Динамические законы и теории кратко

Обновлено: 21.05.2024

Все физические законы делятся на две большие группы: динамические и статистические.

Динамическими называют законы, отражающие объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин. Динамическая теория — это теория, представляющая совокупность физических законов.

Статистические законы — это такие законы, когда любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что в статистических теориях состояние определяется не значениями физических величин, а их распределениями. Нахождение средних значений физических величин — главная задача статистических теорий. Вероятностные характеристики состояния совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, так как любой известный сегодня процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описания состояния системы.

Смена динамических теорий статистическими не означает, что старые теории отменены и сданы в архив. Практическая их ценность в определенных границах нисколько не умаляется. При разговоре о смене теорий имеется в виду, в первую очередь, смена глубоких физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений, описание которых дается соответствующими теориями. Одновременно со сменой физических представлений расширяется область применения теории. Статистические теории расширяются на больший круг явлений, недоступных динамическим теориям.

Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы, при которых полная энергия системы остается постоянной. Например, превращение тепловой энергии полностью в механическую не связано с нарушением первого закона термодинамики, но тем не менее оно невозможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможности процессов превращения.

Второй закон термодинамики утверждает, что не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменений в окружающих телах. То есть в природе не может быть процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу. Этот закон утверждает, что во всех явлениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой отклонения системы от статического равновесия.

Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон, согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это положение касается только изолированных систем.

Второй закон термодинамики говорит о том, что в замкнутой системе при отсутствии каких-либо процессов не может сама по себе возникнуть разность температур, т.е. теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей к более горячим.

Согласно второму закону термодинамики, любые замкнутые системы должны перейти в более вероятное состояние, характеризуемое термодинамическим равновесием с наименьшей свободной энергией и с наибольшей величиной энтропии. Поэтому явление спонтанного (самопроизвольного) перехода вещества из симметричного состояния в асимметричное, сопровождаемое повышением упорядоченности и энергетического уровня системы и понижением ее энтропии, кажется просто нереальным. Однако трудности термодинамического характера в вопросе происхождения жизни до сих пор не определены. Решения пока нет.

Существует точка зрения, что второй закон термодинамики не применим к живым системам, так как они не являются замкнутыми системами. Живые системы — это открытые системы. Энтропия живых молекул весьма низка и имеет тенденцию к понижению. Этот факт сегодня является общепризнанным, а ее асимметрия не есть состояние нарушения равновесия, отсутствия структурности или беспорядка, а есть состояние динамического равновесия и упорядоченности, более сложной структурности и более высокого энергетического уровня. Это то самое крайне маловероятное состояние, которое заставляет усомниться в абсолютности знания. Возрастание энтропии и говорит о необходимости поиска новой физической теории или биологической закономерности, описывающей это состояние.

Современные физические представления базируются на анализе всего предыдущего теоретического и экспериментального опыта физических исследований, единстве физических знаний, дифференциации и интеграции естественных наук и т. п., что позволяет подразделять законы физики на динамические и статистические. Соотношение этих законов дает возможность исследовать природу причинности и причинных отношений в физике.

Наука исходит из признания того, что все существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин, что все природные, социальные и психические явления обладают причинно-следственными связями, беспричинных явлений не бывает. Такая позиция называется детерминизмом в противоположность индетерминизму, отрицающему объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.

В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей. Открытие этих закономерностей – существенных, повторяющихся связей между предметами и явлениями – задача науки, так же как и формулирование их в виде законов науки. Но никакое научное знание, никакая научная теория не могут отразить окружающий мир, его отдельные фрагменты полностью, без упрощений и огрублений действительности. То же касается и законов науки. Они могут лишь в большей или меньшей степени приближаться к адекватному отображению объективных закономерностей, но искажения в ходе этого процесса неизбежны. Поэтому для науки очень важно, какую форму имеют ее законы, насколько они соответствуют природным закономерностям.

В этом отношении динамическая теория, представляющая собой совокупность динамических законов, отражает физические процессы без учета случайных взаимодействий. Динамический закон – это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно. Примерами динамических теорий являются классическая (ньютоновская) механика, релятивистская механика и классическая теория излучения.

Долгое время считалось, что никаких других законов, кроме динамических, не существует. Это было связано с установкой классической науки на механистичность и метафизичность, со стремлением построить любые научные теории по образцу механики И. Ньютона. Если какие-то объективные процессы и закономерности не вписывались в предусмотренные динамическими законами рамки, считалось, что мы просто не знаем их причин, но с течением времени это знание будет получено.

Такая позиция, связанная с отрицанием случайностей любого рода, с абсолютизацией динамических закономерностей и законов, называется механическим детерминизмом. Разработку этого требования обычно связывают с именем П. Лапласа. Он заявлял, что если бы нашелся достаточно обширный ум, которому были бы известны все силы, действующие на все тела Вселенной (от самых больших тел до мельчайших атомов), а также их местоположение, если бы он смог проанализировать эти данные в единой формуле движения, то не осталось бы ничего, что было бы недостоверным. Такому уму открылись бы как прошлое, так и будущее Вселенной.

В середине XIX в. в физике были сформулированы законы, предсказания которых являются не определенными, а только вероятными. Они получили название статистических законов. Так, в 1859 г. была доказана несостоятельность позиции механического детерминизма: Д. Максвелл при построении статистической механики использовал законы нового типа и ввел в физику понятие вероятности. Это понятие было выработано ранее математикой при анализе случайных явлений.

При броске игральной кости, как мы знаем, может выпасть любое число очков от 1 до 6. Предсказать, какое число очков выпадет при очередном броске, нельзя. Мы можем подсчитать лишь вероятность выпадения числа очков. В данном случае она будет равна 1 /6. Эта вероятность имеет объективный характер, так как выражает объективные отношения реальности. Действительно, если мы бросим кость, какая-то сторона с определенным числом очков выпадет обязательно. Это такая же строгая причинно-следственная связь, как и та, что отражается динамическими законами, но она имеет другую форму, поскольку показывает вероятность, а не однозначность события.

Проблема в том, что для обнаружения такого рода закономерностей обычно требуется не единичное событие, а цикл таких событий; в таком случае мы можем получить статистические средние значения. Если бросить кость 300 раз, то среднее число выпадения любого значения будет равно 300 × 1 /6 = 50 раз. При этом безразлично, бросать одну и ту же кость 300 раз или одновременно бросить 300 одинаковых костей.

Несомненно, что поведение газовых молекул в сосуде гораздо сложнее брошенной кости. Но и здесь можно обнаружить определенные количественные закономерности, позволяющие вычислить статистические средние значения. Д. Максвеллу удалось решить эту задачу и показать, что случайное поведение отдельных молекул подчинено определенному статистическому (вероятностному) закону. Статистический закон – закон, управляющий поведением большой совокупности объектов и их элементов, позволяющий давать вероятностные выводы об их поведении. Примерами статистических законов являются квантовая механика, квантовая электродинамика и релятивистская квантовая механика.

Статистические законы в отличие от динамических отражают однозначную связь не физических величин, а статистических распределений этих величин. Но это такой же однозначный результат, как и в динамических теориях. Ведь статистические теории, как и динамические, выражают необходимые связи в природе, а они не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний. Различается только способ фиксации этих состояний.

К началу XX в. стало очевидно, что нельзя отрицать роль статистических законов в описании физических явлений. Появлялось все больше статистических теорий, а все теоретические расчеты, проведенные в рамках этих теорий, полностью подтверждались экспериментальными данными. Результатом стало выдвижение теории равноправия динамических и статистических законов. Те и другие законы рассматривались как равноправные, но относящиеся к различным явлениям. Считалось, что каждый тип закона имеет свою сферу применения и они дополняют друг друга, что индивидуальные объекты, простейшие формы движения должны описываться с помощью динамических законов, а большая совокупность этих же объектов, высшие, более сложные формы движения – статистическими законами. Соотношение теорий термодинамики и статистической механики, электродинамика Д. Максвелла и электронная теория Х. Лоренца, казалось, подтверждали это.

Ситуация в науке кардинально изменилась после возникновения и развития квантовой теории. Она привела к пересмотру всех представлений о роли динамических и статистических законов в отображении закономерностей природы. Был обнаружен статистический характер поведения отдельных элементарных частиц, никаких динамических законов в квантовой механике открыть не удалось. Таким образом, сегодня большинство ученых рассматривают статистические законы как наиболее глубокую и общую форму описания всех физических закономерностей.

Создание квантовой механики дает полное основание утверждать, что динамические законы представляют собой первый, низший этап в познании окружающего нас мира. Статистические законы более полно отражают объективные связи в природе, являются более высокой ступенью познания. На протяжении всей истории развития науки мы видим, как первоначально возникшие динамические теории, охватывающие определенный круг явлений, сменяются по мере развития науки статистическими теориями, описывающими тот же круг вопросов, но с новой, более глубокой точки зрения. Только они способны отразить случайность, вероятность, играющую огромную роль в окружающем нас мире. Только они соответствуют современному (вероятностному) детерминизму.

Динамический закон - это физический закон, отображаю­щий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно. Динамиче­ской тфрией является физическая теория, представляющая со­вокупность динамических законов. Исторически первой и наи-лростой теорией такого рода явилась классическая ме-

Ньютона. Она претендовала на описание механическо-

го движения, то есть перемещения в пространстве с течением

времени любых тел или частей тел относительно друг друга с

какой угодно точностью.

Непосредственно законы механики, сформулированные Ньютоном, относятся к физическому телу, размерами которо­го можно пренебречь, материальной точке. Но любое тело макроскопических размеров всегда можно рассматривать как совокупность материальных точек и, следовательно, достаточ­но точно описать его движения.

Поэтому в современной физике под классической механи­кой понимают механику материальной точки или системы ма­териальных точек и механику абсолютно твердого тела.

Для расчета движения должна быть известна зависимость взаимодействия между частицами от их координат и от скоро­стей. Тогда по заданным значениям координат и импульсов всех частиц системы в начальный момент времени второй за­кон Ньютона позволяет однозначно определить координаты и импульсы в любой последующий момент времени. Это позво­ляет утверждать, что координаты и импульсы частиц системы полностью определяют ее состояние в механике. Любая меха­ническая величина, представляющая для нас интерес (энергия, момент импульса и т.д.), выражается через координаты и им­пульс. Таким образом, определяются все три элемента фунда­ментальной теории, какой является классическая механика.

Другим примером фундаментальной физической теории ди­намического характера может служить электродинамика Мак­свелла. Здесь объектом исследования является электромагнитноеполе. Тогда уравнения Максвелла представляют собой уравнения движения для электромагнитной формы материи. При /этом структура электродинамики в самых общих чертах повторяет структуру механики Ньютона. Уравнения Максвелла позволяют по заданным начальным значениям электрического и магнитного полей внутри некоторого объема однозначно определить элек­тромагнитное поле в любой последующий момент времени.

Другие фундаментальные теории динамического характера имеют ту же структуру, что и механика Ньютона, и электроди­намика Максвелла. К их числу относятся: механика сплошных сред, термодинамика и общая теория относительности (теория гравитации).

Метафизическая философия считала, что все объективные физические закономерности (и не только физические) /имеют точно такой же характер, что и динамические законы. |Иначе говоря, не признавались никакие другие виды объективных закономерностей, кроме динамических закономерностей, вы­ражающих однозначные связи физических объектов и описы­вающих их абсолютно точно посредством определенных физи­ческих величин. Отсутствие такого полного описания тракто­валось как недостаток наших познавательных способностей.

Абсолютизация динамических закономерностей и, следова­тельно, механического детерминизма, обычно связывается с П.Лапласом, которому принадлежит уже цитированное нами знаменитое высказывание о том, что если бы нашелся доста­точно обширный ум, которому были бы известны для любого данного момента все силы, действующие на все тела Вселенной (от самых больших ее тел до мельчайших атомов), а также их местоположение, если бы он смог проанализировать эти дан­ные в единой формуле движения, то не осталось бы ничего, что было бы недостоверным, и ему было бы открыто как прошлое, так и будущее Вселенной.

Но даже и при описании движения отдельных макроско­пических тел осуществление идеального классического де­терминизма практически невозможно. Это хорошо видно из описания постоянно меняющихся систем. Вообще начальные параметры любых механических систем невозможно фикси­ровать с абсолютной точностью, поэтому точность предска­зания физических величин со временем уменьшается. Для ка­ждой механической системы существует некоторое критиче­ское время, начиная с которого невозможно точно предска­зать ее поведение.

Несомненно, Что лапласовский детерминизм с определен­ной степенью идеализации отражает реальное движение тел и в этом отношении его нельзя считать ложным. Но абсолютиза­ция его как совершенно точного отображения действительно­сти недопустима.

С утверждением главенствующего значения статистических закономерностей в физике исчезает идея всеведущего сознания, для которого абсолютно точно и однозначно детерминирова­ны судьбы мира, тот идеал, который был поставлен перед нау­кой концепцией абсолютного детерминизма.

Философия: Энциклопедический словарь. — М.: Гардарики . Под редакцией А.А. Ивина . 2004 .

