Состояние физической системы. Динамические, статистические закономерности в природе
АКАДЕМИЯ ТРУДА И СОЦИАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ
БАШКИРСКИЙ ИНСТИТУТ СОЦИАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ (Филиал)
Доклад
По дисциплине: Концепции современного естествознания
На тему: Состояние физической системы. Динамические, статистические закономерности в природе
ВЫПОЛНИЛ: студентка
курса 1 ЮРСФО Грачёва О.С.
ПРОВЕРИЛ: Мичкова Л.В.
Октябрьский 2007
Оглавление
Введение
. Понятие состояния физической системы
. Понятие состояния в динамических теориях
.1 Классическая механика
.2 Классическая равновесная термодинамика
.3 Классическая электродинамика
. Понятие состояния в статистических теориях
.1 Статистическая механика
.2 Квантовая механика
Заключение
Словарь
ВВЕДЕНИЕ
Появление собственно науки происходит в Древней Греции в VII-VI вв. до н.э. именно в знаниях, накопленных греками, появляются те характеристики, которые позволяют говорить о природе как о науке.
Развитие греческой науки выражалось прежде всего в развитии философии как учения о природе. Именно здесь на смену простому созерцания природы и их наивному толкованию приходят попытки научно объяснить эти явления, разгадать их истинные причины.
К середине XIX в. Физика электрических и магнитных явлений достигла определенного завершения. Был открыт ряд важнейших законов Кулона, Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и т.д.
Так в рамках классической физики возникла достаточно тройная и завершенная картина мира, описывающая и объясняющая движение, гравитацию, теплоту, электричество и магнетизм, свет. Это и дало повод лорду Кельвину (У. Томсону) сказать, что здание физики практически построено, не хватает лишь нескольких деталей…
В своем докладе хотелось бы подробнее остановиться на состоянии физической системы, а именно на динамических и статистических закономерностях в природе.
1. ПОНЯТИЕ СОСТОЯНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Понятие состояния физической системы является центральным элементом физической теории. Казалось бы, в науке речь должна идти только о закономерностях в поведении различных явлений природы. Открытие этих закономерностей, установление законов природы, отражающих устойчивые, необходимые связи между различными сторонами явления, вот истинная цель науки. Однако, имеются по крайней мере, два возражения по поводу того, что все законы природы всегда носят приближенный характер и действуют в определенных рамках, называемых границами применимости физических законов. Мы уже убедились в существовании трех ограничений в применимости законов Ньютона: во-первых, если скорость рассматриваемых тел близка к скорости света, то нужно применять релятивистскую кинематику и релятивистскую динамику специальной теории относительности. Во-вторых, в случае сильных гравитационных полей следует пользоваться теорией тяготения Эйнштейна, то есть общей теорией относительности. Появление гравитации как искривления пространства-времени приводит к неадекватности описания поведения частицы в искривленном пространстве с помощью теории Ньютона. В-третьих, классическая ньютоновская механика не работает в микромире; аппаратом, описывающим движения микрообъектов, является квантовая теория.
Второе возражение состоит в том, что при установлении законов всегда пытаются абстрагировать от случайности, множество факторов, всегда сопровождающих любое явление. На это обстоятельство особенно указывает величайший математик Е. Вигнер в своей книге «Этюды о симметрии», подчеркивая, что для описания поведения какого-либо объекта, одних только законов природы недостаточно, важно знать так же начальные условия, описывающие состояние данного объекта в начальный момент времени. «Именно в четком разделении законов природы и начальных условий и состоит удивительное открытие ньютоновского века», - пишет Е. Вигнер.
Состояние физической системы - это конкретная определенность системы, однозначно детерминирующая ее эволюцию во времени.
Для задания состояния системы необходимо:
. определить совокупность физических величин, описывающих данное явление и характеризующих состояние системы, - параметры состояния системы;
. выделить начальные условия рассматриваемой системы (зафиксировать значение параметров состояния в начальный момент времени);
. применить законы движения, описывающие эволюцию системы.
Попробуем применить данный алгоритм к тем обладателям физики, которые нами рассмотрены в данном докладе. Однако предварительно разделим физические теории на динамические и статистические и, используя понятия состояния, попытаемся провести сравнение между ними и выяснить, в каком отношении друг к другу находятся динамические и статистические закономерности в природе. Это глубоко и полно сделано Г.Я. Мякишевым в книге «Динамические и статистические закономерности в физике», результатами которой мы воспользуемся при последующем изложении материала.
2. ПОНЯТИЕ СОСТОЯНИЯ В ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕОРИЯХ
.1 КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
Параметром, характеризующим состояние механической системы, что является совокупность всех координат и импульсов материальных точек, составляющих эту систему. Задать состояние механической системы - значит указать все координаты rі (xі, yі, zі) и импульсы Pі всех материальных точек. Основная задача динамики состоит в том, чтобы, зная начальное состояние системы и законы движения (законы Ньютона), однозначно определить состояние системы во все последующие моменты времени, то есть однозначно определить траектории движения частиц.
Траектории движения получаются путем интегрирования дифференциальных уравнений движения. Траектории движения дают полное описание поведения частиц в прошлом, настоящем и будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости. Здесь полностью исключается элемент случайности, все заранее жестко причинно-следственно обусловлено. Можно сказать, что в динамических теориях необходимость, отраженная в формуле закона выступает как абсолютная противоположность случайному.
Возникновение теории относительности не изменило бы установившегося в классической физике детерминистского подхода. В релятивной теории, несмотря на совершенно иной взгляд на пространство - время, вся эволюция физических явлений так же определяется знанием начальных условий и дифференциальных уравнений движения, на основе чего однозначно можно охарактеризовать состояние системы в прошлом, настоящем и будущем в любой заданный момент времени. То есть при описании четырехмерного пространства теория относительности предполагает заданной всю совокупность состояний, способствующих любому моменту времени (для каждого наблюдателя как совокупность состояний по мере течения его собственного времени).
.2 КЛАССИЧЕСКАЯ РАВНОВЕСНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
физический теория закон ньютон механика
Классическая равновесная термодинамика вводит две однозначно равномерные функции состояния - внутреннюю энергию и энтропию. Понятие равновесности процессов, то есть процессов, протекающих бесконечно медленно, практически снимает вопрос о рассмотрении эволюции систем. Поэтому с помощью термодинамики, в основном, устанавливаются связи между термодинамическими параметрами различных равновесных состояний.
.3 КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Здесь состояния электромагнитного поля задается значениями напряженностей Е и Н и индукцией D и В электрических и магнитных полей. Уравнения Максвелла позволяют для этих четырех величин по заданным начальным значениям Е и Н внутри некоторого объёма (и граничным условиям) однозначно определить величину электромагнитного поля в любой последующий момент времени.
3. ПОНЯТИЕ СОСТОЯНИЯ В СТАТИСТИЧЕСКИХ ТЕОРИЯХ
.1 СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
При рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, состояние системы характеризуют неполным набором значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных интервалов. Тогда состояния системы задается с помощью функции распределения, зависящей от координат, импульсов всех частиц системы и от времени. Функция распределения интерпретируется как плотность вероятности обнаружения той или иной физической величины (например, xі или Pі) в определенных интервалах. По известной функции распределения можно найти среднее значение любой физической величины, зависящей от координат и импульсов, и вероятность того, что эта величина принимает определенное значение в заданных интервалах.
3.2 КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
В квантовой механике вектором состояния является волновая функция, представляющая собой амплитуду вероятности. Уравнение Шредингера однозначно описывает эволюцию состояния в течении времени. Волновая функция представляет собой, таким образом полную характеристику состояния: зная волновую функцию, можно вычислять вероятность обнаружения определенного значения любой физической величины в средние значения всех физических величин. Существует разное различие между описанием состояния в статистической физике и в квантовой механике. Оно состоит в том, что состояние в квантовой механике описывается не плотностью вероятности, а амплитудой вероятности. Плотность вероятности пропорциональна квадрату амплитуды вероятности. Это и приводит к сугубо квантовому эффекту интерференции вероятностей.
Как уже отмечалось выше, идеалом классического описания физической реальности считалась динамическая детерминированная форма законов физики. Поэтому первоначально физики негативно относились к введению вероятности в статистические законы. Многие считали, что вероятность в законах свидетельствует о мере нашего незнания. Однако это не так. Статистические законы также выражают необходимость связи в природе. Действительно, во всех фундаментальных статистических теориях состояние представляет собой вероятную характеристику системы, но управления движения по-прежнему однозначно определяют состояние (статистическое распределение) в любой последующий момент времени по заданному распределению в начальный момент. Г.Я. Мякишев подчеркивает, что главное отличие статистических законов от динамических состоит в учете случайного (флуктуаций).
В философии давно выработано представление о диалектическом тождестве и различии противоположных сторон любого явления. В диалектике необходимо и случайное - это две противоположности единого явления, которые взаимообуславливают друг друга, взаимопревращаются, не существуют друг без друга. Главное различие между динамическими и статистическими законами с философско-методологической точки зрения состоит в том, что в статистических законах необходимость выступает в диалектической связи со случайностью, а в динамических - как абсолютная противоположность случайного.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Динамические законы представляют собой первый низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы обеспечивают более современное отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания.
Список использованной литературы
1. Концепции современного естествознания./ Под ред. А.С. Борщова. - М.: «Экзамен», - 2006.
СЛОВАРЬ
Естествознание - наука о природе, выработавшая в процессе своей эволюции свои способы, методы и приёмы познания, которые, несомненно, могут служить эталоном для всех наук.
Метод - совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности.
Задачи методологии - изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.
Научные наблюдения - чувственное отражение предметов и явлений внешнего мира.
Эксперимент - активные, целенаправленные и строго контролируемые воздействия исследования на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей.
Единица измерения - эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления.