Разновидности физического детерминизма. Детерминистский характер физических теорий

Содержание

  1. Введение.
    1. Методологические основы проблемы отношения детерминизма и индетерминизма.
      1. Разнобразие детерминистических концепций.
      2. Возможность изменения физического детерминизма.
      3. Изменение и нарушение данной детерминистической концепции.
      4. Проблема детерминизма в квантовой механие.
    2. Разновидности физического детерминизма. Детерминистский характер физических теорий.
      1. Описание движения.
      2. Информация о состоянии.
      3. Набор концепций физического детерминизма.
      4. Сопоставление с некоторыми из существующих концепций.
    3. Детерминизм и концепция причинности в физике.
      1. Детерминизм и причинность.
      2. Проблема причинного объяснения результатов измерения канонических переменных в квантовых объектах.
    4. Заключение.
    5. Список литературы.

4.1. Введение

Представления о детерминизме плотно входят в структуру научного метода. Они нацелены на анализ, понимание и обоснования исследуемых процессов в природе, обществе и мышлении. Детерминизм нашел свое проявление в естественных науках, в частности в физике. Большинство формулировок физических законов и их математических интерпретаций развивались и существуют в согласии с утверждениями детерминизма.

Учение о детерминизме соотносится с принципом причинности. Научные представления о причинности базируются па классической механике, на ее идеях и методах.

С появлением квантовой механики мнения физиков по вопросу о детерминизме резко разошлись. В новой ситуации некоторые физики (Гейзенберг, Борн, Нейман, Дирак, Йордан) считали, что детерминизм опровергнул. Другие же (Эйнштейн, Планк, Шредингер, де Бройль), наоборот, опровергали индетерминизм и продолжали придерживаться принципа детерминизма. Как объяснить существование столь разных концепций при одних и тех же эмпирических данных и одной и той же теории? Очевидно, что речь идет о разных толкованиях, имеются в виду (явно или неявно) разные концепции детерминизма (пока не делается разницы между детерминизмом и концепцией причинности) - [см.: 1, с. 148- 149]. Вместе с тем используются разные аргументы - преимущественно эмпирические или преимущественно теоретические, в том числе и философские. В отношении последних речь идет не только о конфронтации между материалистической и идеалистической постановкой вопроса, ибо в рамках этих основных философских направлений существует контроверсия детерминизма и индетерминизма. Проблема состоит в переходе от явления к сущности, или в субординации фактов: означает ли детерминизм частный случай индетерминизма. Приблизительное (мнимое) отражение действительности соответственно ограниченной сфере действительности или же, наоборот, индетерминизм есть только проявление более глубокого детерминизма. Эта проблема связана с вопросом о том, чему следует отдать приоритет - эмпирическим данным или теории, непосредственно известному или исследовательской программе. Согласно схеме П. Феврие, различаются два типа детерминизма и два - индетерминизма (фактический и в принципе), которые сведены к трем разновидностям: кажущийся детерминизм, скрытый детерминизм и индетерминизм по существу - [см.: 2, с. 10].

Уже в древности против концепции (нашедшей отражение в произведениях Гомера) произвольного вмешательства богов в судьбу людей (крайний индетерминизм) сформировался детерминистический взгляд (Гераклит, Демокрит). В противовес строгой детерминированности у Демокрита, Эпикур допускает и придает большое значение первичным (на современном языке «статистическим») отклонениям «атомов». Аналогичным образом осуществляется переход от учения Аристотеля о причинности к учению классической механики (Галилей, Ньютон), который означает сужение мнимой области значимости старой концепции и фактическое расширение действительной значимости новой концепции. Впоследствии за произвольными на первый взгляд отклонениями определенного класса явлений были установлены статистические закономерности. Если случайность отрицает необходимость, то законы случайности, как утверждает Ф. Казель, выступают, в свою очередь, отрицанием отрицания - [см.: 3, с. 40-42].

4.2. Методологические основы проблемы отношения детерминизма и индетерминизма

Обычно считают, что определенная концепция детерминизма формируется в рамках классической физики (механики). В дальнейшем при возникновении новых физических дисциплин (статистической физики, квантовой механики, квантовой теории поля) концепция подвергается проверке, т. е. либо подтверждается, либо опровергается в этих новых областях (в данном случае предполагается эмпирический характер концепции). Опровержение ее означает переход к противоположной, или индетерминистической, концепции и ограничение значимости первоначальной концепции. Основная проблема состоит в том, является ли значимость детерминизма всеобщей или ограниченной. Всеобщая значимость детерминизма означает, что данная его формулировка (назовем ее D) находит подтверждение во всех областях (теориях) физики и применима к любой новой области, т. е. в теории поля, статистической физике, квантовой физике й т. д. имеет место та же детерминистическая структура, что и в области классической динамики. Мы, однако, не можем быть уверены в подобном, так как не существует гарантий, что во всякой новой области детерминизм (в своем первоначальном виде) обязательно будет подтвержден. Вот почему особенно интересен случай, когда некоторая теоретическая система не входит в принятую детерминистическую схему.

  1. Разнообразие детерминистических концепций

На самом деле в рамках такого общего понятия, как детерминизм, неизбежно существует несколько различных его понятий. В классической физике мы отметим следующие:

- интуитивное (рабочее) понятие о строгой или однозначной определенности протекания явлений данными факторами, соответственно зависимость одних величин от других, обладающих при этом широкой значимостью (для целого класса явлений). Детерминизм в физике проявляется на уровне: а) эмпирических исследований, когда устанавливается зависимость, по которой изменяются определенные величины (характеризующие данное явление) во времени (эмпирические законы); б) теоретических исследований, когда устанавливаются общие законы или уравнениядвижения в данной области и, в более общемвиде, детерминистическая структура физическихтеорий;

кинематическое понятие, дающее описание данного движения таким обратом, что устанавливается связь между его последовательными состояниями, и позволяющее предвидеть будущее состояние Тела или системы - [см.: 4, с. 9];

-ньютоновское (динамическое) понятие, при котором в тех же целях используется уравнение динамики, т. е. однозначная последовательность в состоянии движения объясняется действием определенных сил;

- понятие о действии на расстоянии (в рамках динамики Ньютона), тесно примыкающее к детерминизму;

-лапласовское (сингуларистическое, холистическое) понятие, предполагающее предопределенность событий во Вселенной (т. е. их подчинение законам механики, которые познаваемы), — так называемый «лапласовский демон», которому известны коррдинаты и импульсы всех частичек и который в состоянии решить систему всех уравнений;

- максвелловское понятие, согласно которому разница между двумя событиями не зависит от разницы моментов времени или мест, когда и где они происходят, а только от разницы сущности, конфигурации или движения рассматриваемых тел - [см.: 5, с. 11];

- понятие о непосредственном пространственном контакте, или смежности (contiguity), причины и действия, предполагающее непрерывность последовательности событий в данной детерминистической цепи;

-статистическое понятие как детерминированность статистических средних величин;

- «двунаправленная» детерминированность прошлым и будущим (Уилер, Фейнман).

Следует отметить, что названные (физические) концепции детерминизма не изолированы от философской концепции и в общем являются философско-физическими. Типична в этом отношении концепция Лапласа, в которой механицизм находит свое крайнее выражение. Однако он пронизывает всю классическую механику и относится также (хотя и в неявном виде) к другим концепциям. Кроме того (в философском отношении), эти понятия можно в духе эмпиризма или априоризма, конвенционализма или же, как условно (функционально)априорные. Критика подобного рода концепций происходит опять-таки на философской основе (Юм и др.) - [см.: 6, с. 80].

Разные детерминистические понятия можно рассматривать всоотношении перехода (исторически, логически). Так, охватывает , ,, и есть более общее понятие, чем . Можно полагать, что в общую причину каждого детерминированного события входит прямо или косвенно все прошлое Вселенной. При этом можно отметить неудовлетворительность и а также ограниченную значимость .Если какая-либо концепция()не находит подтверждения, то научная мысль обнаруживает тенденцию к другому, более общему взгляду ().

4.2.2. Возможность изменения физического детерминизма

Существующие концепции () периодически подвергаются изменению или переформулировке ()с тем, чтобы они отвечали новым ситуациям. Так, наряду с упомянутыми уже детерминистическими понятиями можно наметить еще некоторые, а именно:

- совокупность динамических и количественных законов;

- функция Грина о распространении сигнала из одной точки вдругую;

- плюралистическое (дистрибутивное) понятие, согласно которому есть события, вызванные только ограниченной частью прошлого Вселенной. Нагель, например, определяет детерминизм как зависимость изменения в состоянии систем от их внутренней структуры, внешних условий и начального состояния;

- задача Коши, или теорема математической теории гиперболических дифференциальных уравнений об однозначной связи значений функции движения и ее производной от их значений в некий начальный момент. Отметим, что, говоря о несостоятельности детерминизма, Гейзенберг имеет в виду это понятие (закон причинности), а именно что будущее состояние может быть вычислено на основе нынешнего;

- однозначная зависимость (в теории поля) величин состояния (обладающих физическим смыслом) от их значений в первоначальный момент при условии использования так называемых собственных координат;

- крайний вариант лапласовского детерминизма - для конечной Вселенной, т.е. при крайнем числе материальных точек (или системе уравнений);

- ослабленная версия детерминизма, в смысле отсутствия жесткой связи последовательных состояний.

Названные до сих пор понятия сформировались независимо (исторически или логически) от квантовой механики. С ее возникновением предлагаются новые понятие и дефиниции или же подчеркиваются некоторые существующие, причем одни из них - с целью ослабления позиций детерминизма (и его опровержения), другие - с противоположной целью. Здесь можно отметить следующие понятия:

- тезис о существовании (физических) законов, соответственно, как исключение событий, не подчиняющихся каким-нибудь законам (Витгенштейн, Шлик, Рассел) - [см.: 7, с. 555];

- вероятностный детерминизм;

- предсказуемость, принципиальная предсказуемость или возможность предсказания (Борн, Бриллюэн, Поппер и др.);

- приблизительное предсказание;

- последовательность конвергентных описаний, которые сходятся к предельному описанию таким образом, что вероятности, соответствующие этим описаниям, стремятся к достоверности;

- объективная детерминированность (независимо от ее познаваемости);

-детерминизм, относящийся к потенциально возможному;

- детерминизм в познании.

Во всех этих концепциях подразумевают замкнутые системы. Каждое понятие имеет свою область значимости. Как правило, новые понятия применимы к более широкой области и ведут к ограничению значимости старых. Большинство упомянутых концепций можно систематизировать, с одной стороны, по признакам однозначной или статистической зависимости, кинематического или динамического описания, а с другой - как относящиеся к отдельным системам или физическому миру, допускающие непосредственное действие или действие на расстоянии и т. д. с соответствующими разновидностями - [см.: 6, с. 83 - 84].

Ряд авторов возражают против отождествления детерминизма с предсказуемостью. Дефект понятий, и Dhсостоит в том, что они разрывают действительность и познание.имеет характер общего философского тезиса или постулата в духе априоризма, который не находитчастнонаучного подтверждения. является весьма общим, и его следует конкретизировать. В результате можно считать, что ,, отпадают, а в концепции детерминизма предполагаются ,,а также Dgи .В качествеопределения детерминизма можно принять, что в общем случае состояние физических систем зависит (однозначно) от их начального состояния и способа описания процессов. Кроме того, целесообразно различать детерминизм и причинность. Детерминизм следует отнести к определенному типу изменений физических объектов но времени, который, как правило, причинно обусловлен, по может быть и беспричинным (инерциальное движение) или рассматриваться независимо от причин (кинематически). Иначе говоря, существуют случаи детерминированных, но беспричинных процессов (соответственно, описаний) и обратные случаи причинно обусловленных, но недетерминированнных (случайных) явлений, т. е. детерминизм и причинность — это перекрещивающиеся понятия. Тогда концепции, согласно которым детерминизм и причинность совпадают или же одно из них является более общим, можно рассматривать как результат абсолютизации аспектов (частичного) совпадения или (частичного) несовпадения между ними.

  1. Изменение и нарушение данной детерминистической концепции.

Рассмотрим более подробно вопрос: докаких порпереформулированные концепции можно считать видоизменениями в рамках концепции, и когда они выходят за рамки этой концепции и переходят к противоположной или индетерминистической концепции? В решении этого вопроса существуют две крайние возможности, или два толкования - фальсификационистское и адаптивное, известные соответственно как попперовское и дюгемовское. В первом толковании концепция фиксирована строго, и любое отклонение от первоначальной схемы означает отказ от D т. е. переход к индетерминистическому взгляду –[см.: 8, с. 121-126].

Концепция Дюгема (второе толкование), наоборот, предполагает возможность подходящего изменения или обобщения понятия детерминизма так, чтобы оно включало и всевозможные новые случаи. Тогда любое отклонение от видового понятия детерминизма остается в рамках (подвергающихся неограниченному смещению) родового понятия. Впротивовес первому толкованию, где любое отклонение есть опровержение, здесь опровержения нет вообще.

Обычно отмечают асимметричность подтверждения и опровержения определенной теории некоторым фактом: подтверждение не доказывает истинности теории, а несогласие с фактом опровергает ее. Дюгем возражает, что факт опровергает не теорию в целом, а отдельную ее гипотезу. В соответствии с этим путем видоизменения теории ее можно привести в согласие с, противоречащим ей фактом - [см.: 8, с. 30-43]. В духе этой концепции Куайн придерживается того мнения, что подобное усовершенствование совокупности гипотез, содержащихся в теории, всегда возможно. Этот тезис Дюгема — Куайна имеет характер программы и притом довольно радикальной, которую, однако, нельзя доказать. Более того, можно привести ряд более или менее убедительныхконтрпримеров, выявляющих ограниченные возможности подобной программы. Значительный интерес в этом отношении представляют указанные Грюнбаумом случаи, при которых имеет место опровержение определенной гипотезы - [см.: 6. с. 85-86].

Первая концепция исключает существенные, или революционные, изменения в науке, стремясь подвести их под общие концепции, подлежащие неограниченным изменениям. Вторая концепция обладает только видимостью революционности, поскольку даже самые незначительные изменения истолковываются как революционные. В обоих толкованиях всевозможные изменения приведены к одинаковому знаменателю: или все они существенны, или все в одинаковой мере несущественны. В таком случае в науке нет революционных изменений по существу, так как, по Попперу, таким характером обладает любое изменение, а по Дюгему - Куайну, — ни одно из них. Это и есть ахиллесова пята обеих крайних концепций. Концепция Дюгема (1906 г.) сформировалась до того, как (ему) стали известны революционные изменения в современной физике (теория относительности, квантовая теория), показывающие невозможность приспособления старых теорий к новым областям, в том числе и невозможность самой схемы Дюгема иметь более чем ограниченную значимость. В схеме Поппера, наоборот, абсолютизируются революционные изменения, осуществленные этими теориями, но совершенно неправомерно к ним приравнивается отвержение любой гипотезы в результате несоответствия ее с каким-нибудь фактом. Поскольку любая идея или концепция имеет свои предшествующие формы, опровержение одной концепции в действительности означает своеобразное продолжение (в духе дюгемовского подхода) противоположной концепции. С этой точки зренияподход Дюгема следует считать более общим. При этом для самою индетерминизма имеет место сказанное выше о детерминизме, а именно, что это опять-таки не есть строго фиксированная концепция, а различные версии, подлежащие, кроме того, изменениям. Приведем некоторые понятия:

Iа - крайний индетерминизм, поддерживающий концепцию недетерминированности (в каком-нибудь смысле) любых явлений;

IЬ - отсутствие сходимости в описании (антитеза );

Ic - индетерминизм, связанный с неустойчивостью некоторых форм движения (в различных вариантах);

Id- статистическая или вероятностная зависимость (то же самое, что и

Ie - частичный индетерминизм, согласно которому не все события «детерминированы во всех подробностях, т. е. существуют события (как бы редки они ни были), которые полностью не детерминированы» - [см.: 8, 120-121];

If- не признающий действия на расстоянии;

Ig- не признающий непосредственную причинную связь между

отдаленными во времени событиями;

Ih- плюралистический индетерминизм, частично признающий независимость различных причинных цепей.

Ряд авторов (Эйнштейн, Рассел, Шлик) обращали внимание на невозможность крайнего индетерминизма. Такая концепция противоречит фактам и внутренне противоречива; Ie лишена эмпирической основы, а If оказывается явной натяжкой; Ic можно аппроксимировать, т. е. она соответствует , .Вразрез с оспариванием детерминистического (или каузального) характера статистической закономерности Полак считает, что она по своему характеру наиболее близка к динамической, поскольку в ее основе находится наложение реальных движений огромного количества дискретных частиц, входящих в статистический ансамбль. Возможность рассмотрения такого ансамбля основана на экспериментально подтвержденном представлении о механическом, однородном и независимом (на длине свободного пробега) движении каждой из частиц, входящих в ансамбль. Поведение физических классических ансамблей описывается в статистической механике гамильтоновыми уравнениями с помощью тех же(по форме и существу) функций, которые применяются в классической механике - [см.: 10. с. 364-365]. В целом можно установить тенденцию к отказу от крайних и переходу к частичным (умеренным) формам индетерминизма.

В то же время становится ясным, что не всякая версия индетерминизма выступает антитезой любой разновидности детерминизма, а в общем случае между обоими множествами понятий наблюдается частичное перекрытие, или взаимное проникновение. Следовательно, в данном случае речь идет не о простой дилемме, а о более сложных отношениях, делающих иногда дилемму вопросом дефиниции (даже чисто вербальной). В связи с этим стоит отметить утверждение о том, что «большая часть индетерминизмов предпосылает значительную детерминацию; иные версии детерминизма допускают значительную «индетерминированность». К аналогичному выводу приходит и А. Ивин - [см.: 11, с. 88 | 89]. Он различает пять логически возможных концепций детерминизма и столько же индетерминизма, причем две из них совпадают. Другие авторы идут дальше, поддерживая принципиальное равноправие между детерминизмом и индетерминизмом вообще. Такой взгляд можно встретить уже у Маха, который считал, что правильность позиций детерминизма или индетерминизма нельзя доказать. Однако он учитывал то обстоятельство, что в исследовательской работе каждый ученый - детерминист. П. Феврие утверждает, что каждую существенно индетерминистскую теорию можно сопоставить с детерминистской теорией, имеющей не подлежащие измерению параметры, и наоборот. Эти два вида теорий имеют одно и то же физическое содержание, но понятие физической системы не обладает одинаковым значением.

Если предпочесть позитивистский подход к разработке физических теорий, то в теорию нельзя допустить физические сущности, не подлежащие измерению, и платой за это будет индетерминизм. Если же мы не принимаем индетерминизм, то должны допустить, что некоторые физические сущности не подлежат измерению. Иначе говоря, для этих двух различных версий физических теорий существенно эмпирическое (операциональное) или теоретическое (конструктивное) определение функции состояния.

Поскольку в своей основе научная теория содержит конструктивные понятия, то следует отбросить позитивистское ограничение, а также равноправие этих двух версий. В этом смысле случай детерминистического построения является более общим.

4.2.4. Проблема детерминизма в квантовой механике

Формирование квантовой механики (в качестве нового типа физической теории), в особенности толкование ее в духе концепции дополнительности, привело к конфликту с принципом причинности, точнее, с его конкретизацией в физике (физическая концепция причинности), или, по крайней мере, дало повод рассмотреть более углубленно соотношения между ними. При каждом измерении в квантовомеханической области получаются разные значения измеряемой величины. Последовательность этих значений случайна, в то же время они образуют набор возможных, значений, который может быть определен теоретически. Полученные значения приводят к новым значениям волновой функции. Последние образуют ряд, отдельные значения которого не определены предварительно, а случайны и, следовательно, не могут быть предсказаны. В то же время использование классических понятий импульса, энергии, координат пространства, времени и т. д. (с учетом вытекающего из соотношения неопределенности ограничения) не только возможно, но и необходимо, поскольку измерению доступны именно эти (классические) величины. Сложившаяся ситуация дала возможность осмыслить и реализовать различные способы преодоления воздающего конфликта, начиная с отрицания квантовой механики, принципа причинности (вообще или же ограничивая его значимость в микрофизике), самого конфликта кончая реинтерпретацией квантовой механики, концепции дополнительности или принципа причинности и соотношения между ними.

Когда признают индетерминированность квантовых процессов, имеют в виду следующее:

а) невозможность вычисления или предсказания будущего поведения (состояния) единичного объекта по подобию объектов (материальных точек и т. д.) классической динамики;

б) отсутствие причин, обусловливающих различные данные о канонических переменных при последовательных измерениях в системе (условия в этом случае полагаются одинаковыми).

Эти два пункта не всегда четко разграничиваются, так как чаще всего не отличают детерминизм как обусловленность вообще от детерминизма как причинной обусловленности или индетерминизм как неопределенность от индетерминизма как отсутствия причинности. Понимая детерминизм как совпадающий частично с причинностью или являющийся ее определенным аспектом (а если угодно, и наоборот), намеченные два пункта заслуживают отдельного рассмотрения.

4.3. Разновидности физического детерминизма. Детерминистский характер физических теорий

При рассмотрении проблемы детерминизма мы считаем существенными прежде всего следующие вопросы: описание движения, в частности уравнении движения в различных областях физики, их характера и в особенности устойчивости их решения; информация (сведения, данные) о состоянии физической системы, в частности о начальном состоянии.

4.3.1. Описание движения

Движение (изменение, взаимодействие) физических объектов можно описать различными способами:

а) уравнением движения;

б) статистически или стохастически (вероятностно);

в) S-матрицей.

Общий вид уравнений движения (в различных областях: динамике, физике поля, квантовой физике)

(1)

гдеЕ - функция состояния. Она находится в зависимости от начального состояния Е0 т. е. отЕ в момент t0 (t= 0) и от времени t.

Вместо уравнения движения можно исходить из принципа стационарного действия или из другого вариационного принципа, из которого можно получить уравнения движения. Заслуживают внимания два случая, а именно: когда функция состоянияЕ измерима непосредственно и обладает непосредственным физическим смыслом или же когда она является конструктивным понятием, т. е. не имеет эмпирического значения. Процессы бывают статистическими, нестатистическими, или же они могут происходить на статистической основе и соответственно быть описаны вероятностно - в общем случае уравнением движения статистического фазового ансамбля

(2)

где - фазовая плотность вероятности, Н - функция Гамильтона, а [Н] - скобки Пуассона - [см.: 12, с. 41-43, 117-118]. Здесь существенно, что статистическое распределение подчиняется определенной закономерности, т. е. имеем дело с устойчивостью частоты. Налицо, кроме того, определенная зависимость между последовательными состояниями, т. е. состояния определяются с некоторой вероятностью, не зависящей от протекания процесса в предшествующем периоде (процессы Маркова).

Движение или результат движения можно описать иным способом, например, с помощью матрицы рассеяния (S-матрицей). Такой подход представляет особый интерес, поскольку обладает общей значимостью; кроме квантовой теории он в последнее время находит применение и в других областях.

4.3.2. Информация о состоянии

Целесообразно отличать логическую структуру уравнений движения соответствующей физической теории от согласованности этих уравнений или абстрактной теории с эмпирическими данными. В общем случае состояние, по Планку, характеризуется определенным классом мгновенных значений измеримых величин, отвечающих следующим требованиям: 1) если известно значение этих величин в определенное время, то на основании теории можно определить их значение в любое другое время; 2) указанный класс является наименьшим удовлетворяющим требованию.

Информация о состоянии задается одним из следующих способов посредством эмпирически измеримых величин:

а) с помощью канонических переменных, т. е. не зависящих друг от друга переменных. Это обобщенные координаты (q) и обобщенные импульсы (р) или другие переменные. Количество этих переменных равняется 2s, где s — число степеней свободы системы;

  1. одной из групп канонических переменных, соответственно обеими в рамках соотношения неопределенности Гейзенберга. Совокупность результатов измерения этих переменных выступает устойчивым статистическим распределением. Однозначная зависимость между последовательными соотношениями предполагает, в частности, устойчивость движения по отношению к определенному Критерию, т. е. корректность задачи;
  2. если условие не выполнено, то мы имеем дело с так называемыми возмущениями в начальных условиях.

Отметим, что различные описания движения и соответствующие данные о состоянии в известной степени специфичны для различных физических объектов (систем). Разумеется, приведенное расчленение способов описания движения и задания информации начального состояния не является единственным, но оно оправданно (отвечает специфике подхода к различнымфизическим теориям) и даетвозможность классифицировать формы детерминации в физике.

4.3.3. Набор концепций физического детерминизма

Сочетанием различных возможностей описания движения; и состояния можно получить возможные концепции детерминизма (табл. 1).

Таблица 1 - возможные концепции детерминизма.

Инфомация о состоянии

Описание движения

Дифференциальное уравнение

Статистическое
описание

S-матричное

Классически-определенная

D1

D2

Квантово-определенная

D3(d)

D4

С возмущениями или нелокальностью

D5

I1

D6

I2

D1- детерминизм в классической динамике (или электродинамике), характеризующейся уравнением (1); D2 - детерминизм в статистической физике, согласно уравнению (2); D3- детерминизм в квантовой механике, согласно временному уравнению Шредингера; D4 так называемая микропричинность, или микродетерминированность, в квантовой теории поля. Посредством dобозначена статистическая детерминированность (устойчивость) результатов измерения канонических переменных в квантовомеханической области), I1 означает неустойчивость движения и обычно рассматривается как индетерминизм. Однако такие случаи с некоторыми ограничениями также подлежат приблизительным решениям и в такой же степени (для определенного интервала времени и данной точности) могут быть отнесены к детерминизму (D5). И, наконец, I2 описывает так называемую макроскопическую причинность, или макродетерминацию, в квантовой теории поля (Dб), при которой акаузальные функции при определенном условии аппроксимируют причинную функцию.

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.

4.3.4. 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.

4.4. 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).

  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:

  1. инвариантная связь (ассоциация) одного с другим;
  2. причинное основание: необходимое условие, достаточное условие и необходимое и достаточное условия. Здесь имеется в виду порождение действия причиной и равенство причины и действия;
  3. случайная и необходимая причинная связь;
  4. отношение функциональной зависимости;
  5. одно-однозначное, много-однозначное и много-многозначное причинное отношение;

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

g) обратно-действенная причинность;

Нетрудно заметить, что собственно к причинности в смысле порождения (пункт Ь) имеют отношение концепции, изложенные в пунктах с, fи g,тогда как концепции, изложенные в пунктах а и d, относятся к детерминизму. Концепция, изложенная в пункте е, имеет интересную особенность: как однооднозначная и много-однозначная связь она характеризует причинность, а как одно-однозначная и одно-многозначная - детерминизм. Концепция о много-многозначности не имеет отношения ни к причинности, ни к детерминизму.

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.

4.4.2. 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.

4.5. 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.

4.6 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.
  6. Современный детерминизм и наука /Пеликаров А. Проблемы детерминизма в физике, 1975, с. 313.
  7. Рассел Б. Человеческое познание. М., 1957, с. 800.
  8. Поппер К. Предложения и опровержения: Рост научного знания, 1968.
  9. Duhem P. The Aim and Structure of Physical Theory, N.Y., 1962.
  10. Полак Л. Вариационные принципы механики. Их развитие и применение в физике. М. 1960, с. 509.
  11. Ивин А. О логическом анализе принципов детерминизма, Вопросы философии, 1960, №10.
  12. Терлецкий Я. П. Статистическая физика. М. 1966, с. 356.
  13. Бор Н. Избранные научные труды, т.2. М. 1971.

Разновидности физического детерминизма. Детерминистский характер физических теорий