Микромир и законы квантовой механики

Размещено на http://www.allbest.ru/

29

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

квантовый механика физический

В истории развития физики было немало революций, кардинально изменявших научную парадигму и взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Однако то, что произошло с естествознанием в первой четверти XX века, не было очередной сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире было предсказуемо, то с появлением квантовой механики он стал случайным.

Квантовая механика - это самый загадочный раздел современной физики.

Мир элементарных частиц, которым занимается эта наука, живет по своим законам, абсолютно не похожим на законы видимого мира. И даже ученые, изучающие этот мир до сих мор не могут понять эти законы. Они просто их знают и применяют.

Квантовая механика считается «наиболее проверенной и наиболее успешной теорией в истории науки», но консенсуса в понимании «её глубинного смысла» всё ещё нет. В связи с этим появилось множество интерпретаций.

Квантовая механика вдохновляет не только ученых, но и писателей, кинематографистов и художников. Такие фильмы как Радиоволна, Дежа Вю, Исходный код и множество других были навеяны выводами из этого раздела физики.

1. Предмет квантовой механики

Характерной особенностью современной науки является глубокое проникновение в существо изучаемых явлений и процессов. Поскольку все физические тела состоят из мельчайших частиц («атомов» по представлению Демокрита), свойства макроскопических тел в определяющей степени зависят от поведения составляющих материю электронов, протонов, нейтронов, атомов и молекул. Эти частицы обладают определенной энергией и находятся в непрерывном движении. Описание движения микрочастиц является весьма нетривиальной задачей, что привело, в дополнение к классической механике Ньютона, к разработке принципиально новой научной дисциплины - квантовой механики.

Квантовая механика - теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Но не следует понимать задачу квантовой механики как простое описание движения квантовых объектов. Из известного определения «движение есть форма существования материи» видно, что, поняв особенности движения электронов и ядер, мы можем охарактеризовать поведение, т.е. свойства этих частиц, а значит и свойства макроскопических тел.

Действительно, законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов и твердых тел и вычислить их величину, определить строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников).

Ряд крупнейших технических достижений современности основан по существу на специфических законах квантовой механики. Так, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках.

Микромир - это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разно мерность которых исчисляется от 10~8 до 10~16 см, а время жизни - от бесконечности до 10~24 секунд.

Объектами микромира являются фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику, законы которой составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.

Приставка «микро» означает отношение к очень малым размерам. Таким образом, можно сказать, что микромир - это что-то небольшое. В философии в качестве микромира изучается человек, а в физике, концепции современного естествознания в качестве микромира изучаются молекулы.

Микромир имеет свои особенности, которые можно выразить так:

· единицы измерения расстояния (м, км и т. д.), используемые человеком, применять просто бессмысленно;

· единицы измерения веса человека (г, кг, фунты и т. д.) применять также бессмысленно.

Изучение микромира вместе с изучением мега мира способствовало крушению теории Ньютона. Таким образом, была разрушена механистическая картина мира.

В 1927 г. Нильс Бор вносит еще один свой вклад в развитие науки: он сформулировал принцип дополнительности. Причиной, послужившей для формулировки данного принципа, стала двойственная природа света (так называемый корпускулярно-волновой дуализм света). Сам же Бор утверждал, что появление данного принципа было связано с изучением микромира из макромира. В качестве обоснования этого он приводил следующее:

· предпринимались попытки объяснить явления микромира посредством понятий, которые были выработаны при изучении макромира;

· в сознании человека возникали сложности, связанные с разделением бытия на субъект и объект;

· при наблюдении и описании явлений микромира мы не можем абстрагироваться от явлений, относящихся к макромиру наблюдателя, и средств наблюдения.

Нильс Бор утверждал, что «принцип дополнительности» подходит как для исследования микромира, так и для исследования в других науках (в частности, в психологии).

В заключение можно сказать, что микромир является основой нашего макромира.

Есть объекты, которые по своим размерам гораздо больше объектов микромира (т. е. атомов и молекул). Эти объекты и составляют макромир. Макромир «населяют» только те объекты, которые по своим размерам соизмеримы с размерами человека. К объектам макромира можно отнести и самого человека. И, что естественно, человек является самой главной составляющей макромира.

Если микромир - это мир тех объектов, которые не подходят под единицы измерения человека, макромир - это мир объектов, которые сопоставимы с единицами измерения человека, то мега мир - это мир объектов, которые несоизмеримо больше человека.

Проще говоря, вся наша Вселенная - это мега мир. Ее размеры огромны, она безгранична и постоянно расширяется. Вселенную заполняют объекты, которые значительно больше нашей планеты Земля и нашего Солнца. Нередко бывает, что разница между какой-либо звездой за пределами Солнечной системы в десятки раз превосходит Землю.

Исследование мега мира тесно связано с космологией и космогонией.

Наука космология является очень молодой. Она родилась сравнительно недавно - в начале XX в. Можно выделить две главные причины рождения космологии. И, что интересно, обе причины связаны с развитием физики:

· Альберт Эйнштейн создает свою релятивистскую физику;

· М. Планк создает квантовую физику.

Квантовая физика изменила взгляды человечества на структуру пространства-времени и структуру физических взаимодействий.

Квант (от лат. quantum -- «сколько») -- неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения -- и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излучения угловой частоты может принимать значения, где -- редуцированная постоянная Планка, а -- целое число. В этом случае имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а -- смысл числам этих квантов (фотонов). В смысле, близком к этому, термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года -- первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой.

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.) Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения -- например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется».

Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соответствующих бозонным полям взаимодействия (фотон -- квант электромагнитного поля, фонон -- квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон -- гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят, как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.

Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).

Корпускулярно-волновой дуализм света означает, что свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Этот фундаментальный вывод был сделан физиками в XX века и вытекал из предшествующих представлений о свете.

Ньютон считал, что свет - поток корпускул, т. е. поток прямолинейно летящих частиц вещества. Такая теория хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Но возникали затруднения при объяснении законов отражения и преломления, а явления дифракции и интерференции совершенно не могли быть объяснены корпускулярной теорией. Поэтому возникла волновая теория света. Эта теория объясняла дифракцию и интерференцию, но возникали трудности с объяснением прямолинейного света.

Только в XIX веке Ж. Френель, используя открытия других физиков, сумел объединить уже выведенные принципы в одну теорию, согласно которой свет поперечная механическая волна. В дальнейшем Максвелл открыл, что свет один из видов электромагнитного излучения. Но в начале XX века, благодаря открытиям Эйнштейна представления о свете опять изменились. Свет стал пониматься как поток фотонов. Но определенные свойства света прекрасно объяснялись и волновой теорией.

Свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. При этом существуют следующие закономерности: чем короче длина волны, тем ярче проявляются корпускулярные свойства, чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Позднее французский физик Л. де Бройль высказал идею, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальную природу, т.е. присущ всем частицам вещества. Позже эта гипотеза подтвердилась экспериментально.

2. Принцип дополнительности Бора

Фундаментальным принципом квантовой механики наряду с соотношением неопределенностей является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку:

«Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других - подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы - это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Во-первых, идея корпускулярно-волнового дуализма означает, что любой материальный объект, обладающий корпускулярно-волновым дуализмом, имеет энергетическую оболочку. Подобная энергетическая оболочка существует и у Земли, а также у человека, которую чаще всего называют энергетическим коконом. Эта энергетическая оболочка может играть роль сенсорной оболочкой, экранирующей материальный объект от внешней среды и составляющей его внешнюю "гравитационную сферу". Эта сфера может играть роль мембраны в клетках живых организмов. Она пропускает внутрь только "отфильтрованные" сигналы, с уровнем возмущений, превышающий некоторое предельное значение. Аналогичные сигналы, превысившие некоторый определенный порог чувствительности оболочки, она может пропускать и в обратную сторону.

Во-вторых, наличие у материальных объектов энергетической оболочки, выводит на новый уровень осмысления гипотезу французского физика Л. де Бройля о действительно универсальной природе корпускулярно-волнового дуализма.

В-третьих, в силу эволюции строения материи, природа корпускулярно-волнового дуализма электрона может являться отражением корпускулярно-волнового дуализма фотонов. Это означает, что фотон, являясь нейтральной частицей, имеет мезонное строение и представляет собой самый элементарный микро атом, из которого, по образу и подобию строятся все материальные объекты Вселенной. Более того, это строительство осуществляется по одним и тем же правилам.

