Характер физических законов
СОДЕРЖАНИЕ: История появления статистических методов в познании, а также развитие теории вероятностей. Детерминизм процессов природы в современной науке. Последствия открытия закона сохранения и превращения энергии. Сущность проблемы тепловой смерти Вселенной.Содержание
Введение
1 Детерминизм процессов в природе
2 Термодинамика и концепция необратимости
3 Проблема «тепловой смерти Вселенной»
Заключение
Список использованных источников и литературы
Введение
Цель данной работы – рассмотрение характера физических законов.
Исходя из поставленной цели, можно сформировать следующие задачи работы:
1. Рассмотрение детерминизма процессов в природе.
2. Обзор термодинамики и концепции необратимости.
3. Выявление проблемы «тепловой смерти Вселенной».
Актуальность выбранной темы заключается в том, что современная физика изучает огромнейшее количество различных процессов в природе. Не все из них поддаются изучению и объяснению. Безусловно многое человеку еще не известно, а если известно то может быть не объяснено сейчас. Тем не менее наука идет вперед и общие (классические) концепции существования природы известны уже сейчас.
Процессы, протекающие вокруг нас, не всегда поддаются точному объяснению. Как раз на этом этапе перед человеком и встала проблема создания таких моделей и методов познания, которые бы смогли объяснить непознанное.
В данной работе речь пойдет о динамических и статистических законах, на которых сегодня и держится современная картина мира. Такое деление законов еще раз подтверждает, что непознанное, не точно исчисляемое и объясняемое постепенно становится явью с помощью новых концепций. Появление статистических методов в познании, а также развитие теории вероятностей вот новое оружие современных ученых.
1 Детерминизм процессов природы
Детерминизм в современной науке – это учение о всеобщей, закономерной связи явлений и процессов окружающего мира. Наличие таких связей является доказательством материального единства мира и существования в мире общих закономерностей. Очень часто детерминизм отождествляется с причинностью, но такой взгляд нельзя считать правильным хотя бы потому, что причинность выступает как одна из форм проявления детерминизма.
Законы, с которыми имеет дело классическая механика, имеют универсальный характер, т. е. они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам природы. Отличительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер. Наиболее ярко они проявились после того как на основе закона всемирного тяготения, изложенного И. Ньютоном в 1671 г. в «Математических началах натуральной философии» и законов механики возникла небесная механика. На основе законов небесной механики были вычислены отклонения в движении Урана, вызванные возмущающим влиянием неизвестной тогда планеты. Определив величину возмущения, независимо друг от друга по законам механики положение неизвестной планеты рассчитали Д. Адамc и У. Леверье. Всего на угловом расстоянии в 1° от рассчитанного ими положения И. Галле обнаружил планету Нептун. Открытие Нептуна, сделанное на кончике пера, как отметил Ф. Энгельс, блестяще подтвердило справедливость законов небесной механики и наличие в природе однозначных причинных связей. Это позволило французскому механику П. Лапласу сказать: дайте мне начальные условия, и я, с помощью законов механики, предскажу дальнейшее развитие событий. Это вошло в историю как лапласовый, или механистический детерминизм, который допускает однозначные причинные связи в явлениях природы.
Наряду с ними в науке с середины XIX века стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а являются только вероятностными. Вероятностными они называются потому, что заключения, основанные на них, не следует логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Информация при этом носит статистический характер, законы, выражающие эти процессы, называют статистическими законами, и этот термин получил в науке большое распространение.
В классической науке статистические законы не признавали подлинными законами, так как ученые в прошлом предполагали, что за ними должны стоять такие же универсальные законы, как закон всемирного тяготения Ньютона, который считался образцом детерминистического закона, поскольку он обеспечивает точные и достоверные предсказания приливов и отливов, солнечных и лунных затмений и других явлений природы. Статистические же законы признавались в качестве удобных вспомогательных средств исследования, дающих возможность представить в компактной и удобной форме всю имеющуюся информацию о каком-либо предмете исследования. Подлинными законами считались именно детерминистические законы, обеспечивающие точные и достоверные предсказания. Эта терминология сохранилась до настоящего времени, когда статистические, или вероятностные, законы квалифицируются как индетерминистические.
Отношение к статистическим законам принципиально изменилось после открытия законов квантовой механики, предсказания которых имеют существенно вероятностный характер.
Таким образом, исторически детерминизм выступает в двух следующих формах:
1. Лапласовый (механистический) детерминизм, в основе которого лежат универсальные законы классической физики.
2. Вероятностный детерминизм, опирающийся на статистические законы и законы квантовой физики.
В динамических теориях явления природы подчиняются однозначным (динамическим) закономерностям, а статистические теории основаны на объяснении процессов вероятностными (статистическими) закономерностями. К динамическим теориям относятся классическая механика (создана в XVII-XVIII вв.), механика сплошных сред, т. е. гидродинамика (XVIII в.), теория упругости (начало ХГХ в.), классическая термодинамика (XIX а), электродинамика (XIX в.), специальная и общая теория относительности (начало XX в). К статистическим теориям относятся статистическая механика (вторая половина XIX в.), микроскопическая электродинамика (начало XX в.), квантовая механика (первая треть XX в.). Таким образом, XIX столетие является столетием динамических теорий; XX столетие — столетием статистических теорий.
В современной концепции детерминизма органически сочетаются необходимость и случайность. Признание самостоятельности статистических, или вероятностных, законов, отображающих существование случайных событий в мире, дополняет прежнюю картину строго детерминистического мира. В результате в новой современной картине мира необходимость и случайность выступают как взаимосвязанные и дополняющие друг друга аспекты объяснения окружающего мира.
Современную концепцию детерминизма можно сформулировать следующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего мира; статистические же законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.
В качестве примера динамических законов можно назвать закон Ома, выражающий зависимость сопротивления от его состава, площади поперечного сечения и длины. Этот закон охватывает множество различных проводников и действует в каждом отдельном проводнике, входящем в это множество.
Статистический характер имеет, например, взаимосвязь изменений давления газа и его объема при постоянной температуре, выявленная Бойлем и Мариоттом. Статистическими являются законы квантовой механики, касающиеся движения микрочастиц; они не в состоянии определить движение каждой отдельной частицы, но определяют движение группы, того или иного множества.
В отличие от динамических законов, статистические законы не позволяют точно предсказать наступление или ненаступление того или иного конкретного явления, направление и характер изменения тех или иных его характеристик. На основе статистических закономерностей можно определить лишь степень вероятности возникновения или изменения соответствующего явления.
Однако деление фундаментальных теорий на динамические и статистические является условным. Фактически все фундаментальные теории должны рассматриваться как статистические. Например, классическую механику с полным основанием следует считать статистической теорией, так как лежащий в ее основе принцип наименьшего действия имеет вероятностную природу, потому что, согласно принципу минимума энергии, состояние с наименьшей энергией оказывается наиболее вероятным.
Физика рассматривает два основных типа причинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей—динамические и статистические. Изучение истории возникновения фундаментальных физических теорий позволяет сделать вывод, что динамические теории соответствовали первому этапу в процессе познания природы человеком, тогда как на следующем этапе главную роль стали играть статистические теории. Наиболее ярко сочетание этих концепций детерминизма в познании природных явлений проявилось при изучении термодинамических процессов и явлений. Рассмотрим основные концепции этих методов в применении к термодинамике.
2 Термодинамика и концепция необратимости
История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом, изучающем тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, и молекулярно-кинетическом, исследующем тепловые явления как результат совместного действия огромной совокупности движущихся частиц, из которых состоит вещество. Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Молекулярно-кинетическое направление характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результат суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая физика. Оформившись к середине XX в., оба эти направления подходят к рассмотрению изучения состояния вещества с различных точек зрения и дополняют друг друга, образуя одно целое.
Работа Д. Джоуля, Ю. Майера и других установили так называемое первое начало термодинамики. Р. Клаузиус первым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики. Всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус назвал «теплом содержащимся в теле» (U) в отличие от «тепла, сообщенного телу» (Q). Величину U можно увеличить двумя эквивалентными способами — произведя над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q).
Общепризнанным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс и тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. Важной концепцией термодинамики является то, что Клаузиус определил, что при работе тепловой машины не все количество теплоты, взятое у нагревателя, передается холодильнику. Часть этой теплоты превращается в работу, совершаемую машиной. Клаузиус показал, что объяснение превращения теплоты в работу основывается еще на одном принципе, сформулированном С. Карно, утверждающим, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача теплоты холодильнику. Совершаемая при этом тепловая работа (А) оценивается коэффициентом полезного действия () следующим образом: = A/Q1, где Q — количество теплоты, переданное нагреванием. Максимальный коэффициент полезного действия имеет идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, коэффициент полезного действия которой определяется как
= (Т1 – Т2)/Т1,
где Т1 — абсолютная температура нагревателя; Т2 — абсолютная температура холодильника.
Таким образом, имеет место общее свойство теплоты, заключающееся в том, что теплота «всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным». Это положение Клаузиус предложил назвать «вторым основным положением механической теории теплоты», и в современную науку оно вошло как второе начало термодинамики.
Все эти многочисленные факты и нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики:
1. Если к системе подводить тепло Q и над ней производить работу А, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + А. Эту энергию U называют внутренней энергией системы.
2. Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре, т. е. тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.
В первом законе речь идет о сохранении энергии, во-втором— о невозможности производства работы исключительно за счет изъятия тепла из одного резервуара при постоянной температуре, т. е. о направлении тепловых процессов в природе.
В 1865 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус для формулировки второго закона термодинамики ввел новое понятие — «энтропия» (от греч. entropia — поворот, превращение). Клаузиус рассчитал, что существует некоторая величина S, которая подобно энергии, давлению, температуре характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты, AQ, то энтропия S возрастает на величину, равную AS = AQ/T.
В течение длительного времени ученые не делали различий между теплотой и температурой. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Например, при плавлении кристаллического тела теплота расходуется, а температура тела не изменяется в процессе плавления. После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает граница четкого различия таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия, как и температура, оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах; это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы.
Было также показано, что изменение энтропии в случае обратимых процессов не происходит, т. е. AS = 0. Значит, энтропия изолированной системы в случае обратимых процессов постоянна. При необратимых процессах получаем закон возрастания энтропии: S 0.
3 Проблема «тепловой смерти Вселенной»
Классическая термодинамика оказалась не способной решить космологические проблемы характера протекания процессов, происходящих во Вселенной. Уильям Томпсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в природе. На основе этого Р. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о «тепловой смерти Вселенной». Все физические процессы, согласно второму началу термодинамики, протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах, ожидается исчезновение температурных различий в природе и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус выдвинул два постулата:
1. Энергия Вселенной всегда постоянна.
2. Энтропия Вселенной всегда растет к максимуму.
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.
Вытекающий отсюда вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, означает прекращение каких-либо физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. На протяжении всего дальнейшего развития этот вывод привлекает внимание ученых, ибо затрагивает не только глубинные проблемы чисто научного характера, но также философско-мировоззренческие аспекты, указывающие определенную верхнюю границу возможного существования человечества. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых. Однако в середине XIX века мало было научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса. Только единицы догадывались, что понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.
С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:
1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости в нем статистического равновесия.
XX век вносит коррективы в изучение проблем эволюции Вселенной. Формируется новое междисциплинарное направление — синергетика, и на его основе возникает теория самоорганизации сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных, реальными системами в природе являются открытые системы. Они обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и углубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике место закрытой изолированной системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем. Как отмечает основоположник теории самоорганизации И. Р. Пригожин, переход от термодинамики равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.
Заключение
Детерминизм — это учение о всеобщей закономерной связи явлений и процессов в окружающем мире. Причинность является одной из форм проявления детерминизма. Исторически в науке сложились два основных типа причинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей — динамические и статистические (вероятностные).
Современную концепцию детерминизма можно сформировать следующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.
Наиболее ярко динамический и статистический детерминизм проявляется при рассмотрении тепловых процессов. Динамический подход характерен термодинамике. Молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Поэтому при изучении тепловых явлений в науке используют два направления: статистические законы и термодинамические законы, изучающие тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества.
Если к системе подводится тепло и над ней производится работа, то энергия системы возрастает до величины, равной сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.
Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.
Список использованных источников и литературы
1. Горбачев В.В. Концепция современного естествознания. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21век», ООО «Издательство «Мир и образование», 2003
2. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепция современного естествознания. Учебник – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К0», 2007
3. Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания. Учебник для вузов. – 6-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2006
4. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания. Учебник для вузов. М.: Академический проект, 2000
5. Михайлов Л.А. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. – СПб.: Издательство «Питер», 2008
6. Садохин А.П. Концепция современного естествознания. Учебник для вузов. – 2-е изд, перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА,2006
7. Фейнман Р. Характер физических законов. Пер. с англ. – 2-е изд., испр. – М.: Наука, 1987