Причини механічного руху. Детермінізм

Якими факторами визначається рух тіл з погляду механіки? Що таке стан системи з погляду механіки? Що таке детермінізм? У чому сенс лапласовского детермінізму? Як пов’язані Лапласа-ський детермінізм і життя людини? Чи справедливим є концепція Лапласа-ського детермінізму з погляду сучасної науки?

Урок-лекція

СТАН СИСТЕМИ І ХАРАКТЕР РУХУ ТЕЛ СИСТЕМИ. Ми вже говорили, що причина руху тіл – взаємодія з іншими тілами. Мірою такої взаємодії є сили. Але характер руху залежить не тільки від сил. Ви можете кинути тіло вгору або убік. В обох випадках сила, що діє на тіло, однакова – це сила тяжіння. Однак рух тіл розрізняється. Точно так само при однаковій гравітаційній силі тіло може рухатися по різних траєкторіях – кола, еліпсу, параболі. Від чого ж ще залежить характер руху?

На малюнку 64 зображено рух у більш складній системі – кулі на більярдному столі. На малюнку 64, а зображені швидкості куль до зіткнення (вгорі) і після зіткнення (внизу) при лобовому ударі кулі про спочивають кулю; на малюнку 64, б – те ж при ковзному ударі; на малюнку 64, в – траєкторії у випадку, коли кулі рухаються назустріч один одному.

Аналізуючи процеси, зображені на малюнку, можна прийти до висновку, що рух визначається початковим становищем і початковими швидкостями всіх тіл, що складають систему. Але, можливо, рух залежить від яких-небудь ще початкових характеристик, наприклад початкових прискорень? Відповідь проста. Згідно з другим законом Ньютона прискорення повністю визначаються силами. Таким чином, початкові прискорення визначаються початковими силами, що діють між тілами. Строгий математичний аналіз рівнянь, що прямують з другого закону Ньютона, показує, що рух у всі моменти часу повністю визначається силами між тілами системи, початковими координатами тіл і початковими швидкостями.

Важливість завдання початкових координат і швидкостей призвела до появи нового терміну – стан системи.

Закони класичної (ньютонівської) механіки стверджують, що рух системи, т. Е. Стан системи в будь-який момент часу, повністю і однозначно визначається початковим станом системи і силами, що діють між тілами системи.

Зауважимо, що цей висновок відноситься до всіх моментів часу, в тому числі і до попередніх моментам. Знаючи стан будь-якої системи в даний момент часу, можна визначити стан в будь-який попередній момент часу.

Станом системи тіл в даний момент часу називають сукупність координат і швидкостей всіх тіл системи в цей момент. Початковим станом називають стан системи в деякий початковий момент часу.

Лапласовское Детермінізм. Що ж дають закони класичної механіки? Якщо ми будемо знати всі сили, що діють між частинками, з яких складається наш світ, і якимось чином зуміємо дізнатися стан світу (всіх частинок) в даний час, то, користуючись математикою, зможемо передбачити майбутнє в будь-який наступний момент часу і відновити минуле , як би далеко назад ми не звернулися.

Звичайно, завдання це непосильна для людини. По-перше, число часток у світі величезна. За існуючими оцінками, тільки число часток в спостережуваної нами частини Всесвіту перевершує принаймні значення 1075 (число дійсно астрономічне). По-друге, ми ще недостатньо точно знаємо сили, що діють між різними частками. Важливо, однак, що можливість точного передбачення майбутнього і вивчення минулого принципово існує і може бути реалізована якщо не людським, то, можливо, більш вищим розумом.

Така постановка завдання характерна для механістичного, або лапласовского, детермінізму (по імені французького вченого П’єра Симона Лапласа, який сформулював цей принцип на початку XIX ст.). Лаплас писав: «Ми повинні розглядати сучасний стан Всесвіту як результат її попереднього стану і причину наступного. Розум, який для якого-небудь даного моменту знав би всі сили, що діють в природі, і відносне розташування її складових частин, якби він, крім того, був досить великий, щоб піддати ці дані аналізу, обійняв би в єдиній формулі руху самих величезних тіл у Всесвіті і самого легкого атома; для нього не було б нічого неясного, і майбутнє, як і минуле, було б у нього перед очима ». Цей гіпотетичний розум іноді називають «Демоном Лапласа».

Концепція лапласовского детермінізму могла служити (і, можливо, служила) для природничо-наукового виправдання філософської концепції фаталізму. Фаталізм стверджує, що все майбутнє будь-якої людини повністю зумовлено і не залежить від його дій. Згідно їй свободи вибору у людини немає, він йде по заздалегідь визначеної для нього дорозі. Фаталізм фактично виправдовує будь-які дії або бездіяльність людини, від людини як індивідуума нічого не залежить. Як би безглуздо це не виглядало, але це логічно випливало із законів класичної механіки.

Подальший розвиток фізики призвело до того, що поряд з частинками необхідно розглядати в якості однієї зі складових матерії фундаментальні поля. До кінця XIX в. було відомо два таких поля (вам вони теж відомі) – гравітаційне і електромагнітне. Однак рівняння для цих полів були настільки ж детерміністичного, як і рівняння, наступні із законів Ньютона. Це означає, що знання полів в деякий момент часу дозволяло в принципі визначити, якими були поля в минулому, і передбачити, якими вони будуть у майбутньому. Таким чином, лапласовскій детермінізм залишався справедливим і з урахуванням існування полів.

Класична фізика, що включає механіку і електродинаміку, призводить до рівнянь, що дає принципову можливість за існуючим станом світу як завгодно точно визначити, яким було минуле нашого світу, і як завгодно точно передбачити, яким буде майбутнє нашого світу в будь-який наступний момент часу. Це положення носить назву «концепція лапласовского детермінізму».

Розвиток природничих наук І КРАХ КОНЦЕПЦІЇ детермінізму. Подальший розвиток природничих наук, яке почалося на рубежі XIX-XX ст., Призвело до краху концепції детермінізму. Перший удар завдала квантова теорія, що описує рух в мікросвіті. Згідно квантової теорії, всі події, що відбуваються в мікросвіті, мають імовірнісний характер. Наприклад, при зіткненні двох атомів водню може утворитися молекула водню, а може цього і не відбутися (атоми пролетять мимо один одного). Принципово важливо, що, які б спостереження ми не проводили і які розрахунки робили, ми (і будь-який інший більш високий розум) не можемо точно передбачити розвиток подій. У кращому випадку ми лише обчислимо ймовірність протікання тих чи інших процесів.

Розвиток природничих наук показало, що закони ньютонівської механіки обмежені рамками макросвіту. У мікросвіті всі процеси мають імовірнісний, т. Е. Недетермінований, характер. Наслідком цього є недетерминированность більшості процесів, що відбуваються в макросвіті. Спостережувані детерміновані процеси в макросвіті є скоріше винятком, ніж правилом.

Квантова теорія виявляється справедливою і в макросвіті. Детерміновані процеси, наприклад рух планет навколо Сонця, насправді є лише наближено детермінованими і швидше винятком із загального правила.

Завершуючи розповідь про концепцію лапласовского детермінізму, зауважимо, що з точки зору природничих наук «наші дороги», т. Е. Події, які відбуватимуться з нами в майбутньому, абсолютно не зумовлені сьогоднішнім станом світу і багато в чому залежать від нас самих і від нашого вибору.

Що таке стан системи з погляду механіки?
Чи можна «подивитися» в минуле і передбачити майбутнє, якщо закони класичної механіки вважати справедливими?
Чи можна реально здійснити пророкування розвитку світу на основі класичної механіки? У чому труднощі здійснення такого передбачення?

Посилання на основну публікацію