Реферат: Детерминизм и индетерминизм в физике

Итак, налицо в общей сложности шесть разновидностей детерминистской концепции. Они образуют своеобразную последовательность в том смысле, что при снятии или введении определенных ограничений междуними могут установиться переходы. Самой общей или наименее строгой является форма D5, переходящая при условии устойчивости в D1. (Аналогичный переход от D6к D4). При снятии ограничения, существующего из-за соотношений неопределенностей, осуществляется переход от D3 к D1

Приведенные замечания позволяют внести дальнейшие уточнения, например возможность описания движения при помощи уравнений конечных разностей (которые могут при определенных условиях перейти в дифференциальные уравнения), а также интегрально-дифференциальных уравнений. Следует, кроме того, принять во внимание различные возможности представления взаимодействия в квантовомеханической области.

В теоретической системе квантовой механики состояние квантового объекта характеризуется волновой функцией, не являющейся непосредственно измеримой величиной (и даже величиной с непосредственным физическим смыслом; таким смыслом обладает модуль квадрата этой функции). Она вычисляется на основе данных о паре канонических переменных с их специфическими неопределенностями, соответственно из точных значений одной из групп этих величин. Между значением волновой функции  в определенный момент t0и следующими ее значениями  существует однозначная зависимость, выражаемая временным уравнением Шредингера:

,

имеющим в квантовой механике такой же статус, как и уравнения движения (Лагранжа) в классической механике.

Отсюда следует, что о неопределенности можно говорить только с точки зрения ситуации в классической механике. Говоря специфическим языком квантовой механики (языком ^-функции), мы имеем дело с другой определенностью, в том смысле, что описание при помощи волновой функции - наиболее полное из возможных описаний.

3.4 Сопоставление с некоторыми из существующих концепций

Введенные выше понятия D1- D6(I1,I2) можно сопоставить с некоторыми из известных концепций. Так, D1соответствует группе концепций Dc,Dj,Dk,,,,D2-,D3 -,D5 - , I1 - Ic. Такое сопоставление позволяет преодолеть тенденцию ограничения детерминизмадо Dc(и возможного его сведения к De),а также обратную тенденцию его предельно широкого понимания .При узком понимании детерминизма (как Dc или De) остальные разновидности попадают в категорию индетерминизма. Например, ряд физиков считают дифференциальный закон единственной и вполне удовлетворительной формой причинного объяснения. При этом детерминизм понимается равнозначным причинности (или причинному объяснению). В других случаях некоторые из этих разновидностей обозначаются как статистический детерминизм. В таком смысле Н. Бор, например, упоминает о статистическом характере формального аппарата квантовой механики как о «естественном обобщении описания классической физики». Подобным же образом марковские процессы рассматриваются иногда как обобщение детерминированных процессов. На основании этого говорят о двух видах детерминизма: динамическом и статистическом.

4. Детерминизм и концепция причинности в физике

Измерение канонических переменных, как известно, дает, вообще говоря, различные значения. Между последними не существует детерминированной связи, так как они не представляют регулярной функции во времени, случайны. Однако распределение этих значений подчиняется определенной закономерности, и в этих рамках можно говорить о статистической детерминированности. Иными словами, в случае распада радиоактивных атомов можно утверждать, что он не целиком индетерминирован в том смысле, что он статистически детерминирован. Но означает ли это, что он является причинным? Как стоит вопрос о причинности в данном случае? В связи с рассматриваемым вопросом следует вкратце остановиться на специфике причинности по сравнению с детерминизмом (в физике).

4.1    Детерминизм и причинность

Детерминизм относится к изменению систем во времени (движение), при котором на первый план выступает обусловленность или связь (функциональная). При этом мы не интересуемся процессом порождения действий (т. е. собственно причинением), однонаправленностью этих процессов, передачей причинных воздействий или отдельными случайными явлениями. Наоборот, существенными характеристиками причинности выступают:      порождение действия причиной, их одновременность, однонаправленная необратимость, пространственная непосредственность, передача с конечной скоростью (которая не может превышать скорости света), однозначная обусловленность и обратное воздействие. Этихарактеристики относятся и к отдельным случайным явлениям. Отношение детерминации обладает свойствами; однородностью, двучленностью, временной относительностью и однозначностью, т.е. универсально. Из отмеченных свойств специфическим для детерминизма оказывается лишь первое, так как остальные присущи и причинности. Мы полагаем, что можно указать на нюансы и в некоторых других характеристиках.

Рассмотрим альтернативные понятия причинности:

a) инвариантная связь (ассоциация) одного с другим;

b)   причинное основание: необходимое условие, достаточное условие и необходимое и достаточное условия. Здесь имеется в виду порождение действия причиной и равенство причины и действия;

c) случайная и необходимая причинная связь;

d)   отношение функциональной зависимости;

e) одно-однозначное, много-однозначное и много-многозначное причинное отношение;

f) отношение как непосредственное действие, действие на расстоянии и под влиянием.

g) обратно-действенная причинность;

Концепция физической причинности. Каждая физическая теория способствует конкретизации этой концепции. Так, исходя из закона сохранения импульса Ньютона, причинами ускорения тел можно считать силы. Тогда инерционное движение оказывается беспричинным (не противоречивым, а безразличным по отношению к причинности), что приводит к необходимости определенного изменения в формулировке принципа причинности. Согласно этому принципу, у каждого явления имеется причина в том смысле, что справедливость принципа причинности ограничена или же что он справедлив для изменений по отношению к определенному, принятому первичным, стационарному (неизменному),соответственно беспричинному процессу (фону). В ном, впрочем, классическая динамика не отличается, по существу, от атомистической философии Демокрита. Это вытекает из однородности пространства и времени и изотропности пространства.

С точки зрения превращения форм энергии в эквивалентные отношения причинность можно рассматривать как обмен энергией, подчиненный формуле: причина равна действию. В таком же духе Г. Братоев отстаивает концепцию о взаимообратимом логическом отношении причинности, симметрии и сохранения. Он приходит к выводу, что «с физической точки зрения содержание принципа причинности исчерпывается синтезом асимметрии пространства и времени, с одной стороны, и принципом близкодействия - с другой. То обстоятельство, что причинный принцип связан с определенным типом (геометрической) симметрии, определяет специфический способ, при помощи которого он входит в систему физики, а фундаментальная роль геометрической симметрии соответствует его всеобщему характеру».

Существенно также внесенное теорией относительности уточнение о том, что скорость передачи причинных воздействий не может превышать скорости света.

При S-матричном подходе требование причинности формулируется так: всякое происшедшее в системе изменение может оказать влияние на поведение системы в прошлом, во времена, предшествовавшие данному событию.

Впоследствии был разработан метод дисперсионных соотношений (между действительной и мнимой частью матричных элементов матрицы рассеяния), при которых причинность играет существенную роль. Эти соотношения можно вывести из основных положений квантовой теории поля и условия микропричинности.

Представления об асимметрической направленности или необратимости причины и ее действия пробовали связать с необратимостью, проистекающей из закона энтропии. При этом, однако, следовало бы иметь в виду, что речь идет о различных понятиях необратимости; что обратимые в термодинамическом отношении превращения так же необратимы, как и причинно-следственные цепи.

Какие из приведенных характеристик физической причинности остаются в силе и в квантовой механике, и какие специфические черты вносит квантовая механика в этот вопрос?

Прежде всего процесс измерения предполагает существование причинной связи; это признают все представители квантовой механики. Наряду с этим при квантовых процессах остается в силе закон сохранения энергии. Здесь, как было уже отмечено, справедлива детерминистская схема изменения волновой функции во времени, хотя и в абстрактном (конфигурационном) пространстве. Наконец, возможность истолковать редукцию волновой функции во взаимодействии как процесс физический (предложение Яноши) исключается. Это нарушило бы требование причинности, так как подобный процесс происходил бы со сверхсветовой скоростью.

.2 Проблема причинного объяснения результатов измерения канонических переменных в квантовых объектах

С точки зрения причинности открытым остается вопрос о статусе статистического ряда канонических переменных в микромире. Если признать ненадежность попыток избавиться от так называемого «ортодоксального» толкования квантовой механики, то особый интерес представляет вопрос о том, как следует понимать детерминизм и причинность в физике. И наоборот, если зафиксировать определенную версию детерминизма и причинности, то все внимание следует направить на подходящее переустройство самой квантовой механики так, чтобы она удовлетворяла упомянутой точке зрения. Вообще здесь намечаются три основные концепции, а именно:

а)      программа-максимум, цель которой - причинное нестационарное объяснение на уровне микромира;

б)      программа-минимум, чья задача сводится к причинному объяснению статистического распределения (его можно принять как первичное, т. е. не сводимое к скрытой нестатистичности);

в)      концепция, согласно которой мы имеем дело с беспричинной статистикой.

В основе первой концепции лежит представление о фундаментальном характере причинной обусловленности так называемого динамического типа (или чего-то в этом роде), при которой всякое явление или изменение должно иметь свою подлежащую раскрытию причину, такой концепции придерживались, как известно, Планк, Эйнштейн, а в дальнейшем и ряд других физиков и философов. Эйнштейн пришел к выводу, что квантовая механика дает описание ансамбля систем, а не отдельных систем, для которых описание при помощи волновой функции неполно, так как оно недает представления о реальном состоянии системы. Утверждение, что средняя продолжительность жизни какого-либо радиоактивного атома не обусловлена причинно, он считал просто бессмысленным и высказывал убеждение в том, что события в природе подчиняются некоему закону, связывающему их гораздо точнее и теснее, чем мы предполагаем это сегодня, когда говорим, что одно событие есть причина другого. В связи с этим Эйнштейн полагал, что мы не остановимся на уровне субпричинности, а дойдем в конце концов до сверхпричинности. В то же время, как этовидно из других его высказываний, он учитывал возможность существования рациональной науки и при отказе от строгой причинности, ибо даже этот отказ привел к важным достижениям в области теоретической физики.

Рассмотренная программа может быть реализована различными способами, начиная со сведения квантовой механики к классической и кончая использованием новых физических концепций. В этом последнем смысле Эйнштейн ставит задачу нахождения средств для определения, отличных от тех, которые существовали до сих пор.

Идея ограниченной справедливости принципов квантовой механики (принципа суперпозиции и линейности уравнений движения) встречается у таких авторов, как Яух, Вигнер, Янассе и другие, допускающих возможность раскрытия инфраструктуры этой теории. В концепции б) рассеяние в значениях измеряемых величин связывается с обусловливающими их (случайными) причинами (типа броуновского движения). Подобные объяснения не отменяют статистического характера этих данных и вообще не касаются содержания квантовой механики, но пытаются подвести причинный фундамент под недетерминированность (или под статистическую детерминированность) наблюдаемых данных. Сюда, в частности, относятся попытки объяснить сложное поведение микрообъектов как результат взаимодействия с вакуумом.

Известно, что даже авторы, которые отрицают или ограничивают справедливость принципа причинности, также предлагают причинное (по существу) объяснение отклонения от однозначной причинной связи. Так, Бор считает причиной изменения состояния квантового объекта при измерении то обстоятельство, что описание любого физического явления следует относить к экспериментальному устройству - [см.: 13, с. 205]. В этом смысле концепцию дополнительности он рассматривает как разумное обобщение идеи причинности.

Вариантом подобной концепции оказывается взгляд, согласно которому в квантовой механике происходит перекрещевание двух причинных цепей, соответственно двух видов детерминизма, а именно: физического процесса и процесса измерения. Французский философ Брюнсвик утверждает, что из гейзенберговского принципа неопределенности ни в коем случае не следует крах детерминизма; он только означает, что на современном этапе нашей экспериментальной техники нас не может удовлетворить простая и догматическая форма детерминизма, Интересующегося лишь действительностью, но не познанием. Соотношение неопределенностей означает только то, что детерминизм наблюдаемого явления сам по себе есть не что иное, как абстракция, так как это соотношение неотделимо от детерминизма, управляющего актом наблюдения.

Обосновывая (или хотя бы выясняя) правдоподобность третьей концепции, полезно сослаться на параллель принимаемого здесь «беспричинного фона» и первичного беспричинного характера инерционного (прямолинейного равномерного) движения в классической механике, а также инерционного (геодезического) движения тел в общей теории относительности. В этом - один из наиболее существенных уроков по отношению к концепции причинности: раскрытие возможности существования беспричинных движений (т. е. не имеющих характера изменений). Таков характер только изменений по отношению к этим движениям. По аналогии «игру случая» при измерении канонических переменных микрообъектов можно принять за что-то первичное для микромира в том смысле, что здесь «флуктуации» не только недетерминированы, но и беспричинны.

5. Заключение

Итак, трудности, связанные с физическим детерминизмом, оказываются, в сущности, трудностями, связанными с определенным его пониманием. Их можно преодолеть, расширив это понимание, в соответствии с современным состоянием вопроса. Здесь был рассмотрен уточненный взгляд на детерминизм, охватывающий совокупность (не исключающих друг друга) концепций. По существу, это полный набор концепций, извлеченный из характеристик, определяющих физический детерминизм. Вместе с тем правомерно различать концепции детерминизма и причинности. Констатация акаузального характера результатов измерения канонических переменных у квантовых объектов или, соответственно, невозможность причинного их истолкования рассматриваются как нарушение принципа причинности. При соответствующем (уточненном, более узком) понимании этого принципа (по аналогии с постановкой вопроса в ньютоновой динамике), как относящегося к определенным изменениям, акаузальный характер результатов указанных измерений просто остается вне сферы причинности и, следовательно ей не противоречит.

6. Список литературы

1. Пеликаров А. Относительность и кванты, М., 1966, с. 396.

2. Феврие П. Детерминизм и индетерминизм, 1955, с. 499.

3. Cazelle Ph., La Nouvelle Critique. Mars 1971, с 131.

4. Born M. Natural Philosophy of Cause and Chance. N.Y., 1965, с. 221.

5. Максвелл К. Материя и движение. М., 1924, с. 175.