Реферат: Панорама современного естествознания 2

Возникновение и развитие квантовой механики в начале 20-го века привело к необходимости вероятностного описания не только больших ансамблей частиц, но и отдельных элементарных частиц. Здесь тоже нет почвы для индетерминизма, хотя сторонники этого течения мысли и оживились во время обсуждения методологических проблем квантовой теории, поскольку соответствующие уравнения (уравнения Шредингера) однозначно описывают эволюцию состояния системы во времени в терминах плотности вероятности, а не с позиции точного нахождения, траектории движения, скорости и т. п., как в динамической теории Ньютона. В итоге большинство ученых сходится во мнении, что статистические закономерности обеспечивают более общее описание природы, диалектично отражая роль необходимого и случайного в природе. Таким образом динамические законы можно рассматривать как упрощение, первое приближение к анализу различных процессов.

В известном смысле это позволяет по-новому взглянуть на известную проблему “свободы воли ”, которая обсуждается со времен Сократа. Под свободой воли подразумевается скорее философская, морально - этическая проблема: детерминирован ли человек в своих поступках или имеет возможность выбора? От ее решения зависит, ответственен ли человек за свои поступки. Если каждое действие человека строго предопределено, то его нельзя ставить в вину человеку, даже если он совершил преступление, как и благодарить, если он совершил доброе дело.

Такая прямолинейная и несколько наивная трактовка Великого Принципа Причинности в природе вызывала усмешки задолго до его обоснования Лапласом. Известный восточный философ, поэт и математик, последователь Аристотеля и Ибн Сины Омар Хайям, живший в 11-12 веках, лукаво вопрошал:

Ты из праха меня изваял,

Я причем?

Ты наполнил вином мой фиал,

Я причем?

Все дурное и доброе,

Что совершаю,

Ты ведь сам, наш творец, начертал,

Я причем?

Проблема свободы воли стоит в центре внимания во многих философско – религиозных течениях. Основоположники экзистенционализма (Сартр, Камю) считали человека носителем абсолютной свободы, противостоящей внешнему миру. Во многих религиозных учениях эта проблема рассматривается с точки зрения самоопределения человека по отношению к Богу. Крайние религиозно – детерминистические варианты учений о предопределенности ставят человеческую личность в абсолютную зависимость от сверхъестественных сил, божественной воли. В этом они похожи на натуралистический детерминизм и смыкаются с фатализмом, языческой верой в предопределенность судьбы.

По-видимому, следует честно признать, что пока эта проблема не имеет общепринятого решения ни в естествознании, ни в философии. Как сказал Ж. Ростан: «Теории приходят и уходят. Лягушка остается» .

Симметрия и законы сохранения. Бытовые понятия симметрии и сохранения кажутся нам интуитивно несложными и играющими в жизни не очень важную роль, быть может более эстетическую, чем познавательную. Зеркально симметричный узор крыльев бабочки, цветов, листьев, художественных орнаментов, архитектурных форм скорее призваны услаждать зрительное восприятие, чем играть какую-нибудь функциональную роль. Сохранение вещества, движения в окружающих нас объектах и процессах на первый взгляд, тоже не кажется общим принципом и даже скорее представляются исключением, нежели правилом. Но наука 20-го века пришла к осознанию принципов симметрии и сохранения как важнейшим краеугольным камням для всего фундаментального естествознания. В этом контексте обсуждаемые понятия имеют более сложный абстрактный смысл. Если состояние системы не меняется в результате какого-либо ее преобразования (не обязательно зеркального отображения), то говорят, что система обладает симметрией относительно данного преобразования. Такими преобразованиями могут быть геометрические операции (повороты, перемещения и т.п.), замена одних величин или знака перед ними (с «+» на «-», например) в уравнении на другие и т.п. Таким образом, под симметрией в физике понимается инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих в них величин.

Состояние любой физической системы можно описать так называемой функцией Гамильтона ( в квантовой механике – гамильтонианом). Так что в еще более общем виде симметрия - это такое преобразование системы, которое не меняет ее гамильтониана.

Фундаментальное значение представлений о симметрии определяется тем, что каждому непрерывному преобразованию симметрии (которые приводились выше в качестве примеров) отвечает закон сохранения некоторой физической величины. С этой точки зрения существование сохраняющихся физических величин обусловлено определенными типами симметрии. Т.е. если известны свойства симметрии системы, можно найти для нее законы сохранения, и наоборот.

В общем случае под законами сохранения понимают определенный класс физических закономерностей, согласно которым некоторые физические величины сохраняют свое значение во времени для определенного типа процессов или ситуаций. Так, известный со школьной скамьи закон сохранения энергии можно рассматривать как следствие однородности времени (т.е. инвариантности законов относительно изменения начала отсчета времени: с какого бы момента мы не начали отсчет – все интервалы времени равноценны и законы физики от этого не зависят). Законы сохранения импульса и момента импульса связаны с однородностью пространства (инвариантностью законов относительно пространственных сдвигов) и его изотропностью (инвариантностью относительно поворотов рассматриваемой системы в пространстве) соответственно.

Большую роль законы сохранения играют в квантовой механике. Так, например, сформулированные на их основе правила отбора определяют, какие реакции и процессы в мире элементарных частиц могут протекать, а какие - в принципе невозможны.

Следует отметить, что свойства пространства – времени известны науке только в определенном диапазоне расстояний и времени. Каковы они при R£10^-15 м и t£10^-23 с и при R³1 млрд. световых лет и t³10¹¹ лет нам неизвестно. Соответственно и о выполнимости фундаментальных законов физики (в том числе и законах сохранения) в очень маленьких и очень больших пространственно - временных ячейках пока сказать ничего невозможно.

Очень близко к этим вопросам примыкает универсальный принцип наименьшего действия , справедливый и в классической и квантовой механике, и в электродинамике, и в оптике и т. д. Действием в физике называют определенную величину, характеризующую энергетику системы. Установлено, что движение тела в поле внешних сил, распространение света в оптически неоднородной среде, распределение линий электрического тока, протекающего по проводнику и т. д. происходит так, что величина действия на пути, выбранном природой, оказывается наименьшей из всех виртуально возможных. Так, тело, брошенное под углом к горизонту, летит по параболе, а не какой-либо еще мыслимой кривой; луч света, преломляясь на границе двух разных прозрачных сред, подчиняется известному со времен Средневековья закону Снелиуса (отношение синусов углов падения и преломления есть величина постоянная); электрический ток или ламинарный поток жидкости в канале огибают препятствие по определенным траекториям, также минимизирующим действие. Т.е. природа знает, как наиболее экономно перевести систему из одного состояния в другое в любой точке траектории этого процесса! Даже далекие от науки люди знают, что жизнь идет «по линии наименьшего сопротивления», что можно считать бытовой формулировкой великого принципа наименьшего действия в окружающем мире. К нему могут быть сведены многие фундаментальные теории, в частности, классическая механика, электродинамика, квантовая теория поля и др.

Самоорганизация . Возможно, одна из самых захватывающих и масштабных доктрин, оформившихся в науке конца 20-го века – это концепция самоорганизации, под которой понимают самопроизвольное установление порядка (без участия внешних организующих воздействий) в неравновесных диссипативных системах. Первые систематические исследования в этой области провел выходец из России И. Пригожин в 60-е годы (Нобелевская премия в 1977 г.). Впоследствии направление в науке, которое изучает пространственно-временное упорядочение, стали называть по предложению Г. Хакена синергетикой (от греческого слова совместный, согласно действующий). На первый взгляд, сама возможность самоорганизации (а следовательно повышения порядка в системе с соответствующим понижением энтропии) как будто бы противоречит второму началу термодинамики. Однако классическая термодинамика была создана (и до сих пор справедлива) для описания равновесных или близких к равновесию систем. Кроме того, второе начало справедливо только для замкнутых систем (т. е. не обменивающихся ничем с окружающей средой). Множество объектов и систем в природе не являются ни равновесными, ни замкнутыми (а строго говоря – все до одной!), так что классическую термодинамику следует рассматривать как первое приближение, имеющее ограниченную область применимости.

Действительно, эволюционные процессы в биологии (как на уровне отдельного организма от момента его зарождения - филогенез , так и на уровне биосферы в целом - онтогенез ) идут в направлении от простого - к сложному, от беспорядка – к большему порядку, т. е. в видимом противоречии с законом роста энтропии. Но с другой стороны, ни один живой организм и не является замкнутой системой по определению. Напротив, пока он жив, он участвует в обмене веществом, энергией, информацией с окружающей средой. Таким образом, для описания живого нужна неравновесная термодинамика открытых систем, исключающая необходимость мифических витальных сил. Она была создана в последней трети 20-го века усилиями многих ученых. Вкратце она сводится к следующему. Для любой системы изменение энтропии dS складывается из двух величин:

dS = dS_e + dS_i ,

где dS_e – изменение энтропии за счет взаимодействия с окружающей средой, а dS_i - изменение энтропии в результате процессов внутри самой системы. Для неравновесных систем dS_i всегда положительно (dS_i >0). Поэтому пока система замкнута (т. е. dS_е =0) полное изменение ее энтропии может быть только положительным (рис. 7.9а).

dS = dS_i >0

Другими словами, «человек в футляре» может только деградировать.

Если систему «открыть»и разрешить ей сбрасывать свою энтропию в окружающую среду (т. е. допустить dS_e <0), то при некоторых условиях может оказаться, что

dS = dS_e + dS_i <0,

т. е. порядок в ней начинает возрастать (конечно, за счет роста беспорядка в окружающей среде). Другими словами, если провести границы достаточно далеко от нашей открытой системы, то внутри этой большой области беспорядок все равно будет нарастать, и второе начало термодинамики остается в полном здравии. При значительном падении энтропии в системе в ней могут спонтанно (самопроизвольно) образовываться упорядоченные структуры, что и называется самоорганизацией .