Идеализация. Мысленный эксперимент

Умственная деятельность исследователя в процессе научного познания предполагает особый вид абстрагирования, который называют идеализацией. Идеализация представляет собой мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целью исследования.

В результате таких изменений могут быть, например, исключены из рассмотрения какие-то свойства, признаки, связи объектов. Так, широко распространенной в механике идеализацией, что называется материальной точки, следует понимать тело, размерами которого можно пренебречь. Такой абстрактный объект удобен при описании его движения. Причем подобная абстракция является приемлемой в процессе исследования любых реальных объектов - от молекул и атомов при рассмотрении многих задач статистической физики и к планетам Солнечной системы при изучении, например, их движения вокруг Солнца.

Изменения объекта в процессе идеализации могут происходить также путем предоставления ему особых свойств, которых в реальной действительности не существует. Примером такого вида идеализации в физике может быть абстракция, известная под названием абсолютно черного тела. Такое тело наделяется несуществующей в природе свойством поглощать абсолютно всю лучистую энергию, поступающую на его поверхность, ничего не отражая. Спектр излучения абсолютно черного тела является идеальным случаем, так как на него никак не влияет природа вещества излучателя или состояние его поверхности. А если можно теоретически описать спектральное распределение плотности энергии излучения для идеального случая, то можно кое-что узнать и о процессе излучения в целом.

Указанная идеализация сыграла важную роль в прогрессе научного познания в области физики, потому что помогла выявить ошибочность некоторых представлений, существовавших во второй половине 19 века. Эти представления в случае исследования абсолютно черного тела приводили к парадоксальной ситуации.

Физики начали работать над проблемой излучения абсолютно черного тела в конце прошлого века. Начав с предположений, основанные на законах классической термодинамики и оптики, они попытались вывести формулу энергетического спектра излучения. Эти попытки потерпели неудачу, потому что с ними был связан вывод, известный под названием "ультрафиолетовой катастрофы". По теории следовало, что абсолютно черное тело, нагретое до высоких температур, должно излучать бесконечно большое количество энергии на высоких частотах, то есть в ультрафиолетовой части спектра и за ее пределами ... В случае абсолютно черного тела теория предсказывала катастрофу, однако прогноз не оправдался.

Проблемой расчета количества энергии, которую излучает идеальный излучатель - абсолютно черное тело, - серьезно занялся Макс Планк. Он работал над этой проблемой долгих четыре года. Наконец, в 1900 году ему удалось найти решение в виде формулы, правильно описывала спектральное распределение энергии излучения абсолютно черного тела. Так работа с идеализированным объектом помогла заложить основы квантовой теории, ознаменовала радикальный переворот в науке.

Целесообразность использования идеализации определяют такие обстоятельства.

Во-первых, идеализация целесообразна тогда, когда реальные объекты, которые следует исследовать, достаточно сложные по имеющихся средств теоретического (в частности математического) анализа, а по идеализированного случае можно, использовав эти средства, построить и развить теорию, которая при определенных условиях эффективно описывать свойства и поведение этих реальных объектов. Последнее, по сути, и свидетельствует о целесообразности идеализации и отделяет ее от бесплодной фантазии.

Во-вторых, идеализацию целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо исключить некоторые свойства, связи исследуемого объекта, без которых он существовать не может, но которые затемняют сущность процессов, протекающих в нем. Сложный объект предстает как бы в "очищенном" виде "что облегчает его изучение.

На эту гносеологическую возможность идеализации обратил внимание Ф. Энгельс, который подтвердил ее, приведя в пример исследования Сади Карно: "Он изучил паровую машину, проанализировал ее работу, обнаружил, что основной процесс не выступает в ней в чистом виде, а затемненный всякого рода побочными процессами, устранил эти несущественные для главного процесса побочные обстоятельства и сконструировал идеальную паровую машину (или газовую машину), которую, однако, так же нельзя построить, как нельзя, например, провести геометрическую линию или геометрическую плоскость, но которая оказывает, во своему, такие же услуги, как эти математические абстракции. Она представляет процесс, который рассматривается в чистом, независимом, неискаженном виде ".

В-третьих, применение идеализации целесообразно тогда, когда признаки, свойства, связи исследуемого объекта, которые изымаются из рассмотрения, не влияют в рамках данного исследования на его сущность. Выше уже упоминалось, например, о том, что абстракция материальной точки позволяет в некоторых случаях представлять самые разнообразные объекты от молекул или атомов до гигантских космических объектов. При этом правильный выбор допустимости подобной идеализации играет очень большую роль. Если в ряде случаев, возможно, и целесообразно рассматривать атомы в виде материальных точек, то такая идеализация становится недопустимой, когда речь идет об изучении структуры атома. Точно так же можно считать материальной точкой нашу планету, рассматривая ее вращения вокруг Солнца, но отнюдь не в том случае, когда речь идет о ее собственном суточное вращение.

