Необходимость и случайность в природе

     3. Статистические законы  и теории вероятностный  детерминизм 

     Описанные выше динамические законы имеют универсальный  характер, то есть они относятся  ко всем без исключения изучаемым  объектам. Отличительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер. 
Наряду с ними в естествознании в середине прошлого века были сформулированы законы, предсказания которых являются не определенными, а только вероятными. Свое название эти законы получили от характера той информации, которая была использована для их формулировки. Вероятностными они назывались потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Поскольку сама информация при этом носит статистический характер, часто такие законы называются также статистическими, и это их название получило в естествознании значительно большее распространение. 
Представления о закономерностях особого типа, в которых связи между величинами, входящими в теорию, неоднозначны, впервые ввел Максвелл в 1859 г. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Для этого Максвелл ввел в физику понятие вероятности, выработанное ранее математиками при анализе случайных явлений, в частности азартных игр. 
Многочисленные физические и химические опыты показали, что в принципе невозможно не только проследить изменения импульса или положения одной молекулы на протяжении большого интервала времени, но и точно определить импульсы и координаты всех молекул газа или другого макроскопического тела в данный момент времени. Ведь число молекул или атомов в макроскопическом теле имеет порядок 1023. Из макроскопических условий, в которых находится газ (определенная температура, объем, давление и т.д.), не вытекают с необходимостью определенные значения импульсов и координат молекул. Их следует рассматривать как случайные величины, которые в данных макроскопических условиях могут принимать различные значения, подобно тому, как при бросании игральной кости может выпасть любое число очков от 1 до 6. Предсказать, какое число очков выпадет при данном бросании кости, нельзя. Но вероятность выпадения, например, 5, можно подсчитать. 
Эта вероятность имеет объективный характер, так как выражает объективные отношения реальности и ее введение не обусловлено лишь незнанием нами деталей течения объективных процессов [2].

     На  фоне множества случайных событий  обнаруживается определенная закономерность, выражаемая числом. Это число - вероятность  события - позволяет определять статистические средние значения (сумма отдельных  значений всех величин, деленная на их число).

     Несомненно, что поведение газовых молекул  в сосуде гораздо сложнее брошенной  кости. Но и здесь можно обнаружить определенные количественные закономерности, позволяющие вычислить статистические средние значения если только ставить  задачу так же, как в теории игр, а не как в классической механике. Нужно отказаться, например, от неразрешимой задачи определения точного значения импульса молекулы в данный момент, а пытаться найти вероятность определенного значения этого импульса.

     Максвеллу удалось решить эту задачу. Статистический закон распределения молекул по импульсам оказался несложным. Но главная заслуга Максвелла состояла не в решении, а в самой постановке новой проблемы. Он ясно осознал, что случайное в данных макроскопических условиях поведение отдельных молекул подчинено определенному вероятностному (или статистическому) закону.

     После данного Максвеллом толчка молекулярно-кинетическая теория (или статистическая механика, как стали называть ее в дальнейшем) начала стремительно развиваться.

     Статистические  законы и теории имеют следующие характерные черты. 
1. В статистических теориях любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Это означает, что состояние в статистических теориях определяется не значениями физических величин, а статистическими (вероятностными) распределениями этих величин. Это принципиально иная характеристика состояния, чем в динамических теориях, где состояние задается значениями самих физических величин. 
2. В статистических теориях по известному начальному состоянию в качестве результата однозначно определяются не сами значения физических величин, а вероятности этих значений внутри заданных интервалов. Тем самым однозначно определяются средние значения физических величин. Эти средние значения в статистических теориях играют ту же роль, что и сами физические величины в динамических теориях. Нахождение средних значений физических величин - главная задача статистических теории [2].

     Вероятностные характеристики состояния в статистических теориях совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Тем не менее динамические и статистические теории обнаруживают в самом существенном отношении замечательное единство. Эволюция состояния в статистических теориях однозначно определяется уравнениями движения, как и в динамических теориях. По заданному статистическому распределению (по заданной вероятности) в начальный момент времени уравнение движения однозначно определяет статистическое распределение (вероятность) в любой последующий момент времени, если известны энергия взаимодействия частиц друг с другом и с внешними телами. Однозначно определяются соответственно и средние значения всех физических величин. Здесь нет никакого отличия от динамических теорий в отношении однозначности результатов. Ведь статистические теории, как и динамические, выражают необходимые связи в природе, а они вообще не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний [2].

     На  уровне статистических законов и  закономерностей мы также сталкиваемся с причинностью. Но детерминизм в статистических закономерностях представляет более глубокую форму детерминизма в природе. В отличие от жесткого классического детерминизма он может быть назван вероятностным (или современным) детерминизмом.

     Статистические  законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, любой известный на сегодняшний день процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Однозначная связь состояний в статистических теориях говорит об их общности с динамическими теориями. Различие между ними в одном - способе фиксации (описания) состояния системы. Истинное, всеобъемлющее значение вероятностного детерминизма стало очевидным после создания квантовой механики - статистической теории, описывающей явления атомарного масштаба, то есть движение элементарных частиц и состоящих из них систем (другими статистическими теориями являются: статистическая теория неравновесных процессов, электронная теория, квантовая электродинамика). Несмотря на то, что квантовая механика значительно отличается от классических теорий, общая для фундаментальных теорий структура сохраняется и здесь. Физические величины (координаты, импульсы, энергия, момент импульса и т.д.) остаются в общем теми же, что и в классической механике. Основной величиной, характеризующей состояние, является комплексная волновая функция. Зная ее, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения не только координаты, но и любой другой физической величины, а также средние значения всех величин. Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики - уравнение Шредингера - однозначно определяет эволюцию состояния системы во времени. 

     4. Детерминизм Пьера Лапласа (1749–1827) 

     Широко  распространено употребление термина  «детерминизм» для обозначения  одной из исторических форм детерминизма – лапласовского детерминизма, в  котором детерминированность явлений отождествляется с их однозначной предсказуемостью. (Соответственно те философы, которые отрицают лапласовский детерминизм, должны именоваться «индетерминистами», хотя отрицание лапласовского детерминизма не связано однозначно с отрицанием принципа всеобщей обусловленности, причинности, закономерности и, следовательно, не обязательно ведет к доктрине философского индетерминизма) [5].

     Лапласу удалось решить проблему нестабильности мироздания, не прибегнув при этом к идее Творца, поддерживающего его  устойчивое состояние, как это делал за 100 лет до него И. Ньютон. Во Вселенной, где безраздельно царил не Бог, а закон всемирного тяготения, все было устроено единообразно и сводилось к механическим взаимодействиям под воздействием тяготения. В ней не оставалось ничего случайного, незакономерного, необъяснимого на основе механики и математики. В своих «Опытах философии теории вероятности» он написал: «Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, и относительное положение всех ее составных частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить эти данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов: не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее так же, как и прошедшее, предстало бы перед его взором» [5].

     Термином  «детерминизм» обозначают представления  о взаимной связи и обусловленности  явлений, характерной чертой которого служит непризнание случайности. В  вышеприведенных словах французского ученого философы и историки науки видят одно из ярчайших выражений жесткого детерминизма, который в честь него принято также называть «лапласовским». В основе жесткого детерминизма лежат представления о линейном, однозначном характере причинно-следственных связей. Их можно выразить следующими 3-мя положениями.

     1. Причиной становятся внешние  воздействия на объект, в результате  чего происходит событие-следствие.

     2. Причина вызывает одно следствие,  каждое событие-следствие имеет  свою причину, строго одну. А то событие-причина также имеет свою собственную причину. Причины и следствия выстраиваются в линии, или цепочки, которые либо бесконечны, либо имеют начало – первопричину.

     3. Причина с необходимостью порождает  следствие, которое просто не может не наступить, если причина наличествует.

     Подобные  представления о причинности  были чреваты фатализмом, потому что  каждое событие имеет свою причину  и, значит, не могло не наступить, а  за той причиной скрывается другая, ее вызвавшая, и т д., поэтому в мире, по сути, все предрешено, но не Богом, а естественным ходом событий.

     Линейно-однозначная  концепция причинности очень  древняя, она берет начало еще  в античном атомизме. Однако эпохой ее подлинного торжества становится Новое время, когда данные представления о причинности превращаются в один из краеугольных камней философско-методологического основания естествознания – классической механики. Они сохраняют свое влияние и в XIX и даже в XX столетии, невзирая на все усиливающуюся критику в философии и науке и несмотря на возникновение иной вероятностной концепции причинности.

     Объясняется это, в частности, наглядностью линейно-однозначной  причинности, ее соответствием житейскому опыту. Отсюда и популярность рассуждений  в духе лапласовского детерминизма в художественной литературе.

     Линейно-однозначная  причинность может существовать только тогда, когда речь идет о простых  объектах и простых механических взаимодействиях. Но когда наука  стала изучать сложные системы  – физические, биологические, социальные, когда с переходом к изучению микромира была утрачена наглядность причинения, линейно-однозначное понимание причинности оказалось полностью несостоятельным и было вытеснено новым – вероятностным. Согласно ему, причину события нужно искать не только вовне, но и внутри объекта (точнее субъекта?). Одна причина вызывает множество разных следствий, и каждое следствие вызывается множеством разных причин. Причинно-следственные связи образуют не линейные цепочки, а ветвящиеся деревья. Наконец, причина не вызывает следствие с необходимостью, а лишь создает некоторую вероятность его наступления. Так что на самом деле Аннушка, разлив масло, создала лишь небольшую вероятность смерти Берлиоза, и если уж ему и суждено было лишиться головы, то уж никак не в результате действия естественных причин [5]. 

     5. Соотношение динамических и статистических законов 

     Сразу же после появления в физике понятия  статистического закона возникла проблема существования статистических закономерностей  и их соотношения с динамическими  законами. С развитием науки подход к этой проблеме и даже ее постановка менялись. Первоначально основным в проблеме соотношения был вопрос об обосновании классической статистической механики на базе динамических законов Ньютона. Исследователи пытались выяснить, как статистическая механика, существенной чертой которой является вероятностный характер предсказания значений физических величин, должна относиться к законам Ньютона с их однозначными связями между значениями всех величин.

     Статистические  законы, как новый тип описания закономерностей, были первоначально сформулированы на основе динамических уравнений классической механики. Длительное время динамические законы считались основным, первичным типом отображения физических закономерностей, а статистические законы рассматривались в значительной мере как следствие ограниченности наших способностей к познанию.

     Но  сегодня известно, что закономерности поведения объектов микромира и  законы квантовой механики являются статистическими. Именно тогда вопрос был поставлен так: является ли статистическое описание микропроцессов единственно возможным или же существуют динамические законы, более глубоко определяющие движение элементарных частиц, но скрытые под покровом статистических законов квантовой механики?

     Возникновение и развитие квантовой теории постепенно привело к пересмотру представлений о роли динамических и статистических законов в отображении закономерностей природы. Был обнаружен статистический характер поведения отдельных элементарных частиц. При этом за описывающими это поведение законами квантовой механики не было обнаружено никаких динамических законов. Поэтому крупнейшими учеными, такими, как Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн, П. Ланжевен и другими, был выдвинут тезис о первичности статистических законов. Правда, принятие в тот момент этого тезиса было затруднено из-за того, что некоторые из вышеназванных ученых связывали положение о первичности статистических законов с индетерминизмом. Поскольку привычная модель детерминизма в микромире была недостижима, они делали вывод об отсутствии в микромире причинности вообще. 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. 
Когда стало очевидно, что нельзя отрицать роль статистических законов в описании физических явлений (все экспериментальные данные полностью соответствовали теоретическим расчетам, основанным на подсчетах вероятностей), была выдвинута теория «равноправия» статистических и динамических законов. Те и другие законы рассматривались как законы равноправные, но относящиеся к различным явлениям, имеющие каждый свою сферу применения, не сводимые друг к другу, но взаимно дополняющие друг друга.