Динамические и статистические закономерности

Главная задача любой научной теории состоит в том, чтобы по заданному состоянию рассматриваемой системы предсказать ее будущее или восстановить прошлое состояние. Процессы, происходящие в веществе, могут быть описаны на основе динамического и статистического подходов.

Динамический подход — это описание системы на основании решения уравнений движения для всех объектов системы.

Статистический подход — это вероятностный метод описания сложных систем. Поведение отдельной частицы (например, ее траектория) при статистическом описании системы считается несущественным. Поэтому изучение свойств системы сводится к отысканию средних значений физических величин, характеризующих состояние системы как целого.

Согласно молекулярно-кинетической теории вещества все тела состоят из молекул и атомов. Молекулы находятся в постоянном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом. Поскольку вещество состоит их частиц — молекул, можно попытаться описать его свойства в результате решения динамической задачи о движении каждой частицы. В классической механике состояние системы описывается значениями координат и скоростей тел, входящих в систему. Законы классической механики позволяют по начальному состоянию системы однозначно определить значения координат и скорости для любого будущего или прошлого момента времени. Динамический подход привлекателен тем, что он предполагает возможность абсолютно точного, или однозначного, предсказания состояния системы на основании знания ее предшествующих состояний. Практически динамический подход может быть использован для вычисления траектории движения объектов макромира, например траектории движения планет Солнечной системы. Следствием динамического подхода является представление о мире как детерминированной системе.
Однако практически динамический подход не может использоваться для расчета состояния систем, которые включают в себя большое количество элементов. Например, в 1 кг водорода содержится настолько много молекул, что только одна проблема записи результатов расчета координат всех молекул оказывается заведомо невыполнимой. В силу отмеченной трудности при создании молекулярно-кинетической теории, т. е. теории, описывающей состояние макроскопических порций вещества, был избран другой подход. Согласно молекулярно-кинетической теории состояние вещества может быть определено с помощью следующих термодинамических характеристик: массы, давления, температуры и объема. Например, зная массу некоторого вещества, его температуру и занимаемый объем, можно рассчитать давление.

Следует подчеркнуть, что в рамках молекулярно-кинетической теории не рассматривается состояние каждой отдельной молекулы вещества, а учитываются средние, наиболее вероятные состояния групп молекул.

Давление, например, возникает из-за того, что молекулы некоторого вещества обладают определенным импульсом. Но чтобы определить давление, нет необходимости (да это и невозможно) знать импульс каждой отдельной молекулы. Для этого достаточно знания значений температуры, массы и объема вещества. Таким образом, молекулярно-кинетическая теория — это теория, в которой используется статистический подход.

Статистическая теория предсказывает развитие систем только с определенной долей вероятности, так как она основывается на знании средних, наиболее вероятных значений. Кроме молекулярно-кинетической теории статистический подход также используется в квантовой механике, теории эволюции, генетике и других областях знания.

Естественен вопрос: какие теории — динамические или статистические — описывают мир на более глубоком уровне? До XX в. считалось, что более фундаментальны динамические теории. Так было потому, что ученые полагали: природа строго детерминирована и поэтому любая система в конечном итоге может быть рассчитана с абсолютной точностью. Считалось также, что статистический метод, дающий приближенные результаты, может использоваться тогда, когда точностью расчетов можно пренебречь. Однако в связи с созданием квантовой механики ситуация изменилась. Согласно квантовомеханическим представлениям мир может быть адекватно описан лишь вероятностно в силу того, что невозможно одновременно определить координату и импульс объектов микромира.