Статистические и динамические закономерности в природе

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский  Государственный Университет

Кафедра физической химии 
 
 
 
 

Реферат 

по курсу: Концепции современного естествознания

на тему:

«Статистические и динамические закономерности в  природе» 
 
 
 
 
 
 
 

Челябинск 2007 
Аннотация 
 
 
 
 
 

   В первой главе рассмотрен детерминизм  процессов природы. Во второй главе  рассмотрены фундаментальные физические законы. В третье главе рассмотрены динамические и статистические законы, их взаимосвязь. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Содержание 

Введение……………………………………………………………...…4

Глава 1. Детерминизм процессов природы……………………...…6

Глава 2. Фундаментальные  физические законы……………………...…8

2.1. Законы сохранения  физических величин…………………..…8

2.2. Закон сохранения  массы……………………………………..…10

2.3. Закон сохранения  импульса……………………………………12

2.4. Закон сохранения  заряда…………………………………….…13

2.5. Закон сохранения  энергии в механических  процессах……...14

Глава 3. Динамические и статистические законы……………...…16

3.1. Особенности описания  состояний в статистических теория..…………………………………………………………………17

3.2 Энтропия………………………………………………………..…20

3.3. Взаимосвязь динамических  и статистических закономерностей…………………………………………………...…22

Заключение……………………………………………………………26

Список  литературы………………………………………………..…28

 

Введение

   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 придавались в качестве удобных вспомогательных средств исследования, дающих возможность представить в компактной 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, с чем вряд ли можно согласиться.

   Отношение к статистическим законам принципиально  изменилось после открытия законов  квантовой механики предсказания которых  имеют существенно вероятностный характер.

   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 XIX в.), классическая термодинамика (XIX в.), 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 получается столетием динамических теорий; XX столетие — столетием статистических теорий. Значит, динамические теории соответствовали первому этапу в процессе познания природы человеком, тогда как на следующем этапе главную роль стали играть статистические теории.

 

   Глава 1. Детерминизм процессов природы

   Детерминизм в современной науке определяется как 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.

   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.

   Рассматривая  проблему соотношения между динамическими и статистическими закономерностями, современная наука исходит из концепции примата статистических закономерностей. Не только динамические, но и статистические законы выражают объективные причинно-следственные связи. Более того, именно статистические закономерности являются фундаментальными, более глубокими по сравнению с динамическими закономерностями, они ярче выражают указанные связи.

   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. Данная закономерность имеет место лишь в массе хаотически перемещающихся молекул, составляющих тот или иной объем газа. 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. Динамические теории не противостоят статистическим, а включаются в рамки последних как предельный случай. Это хорошо видно на примере классической механики, которую можно рассматривать как предельный случай квантовой механики.

   Таким образом, согласно современной научной  концепции, можно говорить о всеобщности, универсальности вероятностного подхода. Это означает, в частности, что деление фундаментальных теорий на динамические и статистические является, строго говоря, 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.

   Методологические  вопросы современной физики органически связаны с вопросами материалистической диалектики. Развитие современной физики основано на диалектике необходимого и случайного, сохранения и изменения, единичного и общего и т. д. Современная физика пришла к выводу о фундаментальности вероятностных закономерностей. Наука 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 статистически 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. 
 

   Глава 2. Фундаментальные физические законы

   2.1. Законы сохранения  физических величин

   Законы  сохранения физических величин — это утверждения, согласно которым численные значения этих величин не меняются со временем в любых процессах или классах процессов. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.

   Идея  сохранения появилась сначала как  чисто философская догадка о наличии неизменного (стабильного) в вечно меняющемся мире. Еще античные философы-материалисты пришли к понятию материи как неуничтожимой и несотворимой основы всего сущего. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важном ее свойстве. С появлением математической формулировки механики на этой основе появились законы сохранения.

   Законы  сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина. Если известны свойства симметрии системы, как правило, можно найти для нее закон сохранения и наоборот.

   Таким образом, законы сохранения:

1. Представляют наиболее общую форму детерминизма.
2. Подтверждают структурное единство материального мира.
3. Позволяют сделать заключение о характере поведения системы.

   4.  Обнаруживают существование глубокой  связи между разнообразными формами  движения материи. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются:

• закон сохранения и превращения энергии;
• закон сохранения импульса;
• закон сохранения электрического заряда;
• закон сохранения массы.

   Кроме всеобщих существуют законы сохранения, справедливые лишь для ограниченного класса систем и явлений. Так, например, существуют законы сохранения, действующие только в микромире. Это:

• закон сохранения барионного или ядерного заряда;
• закон сохранения лептонного заряда;
• закон сохранения изотопического спина;
• закон сохранения странности.

   В современной физике обнаружена определенная иерархия законов сохранения и принципов  симметрии. Одни из этих принципов выполняются  при любых взаимодействиях, другие же — только при сильных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних принципах симметрии, которые действуют в микромире.

   Рассмотрим  важнейшие законы сохранения.

   2.2. Закон сохранения массы

   Бесконечно  разнообразны превращения, изменения  вещества в природе. Исследователей волновал вопрос: сохраняется ли вещество при этих изменениях? Каждому из нас приходилось наблюдать, как со временем изнашивается, уменьшается в размерах любая вещь, даже стальная. Но значит ли это, что мельчайшие частички металла исчезают бесследно? Нет, они только теряются, разлетаются в разные стороны, выбрасываются с сором, улетают, создавая пыль.

   В природе происходят и иные превращения. Вы, например, курите сигарету. Проходит несколько минут — и от табака ничего не остается, не считая маленькой кучки пепла и легкого голубоватого дыма, рассеявшегося в воздухе. Или, например, горит свеча. Постепенно она становится все меньше и меньше. Здесь не остается даже пепла. Сгорая без остатка, свеча и то, из чего она состоит, испытывают химическое превращение вещества. Частицы табака и свеча не разлетаются в стороны не теряются постепенно в разных местах. Они сгорают и внешне пропадают бесследно.

   Наблюдая  природу, люди давно обратили внимание и на другие явления, когда вещество как бы возникает из «ничего». Так, например, из маленького семени вырастает в цветочном горшке большое растение, а вес земли, заключенной в горшке, остается почти прежним. Может ли в действительности что-то существующее в мире исчезнуть или, наоборот, появиться из ничего? Иными словами — уничтожима или неуничтожима материя, из которой строится все многообразие нашего мира?