В-четвертых, корпускулярно-волновой дуализм позволяет естественным образом объяснить феномен генной памяти (Генная память) частиц, атомов, молекул, живых организмов, давая возможность осознания механизмов такой памяти, когда бесструктурная частица помнит обо всех своих порождениях в Прошлом и обладает "интеллектом" к избранным процессам синтеза, с целью формирования новых "частиц", с избранными свойствами.

Принцип неопределенности - физический закон, который утверждает, что нельзя одновременно точно измерить координаты и импульс микроскопического объекта, т.к. процесс измерения нарушает равновесие системы. Произведение этих двух неопределенностей всегда больше Постоянной Планка. Этот принцип был впервые сформулирован Вернером Гейзенбергом.

Из принципа неопределённости следует, что чем точнее определена одна из входящих в неравенство величин, тем менее определенно значение другой. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамичных переменных; при этом неопределённость в измерениях связано не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи.

Принцип неопределённости, открытый в 1927 г. немецким физиком В. Гейзенбергом, явился важным этапом в выяснении закономерностей внутриатомных явлений и построении квантовой механики. Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа. Состояние частицы полностью определяется волновой функцией (величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы). Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Поэтому результаты экспериментов по определению, например, координаты имеют вероятностный характер.

Пример: движение электрона представляет собой распространение его собственной волны. Если стрелять пучком электронов через узкое отверстие в стенке: узкий пучок пройдёт через него. Но если сделать это отверстие ещё меньше, такое, чтобы его диаметр по величине сравнялся с длиной волны электрона, то пучок электронов разойдётся во все стороны. И это не отклонение, вызванное ближайшими атомами стенки, от которого можно избавиться: это происходит вследствие волновой природы электрона. Попробуйте предсказать, что произойдёт дальше с электроном, прошедшим за стенку, и вы окажетесь бессильными. Вам точно известно, в каком месте он пересекает стенку, но сказать, какой импульс в поперечном направлении он приобретёт, вы не можете. Наоборот, чтобы точно определить, что электрон появится с таким-то определённым импульсом в первоначальном направлении, нужно увеличить отверстие настолько, чтобы электронная волна проходила прямо, лишь слабо расходясь во все стороны из-за дифракции. Но тогда невозможно точно сказать, в каком же точно месте электрон-частица прошёл через стенку: отверстие-то широкое. Насколько выигрываешь в точности определения импульса, настолько проигрываешь в точности, с какой известно его положение.

Это и есть принцип неопределённости Гейзенберга. Он сыграл исключительно важную роль при построении математического аппарата для описания волн частиц в атомах. Его строгое толкование в опытах с электронами такого: подобно световым волнам электроны сопротивляются любым попыткам выполнить измерения с предельной точностью. Этот принцип меняет и картину атома Бора. Можно определить точно импульс электрона (а, следовательно, и его уровень энергии) на какой-нибудь его орбите, но при этом его местонахождение будет абсолютно неизвестно: ничего нельзя сказать о том, где он находится. Отсюда ясно, что рисовать себе чёткую орбиту электрона и помечать его на ней в виде кружка лишено какого-либо смысла. В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

· больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения

· разработана молекулярно-кинетическая теория

· подведен прочный фундамент под термодинамику

· завершена максвелловская теория электромагнетизма

· открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда)

В конце XIX -- начале XX в. открыты В. Рентгеном -- X-лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем -- явление радиоактивности, Дж. Томсоном --электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн.

Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей - полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием.

Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия Е, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т:

,

где s = 5,67.10-8 Дж/(м2.К-с) - постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон был назван законом Стефана -- Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре.

Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию от дельными порциями --квантами. Энергия Е , где h=6,63.10-34 Дж.с--постоянная Планка.

Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка в электрон вольтах.

Тогда h=4,136.10-15 эВ.с. В атомной физике употребляется также величина

(1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В. 1 эВ=1,6.10-19 Дж).

Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой.

Физика - главная из естественных наук, поскольку она открывает истины, о соотношении нескольких основных переменных, справедливые для всей вселенной. Её универсальность обратно пропорциональна количеству переменных, которые она вводит в свои формулы.

Прогресс физики (и науки в целом) связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности. Как - будто такой вывод должен противоречить тому, что современная наука и физика, прежде всего, основывается на эксперименте, т.е. эмпирическом опыте, который проходит при контролируемых человеком условиях и может быть воспроизведён в любое время, любое число раз. Но всё дело в том, что некоторые стороны реальности незаметны для поверхностного наблюдения и наглядность может ввести в заблуждение.

Квантовая механика - это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне.

Для классической механики характерно описание частиц путём задания их положения и скоростей, и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному.

Статистические законы можно применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать её будущий путь. Волны вероятности говорят нам о вероятности встретить электрон в том или ином месте.

Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, как пишет Гейзенберг, «наблюдение играет решающую роль в атомном событии и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы её или нет».

Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что её предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определённое место, а, следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределённых ситуаций.

В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью так называемой матрицы плотности, но, в отличие от классической механики, эта матрица определяет параметры её будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределённости результатов измерения и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего.

Это в комбинации с принципом неопределённости Гейзенберга, а также другими теоретическими и экспериментальными данными заставило некоторых учёных предположить, что у микрочастиц вообще нет никаких внутренних свойств, и они появляются только в момент измерения. Другие же предположили, что роль сознания экспериментатора для существования всей Вселенной является ключевой, поскольку, согласно квантовой теории, именно наблюдение создаёт или частично создаёт наблюдаемое.Детерминизм - учение о первоначальной определимости всех происходящих в мире процессов, включая все процессы человеческой жизни, со стороны Бога (теологический детерминизм, или учение о предопределении), или только явлений природы (космологический детерминизм), или специально человеческой воли (антропологическо-этический детерминизм), для свободы которой, как и для ответственности, не оставалось бы тогда места.

Под определимостью здесь подразумевается философское утверждение, что каждое произошедшее событие, включая и человеческие поступки, и поведение, однозначно определяется множеством причин, непосредственно предшествующих данному событию.

В таком свете детерминизм может быть также определен как тезис, утверждающий, что имеется только одно, точно заданное, возможное будущее.

Индетерминизм - философское учение и методологическая позиция, которые отрицают, либо объективность причинной связи, либо познавательную ценность причинного объяснения в науке.

В истории философии, начиная с древнегреческой философии (Сократ) вплоть до настоящего времени, индетерминизм и детерминизм выступают как противостоящие концепции по проблемам обусловленности воли человека, его выбора, проблеме ответственности человека за совершённые поступки.

Индетерминизм трактует волю как автономную силу, утверждая, что принципы причинности не применимы к объяснению человеческого выбора и поведения.

Термин детерминации ввел в оборот философ-эллинист Демокрит в своей атомистической концепции, которая отрицала случайность, принимая ее просто за непознанную необходимость. С латинского языка термин детерминация переводится как определение, обязательная определимость всех вещей и явлений в мире другими вещами и явлениями. Сначала детерминировать означало определять предмет через выявление и фиксацию его признаков, отделяющих этот предмет от других. Причинность приравнивалась к необходимости, случайность же исключалась из рассмотрения, считалась просто несуществующей. Такое понимание детерминации подразумевало наличие познающего субъекта.

С возникновением христианства, детерминизм выражается в двух новых понятиях - божественного предопределения и божественной благодати, и с этим новым, христианским детерминизмом сталкивается прежний принцип свободы воли. Для общего церковного сознания христианства изначально было одинаково важно сохранить в неприкосновенности оба утверждения: что все без изъятия зависит от Бога и что ничто не зависит от человека. В V веке, на Западе, в своих учениях Пелагий поднимает вопрос христианского детерминизма в аспекте свободы воли. Против пелагианского индивидуализма выступил блаженный Августин. В своих полемических сочинениях, во имя требований христианской универсальности, он нередко доводил до ошибочных крайностей детерминизма, несовместимых с нравственной свободой. Августин развивает мысль о том, что спасение человека зависит всецело и исключительно от благодати Божией, которая сообщается и действует не по собственным заслугам человека, а даром, по свободному избранию и предопределению со стороны Божества.

Дальнейшее развитие и обоснование детерминизм получает в естествознании и материалистической философии нового времени (Ф. Бэкон, Галилей, Декарт, Ньютон, Ломоносов, Лаплас, Спиноза, фр. материалисты XVIII в.). В соответствии с уровнем развития естествознания, детерминизм этого периода носит механистический, абстрактный характер.

Опираясь на труды своих предшественников и на основополагающие идеи естествознания И. Ньютона и К. Линнея, Лаплас, в своей работе «Опыт философии теории вероятностей» (1814) довел идеи механистического детерминизма до логического конца: он исходит из постулата, согласно которому из знания начальных причин можно всегда однозначно вывести следствия.

Методологический принцип детерминизма является одновременно и основополагающим принципом философского учения о бытии. Одной из фундаментальных онтологических идей, положенных в основу классического естествознания его создателями (Г. Галилей, И. Ньютон, И. Кеплер и др.), явилась концепция детерминизма. Эта концепция заключалась в принятии трех базовых утверждений:

1) природа функционирует и развивается в соответствии с имманентно присущими ей внутренними, «естественными» законами;

2) законы природы есть выражение необходимых (однозначных) связей между явлениями и процессами объективного мира;

3) цель науки, соответствующая ее предназначению и возможностям, - открытие, формулирование и обоснование законов природы.

Среди многообразных форм детерминации, отражающих универсальную взаимосвязь и взаимодействие явлений в окружающем мире, особенно выделяется причинно-следственная, или каузальная (от лат. causa - причина) связь, знание которой ничем не заменимо для правильной ориентировки в практической и научной деятельности. Поэтому именно причина выступает важнейшим элементом системы детерминирующих факторов. И все же принцип детерминизма шире принципа каузальности: кроме причинно-следственных связей он включает в себя и другие виды детерминации (функциональные связи, связь состояний, целевую детерминацию и т.д.).

Детерминизм в своем историческом развитии прошел два основных этапа - классического (механистического) и пост классического (диалектического) по своей сущности.

В учении Эпикура о самопроизвольном отклонении атома от прямой линии содержалось современное понимание детерминизма, но поскольку сама случайность у Эпикура ничем не определяется (беспричинна), то без особых погрешностей можно сказать, что от Эпикура берет свое начало индетерминизм.

Индетерминизм - учение о том, что имеются состояния и события, для которых причина не существует или не может быть указана.

В истории философии известны два вида индетерминизма:

· Так называемый «объективный» индетерминизм, начисто отрицающий причинность как таковую, не только ее объективную данность, но и возможность ее субъективистского истолкования.

· Идеалистический индетерминизм, который, отрицая объективный характер отношений детерминации, объявляет причинность, необходимость, закономерность продуктами субъективности, а не атрибутами самого мира.

Это значит (у Юма, Канта и многих других философов), что причина и следствие, подобно иным категориям детерминации, суть лишь априорные, т.е. полученные не из практики, формы нашего мышления. Многие субъективные идеалисты объявляют употребление этих категорий «психологической привычкой» человека наблюдать одно явление следующим за другим и объявлять первое явление причиной, а второе следствием.

Стимулом для оживления индетерминистических воззрений в начале XX века послужил факт возрастания в физике роли статистических закономерностей, наличие которых было объявлено опровергающим причинность. Однако диалектико-материалистическая трактовка соотношения случайности и необходимости, категорий причинности и закона, развитие квантовой механики, раскрывшей новые виды объективной причинной связи явлений в микромире, показали несостоятельность попыток использовать наличие вероятностных процессов в фундаменте микромира для отрицания детерминизма.

Исторически концепцию детерминизма связывают с именем П. Лапласа, хотя уже у его предшественников, например, Демокрита и Спинозы, наблюдалась тенденция отождествления «закона природы», «причинности» с «необходимостью», рассмотрения «случайности» как субъективного результата незнания «подлинных» причин.

Классическая физика (в частности механика Ньютона) выработала специфическое представление о научном законе. Принималось как очевидное, что для любого научного закона должно обязательно выполняться следующее требование: если известны начальное состояние физической системы (например, ее координаты и импульс в ньютоновской механике) и взаимодействие, задающее динамику, то в соответствии с научным законом можно и должно вычислить ее состояние в любой момент времени как в будущем, так и в прошлом.

Причинно-следственная связь явлений выражается в том, что одно явление (причина) при определенных условиях обязательно вызывает к жизни другое явление (следствие). Соответственно можно дать и рабочие определения причины и следствия. Причина есть явление, действие которого вызывает к жизни, определяет последующее развитие другого явления. Тогда следствие есть результат действия определенной причины.

В детерминацию явлений, в систему их определенности наряду с причиной входят и условия -- те факторы, без наличия которых причина не может породить следствие. Это означает, что причина сама по себе срабатывает не во всяких условиях, а только в определенных.

В систему детерминации явлений (в особенности общественных) зачастую входит повод -- тот или иной фактор, обуславливающий лишь момент, время возникновения следствия.

Существуют три типа временной направленности причинно-следственных связей:

1) детерминация прошлым. Такая детерминация по существу является всеобщей, ибо отражает объективную закономерность, согласно которой причина в конечном счете всегда предшествует следствию. Эту закономерность очень тонко подметил Лейбниц, давший следующее определение причины: "Причина есть то, что заставляет какую-нибудь вещь начать существовать";

2) детерминация настоящим. Познавая природу, общество, собственное мышление, мы неизменно обнаруживаем, что многие вещи, будучи детерминированными прошлым, находятся и в детерминирующем взаимодействии с вещами, сосуществующими одновременно с ними. Не случайно представление об одновременной детерминирующей связи мы встречаем в разных областях знания -- физике, химии (при анализе равновесных процессов), в биологии (при рассмотрении гомеостазиса) и т.д.

Детерминированность настоящим имеет прямое отношение и к тем парным категориям диалектики, между которыми существует причинно-следственная связь. Как известно, форма любого явления находится под определяющим воздействием содержания, но это отнюдь не означает, что содержание предшествует форме вообще и в своей первоначальной точке может быть бесформенно;

3) детерминация будущим. Такая детерминация, как подчеркивается в ряде исследований, хотя и занимает более ограниченное по сравнению с рассмотренными выше типами место среди детерминирующих факторов, вместе с тем играет заметную роль. К тому же надо учитывать всю относительность термина "детерминация будущим": будущие события еще отсутствуют, об их реальности можно говорить только в том смысле, что они с необходимостью наличествуют в качестве тенденций в настоящем (и наличествовали в прошлом). И все же роль этого вида детерминации весьма существенна. Обратимся к двум примерам, связанным с сюжетами, о которых уже шла речь,

Детерминация будущим лежит в основе объяснения открытого академиком П.К. Анохиным опережающего отражения действительности живыми организмами. Смысл такого опережения, как подчеркивалось в главе, посвященной сознанию, в способности живого реагировать не только на предметы, кото­рые сейчас непосредственно воздействуют на него, но и на изменения, вроде бы безразличные для него в данный момент, но в действительности, являющиеся сигналами о вероятных будущих воздействиях. Причина здесь как бы действует из будущего.

Беспричинных явлений не существует. Но это не означает, что все связи между явлениями в окружающем мире относятся к причинно-следственным.

Философский детерминизм, как учение о материальной регулярной обусловленности явлений, не исключает существования непричинных видов обусловливания. Непричинные отношения между явлениями можно определить, как такие отношения, в которых наблюдается взаимосвязь, взаимозависимость, взаимообусловленность между ними, но отсутствует непосредственное отношение генетической производительности и временной асимметрии.

Наиболее характерным примером непричинного обусловливания или детерминации является функциональная связь между отдельными свойствами или характеристиками предмета.

Связи между причинами и следствиями могут носить не только необходимый, жестко обусловленный, но и случайный, вероятностный характер. Познание вероятностных причинно-следственных связей потребовало включения в причинный анализ новых диалектических категорий: случайность и необходимость, возможность и действительность, закономерность и др.