Полезное

Смотреть что такое "СТАТИСТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ" в других словарях:

СТАТИСТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ — две осн. формы закономерной связи явлений, которые отличаются по характеру вытекающих из них предсказаний. В законах динамич. типа предсказания имеют точно определённый, однозначный характер. Так, в механике, если известен закон движения… … Философская энциклопедия

законы-тенденции — ЗАКОНЫ ТЕНДЕНЦИИ статистические зако ны, действующие в природе и обществе, которые явственно проявляют себя только при определенных обстоятельствах и в течение продолжительных периодов времени (К. Маркс). Это законы вероятностно… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

детерминистические и стохастические законы — ДЕТЕРМИНИСТИЧЕСКИЕ И СТОХАСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ в прежней терминологии динамические и вероятностно статистические законы, выражающие различные формы регулярной связи между явлениями и процессами природы и общества. Д. з. (от лат. determinare… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

НЕОБХОДИМОСТЬ И СЛУЧАЙНОСТЬ — соотносительные филос. категории, которые конкретизируют представление о характере зависимости явления, выражают различные аспекты, типы связей, степень детерминированности явления. При определ. условиях необходимость (Н.) вещь, явление в … Философская энциклопедия

ДЕТЕРМИНИЗМ — (от лат. determino определяю), филос. учение об объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира. Центральным ядром Д. служит положение о существовании причинности, т. е. такой связи… … Философская энциклопедия

ЗАКОН — необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями. 3. выражает связь между предметами, составными элементами данного предмета, между свойствами вещей, а также между свойствами внутри вещи. Существуют 3.… … Философская энциклопедия

Закон (философ.) — Закон, необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями. З. выражает связь между предметами, составными элементами данного предмета, между свойствами вещей, а также между свойствами внутри вещи. Но не всякая связь… … Большая советская энциклопедия

Закон — I Закон необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями. З. выражает связь между предметами, составными элементами данного предмета, между свойствами вещей, а также между свойствами внутри вещи. Но не всякая … Большая советская энциклопедия

СЛУЧАЙНОСТЬ — филос. категория для обозначения таких связей между явлениями реального мира, которые в одних условиях могут осуществиться, а в других нет. В противоположность этому, когда такая связь осуществляется неизбежно и всегда, то ее определяют как… … Философская энциклопедия

Агудов, Виктор Васильевич — (р. 13.10.1931) спец. по общей теории диалектики, методологии и логике науч. познания; д р филос. наук, проф. Род. в г. Каменск Шахтинск Ростовской обл. С 1948 по 1955 служил в Военно морском флоте. Окончил филос. ф т МГУ (1962). Работал асс., ст … Большая биографическая энциклопедия

Флуктуация – случайное отклонение от равновесного положения.

Статистический характер квантового описания природы

Динамическая теория – физическая теория, представляющая совокупность динамических законов (классическая механика, классическая теория излучения, релятивистская механика).

Статистическая теория – это теория, представляющая совокупность статистических законов (квантовая механика, квантовая теория излучения, релятивистская квантовая механика).

Примеры фундаментальных динамических теорий:

  • механика,
  • электродинамика,
  • термодинамика,
  • теория относительности,
  • эволюционная теория Ламарка,
  • теория химического строения

Примеры фундаментальных статистических теорий:

  • молекулярно-кинетическая теория, квантовая механика и другие
  • квантовые теории, эволюционная теория Дарвина, молекулярная
  • генетика - наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости

Принцип соответствия: статистические и динамические теории

Динамические теории - приближение и упрощение более точных статистических теорий

Тема 4.03. Корпускулярно-волновой дуализм. Соотношения

Неопределенностей


Волновые свойства света:

  • интерференция,
  • дифракция,
  • поляризация

Корпускулярные свойства света: фотоэффект

Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи

Де Бройль: общая идея и формула связи между импульсом частицы и ее длиной волны

Волновые свойства частиц. Дифракция электронов. Электронный микроскоп

Соотношение неопределенностей:

  • координата-импульс (скорость)
  • энергия-время
  • как следствие невозможности невозмущающих измерений
  • как результат квантовых флуктуаций

Экспериментальные доказательства сложной структуры вакуума:

  • эффект Казимира,
  • рождение электрон-позитронных пар в электрическом поле

Тема 4.04. Принцип дополнительности


Корпускулярно-волновой дуализм:

Все микрочастицы материи обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами; в зависимости от конкретных условий они проявляют себя либо в виде частицы, либо в виде волны.

Корпускулярные характеристикимикрообъекта:

Волновые характеристики микрообъекта:

Формулы, выражающие единство корпускулярных и волновых свойств частиц материи, аналогичны формулам для фотонов :Е= hV;

Наличие у микрочастиц материи волновых свойств – не доказательство того, что частицы являются волнами; при проявлении у микрочастицы корпускулярных свойств ее волновые свойства существуют в виде возможности, которая при соответствующих условиях превращается в действительность.

Принцип дополнительности в квантовой механике

Измерение в квантовой механике - результат взаимодействия микрообъекта с макроприбором

Невозможность невозмущающих измерений

Неотделимость наблюдателя от наблюдаемого объекта

Возможные значения физических величин:

Физические величины, имеющие определенное значение в данном состоянии

Физические величины, не имеющие определенного значения в данном состоянии

Принцип дополнительности в широком смысле - необходимость несовместимых, но взаимодополняющих точек зрения для полного понимания предмета или процесса

Тема 4.05. Принцип возрастания энтропии

Формы энергии:

  • тепловая,
  • химическая,
  • механическая,
  • электрическая

Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии при ее превращениях: энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.

Замкнутая (изолированная) система и незамкнутая (открытая) система

Второй закон термодинамики:

  • принцип возрастания энтропии в замкнутых системах
  • принцип направленности теплообмена (от горячего к холодному)
  • принцип неизбежного понижения качества энергии
  • принцип нарастания беспорядка и разрушения структур

Энтропия:

  • физический индикатор направления времени
  • измеряемая физическая величина (приведенная теплота)
  • мера некачественности энергии
  • мера молекулярного беспорядка
  • мера отсутствия информации

Обратимые и необратимые процессы

Изменение энтропии тел при теплообмене между ними

Качество (ценность) энергии

Высококачественные формы энергии:

Низкокачественная форма энергии: теплота

Понижение качества тепловой энергии с понижением температуры

Статистическая природа второго начала термодинамики

Основной парадокс эволюционной картины мира: закономерность эволюции на фоне всеобщего роста энтропии

Энтропия открытой системы: производство энтропии в системе, входящий и выходящий потоки энтропии

Термодинамика жизни: добывание упорядоченности из окружающей среды

Термодинамика Земли как открытой системы

Тема 4.06. Закономерности самоорганизации

Синергетика - теория самоорганизации

Синергетика - междисциплинарное направление исследований

Самоорганизация (в природных и социальных системах)

Примеры самоорганизации в простейших системах:

  • лазерное излучение,
  • ячейки Бенара,
  • реакция Белоусова-Жаботинского,
  • спиральные волны

Потоки (вещества, энергии, заряда и т.д.) в неравновесных системах

Необходимые условия самоорганизации:

Пороговый характер (внезапность) самоорганизации

Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости - критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние.

Рост флуктуаций вблизи точки бифуркации (теоретическое положение и примеры)

Стабилизация флуктуаций за точкой бифуркации (порядок из хаоса)

Синхронизация частей системы в результате самоорганизации

Невозможность точного прогноза будущего за точкой бифуркации

Понижение энтропии системы при самоорганизации

Повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации

Диссипация - рассеяние энергии в неравновесной системе

Конкуренция диссипативных структур

Универсальный эволюционизм как научная программа современности, его цели

Принципы универсального эволюционизма:

· всё существует в развитии;

· объективность и познаваемость процессов самоорганизации;

· законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

· фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;

· развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);

· непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

· устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления;

· коэволюция развивающейся системы и окружающей среды

Эволюционное естествознание

Тема 5.01.Космология

Космология – наука о строении и эволюции Вселенной

Однородность и изотропность Вселенной в больших масштабах

Химический состав Вселенной – данные спектрального анализа

Модели бесконечной в пространстве стационарной Вселенной

Эффекты общей теории относительности:

Гравитационный радиус (радиус сферы Шварцшильда)

Динамическая модель Вселенной Фридмана

Расширение Вселенной и закон Хаббла

Космологическая модель нестационарной Вселенной Эйнштейна-Фридмана

Различные сценарии развития Вселенной:

  • открытая,
  • пульсирующая
  • закрытая модели эволюции

Проблема измерения средней плотности Вселенной

Теория Большого Взрыва (Г. Гамов)

Предсказание температуры фонового микроволнового излучения и обнаружение реликтового фона излучения

Читайте также: