Принцип детерминизма. 
Основные положения и проблемы

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Кафедра философии

Контрольная работа

по дисциплине «Философия науки»

на тему: «Принцип детерминизма. Основные положения и проблемы»

Тула 2009

1. О причинности

1.1 Возникновение понятия причинности

1.2 Причинность в повседневной жизни

1.3 Причинность в науке

2. Принцип детерминизма в классической механике

2.1 Статистические законы классической физики с позиции детерминизма

2.2 Удобство статистических законов

2.3 Недостаточность знания картины мира

2.4 Лапласовский детерминизм

3. Индетерминизм в квантовой механике

3.1 Принцип неопределённости Гейзенберга

3.2 Параметры состояния. «Волновая функция»

3.3 Случай макромира

Заключение

1. О причинности

Понятие причинности — одна из центральных проблем в современной философии науки — привлекало внимание различных философов, начиная с античной Греции, Древней Индии и Древнего Китая и кончая нашими днями.

В предшествующие эпохи философы верили в существование метафизики природы, которая могла объяснить все явления, происходящие в природе. Метафизика природа считалась более глубокой и фундаментальной областью познания, чем любая эмпирическая наука. В связи с этим задача философа состояла в интерпретации при помощи физических законов метафизических истин. Постепенно философы науки стали отходить от идеи существования такой метафизики. Старая философия природы была заменена философией науки. Таким образом, старые философы имели дело с метафизической природой самой причинности, а задача современных ученых состоит в том, чтобы в точности определить, что такое «отношение причины-следствия».

Даже в науке часто оказывается неясным, что имеет в виду ученый, когда говорит, что одно событие вызвало другое. Некоторые учёные вообще отрицают понятие причинности. В повседневной жизни же понятие причинности остаётся неопределённым.

1.1 Возникновение понятия причинности

Историческое возникновение понятия причинности связано, вероятно, с традицией Древнего Мира переносить человеческие качества на природу (антропоморфизм). Человек античности был не в силах объяснить все явления природы с помощью законов физики и поэтому мог вообразить, что элементы природы являются одушевлёнными, и благодаря этой душе могут хотеть, чтобы произошли те или иные события. Это особенно понятно по отношению к таким явлениям природы, которые вызывают большой ущерб: гора была ответственна за причинение обвала, а ураган — за разрушение деревни.

Хотя, безусловно, такой подход больше не встречается в цивилизованном мире, элементы подобного мышления остались в современном языке. Так, при описании какого-либо события с участием неодушевлённого предмета, мы называем его субъектом и приписываем ему какое-либо действие.

1.2 Причинность в повседневной жизни

В повседневной жизни мы говорим, что некоторые вещи служат причиной событий. Но причинное отношение возникает не между вещами и событиями, а между процессами и событиями. Так, например, мы говорим, что солнце — причина роста растений. На самом деле мы имеем в виду, что причина роста — процесс солнечной радиации. Причём термин процесс нужно определять в широком смысле слова, подразумевая, что и статические процессы могут послужить причиной события. Правомерно также говорить об условиях, как о причинах событий.

При этом в повседневной жизни, подчас, очень сложно определить конкретную причину (процесс, условие) того или иного события. Здесь уместен пример, взятый из книги о столкновении двух автомобилей.

«Предположим, что мы исследуем причину столкновения двух автомобилей на шоссе. Мы должны не изучить не только изменяющиеся условия — как двигались автомобили, поведение шофёров и т. п. — но также условия, которые оставались постоянными в момент столкновения. Мы должны проверить состояние поверхности дороги. Была ли она влажной или сухой? Не светило ли солнце прямо в лицо одному из шофёров? … В повседневной жизни мы часто требуем отдельной причины для события — определённой причины смерти, определённой причины столкновения. Но когда мы исследуем ситуацию более тщательно, мы обнаружим, что могут быть даны многие ответы, зависящие от точки зрения, с которой выдвигается вопрос. Автодорожный инженер может сказать: «Да, я много раз до этого говорил, что это плохое покрытие для шоссе. Оно становится очень скользким, когда оно сырое. Теперь мы имеем ещё одно происшествие, которое доказывает это!» По мнению инженера, несчастный случай имел причиной скользкость дороги… Когда он утверждает, что «это есть причина», он имеет в виду следующее: это представляет важное условие такого рода, что если бы его не было, то несчастного случая не произошло бы.

Другие люди, когда их спросят о причине происшествия, могут упомянуть другие условия. Дорожная полиция… захочет знать, нарушали ли водители какие-либо дорожные правила… Психолог, который опросит одного из шофёров, может заключить, что шофёр был в состоянии тревоги… Инженер по автомобильным конструкциям может найти другую причину, такую, как дефект конструкции одного из автомобилей. Механик гаража может указать на неисправность тормозов одного из автомобилей."

Таким образом, представитель каждой профессии, рассматривая событие со своей точки зрения, может обнаружить некоторое условие, такое, что он может точно сказать: если бы такого условия не существовало, то происшествия не случилось бы.

Можно условно выделить 5 таких основных условий или процессов:

· скользкая дорога;

· нарушение правил дорожного движения;

· состояние тревоги одного шофёра;

· дефект конструкции автомобиля;

· неисправность тормозов.

Но ни один из этих людей не может однозначно ответить на вопрос, что конкретно послужило причиной происшествия. Как мы видим, причиной послужил целый комплекс процессов и условий. И если должно быть найдено причинное отношение между происшествием и предыдущим событием, то в качестве этого предыдущего события должен рассматриваться весь комплекс условий.

В повседневной жизни к причинам события мы часто относим лишь наиболее важное, по нашему мнению, условие, или группу условий. Важность тому или иному условию человек придаёт, основываясь на своём опыте. Например, все знают, что если тормоза неисправны, то очень сложно избежать аварии, или, что нельзя нарушать правила дорожного движения.

1.3 Причинность в науке

При научном подходе можно предположить, что, определённое лицо, зная наперёд все условия, процессы и соответствующие им законы, могло бы точно предсказать будущее событие. Никто в действительности, конечно, не знает и не может знать все факты и относящиеся к ним законы. Под «соответствующими» законами подразумеваются не только законы физики и технологии, но также физиологические и психологические законы. Причём необходимо знать не только качественный характер этих законов, но и количественный результат их применения, что также порождает известные трудности.

Тем не менее, теоретически данное предсказание может быть реальным. Это и составляет основу принципа детерминизма: если полная предыдущая ситуация будет известна, событие может быть предсказано. При этом под предсказуемостью здесь следует понимать не возможность действительного предсказания кем-либо события, а скорее, потенциальную предсказуемость.

При этом, несмотря на то, что современные учёные знают гораздо больше о строении мира, чем учёные любой предыдущей эпохи, всё же остаётся довольно туманной перспектива создания универсальной теории, которая могла бы описать все происходящие в мире процессы.

В начале XX веке квантовая механика и конкретно соотношение неопределённостей Гейзенберга поставили под вопрос правомерность принципа детерминизма. Об этом речь пойдёт в следующих разделах.

2. Принцип детерминизма в классической механике

До формулирования законов квантовой механики все физические законы — от законов классической механики до системы уравнений Максвелла и статистических законов термодинамики — подчинялись принципу детерминизма. Здесь на самом деле нет противоречия: хоть в термодинамике и использовались статистические законы, определявшие лишь некоторую вероятность, например, значения скорости молекулы, закон принимал статистическую форму лишь для удобства. Остановимся более подробно на этом вопросе.

2.1 Статистические законы классической физики с позиции

детерминизма

причинность физика детерминизм неопределенность

Детерминистический закон есть закон, который утверждает, что при определённых условиях будут иметь место точно определённые вещи. Законы такого рода могут быть установлены в качественных терминах, но более употребительными являются законы в количественных терминах. Количественный детерминистический закон всегда устанавливает, что если определённые величины имеют определённые значения, то другая величина (или одна из прежних величин в другое время) будет иметь точно определённое значение.

Статистический закон устанавливает только вероятностное распределение для значений величин в индивидуальных случаях. Он даёт только среднее значение величины в классе случаев. Например, статистический закон устанавливает, что если игральную кость кубической формы бросить шесть раз, то выпадение определённой грани можно ожидать самое большее в одном случае. Закон не предсказывает, что произойдёт в любом конкретном случае бросания, он также достоверно не утверждает, что случится при шести бросаниях. Он только говорит, что если будет сделано очень большое число бросаний, то выпадение данной грани можно ожидать приблизительно также часто, как и другой, т. е. с вероятностью. Вероятность здесь употребляется в статистическом смысле, означающем относительную частоту при длительных бросаниях, а не в логическом смысле.

Статистические законы были довольно обычными в девятнадцатом веке, но, тем не менее, нельзя было утверждать, что они указывают на отсутствие детерминизма в основных законах природы. Физики вводили статистические законы либо из соображений удобства, либо вследствие отсутствия достаточного знания для описания ситуации детерминистическим путём.

2.2 Удобство статистических законов

Иногда, хотя отдельные факты неизвестны, можно получить информацию о них. Например, вместо полного описания каждого индивидуума в большой популяции можно будет исследовать только репрезентативную выборку. Если выборка показывает, что некоторый процент жителей в популяции живёт в частных домах, можно заключить, что примерно такой же процент владельцев частных домов будет в целой популяции. Можно проверить каждого индивида в популяции, но вместо того, чтобы тратить время и средства на это, проверяют выборку. Если выборка сделана тщательно, так что имеются веские основания считать её репрезентативной, можно получить хорошую общую оценку.

Такие же утверждения часто справедливы и для физических и биологических наук, хотя индивидуальные факты являются известными или нетрудно найти их.

2.3 Недостаточность знания картины мира

Иногда крайне трудно или даже невозможно получить точную информацию об индивидуальных случаях, хотя относительно легко увидеть, как она могла бы быть получена. Например, если мы могли бы измерить все величины, характеризующие падение игральной кости, — точное её положение перед бросанием, приданную ей скорость, вес и упругость, характер поверхности, от которой она отскакивает, и т. п., — то можно было бы точно предсказать, как легла бы кость. Поскольку машины для таких измерений в настоящее время отсутствуют, следует ограничиться статистическими законами, выражающими частоту при продолжительном испытании.

В девятнадцатом веке в кинетической теории газов было предложено значительное количество статистических законов. Так, если некоторое количество кислорода обладает определённым давлением и температурой (макроскопическими параметрами), то в объёме будет существовать определённое распределение скоростей его молекул — распределение Максвелла-Больцмана.

В данном случае статистический закон вводится, в первую очередь, из-за невозможности технически определить скорость каждой молекулы, и только во вторую — из соображений удобства. Даже в случае игральной кости можно было бы в принципе построить инструменты для анализа всех относящихся фактов. Но когда рассматриваются реальные молекулы газа (не идеальная компьютерная модель), то не существует пока техники, с помощью которой можно было бы измерить направление и скорость каждой отдельной молекулы и затем проанализировать миллиарды результатов для того, чтобы проверить, выполняется ли для них распределение Максвелла-Больцмана. Правильность закона подтвердилась после проверки различных следствий, выведенных из этого закона.

Физики девятнадцатого века полностью сознавали, что вероятностные законы о газах или законы, относящиеся к поведению людей, скрывают более глубокое незнание, чем незнание, с которым связано бросание игральной кости. Тем не менее, они было убеждены в том, что такую информацию можно было бы получить в принципе. Безусловно, даже учёные начала XXI века не обладают достаточными техническими средствами, чтобы «измерить» те или иные стороны поведения человека, или скорость каждой молекулы в объёме. Но всё же до появления квантовой механики у физиков бытовало убеждение, что в принципе не существует никакого рода предела точности, с которой могут наблюдаться те или иные объекты. Они сознавали также, что никакое наблюдение не является совершенно точным. Всегда существует элемент неопределённости, и с этой точки зрения все законы науки являются статистическими. Важно то, что эта точность всегда может быть увеличена: вчера — до одного десятичного знака, сегодня — до двух, завтра — до трёх и т. д. И, наконец, будет достигнут своеобразный предел, установленный самой природой. Станет возможным точное измерение и точное выражение микрозаконов.

2.4 Лапласовский детерминизм

Великая картина, представленная ньютоновской физикой, была картиной мира, в котором все события могли быть в принципе объяснены с помощью основных законов, которые были полностью свободны от индетерминизма. Это позволило Лапласу дать классическую формулировку этой точки зрения, заявив, что воображаемый ум, который бы знал все фундаментальные законы и все факты о мире в один момент истории, был бы в состоянии вычислить все прошлые и будущие события в мире.

Эта утопическая картина была разрушена возникновением квантовой механики.

3. Индетерминизм в квантовой механике

Существенно недетерминистический характер квантовой механики основывается на принципе индетерминизма, иногда называемом принципом неопределенности, или соотношением неопределенностей. Впервые он был установлен в 1927 году Вернером Гейзенбергом.

3.1 Принцип неопределённости Гейзенберга

Парой динамически сопряжённых переменных называют следующие пары величин:

1. Линейная координата данной частицы в данное время и компонента импульса той же частицы в то же время: и, и, и .

2. Угловая координата данной частицы в данное время и компонента момента импульса той же частицы в проекции на соответствующую ось: и, и, и .

3. Энергия данной частицы и время: E и t.

Принцип неопределённостей Гейзенберга утверждает, что:

Произведение неопределённостей пары динамически сопряжённых переменных по порядку величины не меньше постоянной Планка, т. е:

Допустим, что измеряют две сопряженные величины q и р и находят, что р лежит внутри некоторого интервала Др, а q — интервала Дq.

Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что, если мы попытаемся точно измерить р, то есть сделать Др очень малым, мы не можем в то же время точно измерить q, то есть сделать очень малым Дq. Более точно, произведение Др и Дq не может быть сделано меньше некоторого значения, которое выражается квантовой постоянной Планка h (). Если сопряженными величинами служат компоненты положения и импульса частицы, то принцип неопределенности утверждает, что невозможно в принципе одновременно измерить обе эти величины с высокой степенью точности. Если мы точно знаем, где находится частица, то компоненту ее импульса нельзя определить вполне точно. А если мы точно знаем, каков ее импульс, то мы не можем точно указать, где находится частица. На практике, конечно, неточности измерения такого рода значительно большие, чем тот минимум, который предписывается принципом неопределённости. Но главным здесь является тот факт, что эта неточность составляет часть основных законов квантовой теории. Границы, устанавливаемые принципом неопределённости, не должны рассматриваться как обусловленные несовершенством измерительных инструментов и как нечто такое, что может быть уменьшено путём совершенствования измерительной техники.

Очевидно, возникает вопрос, что является неверным: фундаментальные законы классической физики или принцип Гейзенберга. Некоторые физики (в т.ч. Эйнштейн) полагали и полагают, что соотношения неопределённостей Гейзенберга — сомнительная черта квантовой механики и со временем может быть отброшена. Однако до сегодняшнего дня подобный шаг, который представляется радикальным с точки зрения квантовой механики, сделан не был.

3.2 Параметры состояния. «Волновая функция»

Ещё одно отличие квантовой механики от классической физики, которое помогает понять природу принципа неопределённости, состоит в понятии мгновенного состояния физической системы.

В классической механике состояние системы из произвольного числа частиц в момент времени полностью описывается заданием для каждой частицы значений трёх координат частицы и трёх компонент импульса. Эти величины обычно называют «параметрами состояния» (переменными состояния).

Далее, если система остаётся изолированной в течение промежутка времени от до, то на основе заданного состояния системы при законы классической механики однозначно определяют её состояние (значение всех параметров состояния) при .

В квантовой механике множество параметров состояния для данной системы в данное время называется «полным», если, во-первых, в принципе возможно одновременно измерить все эти параметры и, во-вторых, для любого другого состояния значение параметра, который может быть измерен вместе с другими параметрами множества, будет определяться их значениями. Полное множество может состоять из следующих величин: для некоторых частиц — координаты, для других — компоненты импульса, для каких-либо других — наборы вида, , т. е. в любых терминах и. Согласно принципам квантовой механики, состояние системы в данный момент времени полностью описывается характеристикой значений любого полного множества параметров состояния. Очевидно, что такое описание будет рассматриваться как неполное с классической точки зрения, но такое ограничение описания находится в согласии с принципом неопределённости: если известно, то в принципе непознаваемо.

В квантовой механике любое состояние системы может быть представлено функцией специального вида — «волновой функцией» (-функцией). Волновой функции соответствуют численные значения во всех точках пространства. Если значения полного множества параметров состояния для времени заданы, то волновая функция системы для будет определена однозначно. Такие волновые функции играют в квантовой механике роль, аналогичную функциям состояния в классической механике. При условиях можно определить волновую функцию для на основе данной волновой функции для. Это делается с помощью «дифференциального уравнения Шрёдингера», сформулированного известным австрийским физиком Эдвином Шрёдингером. Это уравнение имеет форму детерминистического закона.

Таким образом, если принять волновую функцию как полное представление мгновенного состояния, то необходимо признать, что, по крайней мере, на теоретическом уровне детерминизм сохраняется и в квантовой механике. Необходимо помнить, тем не менее, что знание значения волновой функции при не означает возможность абсолютно точного определения значения какого-либо параметра состояния частицы в этот момент времени. Волновая функция даёт только вероятностное распределение для всех возможных значений этой величины. И только в некоторых особых случаях эти значения теоретически достигают вероятности 1, позволяя сказать, что это значение точно предсказано. Квантовая теория фундаментально индетерминистична в том смысле, что она не обеспечивает точных предсказаний для будущих результатов измерений, а делает только вероятностные предсказания.

3.3 Случай макромира Под макромиром в данном контексте следует понимать тело, состоящее из множества отдельных частиц.

Поскольку волновая функция, вычисленная для любого момента времени даёт относительно отдельных частиц вероятностное распределение параметров прежнего состояния, то можно вывести вероятностное распределение для других величин, которые определяются в терминах предшествующих. Многие из этих величин относятся к макронаблюдаемым свойствам таким, как температура, положение, скорости центра масс тела. Если тело состоит из миллиардов частиц, то его положение, скорость, температура и другие измеряемые величины можно будет вычислить с огромной точностью через вероятностные распределения каждой из частиц, составляющей тело. В этом случае кривая плотности вероятности для статистической величины имеет форму очень узкой, крутой возвышенности. Как следствие из этого, вероятность того, что значение данного параметра лежит в этом интервале, экстремально сходится к 1. При таком схождении для всех практических целей можно не рассматривать вероятностный характер предсказания и считать его достоверным. Но с точки зрения квантовой теории любое тело представляет систему, образованную из миллиардов частиц, и для каждой отдельной частицы существует неизбежная ошибка в предсказании. Неопределённость, выражаемая с помощью квантовых законов и в этом случае имеет место, но она сводится почти к нулю благодаря статистическим законам, охватывающим очень большое число частиц. С другой стороны, имеются ситуации совершенно другого характера, в которых появление события непосредственно наблюдаемо, но зависит от поведения крайне малого числа частиц, а иногда даже отдельной частицы. В случаях такого рода значительная неопределённость поведения частицы имеет место и в отношении к макрособытию. Это часто встречается в тех ситуациях, где радиоактивное микрособытие вызывает макрособытие, например, когда электроны, испускаемые при бета-распаде, производят отчётливо слышный щелчок в счётчик Гейгера. Даже если сделать идеальное предположение, что значения полного множества параметров первоначального состояния для субатомных частиц в небольшой совокупности радиоактивных атомов тела в момент времени известны, можно вычислить только вероятности появления таких событий, как, например: не испускается ни одна частица, испускается ода частица, две частицы и т. д. в течение первой секунды после .

Заключение

Таким образом, можно отметить, что проблема причинности и принципа детерминизма окончательно не решена.

Некоторые физики считают, что квантовая механика является незавершённым разделом физики, и впоследствии развитии теории отбросит принцип неопределённости Гейзенберга. Другие предсказывают наличие пока не изученных частиц на субмикроуровне, открытие которых объяснит вероятностное распределение параметров состояния. Большинство склоняется к той точке зрения, что принцип неопределённости характеризует процессы лишь на микроуровне; на макроуровне (за исключением некоторых макропроцессов, существенно зависящих от микропроцессов) можно считать достаточным асимптотическое стремление плотности вероятности к 1 в некоторой точке.

В конце XX и в начале XXI века приобретает силу новое направление в естественных и социальных науках — синергетика. В синергетике исследуются открытые самоорганизующиеся и саморазвивающиеся системы, описываемые нелинейными дифференциальными уравнениями.

Исследования в данном направлении в области физики (неравновесная термодинамика) показали в частности, что вероятность является не столько следствием незнания всех законов мира, в котором мы живём, сколько внутренней характеристикой динамической системы.

1. Бунге М. Философия физики. — М, 2005.

2. Карнап Р. Философские основания физики. / Пер. с англ., под ред. Новика И. Б. — М.: «Прогресс». — 390 — с. 2000.

3. Кедров Б. М. Научная концепция детерминизма. — М., 1993.

4. Томпсон М. Философия науки. — М, 2003.