Зміст
Введення
1 Детермінізм процесів у природі
2 Термодинаміка і концепція незворотності
3 Проблема «теплової смерті Всесвіту»
Висновок
Список використаних джерел та літератури
Введення
Мета даної роботи - розгляд характеру фізичних законів.
Виходячи з поставленої мети, можна сформувати наступні завдання роботи:
1. Розгляд детермінізму процесів у природі.
2. Огляд термодинаміки і концепції незворотності.
3. Виявлення проблеми «теплової смерті Всесвіту».
Актуальність обраної теми полягає в тому, що сучасна фізика вивчає величезну кількість різних процесів у природі. Не всі з них піддаються вивченню і поясненню. Безумовно багато людині ще не відомо, коли буде відоме то може бути не пояснено зараз. Тим не менш наука йде вперед і загальні (класичні) концепції існування природи відомі вже зараз.
Процеси, які відбуваються навколо нас, не завжди піддаються точному поясненню. Якраз на цьому етапі перед людиною і постала проблема створення таких моделей і методів пізнання, які б змогли пояснити непізнане.
У даній роботі мова піде про динамічних і статистичних законах, на яких сьогодні і тримається сучасна картина світу. Такий поділ законів ще раз підтверджує, що непізнане, не точно обчислювана і пояснюване поступово стає реальністю за допомогою нових концепцій. Поява статистичних методів у пізнанні, а також розвиток теорії ймовірностей ¾ ось нова зброя сучасних вчених.
1 Детермінізм процесів природи
Детермінізм у сучасній науці - це вчення про загальну, закономірного зв'язку явищ і процесів навколишнього світу. Наявність таких зв'язків є доказом матеріальної єдності світу та існування в світі спільних закономірностей. Дуже часто детермінізм ототожнюється з причинністю, але такий погляд не можна вважати правильним хоча б тому, що причинність виступає як одна з форм прояву детермінізму.
Закони, з якими має справу класична механіка, мають універсальний характер, тобто вони відносяться до всіх без винятку досліджуваних об'єктів природи. Відмітна особливість такого роду законів полягає в тому, що передбачення, отримані на їх основі, мають достовірний і однозначний характер. Найбільш яскраво вони проявилися після того як на основі закону всесвітнього тяжіння, викладеного І. Ньютоном в 1671 р. в «Математичних засадах натуральної філософії» і законів механіки виникла небесна механіка. На основі законів небесної механіки були обчислені відхилення в русі Урана, викликані возмущающим впливом невідомої тоді планети. Визначивши величину обурення, незалежно один від одного за законами механіки положення невідомої планети розрахували Д. Адамc і У. Левер. Всього на кутовій відстані в 1 ° від розрахованого ними положення І. Галле виявив планету Нептун. Відкриття Нептуна, зроблене на кінчику пера, як зазначив Ф. Енгельс, блискуче підтвердило справедливість законів небесної механіки і наявність у природі однозначних причинних зв'язків. Це дозволило французькому механіку П. Лапласа сказати: дайте мені початкові умови, і я, з допомогою законів механіки, передбачу подальший розвиток подій. Це увійшло в історію як лапласовий, або механістичний детермінізм, який допускає однозначні причинні зв'язки в явищах природи.
Поряд з ними в науці з середини XIX століття стали все ширше застосовуватися закони іншого типу. Їх передбачення не є однозначними, а є тільки імовірнісними. Імовірнісними вони називаються тому, що висновки, засновані на них, не варто логічно з наявної інформації, а тому не є достовірними і однозначними. Інформація при цьому носить статистичний характер, закони, які виражають ці процеси, називають статистичними законами, і цей термін отримав в науці великого поширення.
У класичній науці статистичні закони не визнавали справжніми законами, так як вчені в минулому припускали, що за ними мають стояти такі ж універсальні закони, як закон всесвітнього тяжіння Ньютона, який вважався зразком детерміністичного закону, оскільки він забезпечує точні і достовірні прогнози припливів і відливів, сонячних і місячних затемнень і інших явищ природи. Статистичні ж закони визнавалися як зручних допоміжних засобів дослідження, що дають можливість уявити в компактній і зручній формі всю наявну інформацію про який-небудь предмет дослідження. Справжніми законами вважалися саме детерміністичні закони, які забезпечують точні і достовірні прогнози. Ця термінологія збереглася до нашого часу, коли статистичні, або імовірнісні, закони кваліфікуються як індетерміністіческіе.
Ставлення до статистичним законам принципово змінилося після відкриття законів квантової механіки, передбачення яких мають істотно імовірнісний характер.
Таким чином, історично детермінізм виступає в двох наступних формах:
1. Лапласовий (механістичний) детермінізм, в основі якого лежать універсальні закони класичної фізики.
2. Імовірнісний детермінізм, що спирається на статистичні закони і закони квантової фізики.
У динамічних теоріях явища природи підпорядковуються однозначним (динамічним) закономірностям, а статистичні теорії грунтуються на поясненні процесів імовірнісними (статистичними) закономірностями. До динамічних теорій відносяться класична механіка (створена в XVII-XVIII ст.), Механіка суцільних середовищ, тобто гідродинаміка (XVIII ст.), Теорія пружності (початок ХГХ ст.), Класична термодинаміка (XIX а), електродинаміка (XIX в.), спеціальна і загальна теорія відносності (початок XX ст). До статистичним теорій відносяться статистична механіка (друга половина XIX ст.), Мікроскопічна електродинаміка (початок XX ст.), Квантова механіка (перша третина XX ст.). Таким чином, XIX століття є століттям динамічних теорій; XX сторіччя - сторіччям статистичних теорій.
У сучасній концепції детермінізму органічно поєднуються необхідність і випадковість. Визнання самостійності статистичних, або імовірнісних, законів, що відображають існування випадкових подій у світі, доповнює попередню картину суворо детерміністичного світу. У результаті в новій сучасній картині світу необхідність і випадковість виступають як взаємопов'язані і доповнюють один одного аспекти пояснення навколишнього світу.
Сучасну концепцію детермінізму можна сформулювати наступним чином: динамічні закони являють собою перший, нижчий етап у процесі пізнання навколишнього світу; статистичні ж закони досконаліше відображають об'єктивні зв'язки в природі: вони є наступним, більш високим етапом пізнання.
Як приклад динамічних законів можна назвати закон Ома, що виражає залежність опору від його складу, площі поперечного перерізу і довжини. Цей закон охоплює безліч різних провідників і діє в кожному окремому провіднику, що входить до цього безліч.
Статистичний характер має, наприклад, взаємозв'язок змін тиску газу і його обсягу при постійній температурі, виявлена Бойл і Маріотт. Статистичними є закони квантової механіки, що стосуються руху мікрочастинок; вони не в змозі визначити рух кожної окремої частки, але визначають рух групи, того чи іншого множини.
На відміну від динамічних законів, статистичні закони не дозволяють точно передбачити настання або ненастання того чи іншого конкретного явища, напрям і характер зміни тих чи інших його характеристик. На основі статистичних закономірностей можна визначити лише ступінь ймовірності виникнення або зміни відповідного явища.
Однак поділ фундаментальних теорій на динамічні та статистичні є умовним. Фактично всі фундаментальні теорії повинні розглядатися як статистичні. Наприклад, класичну механіку з повною підставою слід вважати статистичною теорією, так як лежить у її основі принцип найменшої дії має імовірнісну природу, тому що, згідно з принципом мінімуму енергії, стан з найменшою енергією виявляється найбільш імовірним.
Фізика розглядає два основних типи причинно-наслідкових зв'язків і відповідно два типи закономірностей-динамічні та статистичні. Вивчення історії виникнення фундаментальних фізичних теорій дозволяє зробити висновок, що динамічні теорії відповідали першого етапу в процесі пізнання природи людиною, тоді як на наступному етапі головну роль стали грати статистичні теорії. Найбільш яскраво поєднання цих концепцій детермінізму у пізнанні природних явищ виявилося при вивченні термодинамічних процесів і явищ. Розглянемо основні концепції цих методів у застосуванні до термодинаміки.
2 Термодинаміка і концепція незворотності
Історія відкриття закону збереження і перетворення енергії призвела до вивчення теплових явищ у двох напрямках: термодинамічній, що вивчає теплові процеси без урахування молекулярної будови речовини, і молекулярно-кінетичному, що досліджує теплові явища як результат спільної дії величезної сукупності рухомих частинок, з яких складається речовина. Термодинаміка виникла з узагальнення численних фактів, що описують явища передачі, поширення та перетворення тепла. Молекулярно-кінетичне напрямок характеризується розглядом різних макропроявленій систем як результат сумарного дії величезної сукупності хаотично рухаються молекул. При цьому молекулярно-кінетична теорія використовує статистичний метод, цікавлячись не рухом окремих молекул, а тільки середніми величинами, які характеризують рух величезної сукупності частинок. Звідси інша її назва - статистична фізика. Оформившись до середини XX ст., Обидва ці напрямки підходять до розгляду вивчення стану речовини з різних точок зору і доповнюють один одного, утворюючи одне ціле.
Робота Д. Джоуля, Ю. Майера та інших встановили так зване перше початок термодинаміки. Р. Клаузіус першим висловив думку про еквівалентність роботи і кількості теплоти як про перший початку термодинаміки. Будь-яке тіло має внутрішню енергію, яку Клаузіус назвав «теплом містяться в тілі» (U) на відміну від «тепла, повідомленого тіла» (Q). Величину U можна збільшити двома еквівалентними способами - зробивши над тілом механічну роботу (А) або повідомляючи йому кількість теплоти (Q).
Загальновизнаним є той факт, що поширення тепла являє собою незворотний процес і тепло передається від гарячого тіла до холодного, а не навпаки. Важливою концепцією термодинаміки є те, що Клаузіус визначив, що при роботі теплової машини не вся кількість теплоти, взяте у нагрівача, передається холодильника. Частина цієї теплоти перетворюється на роботу, чинену машиною. Клаузіус показав, що пояснення перетворення теплоти в роботу грунтується ще на одному принципі, сформульованому С. Карно, що стверджують, що в будь-якому безперервному процесі перетворення теплоти від гарячого нагрівача в роботу неодмінно повинна відбуватися віддача теплоти холодильника. Чинена при цьому теплова робота (А) оцінюється коефіцієнтом корисної дії (η) наступним чином: η = A/Q1, де Q - кількість теплоти, передане нагріванням. Максимальний коефіцієнт корисної дії має ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно, коефіцієнт корисної дії якої визначається як
η = (Т1 - Т2) / Т1,
де Т1 - абсолютна температура нагрівача; Т2 - абсолютна температура холодильника.
Таким чином, має місце загальна властивість теплоти, що полягає в тому, що теплота «завжди виявляє тенденцію до зрівнювання температурної різниці шляхом переходу від теплих тіл до холодних». Це положення Клаузіус запропонував назвати «другим основним положенням механічної теорії теплоти», і в сучасну науку воно увійшло як другий початок термодинаміки.
Всі ці численні факти і знайшли своє узагальнення та теоретичне пояснення в законах класичної термодинаміки:
1. Якщо до системи підводити тепло Q і над нею робити роботу А, то енергія системи зростає до величини U: U = Q + А. Цю енергію U називають внутрішньою енергією системи.
2. Неможливо здійснити процес, єдиним результатом якого було б перетворення тепла в роботу при постійній температурі, тобто тепло не може перетекти мимовільно від холодного тіла до гарячого.
У першому законі мова йде про збереження енергії, по-другому-про неможливість проведення робіт виключно за рахунок вилучення тепла з одного резервуара при постійній температурі, тобто про направлення теплових процесів у природі.
У 1865 р. німецький фізик Рудольф Клаузіус для формулювання другого закону термодинаміки ввів нове поняття - «ентропія» (від грец. Entropia - поворот, перетворення). Клаузіус розрахував, що існує деяка величина S, яка подібно енергії, тиску, температурі характеризує стан газу. Коли до газу підводиться деяку кількість теплоти, AQ, то ентропія S зростає на величину, рівну AS = AQ / T.
Протягом тривалого часу вчені не робили відмінностей між теплотою і температурою. Проте ряд явищ вказував на те, що ці поняття слід розрізняти. Наприклад, при плавленні кристалічного тіла теплота витрачається, а температура тіла не змінюється в процесі плавлення. Після введення Клаузіусом поняття ентропії стало зрозуміло, де пролягає межа чіткого відмінності таких понять, як теплота і температура. Справа в тому, що не можна говорити про якийсь кількості теплоти, укладеному в тілі. Це поняття не має сенсу. Теплота може передаватися від тіла до тіла, переходити в роботу, виникати при терті, але при цьому вона не є зберігається величиною. Тому теплота визначається у фізиці не як вид енергії, а як міра зміни енергії. У той же час введена Клаузіусом ентропія, як і температура, виявилася величиною, що зберігається в оборотних процесах; це означає, що ентропія системи може розглядатися як функція стану системи, бо зміна її не залежить від виду процесу, а визначається тільки початковим і кінцевим станом системи .
Було також показано, що зміна ентропії в разі оборотних процесів не відбувається, тобто AS = 0. Значить, ентропія ізольованої системи у разі оборотних процесів постійна. При необоротних процесах отримуємо закон зростання ентропії: ΔS> 0.
3 Проблема «теплової смерті Всесвіту»
Класична термодинаміка виявилася не здатною вирішити космологічні проблеми характеру протікання процесів, що відбуваються у Всесвіті. Вільям Томпсон екстраполював принцип зростання ентропії на великомасштабні процеси, що протікають в природі. На основі цього Р. Клаузіус поширив цей принцип на Всесвіт у цілому, що привело його до гіпотези про «теплової смерті Всесвіту». Всі фізичні процеси, відповідно до другого початку термодинаміки, протікають у напрямку передачі тепла від більш гарячих тіл до менш гарячим. Це означає, що повільно, але вірно йде процес вирівнювання температури у Всесвіті. Отже, майбутнє вимальовується перед нами в досить трагічних тонах, очікується зникнення температурних відмінностей в природі і перетворення всієї світової енергії в теплоту, рівномірно розподілену у Всесвіті. Звідси Клаузіус висунув два постулати:
1. Енергія Всесвіту завжди постійна.
2. Ентропія Всесвіту завжди зростає до максимуму.
Якщо прийняти другий постулат, то необхідно визнати, що процеси у Всесвіті направлені в бік досягнення стану термодинамічної рівноваги, відповідного максимуму ентропії, а отже, стану, що характеризується найбільшим ступенем хаосу, безладу та дезорганізації. У такому разі у Всесвіті настане теплова смерть і ніякої корисної роботи в ній зробити буде не можна.
Випливає звідси висновок про прийдешню теплової смерті Всесвіту, означає припинення будь-яких фізичних процесів внаслідок переходу Всесвіту в рівноважний стан з максимальною ентропією. Протягом всього подальшого розвитку цей висновок привертає увагу вчених, бо зачіпає не тільки глибинні проблеми суто наукового характеру, але й філософсько-світоглядні аспекти, що вказують певну верхню межу можливого існування людства. Такі похмурі прогнози зустріли критику з боку ряду видатних вчених. Однак у середині XIX століття мало було наукових аргументів для спростування думки Р. Клаузіуса. Тільки одиниці здогадувалися, що поняття закритою, або ізольованою, системи є далекосяжної абстракцією, яка не відбиває реальний характер систем, які зустрічаються в природі.
С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:
1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости в нем статистического равновесия.
XX век вносит коррективы в изучение проблем эволюции Вселенной. Формируется новое междисциплинарное направление — синергетика, и на его основе возникает теория самоорганизации сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных, реальными системами в природе являются открытые системы. Они обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и углубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике место закрытой изолированной системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем. Как отмечает основоположник теории самоорганизации И. Р. Пригожин, переход от термодинамики равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.
Висновок
Детерминизм — это учение о всеобщей закономерной связи явлений и процессов в окружающем мире. Причинность является одной из форм проявления детерминизма. Исторически в науке сложились два основных типа причинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей — динамические и статистические (вероятностные).
Современную концепцию детерминизма можно сформировать следующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.
Наиболее ярко динамический и статистический детерминизм проявляется при рассмотрении тепловых процессов. Динамический подход характерен термодинамике. Молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Поэтому при изучении тепловых явлений в науке используют два направления: статистические законы и термодинамические законы, изучающие тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества.
Если к системе подводится тепло и над ней производится работа, то энергия системы возрастает до величины, равной сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.
Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.
Список використаних джерел та літератури
1. Горбачев В.В. Концепція сучасного природознавства. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21век», ООО «Издательство «Мир и образование», 2003
2. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепція сучасного природознавства. Учебник – 6-е изд., перераб. і доп. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К0», 2007
3. Дубніщева Т.Я. Концепція сучасного природознавства. Підручник для вузів. - 6-е вид. – М.: Издательский центр «Академия», 2006
4. Карпенків С.Х. Концепція сучасного природознавства. Підручник для вузів. М.: Академический проект, 2000
5. Михайлов Л.А. Концепції сучасного природознавства. Підручник для вузів. – СПб.: Издательство «Питер», 2008
6. Садохін А.П. Концепція сучасного природознавства. Підручник для вузів. – 2-е изд, перераб. і доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА,2006
7. Фейнман Р. Характер физических законов. Пер. з англ. - 2-е вид., Испр. – М.: Наука, 1987
Введення
1 Детермінізм процесів у природі
2 Термодинаміка і концепція незворотності
3 Проблема «теплової смерті Всесвіту»
Висновок
Список використаних джерел та літератури
Введення
Мета даної роботи - розгляд характеру фізичних законів.
Виходячи з поставленої мети, можна сформувати наступні завдання роботи:
1. Розгляд детермінізму процесів у природі.
2. Огляд термодинаміки і концепції незворотності.
3. Виявлення проблеми «теплової смерті Всесвіту».
Актуальність обраної теми полягає в тому, що сучасна фізика вивчає величезну кількість різних процесів у природі. Не всі з них піддаються вивченню і поясненню. Безумовно багато людині ще не відомо, коли буде відоме то може бути не пояснено зараз. Тим не менш наука йде вперед і загальні (класичні) концепції існування природи відомі вже зараз.
Процеси, які відбуваються навколо нас, не завжди піддаються точному поясненню. Якраз на цьому етапі перед людиною і постала проблема створення таких моделей і методів пізнання, які б змогли пояснити непізнане.
У даній роботі мова піде про динамічних і статистичних законах, на яких сьогодні і тримається сучасна картина світу. Такий поділ законів ще раз підтверджує, що непізнане, не точно обчислювана і пояснюване поступово стає реальністю за допомогою нових концепцій. Поява статистичних методів у пізнанні, а також розвиток теорії ймовірностей ¾ ось нова зброя сучасних вчених.
1 Детермінізм процесів природи
Детермінізм у сучасній науці - це вчення про загальну, закономірного зв'язку явищ і процесів навколишнього світу. Наявність таких зв'язків є доказом матеріальної єдності світу та існування в світі спільних закономірностей. Дуже часто детермінізм ототожнюється з причинністю, але такий погляд не можна вважати правильним хоча б тому, що причинність виступає як одна з форм прояву детермінізму.
Закони, з якими має справу класична механіка, мають універсальний характер, тобто вони відносяться до всіх без винятку досліджуваних об'єктів природи. Відмітна особливість такого роду законів полягає в тому, що передбачення, отримані на їх основі, мають достовірний і однозначний характер. Найбільш яскраво вони проявилися після того як на основі закону всесвітнього тяжіння, викладеного І. Ньютоном в 1671 р. в «Математичних засадах натуральної філософії» і законів механіки виникла небесна механіка. На основі законів небесної механіки були обчислені відхилення в русі Урана, викликані возмущающим впливом невідомої тоді планети. Визначивши величину обурення, незалежно один від одного за законами механіки положення невідомої планети розрахували Д. Адамc і У. Левер. Всього на кутовій відстані в 1 ° від розрахованого ними положення І. Галле виявив планету Нептун. Відкриття Нептуна, зроблене на кінчику пера, як зазначив Ф. Енгельс, блискуче підтвердило справедливість законів небесної механіки і наявність у природі однозначних причинних зв'язків. Це дозволило французькому механіку П. Лапласа сказати: дайте мені початкові умови, і я, з допомогою законів механіки, передбачу подальший розвиток подій. Це увійшло в історію як лапласовий, або механістичний детермінізм, який допускає однозначні причинні зв'язки в явищах природи.
Поряд з ними в науці з середини XIX століття стали все ширше застосовуватися закони іншого типу. Їх передбачення не є однозначними, а є тільки імовірнісними. Імовірнісними вони називаються тому, що висновки, засновані на них, не варто логічно з наявної інформації, а тому не є достовірними і однозначними. Інформація при цьому носить статистичний характер, закони, які виражають ці процеси, називають статистичними законами, і цей термін отримав в науці великого поширення.
У класичній науці статистичні закони не визнавали справжніми законами, так як вчені в минулому припускали, що за ними мають стояти такі ж універсальні закони, як закон всесвітнього тяжіння Ньютона, який вважався зразком детерміністичного закону, оскільки він забезпечує точні і достовірні прогнози припливів і відливів, сонячних і місячних затемнень і інших явищ природи. Статистичні ж закони визнавалися як зручних допоміжних засобів дослідження, що дають можливість уявити в компактній і зручній формі всю наявну інформацію про який-небудь предмет дослідження. Справжніми законами вважалися саме детерміністичні закони, які забезпечують точні і достовірні прогнози. Ця термінологія збереглася до нашого часу, коли статистичні, або імовірнісні, закони кваліфікуються як індетерміністіческіе.
Ставлення до статистичним законам принципово змінилося після відкриття законів квантової механіки, передбачення яких мають істотно імовірнісний характер.
Таким чином, історично детермінізм виступає в двох наступних формах:
1. Лапласовий (механістичний) детермінізм, в основі якого лежать універсальні закони класичної фізики.
2. Імовірнісний детермінізм, що спирається на статистичні закони і закони квантової фізики.
У динамічних теоріях явища природи підпорядковуються однозначним (динамічним) закономірностям, а статистичні теорії грунтуються на поясненні процесів імовірнісними (статистичними) закономірностями. До динамічних теорій відносяться класична механіка (створена в XVII-XVIII ст.), Механіка суцільних середовищ, тобто гідродинаміка (XVIII ст.), Теорія пружності (початок ХГХ ст.), Класична термодинаміка (XIX а), електродинаміка (XIX в.), спеціальна і загальна теорія відносності (початок XX ст). До статистичним теорій відносяться статистична механіка (друга половина XIX ст.), Мікроскопічна електродинаміка (початок XX ст.), Квантова механіка (перша третина XX ст.). Таким чином, XIX століття є століттям динамічних теорій; XX сторіччя - сторіччям статистичних теорій.
У сучасній концепції детермінізму органічно поєднуються необхідність і випадковість. Визнання самостійності статистичних, або імовірнісних, законів, що відображають існування випадкових подій у світі, доповнює попередню картину суворо детерміністичного світу. У результаті в новій сучасній картині світу необхідність і випадковість виступають як взаємопов'язані і доповнюють один одного аспекти пояснення навколишнього світу.
Сучасну концепцію детермінізму можна сформулювати наступним чином: динамічні закони являють собою перший, нижчий етап у процесі пізнання навколишнього світу; статистичні ж закони досконаліше відображають об'єктивні зв'язки в природі: вони є наступним, більш високим етапом пізнання.
Як приклад динамічних законів можна назвати закон Ома, що виражає залежність опору від його складу, площі поперечного перерізу і довжини. Цей закон охоплює безліч різних провідників і діє в кожному окремому провіднику, що входить до цього безліч.
Статистичний характер має, наприклад, взаємозв'язок змін тиску газу і його обсягу при постійній температурі, виявлена Бойл і Маріотт. Статистичними є закони квантової механіки, що стосуються руху мікрочастинок; вони не в змозі визначити рух кожної окремої частки, але визначають рух групи, того чи іншого множини.
На відміну від динамічних законів, статистичні закони не дозволяють точно передбачити настання або ненастання того чи іншого конкретного явища, напрям і характер зміни тих чи інших його характеристик. На основі статистичних закономірностей можна визначити лише ступінь ймовірності виникнення або зміни відповідного явища.
Однак поділ фундаментальних теорій на динамічні та статистичні є умовним. Фактично всі фундаментальні теорії повинні розглядатися як статистичні. Наприклад, класичну механіку з повною підставою слід вважати статистичною теорією, так як лежить у її основі принцип найменшої дії має імовірнісну природу, тому що, згідно з принципом мінімуму енергії, стан з найменшою енергією виявляється найбільш імовірним.
Фізика розглядає два основних типи причинно-наслідкових зв'язків і відповідно два типи закономірностей-динамічні та статистичні. Вивчення історії виникнення фундаментальних фізичних теорій дозволяє зробити висновок, що динамічні теорії відповідали першого етапу в процесі пізнання природи людиною, тоді як на наступному етапі головну роль стали грати статистичні теорії. Найбільш яскраво поєднання цих концепцій детермінізму у пізнанні природних явищ виявилося при вивченні термодинамічних процесів і явищ. Розглянемо основні концепції цих методів у застосуванні до термодинаміки.
2 Термодинаміка і концепція незворотності
Історія відкриття закону збереження і перетворення енергії призвела до вивчення теплових явищ у двох напрямках: термодинамічній, що вивчає теплові процеси без урахування молекулярної будови речовини, і молекулярно-кінетичному, що досліджує теплові явища як результат спільної дії величезної сукупності рухомих частинок, з яких складається речовина. Термодинаміка виникла з узагальнення численних фактів, що описують явища передачі, поширення та перетворення тепла. Молекулярно-кінетичне напрямок характеризується розглядом різних макропроявленій систем як результат сумарного дії величезної сукупності хаотично рухаються молекул. При цьому молекулярно-кінетична теорія використовує статистичний метод, цікавлячись не рухом окремих молекул, а тільки середніми величинами, які характеризують рух величезної сукупності частинок. Звідси інша її назва - статистична фізика. Оформившись до середини XX ст., Обидва ці напрямки підходять до розгляду вивчення стану речовини з різних точок зору і доповнюють один одного, утворюючи одне ціле.
Робота Д. Джоуля, Ю. Майера та інших встановили так зване перше початок термодинаміки. Р. Клаузіус першим висловив думку про еквівалентність роботи і кількості теплоти як про перший початку термодинаміки. Будь-яке тіло має внутрішню енергію, яку Клаузіус назвав «теплом містяться в тілі» (U) на відміну від «тепла, повідомленого тіла» (Q). Величину U можна збільшити двома еквівалентними способами - зробивши над тілом механічну роботу (А) або повідомляючи йому кількість теплоти (Q).
Загальновизнаним є той факт, що поширення тепла являє собою незворотний процес і тепло передається від гарячого тіла до холодного, а не навпаки. Важливою концепцією термодинаміки є те, що Клаузіус визначив, що при роботі теплової машини не вся кількість теплоти, взяте у нагрівача, передається холодильника. Частина цієї теплоти перетворюється на роботу, чинену машиною. Клаузіус показав, що пояснення перетворення теплоти в роботу грунтується ще на одному принципі, сформульованому С. Карно, що стверджують, що в будь-якому безперервному процесі перетворення теплоти від гарячого нагрівача в роботу неодмінно повинна відбуватися віддача теплоти холодильника. Чинена при цьому теплова робота (А) оцінюється коефіцієнтом корисної дії (η) наступним чином: η = A/Q1, де Q - кількість теплоти, передане нагріванням. Максимальний коефіцієнт корисної дії має ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно, коефіцієнт корисної дії якої визначається як
η = (Т1 - Т2) / Т1,
де Т1 - абсолютна температура нагрівача; Т2 - абсолютна температура холодильника.
Таким чином, має місце загальна властивість теплоти, що полягає в тому, що теплота «завжди виявляє тенденцію до зрівнювання температурної різниці шляхом переходу від теплих тіл до холодних». Це положення Клаузіус запропонував назвати «другим основним положенням механічної теорії теплоти», і в сучасну науку воно увійшло як другий початок термодинаміки.
Всі ці численні факти і знайшли своє узагальнення та теоретичне пояснення в законах класичної термодинаміки:
1. Якщо до системи підводити тепло Q і над нею робити роботу А, то енергія системи зростає до величини U: U = Q + А. Цю енергію U називають внутрішньою енергією системи.
2. Неможливо здійснити процес, єдиним результатом якого було б перетворення тепла в роботу при постійній температурі, тобто тепло не може перетекти мимовільно від холодного тіла до гарячого.
У першому законі мова йде про збереження енергії, по-другому-про неможливість проведення робіт виключно за рахунок вилучення тепла з одного резервуара при постійній температурі, тобто про направлення теплових процесів у природі.
У 1865 р. німецький фізик Рудольф Клаузіус для формулювання другого закону термодинаміки ввів нове поняття - «ентропія» (від грец. Entropia - поворот, перетворення). Клаузіус розрахував, що існує деяка величина S, яка подібно енергії, тиску, температурі характеризує стан газу. Коли до газу підводиться деяку кількість теплоти, AQ, то ентропія S зростає на величину, рівну AS = AQ / T.
Протягом тривалого часу вчені не робили відмінностей між теплотою і температурою. Проте ряд явищ вказував на те, що ці поняття слід розрізняти. Наприклад, при плавленні кристалічного тіла теплота витрачається, а температура тіла не змінюється в процесі плавлення. Після введення Клаузіусом поняття ентропії стало зрозуміло, де пролягає межа чіткого відмінності таких понять, як теплота і температура. Справа в тому, що не можна говорити про якийсь кількості теплоти, укладеному в тілі. Це поняття не має сенсу. Теплота може передаватися від тіла до тіла, переходити в роботу, виникати при терті, але при цьому вона не є зберігається величиною. Тому теплота визначається у фізиці не як вид енергії, а як міра зміни енергії. У той же час введена Клаузіусом ентропія, як і температура, виявилася величиною, що зберігається в оборотних процесах; це означає, що ентропія системи може розглядатися як функція стану системи, бо зміна її не залежить від виду процесу, а визначається тільки початковим і кінцевим станом системи .
Було також показано, що зміна ентропії в разі оборотних процесів не відбувається, тобто AS = 0. Значить, ентропія ізольованої системи у разі оборотних процесів постійна. При необоротних процесах отримуємо закон зростання ентропії: ΔS> 0.
3 Проблема «теплової смерті Всесвіту»
Класична термодинаміка виявилася не здатною вирішити космологічні проблеми характеру протікання процесів, що відбуваються у Всесвіті. Вільям Томпсон екстраполював принцип зростання ентропії на великомасштабні процеси, що протікають в природі. На основі цього Р. Клаузіус поширив цей принцип на Всесвіт у цілому, що привело його до гіпотези про «теплової смерті Всесвіту». Всі фізичні процеси, відповідно до другого початку термодинаміки, протікають у напрямку передачі тепла від більш гарячих тіл до менш гарячим. Це означає, що повільно, але вірно йде процес вирівнювання температури у Всесвіті. Отже, майбутнє вимальовується перед нами в досить трагічних тонах, очікується зникнення температурних відмінностей в природі і перетворення всієї світової енергії в теплоту, рівномірно розподілену у Всесвіті. Звідси Клаузіус висунув два постулати:
1. Енергія Всесвіту завжди постійна.
2. Ентропія Всесвіту завжди зростає до максимуму.
Якщо прийняти другий постулат, то необхідно визнати, що процеси у Всесвіті направлені в бік досягнення стану термодинамічної рівноваги, відповідного максимуму ентропії, а отже, стану, що характеризується найбільшим ступенем хаосу, безладу та дезорганізації. У такому разі у Всесвіті настане теплова смерть і ніякої корисної роботи в ній зробити буде не можна.
Випливає звідси висновок про прийдешню теплової смерті Всесвіту, означає припинення будь-яких фізичних процесів внаслідок переходу Всесвіту в рівноважний стан з максимальною ентропією. Протягом всього подальшого розвитку цей висновок привертає увагу вчених, бо зачіпає не тільки глибинні проблеми суто наукового характеру, але й філософсько-світоглядні аспекти, що вказують певну верхню межу можливого існування людства. Такі похмурі прогнози зустріли критику з боку ряду видатних вчених. Однак у середині XIX століття мало було наукових аргументів для спростування думки Р. Клаузіуса. Тільки одиниці здогадувалися, що поняття закритою, або ізольованою, системи є далекосяжної абстракцією, яка не відбиває реальний характер систем, які зустрічаються в природі.
С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:
1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости в нем статистического равновесия.
Открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем. Как отмечает основоположник теории самоорганизации И. Р. Пригожин, переход от термодинамики равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.
Висновок
Детерминизм — это учение о всеобщей закономерной связи явлений и процессов в окружающем мире. Причинность является одной из форм проявления детерминизма. Исторически в науке сложились два основных типа причинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей — динамические и статистические (вероятностные).
Современную концепцию детерминизма можно сформировать следующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.
Наиболее ярко динамический и статистический детерминизм проявляется при рассмотрении тепловых процессов. Динамический подход характерен термодинамике. Молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Поэтому при изучении тепловых явлений в науке используют два направления: статистические законы и термодинамические законы, изучающие тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества.
Если к системе подводится тепло и над ней производится работа, то энергия системы возрастает до величины, равной сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.
Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.
Список використаних джерел та літератури
1. Горбачев В.В. Концепція сучасного природознавства. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21век», ООО «Издательство «Мир и образование», 2003
2. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепція сучасного природознавства. Учебник – 6-е изд., перераб. і доп. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К0», 2007
3. Дубніщева Т.Я. Концепція сучасного природознавства. Підручник для вузів. - 6-е вид. – М.: Издательский центр «Академия», 2006
4. Карпенків С.Х. Концепція сучасного природознавства. Підручник для вузів. М.: Академический проект, 2000
5. Михайлов Л.А. Концепції сучасного природознавства. Підручник для вузів. – СПб.: Издательство «Питер», 2008
6. Садохін А.П. Концепція сучасного природознавства. Підручник для вузів. – 2-е изд, перераб. і доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА,2006
7. Фейнман Р. Характер физических законов. Пер. з англ. - 2-е вид., Испр. – М.: Наука, 1987