Концепция флуктуации и их корреляций

Флуктуации и их роль в описании природы.

Как было показано выше, в рамках неклассической стратегии познания физическую реальность как обобщенную модель природы целесообразно описывать в терминах дихотомии «объект-окружение». Каждая из этих двух подсистем целостной природы задается некоторыми физическими характеристиками, независимо известными из опыта (энергия для макрообъекта и температура для термостата; координата для микрообъекта и длина волны де Бройля для макроприбора). Для удобства описания все эти величины можно отнести к объекту, не переставая считать, что в каждой паре отражаются качественно различные стороны одного и того же объекта: его собственные характеристики и характеристики его состояния.

В этой связи следует подчеркнуть следующее. О флуктуациях, обычно если и говорят, то только в рамках тепловой физики, где их, как правило, считают малыми. Далее традиционно предполагается, что между микро- и макро- описаниями природы обычно лежит пропасть, и даже возникают дискуссии относительно целостности тепловой физики и возможности ее включения целиком в неклассическую физику.

Самое поразительное состоит в том, что принципиальная позиция по этому поводу была высказана Н. Бором еще в 1930 году в беседе с В.Гейзенгбергом, опубликованной в книге последнего «Часть и целое», гл. IX «Беседы о связи между биологией, физикой и химией». Однако ни сам Бор, ни Гейзенберг, ни армада физиков и философов почти семьдесят лет разрабатывавших эту проблему, не оценили фундаментальную важность этой позиции.

Между тем и в квантовой и в тепловой физике:

1. имеет место неконтролируемое воздействие на объект со стороны окружения (либо макрообстановка, либо термостат);

2. все вычисления необходимо производить в рамках теории вероятности и они отличаются только выбором различных статистических моделей;

3. важнейшую роль играют флуктуации и корреляции между ними, имеющие фундаментальную природу, так что их нельзя устранить усовершенствованием приборов.

Понятие флуктуации берет свое начало от работ Л. Больцмана и Дж. Гиббса и окончательно вошло в обиход физиков благодаря А. Эйнштейну и М. Смолуховскому. Чтобы оценить его важность, достаточно указать на принципиальную неустранимость влияния тепловых флуктуации на точность различных приборов.

Круг вопросов, где флуктуации существенны, весьма широк. К ним, в частности, относятся:

Измерение характеристик микрообъектов в квантовой физике в так называемых несобственных состояниях, когда эти флуктуации могут быть немалыми.

Ситуации, когда число частиц в объекте мало (мезоскопические явления, нанотехнологии).

Критические состояния и фазовые переходы, когда даже малые флуктуации приводят к заметным последствиям (например, опалесценция вблизи критической точки в системе «жидкость-пар»).

1. Случаи, когда вследствие симметрии средние значения характеристик макро- и микрообъектов тождественно равны нулю.

2. Взаимосвязи флуктуации и диссипативных характеристик макрообъектов вблизи теплового равновесия.

3. Влияние нулевых флуктуации поля в вакууме.

4. Влияние тяготения и перехода к описанию в неинерциальной системе отсчета.

Но дело даже не в этом. Флуктуационные представления и следствия из них важны сами по себе как фундамент целостного взгляда на природу. Напомним, что современной (неклассической) стратегии познания (М. Мамардашвили, В. Степин) отвечает познание природы в условиях неконтролируемого и неустранимого воздействия окружения на объект, которое включает и приборы, с помощью которых осуществляется познание. В результате в ходе познания мы извлекаем лишь набор значений физических величин и вероятности наблюдения этих значений. Но если это так, то на опыте мы имеем дело не только со средними значениями наблюдаемых, но и с их отклонениями от средних значений (флуктуациями), характеризуемыми дисперсиями.

Самое важное состоит в том, что величины этих отклонений, как правило, не являются произвольными. В принципе они очень часто отличны от нуля и между ними существует корреляция. Иными словами, дело не только в неточности приборов или в искусстве исследователя. Просто в природе и на микро- и на макроуровне заложены принципиальные ограничения на степень воздействия окружения на объект.

В этом отношении квантовая физика и тепловая физика являются как бы двоюродными сестрами.