Вероятностный детерминизм в физике

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ДЕТЕРМИНИЗМ В ФИЗИКЕ

1. Понятие о детерминизме

Одной из наиболее актуальных проблем современного естествознания и, в частности физики, остается вопрос о природе причинности и причинных отношениях в мире. Более конкретно этот вопрос в физике формулируется в проблеме соотношения динамических и статистических законов с объективными закономерностями. В решении этой проблемы возникли два философских направления - детерминизм и индетерминизм, занимающие прямо противоположные позиции.

Детерминизм - учение о причинной материальной обусловленности природных, социальных и психических явлений. Сущностью детерминизма является идея о том, что все существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин.

Индетерминизм - учение, отрицающее объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.

В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей и находит свое более полное и общее отражение в фундаментальных физических теориях.

Фундаментальные физические теории (законы) представляют собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях. Эти знания не являются исчерпывающими, но на сегодняшний день они наиболее полно отражают физические процессы в природе. В свою очередь, на основе тех или иных фундаментальных теорий формулируются частные физические законы типа закона Архимеда, закона Ома, закона электромагнитной индукции и т.д.

Ученые-науковеды едины во мнении, что основу любой физической теории составляют три главных элемента: 1) совокупность физических величин, с помощью которых описываются объекты данной теории (например, в механике Ньютона - координаты, импульсы, энергия, силы); 2) понятие состояния; 3) уравнения движения, то есть уравнения, описывающие эволюцию состояния рассматриваемой системы.

Кроме того, для решения проблемы причинности важное значение имеет подразделение физических законов и теорий на динамические и статистические (вероятностные).

Динамические законы имеют универсальный характер, то есть они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Отличительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер.

Наряду с ними в естествознании в середине прошлого века были сформулированы законы, предсказания которых являются не определенными, а только вероятными. Свое название эти законы получили от характера той информации, которая была использована для их формулировки. Вероятностными они назывались потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Поскольку сама информация при этом носит статистический характер, часто такие законы называются также статистическими, и это их название получило в естествознании значительно большее распространение.

Статистические законы и теории имеют следующие характерные черты.

1. В статистических теориях любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Это означает, что состояние в статистических теориях определяется не значениями физических величин, а статистическими (вероятностными) распределениями этих величин. Это принципиально иная характеристика состояния, чем в динамических теориях, где состояние задается значениями самих физических величин.

2. В статистических теориях по известному начальному состоянию в качестве результата однозначно определяются не сами значения физических величин, а вероятности этих значений внутри заданных интервалов. Тем самым однозначно определяются средние значения физических величин. Эти средние значения в статистических теориях играют ту же роль, что и сами физические величины в динамических теориях. Нахождение средних значений физических величин - главная задача статистических теорий.

Вероятностные характеристики состояния в статистических теориях совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Тем не менее динамические и статистические теории обнаруживают в самом существенном отношении замечательное единство. Эволюция состояния в статистических теориях однозначно oпpeдeляeтcя уравнения движения, как и в динамических теориях. По заданному статистическому распределению (по заданной вероятности) в начальный момент времени уравнение движения однозначно определяет статистическое распределение (вероятность) в любой последующий момент времени, если известны энергия взаимодействия частиц друг с другом и с внешними телами. Однозначно определяются соответственно и средние значения всех физических величин. Здесь нет никакого отличия от динамических теорий в отношении однозначности результатов. Ведь статистические теории, как и динамические, выражают необходимые связи в природе, а они вообще не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний.

На уровне статистических законов и закономерностей мы также сталкиваемся с причинностью. Но детерминизм в статистических закономерностях представляет более глубокую форму детерминизма в природе. В отличие от жесткого классического детерминизма он может быть назван вероятностным (или современным) детерминизмом.

Истинное, всеобъемлющее значение вероятностного детерминизма стало очевидным после создания квантовой механики - статистической теории, описывающей явления атомарного масштаба, то есть движение элементарных частиц и состоящих из них систем (другими статистическими теориями являются: статистическая теория неравновесных процессов, электронная теория, квантовая электродинамика). Несмотря на то, что квантовая механика значительно отличается от классических теорий, общая для фундаментальных теорий структура сохраняется и здесь. Физические величины (координаты, импульсы, энергия, момент импульса и т.д.) остаются в общем теми же, что и в классической механике. Основной величиной, характеризующей состояние, является комплексная волновая функция. Зная ее, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения не только координаты, но и любой другой физической величины, а также средние значения всех величин.

2. Концепция детерминизма и статистические законы

Законы, с которыми мы встречались в классической механике, имеют универсальный характер, т.е. они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Например, закон всемирного тяготения действителен для всех материальных тел, больших и малых. Отличительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер.

Наряду с ними в науке с середины прошлого века стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятными. Именно это обстоятельство долгое время служило препятствием для признания их в науке в качестве полноценных законов. Поэтому они рассматривались как вспомогательные средства для обобщения и систематизации эмпирических фактов. Положение коренным образом изменилось после того, как квантовая механика показала, что существование неопределенности коренится в самом фундаменте материи -- в мире ее мельчайших частиц, поведение которых можно предсказать лишь с той или иной степенью вероятности.

2.1 Вероятностные, или статистические законы

Свое название эти законы получили от характера той информации, которая используется для их формулировки и получения заключения из нее. Вероятностными они называются потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Поскольку сама информация при этом носит статистический характер, то часто такие законы называют также статистическими, и этот термин получил в науке значительно большее распространение.

Тем не менее, использование термина "вероятность" для характеристики статистических законов более обоснованно с теоретической точки зрения.

Возникает вопрос: о какой вероятности идет речь в данном случае?

В настоящее время существует по крайней мере три интерпретации этого термина. Первая из них связана с классическим периодом развития теории вероятностей, когда вероятность события определялась как отношение числа случаев, благоприятствующих появлению события, к общему числу всех возможных случаев. Такое определение мы встречаем у одного из основоположников классической теории вероятностей -- выдающегося французского математика П.С. Лапласа. С помощью такого определения легко подсчитать вероятности, или шансы, появления события в азартных играх, из анализа которых и появилась сама теория. Однако правила азартных игр специально построены таким образом, чтобы шансы игроков были равновозможными, но в природе и обществе равновозможные события встречаются редко. Поэтому для количественной оценки возможности появления тех или иных событий необходимо было найти другую интерпретацию.

Со временем ученым действительно удалось найти ее путем сравнения числа появления исследуемого события к общему числу всех наблюдений. Действительно, чем чаще происходит событие, тем выше вероятность его появления при данных условиях наблюдения. Очевидно, что численное значение вероятности при таком определении зависит от количества наблюдений, т. е. от относительной частоты появления события. Поэтому, чем больше сделано наблюдений, тем точнее будет вычислена и вероятность события. Исходя из этого, некоторые ученые предложили рассматривать вероятность события как предел его относительной частоты при бесконечном числе наблюдений. Поскольку такое количество наблюдений практически осуществить невозможно, то многие теоретики, а особенно практики, решили определять вероятность как отношение числа появления интересующего события к общему числу всех наблюдений, когда количество последних достаточно велико. Эта величина в каждом конкретном случае должна определяться условиями конкретной задачи, т.е. вероятность Р (А) равна:

где т -- число появления интересующего события, а n -- число всех наблюдений.

Указанное определение вероятности называют также частотным, поскольку в нем фигурирует понятие относительной частоты при длительных наблюдениях. Последние анализируются обычно статистическими методами. Очевидно, что при статистической, или частотной, интерпретации нельзя говорить о вероятности отдельного, единичного события, которое не обладает частотой. Поэтому вероятность при такой интерпретации относится к некоторой группе событий. В предыдущей главе мы упоминали, что волновая функция в квантовой механике определяет параметры будущего состояния системы в "среднем", т. е. не указывает, например, определенное значение его координат, а только тот интервал, в котором они могут находиться. Это обстоятельство часто характеризуют термином "вероятностное распределение".

Частотная, или статистическая, интерпретация вероятности получила наиболее широкое применение в естественных и технических науках, а в последние десятилетия также в социальном и гуманитарном познании. Это объясняется прежде всего тем, что реальные процессы в основном состоят из большого количества элементов, связи между которыми имеют сложный характер и в которых немалую роль играют случайные факторы, от которых нельзя отвлечься, как это делают в классической механике. Тем не менее, и для характеристики таких процессов можно найти некоторые регулярности, которые дают возможность строить вероятностные прогнозы их будущего поведения.

Самое главное применение частотная интерпретация вероятности находит при открытии и анализе статистических законов. Всюду, где мы встречаемся с массовыми случайными или повторяющимися событиями, при тщательном исследовании можно обнаружить, что все они, несмотря на отклонения и разнообразие в своем поведении, обладают определенной регулярностью, а именно: устойчивой относительной частотой. Эта закономерность была выявлена еще в античном мире на примере относительной устойчивости количества рождающихся за год мальчиков и девочек. Впоследствии были найдены другие статистические законы в физике, биологии, демографии, страховом деле, социальной статистике и т. д.

Как относились к статистическим законам в классической науке? Признавались ли они в качестве постоянных методов исследования наравне с универсальными законами или считались временными средствами познания, используемыми для удобства, пока не будут найдены подлинные законы?

На этот вопрос можно ответить вполне однозначно: статистические законы не считались подлинными законами, так как ученые прошлого века предполагали, что за ними должны стоять такие же универсальные законы, как закон всемирного тяготения Ньютона, который считался образцом детерминистского закона, поскольку он обеспечивает точные и достоверные предсказания приливов и отливов, солнечных и лунных затмений и других явлений природы.

Статистические же законы признавались в качестве удобных вспомогательных средств исследования, дающих возможность представить в компактной и удобной форме всю имеющуюся информацию о каком либо предмете исследования. Типичным примером может служить информация, получаемая посредством переписи населения. В принципе мы можем получить о каждом гражданине страны все необходимые сведения, но когда они классифицируются по отдельным пунктам, сводятся в отдельные показатели и обобщаются, то работать с такой информацией значительно удобнее и легче. Статистические законы и теоретические обобщения, найденные в физике, биологии, экономике, социологии, праве и других науках, также рассматривались в качестве удобного вспомогательного средства для описания, систематизации и обобщения найденного эмпирического материала. По-видимому, главная причина такого отношения к статистическим законам состояла в том, что заключения их недостоверны, неопределенны, а лишь вероятны в той или иной степени, причем эта степень существенно зависела от количества наблюдений и экспериментов.

В связи с этим подлинными законами считались именно детерминистские законы, обеспечивающие тонные и достоверные предсказания. Эта терминология сохранилась до настоящего времени, когда статистические, или вероятностные, законы квалифицируются как индетерминистские, с чем вряд ли можно согласиться. Единственное, что здесь верно, -- это качественное различие между двумя типами законов: универсальными и статистическими. В то же время между ними существуют и глубокая общность, и единство, заключающиеся в том, что все они отображают определенные регулярности в природе и обществе. Опираясь на эти регулярности, мы можем успешнее действовать в окружающем нас мире случайностей и неопределенностей, поскольку законы устанавливают некоторые запреты и тем самым уменьшают количество возможных выборов или альтернатив действия.

Отношение к статистическим законам принципиально изменилось после открытия законов квантовой механики, предсказания которых имеют существенно вероятностный характер. Попытка найти некие скрытые параметры, с помощью которых можно было бы свести статистические законы к строго детерминистским законам, подобным законам классической механики, не увенчалась успехом. По-видимому, принцип неопределенности Гейзенберга не дает возможности осуществить это.

2.2 Классический и вероятностный детерминизм

Наиболее ясная и точная формулировка сущности классического детерминизма принадлежит П. Лапласу, вследствие чего такой детерминизм часто называют также лапласовским детерминизмом. Лапласовский детерминизм основывается на представлении, согласно которому весь окружающий нас мир -- это огромная механическая система, начальное состояние которой является точно заданным и в которой не делается никакого различия между движениями "величайших тел Вселенной и легчайших атомов".

Разумеется, Лаплас отдавал себе отчет в том, что такая ситуация в реальном мире невозможна и поэтому она представляет собой идеализацию, но в то же время нельзя не признать, что в ее основе лежит именно механистический взгляд на мир, согласно которому Вселенная уподобляется гигантскому механизму, все будущие состояния которого строго детерминированы или предопределены его начальным состоянием.

Главный недостаток лапласовского, как и любого другого механистического детерминизма, состоит, прежде всего, в том, что он представляет мир, Вселенную как систему, полностью детерминированную исключительно законами механики. В таком мире не было бы ничего неопределенного и случайного. В связи с этим сама случайность по существу исключается из природы и общества. Начиная с Демокрита и особенно английского философа Томаса Гоббса (1588--1679), случайное прежние материалисты определяли как "необходимую причину, чего нельзя разглядеть".

Такой взгляд на случайность был продиктован механицизмом старого метафизического материализма, получившего наиболее яркое выражение во французском материализме XVIII в. Подобных же воззрений на случайность придерживались многие ученые той эпохи. Лаплас, например, считал случайным то, причину чего мы не знаем или не можем точно выявить ее следствия. С этих позиций он рассматривает и вероятность, когда указывает, что она "обусловливается отчасти этим незнанием, а отчасти нашим знанием". Как мы выяснили ранее, доминирующая в настоящее время частотная, или статистическая, интерпретация вероятности, напротив, подчеркивает объективное содержание понятия вероятности, ибо рассматривает ее как количественную характеристику устойчивости частоты массовых случайных событий. Таким образом, сторонники механистического материализма абсолютизируют категорию необходимости, признавая подлинными лишь универсальные законы, и исключают случайности из мира. Если последовательно придерживаться такой точки зрения, то неизбежно придется признать и предопределенность всех событий в мире и связанный с ним фаталистический взгляд на мир.

Ошибочность таких взглядов -- в непонимании диалектической взаимосвязи между случайным и необходимым, когда они рассматриваются обособленно друг от друга и противопоставляются друг другу. В действительности же необходимость возникает как результат взаимодействия многих случайностей, о чем свидетельствуют статистические законы. В свою очередь случайности выступают в форме проявления и дополнения необходимости, поскольку универсальные или строго детерминистские законы в чистом виде не существуют. При их установлении мы отвлекаемся от некоторых второстепенных факторов, которые рассматриваются при этом как случайные, ибо не оказывают существенного влияния на ход процессов.

Итак, детерминизм исторически выступает в двух формах:

* лапласовского, или механистического, детерминизма, в основе которого лежат универсальные законы классической физики;

* вероятностного детерминизма, опирающегося на статистические законы. Поэтому вряд ли целесообразно называть такой детерминизм индетерминизмом.

Когда сравнивают эти формы выражения регулярностей в мире, то обычно обращают внимание на степень достоверности их предсказаний. Строго детерминистские законы дают точные предсказания в тех областях, где можно абстрагироваться от сложного характера взаимодействия между телами, отвлекаться от случайностей и тем самым значительно упрощать действительность. Однако такое упрощение и схематизация возможны лишь при изучении простейших форм движения. Когда же переходят к исследованию сложных систем, состоящих из большого числа элементов, индивидуальное поведение которых трудно поддается описанию, тогда обращаются к статистическим законам, опирающимся на вероятностные предсказания.

Таким образом, в современной концепции детерминизма органически сочетаются необходимость и случайность. Поэтому мир и события в нем не оказываются ни фаталистически предопределенными, ни чисто случайными, ничем не обусловленными. Классический детерминизм лапласовского типа чрезмерно подчеркивал роль необходимости за счет отрицания случайности в природе и поэтому давал искаженное представление о картине мира. В противовес этому некоторые ученые, ошибочно истолковывая принцип неопределенности в квантовой механике, провозгласили господство случайности, отрицая какую-либо роль необходимости. Признание самостоятельности статистических, или вероятностных, законов, отображающих существование случайных событий в мире, дополняет прежнюю картину строго детерминистского мира. В результате этого в новой картине мира необходимость и случайность выступают как взаимосвязанные и дополняющие друг друга его аспекты.

Очень часто детерминизм отождествляют с причинностью, но такой взгляд нельзя считать правильным хотя бы потому, что причинность выступает как одна из форм проявления детерминизма. Действительно, когда говорят о причине и следствии, то указывают на связь двух явлений или процессов во времени, изолируя их от других явлений, вырывая их из всеобщей взаимосвязи и взаимообусловленности всех явлений.

То явление, которое вызывает или порождает другое явление, называют причиной, а второе явление, представляющее собой результат действия причины, -- следствием. Такие интуитивные по характеру определения возникли из непосредственной практической деятельности человека по преобразованию вещей и подчеркивают именно причинно-следственный характер его деятельности. В современном научном познании преобладает тенденция к определению причинной зависимости с помощью законов, которые в отличие от других законов называют каузальными, или причинными законами.