В классической физике система понимается как совокупность каких-то частей, связанных между собой определенным образом. Эти части (элементы) системы могут воздействовать друг на друга, и предполагается, что их взаимовоздействие всегда может оцениваться с позиций причинно-следственных отношений между взаимодействующими элементами системы.

Философское учение об объективности закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира называют детерминизмом. Центральным понятием детерминизма является положение о существовании причинности; причинность имеет место, когда одно явление порождает другое явление (следствие).

Классическая физика стоит на позициях жесткого детерминизма, который называют лапласовским, – именно Пьер Симон Лаплас провозгласил принцип причинности как фундаментальный закон природы. Лаплас считал, что если известно расположение элементов (каких-то тел) системы и действующие в ней силы, то можно с полной достоверностью предсказать, как будет двигаться каждое тело этой системы сейчас и в будущем. Он писал: «Мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, и относительное положение всех составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные, охватил бы одной и той же формулой движения крупнейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами». Традиционно это гипотетическое существо, которое могло бы (по Лапласу) предсказать развитие Вселенной, в науке называют «демоном Лапласа».

В классический период развития естествознания утверждается представление о том, что только динамические законы полностью характеризуют причинность в природе.

Лаплас пытался объяснить весь мир, в том числе физиологические, психологические, социальные явления с точки зрения механистического детерминизма, который он рассматривал как методологический принцип построения всякой науки. Образец формы научного познания Лаплас видел в небесной механике. Таким образом, лапласовский детерминизм отрицает объективную природу случайности, понятие вероятности события.

Дальнейшее развитие естествознания привело к новым представлениям причинности и следствия. Для некоторых природных процессов трудно определить причину – например, радиоактивный распад происходит случайно. Нельзя однозначно связать время «вылета» α– или β-частицы из ядра и значение ее энергии. Подобные процессы объективно случайны. Особенно много таких примеров в биологии. В нынешнем естествознании современный детерминизм предлагает разнообразные, объективно существующие формы взаимосвязи процессов и явлений, многие из которых выражаются в виде соотношений, не имеющих выраженных причинных связей, то есть не содержащих в себе моментов порождения одного другим. Это и пространственно-временные связи, отношения симметрии и определенных функциональных зависимостей, вероятностные соотношения и т. д. Однако все формы реальных взаимодействий явлений образуются на основе всеобщей действующей причинности, вне которой не существует ни одного явления действительности, в том числе и так называемых случайных явлений, в совокупности которых проявляются статические законы.

Наука продолжает развиваться, обогащается новыми концепциями, законами, принципами, что свидетельствует об ограниченности лапласовского детерминизма. Однако классическая физика, в частности классическая механика, имеет и сегодня свою нишу применения. Ее законы вполне применимы для относительно медленных движений, скорость которых значительно меньше скорости света. Значение классической физики в современный период хорошо определил один из создателей квантовой механики Нильс Бор: «Как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Обоснование этого состоит просто в констатации точного значения слова «эксперимент». Словом «эксперимент» мы указываем на такую ситуацию, когда мы можем сообщать другим, что именно мы сделали и что именно мы узнали. Поэтому экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики».

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу многих технических достижений. На ее фундаменте формировались естественнонаучные методы исследований в различных отраслях естествознания.

В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики - фундаментальные законы классической механики.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела т и силы F. Ускорение характеризует быстроту изменения скорости движения тела. Масса - одна из основных характеристик материальных объектов, определяющая их инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая, или гравитационная, масса) свойства. Сила - это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела): .

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, поскольку именно он утверждает существование инерциальных систем отсчета.

Взаимодействие между материальными точками (телами) определяется третьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки: .

Здесь F 12 - сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F 21 - сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.

Четвертый закон , сформулированный Ньютоном – это закон всемирного тяготения.

Логическая цепочка этого открытия может быть выстроена следующим образом. Размышляя о движении Луны, Ньютон сделал вывод, что она на орбите удерживается той же силой, под действием которой камень падает на землю, т.е. силой тяготения: «Луна тяготеет к Земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите». Используя формулу своего современника Гюйгенса для центростремительного ускорения и астрономические данные, он нашел, что центростремительное ускорение Луны в 3600 раз меньше ускорения падения камня на Землю. Поскольку расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то можно предположить, что сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния. Затем, на основе законов Кеплера, описывающих движение планет, Ньютон распространяет этот вывод на все планеты. («Силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его »).

Наконец, высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты», установив экспериментально пропорциональность массы тела и его веса (силы тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел. Так был установлен знаменитый закон всемирного тяготения, который записывается в виде:

где γ - гравитационная постоянная, впервые определенная экспериментально в 1798 г. Г. Кавендишем. По современным данным γ = 6,67*10 -11 Н×м 2 /кг 2 .

Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации , т.е. определяет силу тяготения между материальными телами.

Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики - от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата - дифференциального и интегрального исчисления, широко применяемого в настоящее время для решения различных задач естествознания.

Классическая механика и лапласовский детерминизм. Причинное объяснение многих физических явлений в конце XVIII - начале XIX в. привело к абсолютизации классической механики. Возникло философское учение - механистический детерминизм, - основанное П. Лапласом, французским математиком, физиком и философом. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма - уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть познанная и еще непознанная разумом необходимость. Суть его можно понять из высказывания Лапласа: «Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными... Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами... Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением». С этими словами перекликается убеждение А. Пуанкаре: «Наука детерминистична, она является таковой a priori [изначально], она постулирует детерминизм, так как она без него не могла бы существовать. Она является таковой и а posteriori [из опыта]: если она постулировала его с самого начала как необходимое условие своего существования, то она затем строго доказывает его своим существованием, и каждая из ее побед является победой детерминизма».

Дальнейшее развитие физики показало, что для некоторых природных процессов трудно определить причину. Например, радиоактивный распад происходит случайно. Подобные процессы объективно случайны, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, что свидетельствует об ограниченности классического принципа - лапласовского детерминизма. Абсолютно точное описание всего прошедшего и предсказание будущего для колоссального разнообразия материальных объектов, явлений и процессов - задача сложная и лишенная объективной необходимости. Даже для самого простейшего объекта - материальной точки - из-за конечной точности измерительных приборов абсолютно точное предсказание также нереально.

Методы эмпирического и теоретического познания схематично представлены на рис.4.

Рис.4. Методы эмпирического и теоретического познания

Наблюдение - целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений. Научные наблюдения проводятся для сбора фактов, укрепляющих или опровергающих ту или иную гипотезу и являющихся основой для определенных теоретических обобщений.

Эксперимент - способ исследования, отличающийся от наблюдения активным характером. Это наблюдение в специальных контролируемых условиях.

Измерение - это материальный процесс сравнения какой-либо величины с эталоном, единицей измерения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к эталону, называется числовым значением этой величины.

4. Механика ньютона. Детерминизм лапласа

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу многих технических достижений. На ее фундаменте формировались естественнонаучные методы исследований в различных отраслях естествознания.

В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики - фундаментальные законы классической механики.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела т и силыF.Ускорение характеризует быстроту изменения скорости движения тела.Масса - одна из основных характеристик материальных объектов, определяющая их инерционные(инертная масса) и гравитационные(тяжелая, илигравитационная, масса) свойства.Сила - это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела):
.

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, поскольку именно он утверждает существование инерциальных систем отсчета.

Взаимодействие между материальными точками (телами) определяется третьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:
.

Здесь F 12 - сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй;F 21 - сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.

Четвертый закон , сформулированный Ньютоном – это закон всемирного тяготения.

Логическая цепочка этого открытия может быть выстроена следующим образом. Размышляя о движении Луны, Ньютон сделал вывод, что она на орбите удерживается той же силой, под действием которой камень падает на землю, т.е. силой тяготения: «Луна тяготеет к Земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите». Используя формулу своего современника Гюйгенса для центростремительного ускорения и астрономические данные, он нашел, что центростремительное ускорение Луны в 3600 раз меньше ускорения падения камня на Землю. Поскольку расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то можно предположить, что сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния. Затем, на основе законов Кеплера, описывающих движение планет, Ньютон распространяет этот вывод на все планеты. («Силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его »).

Наконец, высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты», установив экспериментально пропорциональность массы тела и его веса (силы тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел. Так был установлен знаменитый закон всемирного тяготения, который записывается в виде:

,

где γ - гравитационная постоянная, впервые определенная экспериментально в 1798 г. Г. Кавендишем. По современным данным γ = 6,67*10 -11 Н×м 2 /кг 2 .

Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации , т.е. определяет силу тяготения между материальными телами.

Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики - от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата - дифференциального и интегрального исчисления, широко применяемого в настоящее время для решения различных задач естествознания.

Классическая механика и лапласовский детерминизм. Причинное объяснение многих физических явлений в концеXVIII- началеXIXв. привело к абсолютизации классической механики. Возникло философское учение -механистический детерминизм, - основанное П. Лапласом, французским математиком, физиком и философом.Лапласовский детерминизм выражает идеюабсолютного детерминизма - уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть познанная и еще непознанная разумом необходимость. Суть его можно понять из высказывания Лапласа: «Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными... Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами... Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением». С этими словами перекликается убеждение А. Пуанкаре: «Наука детерминистична, она является таковойapriori[изначально], она постулирует детерминизм, так как она без него не могла бы существовать. Она является таковой и аposteriori[из опыта]: если она постулировала его с самого начала как необходимое условие своего существования, то она затем строго доказывает его своим существованием, и каждая из ее побед является победой детерминизма».

Дальнейшее развитие физики показало, что для некоторых природных процессов трудно определить причину. Например, радиоактивный распад происходит случайно. Подобные процессы объективно случайны, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, что свидетельствует об ограниченности классического принципа - лапласовского детерминизма. Абсолютно точное описание всего прошедшего и предсказание будущего для колоссального разнообразия материальных объектов, явлений и процессов - задача сложная и лишенная объективной необходимости. Даже для самого простейшего объекта - материальной точки - из-за конечной точности измерительных приборов абсолютно точное предсказание также нереально.

Благодаря целеустремлённой работе ученых естествоиспытателей наука была поставлена на такую степень развития, что, казалось бы, ничто не способно устоять перед строгой определённостью её законов. Так, Пьер Лаплас, живший в XIX в., выразил взгляд на Вселенную, как на полностью детерминированный объект: «ничто не будет неопределенным, и будущее, как прошлое, будет представлено перед глазами». К примеру, если мы знаем точное положение планет и Солнца в данный момент, то по законам притяжения можем точно вычислить, в каком состоянии будет находиться Солнечная система в любой другой момент времени. Но Лаплас хотел увидеть в детерминизме законов Вселенной ещё больше: он утверждал, что существуют аналогичные законы для всего, в том числе и для человека. Эта доктрина детерминизма была в корне разрушена квантовой теорией.

Сравним, чем отличается классическая механика от квантовой. Пусть имеется система частиц. В классической механике состояние системы в каждый момент времени определяется значением координат и импульсов всех частиц. Все другие физические параметры, как-то: энергия, температура, масса и т.п., могут быть определены из координат и импульсов частиц системы. Детерминизм классической механики заключается в том, что «будущее состояние системы полностью и единственным образом определены, если задано её начальное состояние».

Несомненно, в любом эксперименте измерения могут иметь некоторую неточность, неопределённость, и, в зависимости от рассматриваемой физической системы её будущее может оказаться либо чувствительным, либо нечувствительным к этой неопределённости. «Но в принципе (выделено нами – В. Р.) не существует какого-либо предела на точность, которой мы не могли бы достичь, – утверждает Сэм Трейман. – Поэтому в принципе,… нет препятствий для предугадывания будущего развития».

В квантовой механике также существует понятие «состояние системы». Как и в классической механике, система, согласно законам, «…развивается в такие состояния, которые полностью определены, если задано начальное состояние в некоторый начальный момент». Поэтому и здесь настоящее определяет будущее. Но «квантовые состояния не точно задают координаты и импульсы частиц; они определяют только вероятность (выделено нами – В. Р.)». Случайность в квантовой механике, – считает В. П Демуцкий, – это один из её постулатов.

Неизбежность вероятностного описания физической системы в квантовой механике поясняет Иоганн фон Нейман: «… никакое повторение последовательных измерений не может привнести причинный порядок…, ибо атомные явления лежат на краю физического мира, где любое измерение вносит изменение того же порядка, что и сам измеряемый объект, так что последний изменяется существенным образом, в основном из-за соотношений неопределённости».

На квантовом уровне определяющее значение носит «размытость» сопряженных характеристик, выраженная принципом неопределённости Гейзенберга: точность измерения координат и импульсов системы не может быть выше постоянной Планка, минимального кванта действия.

Согласно этому положению никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению координат и импульса частицы. Эта неопределённость связана не с несовершенством измерительной системы, а с объективными свойствами микромира. Если мы определяем точно координату частицы, то значение её импульса «размывается» и становится тем более неопределённым, чем точнее определяется координата. Поэтому в квантовой механике исчезает классическое понимание траектории частицы. «В квантовой физике частицы двигаются по загадочным траекториям, простирающимся вдоль волноподобных путей. Одиночный электрон может быть везде в пределах волнового образца». К примеру, электрон может оставить фотографию своей траектории, но при этом может не иметь строгой траектории. В связи с рассмотрением траекторий атомных объектов удивительным представляется понимание траектории, предложенное Фейнманом. Согласно его модели, «вероятность перемещения частицы из точки А в точку В равна сумме вероятностей её движения по всем возможным траекториям, соединяющим эти точки». Следовательно, квантовая теория разрешает частице находиться на любой траектории, соединяющей две точки, а поэтому невозможно точно сказать, где окажется частица в определенный момент.

Итак, если классическая физика считала неточность следствием несовершенства технологий и неполнотой человеческого знания, то квантовая теория говорит о принципиальной невозможности точных измерений на атомном уровне. Нильс Бор считал, что «неопределённость есть не результат временного незнания, разрешимого при дальнейшем исследовании, но фундаментальный и неизбежный предел человеческого знания».

Принцип дополнительности

Нильс Бор предложил принцип дополнительности, согласно которому, «мы не можем ничего сказать о квантовом мире, что бы было подобно действительности; взамен мы признаем достоверность альтернативных и взаимно исключающих методов». Представление об атомном мире, по сравнению с представлением Аристотеля (мир, как организм) и классической физикой (мир есть машина), не изобразимо. Классическая физика допускала, что существует объективный мир, который мы можно исследовать и измерять без существенного его изменения. Но на квантовом уровне оказывается невозможным исследовать реальность, не изменяя её. Это относится, например, к координате и импульсу. «Знание положения частицы, - писал В. Гейзенберг, - дополнительно к знанию её скорости или импульса». Мы не можем определить дополнительную величину (напр. скорость) с точностью первой (координаты).

Обобщая этот принцип на живые организмы, Бор считал, что «наше знание о том, что клетка живет, возможно, является чем-то дополнительным по отношению к полному знанию её молекулярной структуры». Если полное знание структуры клетки, которое может быть достигнуто лишь благодаря вмешательству, уничтожает жизнь клетки, то, заключает Бор, «логически возможно, что жизнь исключает полное установление лежащих в ее основе физико-химических структур». На этом основании химические связи молекул являются дополнительными для физических законов, биологические – для химических, социальные – для биологических, социальные – для душевных, и т.д.

Таким образом, предложенный Бором принцип дополнительности разрушает позиции детерминизма, о чем более подробно будет сказано ниже.