Содержание
Введение
1 Детерминизмпроцессов в природе
2Термодинамика и концепция необратимости
3Проблема «тепловой смерти Вселенной»
Заключение
Списокиспользованных источников и литературы
Введение
Цель данной работы – рассмотрение характера физическихзаконов.
Исходя из поставленной цели, можно сформировать следующиезадачи работы:
1. Рассмотрение детерминизма процессов в природе.
2. Обзор термодинамики и концепции необратимости.
3. Выявление проблемы «тепловой смерти Вселенной».
Актуальность выбранной темы заключается в том, что современнаяфизика изучает огромнейшее количество различных процессов в природе. Не все изних поддаются изучению и объяснению. Безусловно многое человеку еще неизвестно, а если известно то может быть не объяснено сейчас. Тем не менее наукаидет вперед и общие (классические) концепции существования природы известны ужесейчас.
Процессы, протекающие вокруг нас, не всегда поддаютсяточному объяснению. Как раз на этом этапе перед человеком и встала проблемасоздания таких моделей и методов познания, которые бы смогли объяснитьнепознанное.
В данной работе речь пойдет о динамических истатистических законах, на которых сегодня и держится современная картина мира.Такое деление законов еще раз подтверждает, что непознанное, не точноисчисляемое и объясняемое постепенно становится явью с помощью новых концепций.Появление статистических методов в познании, а также развитие теориивероятностей ¾вот новое оружие современных ученых.
1 Детерминизм процессов природы
Детерминизм в современной науке – это учение о всеобщей,закономерной связи явлений и процессов окружающего мира. Наличие таких связейявляется доказательством материального единства мира и существования в миреобщих закономерностей. Очень часто детерминизм отождествляется с причинностью,но такой взгляд нельзя считать правильным хотя бы потому, что причинностьвыступает как одна из форм проявления детерминизма.
Законы, с которыми имеет дело классическая механика,имеют универсальный характер, т. е. они относятся ко всем без исключенияизучаемым объектам природы. Отличительная особенность такого рода законовсостоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный иоднозначный характер. Наиболее ярко они проявились после того как на основезакона всемирного тяготения, изложенного И. Ньютоном в 1671 г. в «Математическихначалах натуральной философии» и законов механики возникла небесная механика.На основе законов небесной механики были вычислены отклонения в движении Урана,вызванные возмущающим влиянием неизвестной тогда планеты. Определив величинувозмущения, независимо друг от друга по законам механики положение неизвестнойпланеты рассчитали Д. Адамc и У. Леверье. Всего на угловом расстоянии в 1° отрассчитанного ими положения И. Галле обнаружил планету Нептун. ОткрытиеНептуна, сделанное на кончике пера, как отметил Ф. Энгельс, блестящеподтвердило справедливость законов небесной механики и наличие в природеоднозначных причинных связей. Это позволило французскому механику П. Лапласусказать: дайте мне начальные условия, и я, с помощью законов механики,предскажу дальнейшее развитие событий. Это вошло в историю как лапласовый, илимеханистический детерминизм, который допускает однозначные причинные связи вявлениях природы.
Наряду с ними в науке с середины XIX века стали все ширеприменяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, аявляются только вероятностными. Вероятностными они называются потому, чтозаключения, основанные на них, не следует логически из имеющейся информации, апотому не являются достоверными и однозначными. Информация при этом носитстатистический характер, законы, выражающие эти процессы, называютстатистическими законами, и этот термин получил в науке большоераспространение.
В классической науке статистические законы не признавалиподлинными законами, так как ученые в прошлом предполагали, что за ними должныстоять такие же универсальные законы, как закон всемирного тяготения Ньютона,который считался образцом детерминистического закона, поскольку он обеспечиваетточные и достоверные предсказания приливов и отливов, солнечных и лунныхзатмений и других явлений природы. Статистические же законы признавались вкачестве удобных вспомогательных средств исследования, дающих возможностьпредставить в компактной и удобной форме всю имеющуюся информацию о каком-либопредмете исследования. Подлинными законами считались именно детерминистическиезаконы, обеспечивающие точные и достоверные предсказания. Эта терминологиясохранилась до настоящего времени, когда статистические, или вероятностные,законы квалифицируются как индетерминистические.
Отношение к статистическим законам принципиальноизменилось после открытия законов квантовой механики, предсказания которыхимеют существенно вероятностный характер.
Таким образом, исторически детерминизм выступает в двухследующих формах:
1. Лапласовый (механистический) детерминизм, в основекоторого лежат универсальные законы классической физики.
2. Вероятностный детерминизм, опирающийся настатистические законы и законы квантовой физики.
В динамических теориях явления природы подчиняютсяоднозначным (динамическим) закономерностям, а статистические теории основаны наобъяснении процессов вероятностными (статистическими) закономерностями. Кдинамическим теориям относятся классическая механика (создана в XVII-XVIIIвв.), механика сплошных сред, т. е. гидродинамика (XVIII в.), теория упругости(начало ХГХ в.), классическая термодинамика (XIX а), электродинамика (XIX в.),специальная и общая теория относительности (начало XX в). К статистическимтеориям относятся статистическая механика (вторая половина XIX в.),микроскопическая электродинамика (начало XX в.), квантовая механика (перваятреть XX в.). Таким образом, XIX столетие является столетием динамическихтеорий; XX столетие — столетием статистических теорий.
В современной концепции детерминизма органическисочетаются необходимость и случайность. Признание самостоятельностистатистических, или вероятностных, законов, отображающих существованиеслучайных событий в мире, дополняет прежнюю картину строго детерминистическогомира. В результате в новой современной картине мира необходимость и случайностьвыступают как взаимосвязанные и дополняющие друг друга аспекты объясненияокружающего мира.
Современную концепцию детерминизма можно сформулироватьследующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап впроцессе познания окружающего мира; статистические же законы более совершенноотображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высокимэтапом познания.
В качестве примера динамических законов можно назватьзакон Ома, выражающий зависимость сопротивления от его состава, площадипоперечного сечения и длины. Этот закон охватывает множество различныхпроводников и действует в каждом отдельном проводнике, входящем в этомножество.
Статистический характер имеет, например, взаимосвязьизменений давления газа и его объема при постоянной температуре, выявленнаяБойлем и Мариоттом. Статистическими являются законы квантовой механики,касающиеся движения микрочастиц; они не в состоянии определить движение каждойотдельной частицы, но определяют движение группы, того или иного множества.
В отличие от динамических законов, статистические законыне позволяют точно предсказать наступление или ненаступление того или иногоконкретного явления, направление и характер изменения тех или иных егохарактеристик. На основе статистических закономерностей можно определить лишьстепень вероятности возникновения или изменения соответствующего явления.
Однако деление фундаментальных теорий на динамические истатистические является условным. Фактически все фундаментальные теории должнырассматриваться как статистические. Например, классическую механику с полнымоснованием следует считать статистической теорией, так как лежащий в ее основепринцип наименьшего действия имеет вероятностную природу, потому что, согласнопринципу минимума энергии, состояние с наименьшей энергией оказывается наиболеевероятным.
Физика рассматривает два основных типапричинно-следственных связей и соответственно два типазакономерностей—динамические и статистические. Изучение истории возникновенияфундаментальных физических теорий позволяет сделать вывод, что динамическиетеории соответствовали первому этапу в процессе познания природы человеком,тогда как на следующем этапе главную роль стали играть статистические теории.Наиболее ярко сочетание этих концепций детерминизма в познании природныхявлений проявилось при изучении термодинамических процессов и явлений.Рассмотрим основные концепции этих методов в применении к термодинамике.
2 Термодинамика и концепция необратимости
История открытия закона сохранения и превращения энергиипривела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом,изучающем тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, имолекулярно-кинетическом, исследующем тепловые явления как результатсовместного действия огромной совокупности движущихся частиц, из которыхсостоит вещество. Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов,описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла.Молекулярно-кинетическое направление характеризуется рассмотрением различныхмакропроявлений систем как результат суммарного действия огромной совокупностихаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теорияиспользует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, атолько средними величинами, которые характеризуют движение огромнойсовокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая физика.Оформившись к середине XX в., оба эти направления подходят к рассмотрениюизучения состояния вещества с различных точек зрения и дополняют друг друга,образуя одно целое.
Работа Д. Джоуля, Ю. Майера и других установили такназываемое первое начало термодинамики. Р. Клаузиус первым высказал мысль обэквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики.Всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус назвал «тепломсодержащимся в теле» (U) в отличие от «тепла, сообщенного телу» (Q). Величину Uможно увеличить двумя эквивалентными способами — произведя над теломмеханическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q).
Общепризнанным является тот факт, что распространениетепла представляет собой необратимый процесс и тепло передается от горячеготела к холодному, а не наоборот. Важной концепцией термодинамики является то,что Клаузиус определил, что при работе тепловой машины не все количествотеплоты, взятое у нагревателя, передается холодильнику. Часть этой теплотыпревращается в работу, совершаемую машиной. Клаузиус показал, что объяснениепревращения теплоты в работу основывается еще на одном принципе,сформулированном С. Карно, утверждающим, что в любом непрерывном процессе превращениятеплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдачатеплоты холодильнику. Совершаемая при этом тепловая работа (А) оцениваетсякоэффициентом полезного действия (η) следующим образом: η = A/Q1, гдеQ — количество теплоты, переданное нагреванием. Максимальный коэффициентполезного действия имеет идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно,коэффициент полезного действия которой определяется как
η = (Т1 – Т2)/Т1,
где Т1 — абсолютная температура нагревателя; Т2 —абсолютная температура холодильника.
Таким образом, имеет место общее свойство теплоты, заключающеесяв том, что теплота «всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурнойразницы путем перехода от теплых тел к холодным». Это положение Клаузиуспредложил назвать «вторым основным положением механической теории теплоты», и всовременную науку оно вошло как второе начало термодинамики.
Все эти многочисленные факты и нашли свое обобщение итеоретическое объяснение в законах классической термодинамики:
1. Если к системе подводить тепло Q и над ней производитьработу А, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + А. Эту энергию Uназывают внутренней энергией системы.
2. Невозможно осуществить процесс, единственнымрезультатом которого было бы превращение тепла в работу при постояннойтемпературе, т. е. тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела кгорячему.
В первом законе речь идет о сохранении энергии,во-втором— о невозможности производства работы исключительно за счет изъятиятепла из одного резервуара при постоянной температуре, т. е. о направлениитепловых процессов в природе.
В 1865 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус дляформулировки второго закона термодинамики ввел новое понятие — «энтропия» (отгреч. entropia — поворот, превращение). Клаузиус рассчитал, что существуетнекоторая величина S, которая подобно энергии, давлению, температурехарактеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количествотеплоты, AQ, то энтропия S возрастает на величину, равную AS = AQ/T.
В течение длительного времени ученые не делали различий междутеплотой и температурой. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятияследует различать. Например, при плавлении кристаллического тела теплотарасходуется, а температура тела не изменяется в процессе плавления. Послевведения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает границачеткого различия таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, чтонельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятиене имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить вработу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейсявеличиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мераизменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия, как итемпература, оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах; этоозначает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояниясистемы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется тольконачальным и конечным состоянием системы.
Было также показано, что изменение энтропии в случаеобратимых процессов не происходит, т. е. AS = 0. Значит, энтропия изолированнойсистемы в случае обратимых процессов постоянна. При необратимых процессахполучаем закон возрастания энтропии: ΔS > 0.
3 Проблема «тепловой смерти Вселенной»
Классическая термодинамика оказалась не способной решить космологическиепроблемы характера протекания процессов, происходящих во Вселенной. УильямТомпсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы,протекающие в природе. На основе этого Р. Клаузиус распространил этот принципна Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о «тепловой смерти Вселенной».Все физические процессы, согласно второму началу термодинамики, протекают внаправлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Это означает,что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной.Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах,ожидается исчезновение температурных различий в природе и превращение всеймировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. ОтсюдаКлаузиус выдвинул два постулата:
1. Энергия Вселенной всегда постоянна.
2. Энтропия Вселенной всегда растет к максимуму.
Если принять второй постулат, то необходимо признать, чтопроцессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояниятермодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, аследовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса,беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловаясмерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.
Вытекающий отсюда вывод о грядущей тепловой смертиВселенной, означает прекращение каких-либо физических процессов вследствиеперехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. Напротяжении всего дальнейшего развития этот вывод привлекает внимание ученых,ибо затрагивает не только глубинные проблемы чисто научного характера, но такжефилософско-мировоззренческие аспекты, указывающие определенную верхнюю границувозможного существования человечества. Такие мрачные прогнозы встретили критикусо стороны ряда выдающихся ученых. Однако в середине XIX века мало было научныхаргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса. Только единицы догадывались,что понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущейабстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются вприроде.
С научной точки зрения возникают проблемы правомерностиследующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:
1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена егосостояний.
Проблемы эти представляют несомненную трудность и длясовременной физической теории. Решение их следует искать в общей теорииотносительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многиетеоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое долженрассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся впеременном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастанияэнтропии не приводит к выводу о необходимости в нем статистического равновесия.
/>XX веквносит коррективы в изучение проблем эволюции Вселенной. Формируется новоемеждисциплинарное направление — синергетика, и на его основе возникает теориясамоорганизации сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных,реальными системами в природе являются открытые системы. Они обмениваются сокружающей средой энергией, веществом и информацией. Опыт и практическаядеятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной,системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишкомупрощает и углубляет действительность, поскольку в ней трудно или даженевозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой.Поэтому в новой термодинамике место закрытой изолированной системы занялопринципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способнаобмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Открытая система не может быть равновесной, потому что еефункционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии иливещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, какуказывал Эрвин Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самымвносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия,поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах ненакапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду.Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можносказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или веществаиз внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесностьв системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементамисистемы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системывозникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. кколлективному поведению ее элементов. Так, схематически могут бытьохарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем. Как отмечаетосновоположник теории самоорганизации И. Р. Пригожин, переход от термодинамикиравновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно,знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.
Заключение
Детерминизм — это учение о всеобщей закономерной связиявлений и процессов в окружающем мире. Причинность является одной из формпроявления детерминизма. Исторически в науке сложились два основных типапричинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей —динамические и статистические (вероятностные).
Современную концепцию детерминизма можно сформироватьследующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап впроцессе познания окружающего нас мира; статистические законы более совершенноотображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высокимэтапом познания.
Наиболее ярко динамический и статистический детерминизмпроявляется при рассмотрении тепловых процессов. Динамический подход характерентермодинамике. Молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод,интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами,которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Поэтому приизучении тепловых явлений в науке используют два направления: статистическиезаконы и термодинамические законы, изучающие тепловые процессы без учетамолекулярного строения вещества.
Если к системе подводится тепло и над ней производитсяработа, то энергия системы возрастает до величины, равной сумме этих величин.Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было быпревращение тепла в работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечьсамопроизвольно от холодного тела к горячему.
Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропиязамкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ниэнергией, ни веществом, постоянно возрастает.
Список использованных источников и литературы
1. Горбачев В.В. Концепция современного естествознания. – М.: ООО«Издательский дом «ОНИКС 21век», ООО «Издательство «Мир и образование», 2003
2. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепция современного естествознания.Учебник – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательско-торговая корпорация«Дашков и К0», 2007
3. Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания. Учебник для вузов.– 6-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2006
4. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания. Учебник для вузов.М.: Академический проект, 2000
5. Михайлов Л.А. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов.– СПб.: Издательство «Питер», 2008
6. Садохин А.П. Концепция современного естествознания. Учебник для вузов. –2-е изд, перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА,2006
7. Фейнман Р. Характер физических законов. Пер. с англ. – 2-е изд., испр. –М.: Наука, 1987