ВСТУПЛЕНИЕ

2. Применение метода моделирования в физике

Метод моделирования играет важную роль в современной физике.

Идея построения моделей в классической физике возникла вследствие проникновения научного познания в разделы физики, что выходят за пределы механики (электромагнитное поле). Она заключалась в возможности построения механических моделей немеханическая физических явлений. С развитием физики микромира возникла проблема возможности построения макромоделей микрообъектов.

С помощью моделей можно передать тот или иной физический объект или физическую систему, то или иное явление только приближенно, частично. Модельные представления могут дать сведения об особенностях определенного явления, дают возможность получить выводы не только качественного, но и количественного характера. Физические представления, лежащие в основе построения модели, вытекающие из определенных знаний о свойствах объекта, процесса, из ограниченного количества экспериментальных и теоретических данных. Поэтому модель нельзя построить однозначно, при этом нужно сосредоточиться на воспроизведении лишь отдельных черт поведения объекта моделирования.

Для всестороннего и полного описания свойств исследуемого объекта создается не одна, а несколько моделей. В процессе углубления наших знаний, с включением в анализ при моделировании большей количества свойств объекта-оригинала класс возможных моделей сужается, но одновременно повышается адекватность их. Из истории физики известно много случаев замены одних моделей другими. Неадекватность моделей проявляется при выходе за пределы того опыта, на основе которого она была построена. Вследствие того, что несколько моделей описывающих различные свойства и процессы, физические картины могут быть различными, иногда прямо противоположными для этих моделей.

Следует заметить, что на определенном этапе развития науки даже принципиально неправильные модели иногда могут играть прогрессивную роль. Например, представление о теплець было выходным в исследованиях Карно при создании термодинамики. Результаты, добытые им и другими учеными, которые опирались на концепцию теплецю, сохраняют свое значение и теперь, хотя теорию теплецю отвергнуто современной физикой. Известно также, что представление о световой эфир был положен в основу классических работ ученых с волновой оптики вплоть до конца XIX в. Принимая эфир за светоносное среду, ученые открыли немало законов распространения и взаимодействия света с веществом, которые остались на вооружении современной науки, пополнили раздел волновой оптики, а представление о эфир опровергнуто в специальной теории относительности. Такого рода «инвариантность» теории относительно моделей, или исходных данных, на основе которых она создается, свидетельствует о наличии в теории, особенно неполной и ограниченной, сторон, независимых от объекта и способа познания. Тот факт, что истинная теория может быть построена на основе неадекватной действительности модели, совсем не означает, что законы науки не отражают природу, которую она изучает. Существует также широкий класс изоморфных моделей, каждая из которых в определенных пределах соответствует исследуемом явлению. Единственным критерием, который может быть решающим при выборе модели как метода его совершенствования, является его соответствие действительности. Только практика отбирает для физической теории те модели, которые сохраняют научное значение и оказываются плодотворными для дальнейшего развития науки.

Источники двух важных направлений в развития моделирования связаны с достижениями Ньютона - это моделирование, заключается в создании и исследовании системы математических символов, которые отражают отдельные стороны физических явлений. Так, физика взяла на вооружение модельные представления про материальную точку, математический маятник, идеальный газ, абсолютно твердое тело, абсолютно черное тело и т.д.

Следующий этап в развитии моделирование в физике связан с классической теорией поля Максвелла, который соединил моделирования с проблемой наглядности. Для этого он решил задачу построения механической модели немеханических явлений. Д. Максвелл сформулировал ее как важную методологическую проблему физики.

Современный (третий) этап развития моделирование заключается в теоретическом разработке отдельных процессов, в частности моделирование мікропроцесів. Современное физическое понимание процессов микромира не предусматривает наглядного механического представления их. В И. Ньютона объекты познания (механические явления) и сами наглядные модели; в Д. Максвелла объекты

познания (немеханические процессы электромагнитных полей) ненаочні, а модели (мысленные механические явления) наглядные.

Модель - первичная форма теоретического осмысление новых объектов, которая часто раскрывает противоречия в понимании этих объектов в свете старой теории. Она дает толчок для дальнейшего развития теоретического осознание объекта исследования.

Рассмотрим соотношение проблемы наглядности модели в современной физике микромира. Наглядность, свойственная механическим моделям, связанная с непосредственной доступностью ощущением. В настоящее время центр этой проблемы перемещается в несколько иную плоскость, где наглядность рассматривается как соответствие привычным представлениям. Истинная диалектическая философская сознание отрицает такой догматизований здравый смысл, который соответствует привычном, общепринятом. При этом стремление к наглядности оказывается стремлением втиснуть новые идеи в прокрустово ложе ухудшенного варианта предварительных представлений. Такой подход не способствует достижению научного, диалектического познания. Для этого есть непостижимым корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов, релятивистский закон сложения скоростей и др. Потеря физическими объектами наглядности с точки зрения привычности, ясности является важной общей тенденцией развития современной физической науки.

Методологическая проблематика, связана с процессом моделирования в классической физике, возникла вследствие проникновение научного познания в немеханические сферы (электромагнитное поле). Эта проблематика в классической физике XIX в. формулировалась в виде вопроса о возможности построения механических моделей немеханическая физических явлений. Внимание к философским проблем моделирования значительно возросло в связи с проникновением в первой половине XX ст. научного познания в сферу микромира. Эта глубокая методологическая проблема физической науки в развитии квантовой механики модифицируется в виде вопроса о возможности построения макромоделей микрообъектов. На современном этапе эта проблематика формулируется в более общей форме о роли наглядных моделей в познании ненаочних микрообъектов. Конечно, безосновательным является противопоставление математического и модельного описания физических явлений, поскольку модель микрообъектов толкуется не с точки зрения классической физики, как наглядная, т.е. механическая, система, а с точки зрения современного познание как абстрактная логико-математическая структура. В этом и заключается основной методологический вывод, связанный с моделированием в мікрофізиці. Например, моделью атома есть не планетарная система сама по себе, а ее идеальный образ. Мы лишь достаем при этом наглядный образ, в котором отражены такие существенные свойства атома, как наличие в нем центрального ядра и периферийной части, вращения периферийных элементов вокруг ядра. С помощью наглядного образа планетарной системы получаем известное представление о структуре атома. Конечно, эта наглядная модель возможна лишь потому, что Е. Резерфорду удалось с помощью рассеяния α-частиц различными элементами обнаружить в атомах центральное ядро, вокруг которого движутся электроны подобно планетам вокруг Солнца. Известно, что такое модельное толкование структуры атома привело к противоречия и появления боровской идеи разрешенных квантовых орбит. В модели Н. Бора идея разрешенных орбит, двигаясь по которым электрон не тратит энергии, характеризует новые свойства атома, не присущие мікрооб'єктам.

Кроме того, моделирования микрообъектов с помощью макроуявлень имеет свою существенную специфику, которая связана прежде всего с диалектически противоречивой корпускулярно-волновой природой. Этим также можно объяснить рост элемента абстрактности при толковании явлений микромира. Модели в квантовой механике составляют единство наглядного образа научной абстракции и является некоторой схематизацією действительности. При этом мы естественно упрощаем многогранный объект познания, поскольку каждый образ микромира формируется на основе непосредственных восприятий макроскопических объектов, окружающих человека, то есть сам является макроскопическим. Следовательно, для более точного воспроизведения мікрооб'єкта нужно учитывать приближенность, неточность, ограниченность таких моделей, односторонность каждого из них и пользоваться только экспериментально обоснованными моделями, которые дополняют друг друга. Существование различных моделей свидетельствует о сложность и разнообразие явлений микромира.

Одной из первых ядерных моделей была капля, впервые предложенная Я. Френкелем и развита Н. Бором. Согласно этой модели ядро атома составляет каплю протонной и нейтронной жидкостей с большой плотностью вещества (10³⁸ част./см³) и необычайной плотностью заряда (3 · 10¹⁹ Кл/см³). Ядерные частицы, как и молекулы жидкости, имеют достаточную подвижность. При возбуждении ядра предоставлена ему энергия распределяется между всеми ядерными частицами статистическим способом, аналогично тому, как распределяется между молекулами энергия при нагревании жидкости. Однако, в отличие от молекул жидкости, состояние у всех ядерных частиц неодинаковы, поскольку им присущи волновые свойства и они подчиняются квантовым законам.

Для объяснения рассеяния а-частиц и других частиц было предложено оптическую модель ядра. Однако одной из наиболее плодотворных моделей атомного ядра является оболонкова.

Важным моментом в развитии квантовых представлений о природе поля было появление гипотезы М. Планка о дискретной природу излучения осциллятора. Идеи М. Планка развил А. Эйнштейн в своей теории фотоэффекта, в которой он рассматривал световые кванты как реально существующие частицы (фотоны). Однако идею прерывности поля, чуждую классической физике, физике восприняли не сразу.

Итак, в современной физике метод моделирование обобщается, развиваясь от первичных форм наглядных моделей к широкого использования абстракціонологічних (математических) моделей. Современное моделирование имеет две ведущие тенденции: увеличение роли элементов абстракции в моделях и обобщения сходства.

Роль моделирования в познании можно обнаружить при анализе его основных функций. Прежде всего моделирования осуществляет будто переводческую функцию - переводит полученную информацию с непонятной языка оригинала на известную язык модели. Очень важная функция екстраполяційна моделирование: информацию, которую получили на модели, распространяют на сам объект. В условиях органического единства диалектических процессов дифференциации и интеграции наук важное место принадлежит трансляционной функции моделирования. Моделирование выступает в роли исходного приема при проникновении одних наук в сферу других. Моделирование - это проверенное орудие синтеза знания. Оно связано с использованием таких логических форм, как аналогия, экстраполяция, гипотеза, которые, конечно, имеют и самостоятельное значение вне процесса построения моделей. Однако для выяснения места и роли моделей в познании наибольшее значение имеет анализ их взаимосвязей с такой высшей формой познавательного процесса, как последовательная теория явления. Следует указания на подчиненность моделирование главной задаче - созданию научной теории, способной объяснить некоторую сферу объективной реальности и определить пути практического преобразования ее. Объективным критерием истинности модельного знания, как и для любой другой познавательной формы и процесса познания в целом, является общественно-историческая практика.