Случайность -- понятие, полярное необходимости. Случайной называют такую связь причины и следствия, при которой причинные основания допускают реализацию любого из множества возможных альтернативных следствий. При этом то, какой именно вариант связи осуществится, зависит от стечения обстоятельств, от не поддающихся точному учету и анализу условий. Таким образом, случайное событие наступает как результат воздействия некоторых из неопределенно большого числа разнообразных и в точности неизвестных причин. Наступление случайного события-следствия в принципе возможно, однако не предопределено: оно может произойти, а может и не произойти.

В истории философии широко представлена точка зрения, согласно которой случайного реально нет, оно следствие неизвестных наблюдателю необходимых причин. Но, как впервые показал Гегель, случайное событие в принципе не может быть вызвано одними только внутренними, необходимо тому или иному процессу присущими закономерностями. Случайное событие, как писал Гегель, не может быть объяснено из самого себя.

Непредсказуемость случайностей кажется противоречащей принципу причинности. Но это не так, потому что случайные события и причинные связи -- следствия хотя и неизвестных заранее и досконально, но все же реально существующих и достаточно определенных условий и причин. Возникают они не хаотично и не из «ничего»: возможность их появления хотя и не жестко, не однозначно, но закономерно связана с причинными основаниями. Эти связи и законы обнаруживаются в результате изучения большого числа (потока) однородных случайных событий, описываемого с помощью аппарата математической статистики, и потому называются статистическими. Статистические закономерности имеют объективный характер, но существенно отличаются от закономерностей единичных явлений. Применение количественных методов анализа и исчисления характеристик, подчиняющихся статистическим законам случайных явлений и процессов, сделало их предметом особого раздела математики -- теории вероятностей.

Вероятность -- мера возможности наступления случайного события. Вероятность невозможного события равна нулю, вероятность наступления необходимого (достоверного) события -- единице.

Вероятностно-статистическая интерпретация сложных причинно-следственных отношений позволила разработать и применить в научных исследованиях принципиально новые и весьма эффективные методы познания структуры и законов развития мира. Современные успехи квантовой механики и химии, генетики были бы невозможны без понимания неоднозначности отношений между причинами и следствиями изучаемых явлений, без признания того, что последующие состояния развивающегося предмета далеко не всегда можно полностью вывести из предыдущего.

3. Термин “физическая реальность” в методологии физического познания

Термин “физическая реальность” введен в методологию физического познания А. Эйнштейном. Это понятие связано, с одной стороны, с содержанием категории “объективная реальность” (физический мир), ас другой -- с содержанием категорий объекта и субъекта познания. Соответственно физическую реальность определяют на уровне наблюдений и эксперимента (напр., как проявление микромира в макрообъектах, что регистрируется специальными устройствами и органами чувств исследователя) и затем рассматривают эту же физическую реальность на различных уровнях ее проявления: эмпирическом (напр., описание треков в камере Вильсона) и теоретическом (создание модели структуры элементарной частицы и т. д.). На эмпирическом уровне физическая реальность представлена различными обобщениями, систематизациями данных измерительных устройств, а на теоретическом -- логическими реконструкциями результатов опосредствован™ объектов исследования условиями познания в форме целостных систем физического знания -- физическими теориями и моделями исследуемой реальности.

Необходимость формирования понятия физической реальности возникла тогда, когда физическая наука стала все больше удаляться от исследования непосредственно наблюдаемых вещей и процессов, используя все усложняющиеся экспериментальные средства и все более сложные математические абстракции и формализмы. В методологии классической физики постулировалась возможность абсолютного разделения объекта и субъекта познания и, следовательно, независимость исследуемых вещей и процессов от познания; при этом предполагалось, что-либо влияние условий познания на исследуемые объекты несущественно, либо его всегда можно учесть при обработке результатов наблюдений или измерений. В результате в методологии классической физики сформировалось понятие “объекта исследования самого по себе” как фрагмента природы, который познается исследователями точно таким же, каким он существовал в природе, не подверженной влиянию человеческой деятельности. Поэтому считалось само собой разумеющимся, что содержание понятий “природа (физический мир)” и “эмпирическая (наблюдаемая и экспериментальная) реальность” совпадает. Однако между такого рода представлениями и методами исследования сначала электромагнитных процессов, позже и явлений атомного уровня, а также методами теоретических обобщений экспериментальных ситуаций возникли весьма существенные противоречия.