Следует отметить, что если существуют различные теоретические подходы к изучению какого-то явления, то характер идеализации может быть очень разным. В качестве примера можно рассмотреть три разных понятия "идеального газа", сформировавшиеся под влиянием различных теоретико - физических представлений Максвелла-Больцмана, Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Все три варианта идеализации, полученные при этом, оказались плодотворными в процессе изучения газовых состояний различной природы. Идеальный газ Максвелла-Больцмана стал основой для исследований обычных молекулярных разреженных газов, находящихся при достаточно высоких температурах; идеальный газ Бозе-Эйнштейна нашел применение при изучении фотонного газа, а идеальный газ Ферми-Дирака помог решить ряд проблем электронного газа.

Как разновидность абстрагирования, идеализация предполагает элемент чувственной наглядности (обычный процесс абстрагирования приводит к образованию мысленных абстракций, которые практически лишены всякой наглядности). Эта особенность идеализации очень важна для реализации такого специфического метода теоретического познания, которым является мысленный эксперимент (его еще называют мыслимым, субъективным, идеализированным).

Мысленный эксперимент предполагает оперирование идеализированным объектом (замещающего в абстракции объект реальный) оперирования состоит в мысленном создании того или иного состояния, различных ситуаций, позволяет выявить какие-то важные особенности исследуемого объекта. В этом проявляется определенное сходство между воображаемым (идеализированным) и реальным экспериментами. Более того, любой реальный эксперимент, прежде чем он будет осуществлен на практике, исследователь сначала "прокручивает" в воображении - в процессе обдумывания, планирования. В этом случае мысленный эксперимент выступает в роли предварительного идеального плана реального эксперимента.

Вместе с тем, мысленный эксперимент играет и определенную самостоятельную роль в науке. При этом, сохраняя сходство с реальным экспериментом, он в то же время существенно отличается от него. Назовем эти различия.

Реальный эксперимент - это метод, связанный с практическим, предметно-манипулятивным, "орудийную" познанием окружающего мира. В мысленном же эксперименте исследователь оперирует не материальными объектами, а их идеализированными образами само же оперирования происходит в его сознании, то есть чисто мысленно.

Возможность проведения реального эксперимента зависит от наличия соответствующего материально-технического (а иногда и финансового) обеспечения. Мысленный эксперимент такого обеспечения не требует.

В реальном эксперименте приходится учитывать реальные физические и другие ограничения для его проведения, невозможность в ряде случаев устранить негативное влияние внешних факторов в ходе проведения эксперимента, искажение полученных результатов по указанным причинам. В этом плане мысленный эксперимент имеет явные преимущества над экспериментом реальным. В мысленном эксперименте можно абстрагироваться от действия нежелательных факторов, проведя его в идеализированном, «чистом» виде.

В научном познании бывают случаи, когда, исследуя некоторые явления, ситуации, провести реальные эксперименты вообще невозможно. Этот пробел в познании может восполнить только мысленный эксперимент.

Научная деятельность Галилея, Ньютона, Максвелла, Карно, Эйнштейна и других ученых, заложивших основы современного естествознания, свидетельствует о существенной роли мысленного эксперимента в формировании теоретических идей. История развития физики богата фактами использования мысленных экспериментов. Примером могут быть мысленные эксперименты Галилея, которые помогли открыть закон инерции.

Реальные эксперименты, в которых было устранить фактор трения, казалось бы, подтверждали концепцию Аристотеля, царившей на протяжении тысячелетий. Она утверждала, что движущееся тело останавливается, если сила, толкающая его, прекращает свое действие. Такое утверждение основывалось на простой констатации фактов, которые можно наблюдать в реальных экспериментах (шар или тележка, получив силовое воздействие, катятся уже без него по горизонтальной поверхности, а затем неизбежно замедляют свое движение и, в конце концов, останавливаются). В этих экспериментах не удавалось наблюдать равномерное-непрерывное движение по инерции.

Галилей, проделав в воображении указанные эксперименты с поэтапной идеализацией поверхностей трения и доведением до полного изъятия трения по взаимодействию опроверг аристотелевской точку зрения и сделал единственно верный вывод. Этот вывод можно было получить только с помощью мысленного эксперимента. Таким образом был открыт фундаментальный закон механики движения. "... Закон инерции - писали А. Эйнштейн и Л. Инфельд, - нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести умозрительно - с помощью мышления, опирается на наблюдения. Этот эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он и приводит к глубокому пониманию действительных экспериментов ".

Результаты мысленных экспериментов иногда могут поставить перед наукой серьезные проблемы, решить которые непросто. Как интересный пример можно привести мысленный эксперимент Максвелла, вызвавший сенсацию в начале 70-х годов прошлого века. Этот мысленный эксперимент, описанный в его работе "Теория теплоты", ставил под сомнение второе начало термодинамики. В своем мысленном эксперименте Максвелл предположил существование особого существа - "демона", "... возможности которого столь чрезвычайные, что он может не только следить за каждой молекулой на ее пути, но и делать то, что в настоящее время для нас невозможно" . "Допустим, - писал Максвелл, - что имеем резервуар, разделенный на две части А и В перегородкой с небольшим отверстием, и существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие так, чтобы дать возможность только более быстрым молекулам перейти из А в В и только более медленным перейти из В в А. Это существо, таким образом, без выполнения работы повысит температуру в В и снизит в А вопреки второму началу термодинамики ".

Бой с «демоном» Максвелла продолжался в течение длительного времени. Только в 20 веке американские физики Сцилард, Димерс и Гэйбори доказали, что второе начало термодинамики является верным и никакого "вечного двигателя", даже с помощью "демона", построить нельзя. Они спроектировали и рассчитали машину-демона и убедились, что такая машина работать будет, но требует питания за счет внешней энергии. Причем затраты энергии на работу такой машины окажутся большими, чем выход энергии в результате ее деятельности. Поиск ответа на вопрос, поставленный мысленным экспериментом Максвелла, был, несомненно, полезным и способствовал накоплению научных знаний.

Мысленный эксперимент может иметь большую эвристическую ценность, помогая интерпретировать новое знание, полученное исключительно математическим путем. Это подтверждается многими примерами из истории науки. Одним из таких примеров бы мысленный эксперимент В. Гейзенберга, который имел целью объяснить соотношение неопределенности. "В этом мысленном эксперименте соотношение неопределенности было установлено благодаря абстрагированию, что разделило целостную структуру электрона на две противоположности - волну и корпускулу. Тем самым совпадение результата мысленного эксперимента с результатом, достигнутым математическим путем, стал доказательством объективно существующей противоречия, присущей электронный как целостном материальном образованию, и дал возможность понять это классически ".

Однако незнание материалистической диалектики создало для некоторых ученых трудности в правильном понимании этого вывода. В результате возникли многочисленные дискуссии по данному вопросу, особенно бурно они развернулись на Сольвеевских конгрессах в 1927 и 1930 pp. В этих дискуссиях, по свидетельству их участников, огромную роль сыграли идеализированные мысленные эксперименты. В них, писал Гейзенберг, "подобные парадоксы (противоречия между волновыми и корпускулярными представлениями.) Оказывались особенно резко, и мы пытались разгадать, какой ответ на такие эксперименты, возможно, дала 6 природа". Эти мысленные эксперименты облегчали понимание новых научных положений, помогали обосновать причины отказа от старых представлений.

Метод идеализации, который в целом очень плодотворным, имеет в то же время определенные ограничения. Развитие научного познания заставляет иногда отказываться от принятых ранее идеализированных представлений. Так произошло, например, когда Эйнштейн создал специальную теорию относительности, из которой были исключены ньютоновские идеализации "абсолютного пространства" и "абсолютного времени". Кроме того, любая идеализация ограничена конкретной областью явлений и пригодна для решения только ограниченного круга проблем. Это хорошо иллюстрирует пример описанной выше идеализации "абсолютно черного тела".

Сама по себе идеализация, хотя и может быть плодотворной, а также способна побудить к научному открытию, не является еще достаточным основанием для того, чтобы сделать это открытие. В указанном случае определяющую роль играют теоретические установки, которыми руководствуется исследователь. Рассмотренная выше идеализация паровой машины, удачно осуществлена Сади Карно, привела его к открытию механического эквивалента теплоты, которого, однако, "... он не мог открыть и увидеть лишь потому, - отмечал Ф. Энгельс, - что верил в теплород. Этот пример также доказательством вредности ложных теорий ".

Основное положительное значение идеализации как метода научного познания заключается в том, что полученные благодаря идеализации теоретические предположения дают возможность эффективно исследовать реальные объекты и явления. Упрощение как результат идеализации облегчает создание теории, помогает раскрыть законы исследуемой области явлений материального мира. Если теория в целом правильно описывает реальные явления, то идеализация, что лежит в ее основе, является правомочной.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >