Проблема соотношения динамических и статистических законов

Сразу же после появления в физике понятия статистического закона возникла проблема существования статистических закономерностей и их соотношения с динамическими законами и закономерностями.

С развитием науки подход к этой проблеме и даже ее постановка менялись. Первоначально никаких сомнений в преимуществе динамических законов перед статистическими не было. Поэтому достаточно долго ученые пытались обосновать статистическую механику на базе динамических законов Ньютона, хотели свести ее вероятностный характер к однозначным связям физических величин. Таким образом, динамические законы считались основным, первичным типом отображения физических закономерностей, а статистические законы рассматривались как следствие ограниченности наших способностей к познанию. Они считались временной мерой, которой можно пользоваться до открытия соответствующих динамических законов.

К началу XX в. стало очевидно, что нельзя отрицать роль статистических законов в описании физических явлений. Дело в том, что 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, что они не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Обычно полагалось, 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 таких теорий, как термодинамика и статистическая механика, электродинамика Максвелла и электронная теория Лоренца, казалось, подтверждало 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.

Поскольку это происходило в ходе второй глобальной научной революции, на фоне кризиса в физике, некоторые ученые заявили, что исчезли не только материя и движение, но и причинно-следственные связи. Поскольку привычная модель детерминизма в микромире была недостижима, они делали вывод об отсутствии причинности вообще. Иными словами, они связывали статистические законы с индетерминизмом. Но большая часть ученых с этим выводом не согласилась и стала настаивать на необходимости отыскать динамические законы для описания микромира, воспринимая статистические законы как промежуточный этап, позволяющий описывать поведение совокупности микрообъектов, но не дающий еще возможности точно описать поведение отдельных микрообъектов.

Кроме того, нет оснований делать вывод об индетерминизме в природе только потому, что законы микромира носят статистический характер. Поскольку детерминизм настаивает на существовании объективных закономерностей, то индетерминизм должен означать отсутствие таких закономерностей. Этого, безусловно, нет. Статистические закономерности ничуть не менее объективны, чем динамические, и отражают взаимосвязь явлений материального мира.

Довольно скоро ситуация изменилась. В результате исследований крупнейших ученых, таких, как Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн, П. Ланжевен и др., было установлено, что закономерности поведения объектов микромира и законы квантовой механики носят принципиально статистический характер. Никаких динамических законов, которые более глубоко определяли бы движение элементарных частиц и были бы скрыты под покровом статистических законов, не существует. Таким образом, сегодня большинство ученых рассматривает статистические законы как наиболее глубокую, наиболее общую форму описания всех физических закономерностей.

После создания квантовой механики можно с полным основанием утверждать, что динамические законы представляют собой первый, низший этап в познании окружающего нас мира. Статистические законы более полно отражают объективные связи в природе, являясь 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 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.

Смена динамических теорий статистическими не означает, что старые динамические теории отживают свой век и забываются. Их практическая ценность не становится меньше, если только не выходить за рамки их гносеологических предпосылок. Говоря о смене теорий, мы в первую очередь имеем в виду смену менее глубоких физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений, недоступных динамическим теориям. Статистические теории находятся в лучшем количественном согласии с экспериментом, чем динамические. Но при определенных условиях статистическая теория приводит к таким же результатам, как и более простая динамическая теория (вступает в действие принцип соответствия – речь о нем пойдет ниже).

Связь необходимого и случайного не может быть вскрыта в рамках динамических законов, так как они игнорируют случайное, отбрасывая его как неважное, никак не влияющее на конечный результат (сильное огрубление действительности). В динамическом законе отображается тот необходимый средний результат, к которому приводит течение процессов, но не отражаются те вариации этого результата, которые могут возникнуть под влиянием окружающих условий.

Разумеется, при рассмотрении достаточно обширного круга вопросов, когда отклонения от необходимого среднего значения ничтожны, их описание с помощью динамических законов вполне удовлетворительно. Но мы должны отчетливо представлять себе, что абсолютно точных однозначных связей физических величин, о которых говорят динамические теории, в природе не существует. В реальных процессах всегда происходят неизбежные отклонения от необходимых средних величин – случайные флуктуации, которые только при определенных условиях не играют существенной роли и потому могут не учитываться.

Динамические теории не могут описывать явления, когда флуктуации значительны, и не способны предсказывать, при каких именно условиях мы уже не можем рассматривать необходимое в отрыве от случайного. В динамических законах необходимость выступает в форме, огрубляющей ее связь со случайностью. Но как раз последнее обстоятельство учитывают статистические законы. Отсюда следует, что статистические законы отображают реальные физические процессы глубже, чем динамические. Не случайно статистические законы познаются вслед за динамическими.

Вопросы для обсуждения

1. Как соотносятся понятия «научная картина мира», «естественнонаучная картина мира», «физическая картина мира»?

2. Каким образом можно интерпретировать понятие «физическая картина мира»?

3. Какие фундаментальные физические теории, кроме механики Ньютона и электродинамики Максвелла, вам известны? Попробуйте вычленить в них основные понятия, характеристики и уравнения движения.

4. Почему статистические законы получили право на существование только в рамках современной науки? Как это связано с ее гносеологическими предпосылками?

5. Приведите пример ограниченности динамических законов, покажите роль случайности в описанном вами процессе.