Эйнштейн доказывал, что квантовая механика не удовлетворяет его условию локальности как независимости «реального состояния» одной системы от того, что проделывают с другой, пространственно - отдаленной (и отделенной) системой. Квантовая механика неполна потому, что она не «вскрывает» «реальные физические состояния», которые должны определять физические свойства, проявляющиеся в наблюдениях. Поскольку же наблюдаемые в квантовой физике величины не являются «реальными», нет причин беспокоиться по поводу того, могут они или не могут испытывать «нелокальные влияния»

Эйнштейновское понимание физической реальности не является просто «философским предубеждением». Это верно постольку, поскольку Эйнштейн связывал с реалистической программой физики определенные конкретные (метафизические) представления о мире. К ним относятся: принцип локальности, принцип детерминизма (который имеет двоякое содержание: как принцип близкодействия и как принцип необходимости, исключающий случайность), принцип континуального пространственно-временного описания. Однако все эти конкретные представления о том, как должен быть устроен физический мир, вступают в противоречия или, по крайней мере, не совпадают с представлениями других физических (или метафизических) программ.

Обсуждая реализм и метафизику в квантовой механике, следует искать их основания не только в реальности идей (сверхчувственного) или наблюдений (чувственного) - все это, так сказать, человеческие измерения физической реальности, - но и в самом объективном мире. Из квантовой физики известно, что явления физической реальности зависят от «системы отсчета», определяемой экспериментальной установкой (например, реальность положения и, соответственно, импульса). Можно ли в таком случае утверждать, что такая зависимость доказывает сводимость физической реальности целиком и полностью к «субъективному фактору»? Конечно, нет. Дело в том, что ни при каких условиях экспериментальной деятельности не удается создать прибор, который бы измерял одновременно какие-либо несовместные величины (те же положение и импульс). Было предпринято множество попыток, которые бы по­зволили, хотя бы в принципе, обойти эту квантовую дополнительность. Однако ни одна из них не удалась.

Невозможность создать такой прибор - это объективный фактор физической реальности, который не зависит от деятельности человека. И вместе с тем квантовая реальность имеет человеческие измерения: выбор прибора автоматически определяет теоретические средства, которые необходимо применять для представления экспериментально исследуемого квантового явления.

В качестве сверхчувственной составляющей физической реальности обнаруживается не только идеи и концепции, но и объективную реальность, т.е. бытие, которое определяется не только человеком. Что же касается метафизических концепций физической реальности, то они подлежат экспериментированию.

Вывод

Несмотря на совершенно новый взгляд на многие природные явления, квантовую механику никак нельзя расценивать как полное опровержение классической физики. Последняя может рассматриваться как предельный случай квантовой механики или как первое и очень грубое приближение к ней. Как подчеркивал Поль Дирак, соответствие между квантовой и классической теориями состоит не только в их предельном согласии. Соответствие заключается прежде всего в том, что математические операции двух теорий во многих случаях подчиняются одним и тем же законам и описываются одной математической структурой. Отличия заключаются лишь в представлении (реализации) этих структур конкретными математическими объектами.

Сегодня физики твердо верят в то, что наш мир един и познаваем. Все разнообразие природных явлений просто обязано описываться в рамках некоего единого универсального подхода. Другое дело, что человек пока еще не до конца сумел понять глубинную сущность законов природы и пределы познаваемости мира.

Однако большинство физиков убеждены в том, что, если идти по пути, указанном квантовой механикой и квантовой теорией поля, будет открыт тот самый свод законов и правил, который и правит нашим удивительно красивым миром.

Список использованной литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: учеб. пособие. - М: Высш. Образование, 2006.

2. Канке В.А. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студентов вузов. - М.: Логос,2004.

3. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / под ред. Проф. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ - ДАНА,2003.

4. Концепции современного естествознания / под ред. Проф. С.И. Самыгина.- Ростов н/ Д: « Феникс», 2005.

5. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. - М.: ТК Велби; Изд-во Проспект, 2006

6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов. - М.: Культура и спорт. ЮНИТИ,1999

7. Машкин Н.Ф. Квантовая физика. - М.,2001.

8. Мигдал А.Б. Квантовая физика и Нильс Бор. - М.: Знание.

Размещено на Allbest.ru