются конкретными  формами материи и их носителями.

5. Неразрывную связь друг с другом как атрибутами одного материального субстрата.

6. Единство прерывности  и непрерывности в их структуре.

7. Количественную и  качественную бесконечность, неотделимую  от структурной бесконечности  материи.                      

                         К общим свойствам пространства относятся:

1. Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов), возможность прибавления (уменьшения) к каждому данному элементу некоторого следующего элемента.
2. Связность и непрерывность проявляются в характере перемещения тел от точки к точке, в распространении воздействий энергии и материи в виде близкодействия.
3. Трехмерность – реализация всех материальных процессов в пространстве трех измерений.
4. Однородность – все точки пространства эквивалентны, что означает отсутствие у Вселенной центра и окраин.
5. Изотропность – все направления в пространстве равноправны, что исключает, например, цилиндрическую форму Вселенной.
6. Единство метрических и топологических свойств.

                       К общим свойствам времени относятся: 

1.  Длительность –  выступает как последовательность  сменяющих  друг друга  моментов  или состояний, интервалов, предполагающая  возможность бесконечного прибавления  моментов времени и  деление любого отрезка времени на меньшие интервалы. Любой процесс в природе не происходит сразу, а длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний.

2. Единство прерывного  и непрерывного в длительности бытия явлений во времени.

3. Необратимость, означающая  однонаправленное изменение от  прошлого к будущему, что определяется  направленностью каузальных связей  в процессах взаимодействия: от  причины к следствию. Поэтому  в отличие от изотропного пространства время - анизотропно.

4. Однородность – все моменты  времени равноправны.

Основные положения  и выводы специальной и общей  теории относительности.

                          Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея  - Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая таким образом, оказывается ее частным случаем. Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности Галилея: « Если законы механики  справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой». Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему:   « Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущих сил».

                         Если классический принцип относительности  утверждал  инвариантность законов  механики во всех инерциальных  системах отсчета, то в СТО   данный принцип был распространен на законы электродинамики, а общая теория относительности (ОТО) утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, т.е. движущихся с ускорением или замедлением.

                          Согласно СТО пространство и время образуют единый четырехмерный пространственно-временной континуум, а пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Их пространственные размеры сокращаются в направлении движении при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 тыс. км./сек.),  временные процессы замедляются , а масса тела возрастает до бесконечности. Рассматривая относительность длин и промежутков времени, Эйнштейн приходит к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: « Два события, одновременные при одной координатной системе, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении  из системы, движущейся относительно данной».