Застосування методу моделювання у фізиці

ФІЗИКА

ВСТУП

2. Застосування методу моделювання у фізиці

Метод моделювання відіграє важливу роль у сучасній фізиці.

Ідея побудови моделей у класичній фізиці виникла внаслідок проникнення наукового пізнання в розділи фізики, що виходять за межі механіки (електромагнітне поле). Вона полягала в можливості побудови механічних моделей немеханічних фізичних явищ. Із розвитком фізики мікросвіту виникла проблема можливості побудови макромоделей мікрооб’єктів.

За допомогою моделей можна передати той чи інший фізичний об’єкт або фізичну систему, те або інше явище тільки наближено, частково. Модельні уявлення можуть дати відомості про особливості певного явища, дають змогу дістати висновки не тільки якісного, а й кількісного характеру. Фізичні уявлення, що лежать в основі побудови моделі, випливають із певних знань про властивості об’єкта, процесу, із обмеженої кількості експериментальних і теоретичних даних. Тому модель не можна побудувати однозначно, при цьому треба зосередитись на відтворенні лише окремих рис поведінки об’єкта моделювання.

Для всебічного і повного описання властивостей досліджуваного об’єкта створюється не одна, а кілька моделей. У процесі поглиблення наших знань, із включенням в аналіз при моделюванні більшої кількості властивостей об’єкта-оригіналу клас можливих моделей звужується, але водночас підвищується адекватність їх. З історії фізики відомо багато випадків заміни одних моделей іншими. Неадекватність моделей виявляється при виході за межі того досвіду, на основі якого вона була побудована. Внаслідок того, що кілька моделей описують різні властивості й процеси, фізичні картини можуть бути різними, а інколи прямо протилежними для цих моделей.

Слід зауважити, що на певному етапі розвитку науки навіть принципово неправильні моделі інколи можуть відігравати прогресивну роль. Наприклад, уявлення про теплець було вихідним у дослідженнях Карно при створенні термодинаміки. Результати, добуті ним та іншими вченими, які спирались на концепцію теплецю, зберігають своє значення і тепер, хоча теорію теплецю відкинуто сучасною фізикою. Відомо також, що уявлення про світловий ефір було покладено в основу класичних робіт учених з хвильової оптики аж до кінця XIX ст. Беручи ефір за світлоносне середовище, вчені відкрили чимало законів поширення і взаємодії світла з речовиною, які залишилися на озброєнні сучасної науки, поповнили розділ хвильової оптики, а уявлення про ефір спростовано в спеціальній теорії відносності. Такого роду “інваріантність” теорії відносно моделей, або вихідних даних, на основі яких вона створюється, свідчить про наявність у теорії, особливо неповній і обмеженій, сторін, незалежних від об’єкта і способу пізнання. Той факт, що істинна теорія може бути побудована на основі неадекватної дійсності моделі, зовсім не означає, що закони науки не відображають природу, яку вона вивчає. Існує також широкий клас ізоморфних моделей, кожна з яких у певних межах відповідає досліджуваному явищу. Єдиним критерієм, який може бути вирішальним при виборі моделі як методу його вдосконалення, є його відповідність дійсності. Тільки практика відбирає для фізичної теорії ті моделі, які зберігають наукове значення і виявляються плідними для подальшого розвитку науки.

Джерела двох важливих напрямів у розвитку моделювання пов’язані з досягненнями Ньютона – це моделювання, що полягає у створенні і дослідженні системи математичних символів, які відображають окремі сторони фізичних явищ. Так, фізика взяла на озброєння модельні уявлення про матеріальну точку, математичний маятник, ідеальний газ, абсолютно тверде тіло, абсолютно чорне тіло тощо.

Наступний етап у розвитку моделювання у фізиці пов’язаний із класичною теорією поля Максвелла, який поєднав моделювання з проблемою наочності. Для цього він розв’язав задачу побудови механічної моделі немеханічних явищ. Д. Максвелл сформулював її як важливу методологічну проблему фізики.

Сучасний (третій) етап розвитку моделювання полягає в теоретичному розробленні окремих процесів, зокрема моделювання мікропроцесів. Сучасне фізичне розуміння процесів мікросвіту не передбачає наочного механічного уявлення їх. У І. Ньютона об’єкти пізнання (механічні явища) і самі моделі наочні; у Д. Максвелла об’єкти

Пізнання (немеханічні процеси електромагнітних полів) ненаочні, а моделі (уявні механічні явища) наочні.

Модель – первинна форма теоретичного осмислення нових об’єктів, яка часто розкриває протиріччя в розумінні цих об’єктів у світлі старої теорії. Вона дає поштовх для подальшого розвитку теоретичного усвідомлення об’єкта дослідження.

Розглянемо співвідношення проблеми наочності моделі в сучасній фізиці мікросвіту. Наочність, властива механічним моделям, пов’язана з безпосередньою доступністю відчуттям. Нині центр цієї проблеми переміщується в дещо іншу площину, де наочність розглядається як відповідність звичним уявленням. Істинна діалектична філософська свідомість заперечує такий догматизований здоровий глузд, який відповідає звичному, загальноприйнятому. При цьому прагнення до наочності виявляється прагненням втиснути нові ідеї в прокрустове ложе погіршеного варіанта попередніх уявлень. Такий підхід не сприяє досягненню наукового, діалектичного пізнання. Для цього є незбагненним корпускулярно-хвильовий дуалізм мікрооб’єктів, релятивістський закон складання швидкостей та ін. Втрата фізичними об’єктами наочності з погляду звичності, ясності є важливою загальною тенденцією розвитку сучасної фізичної науки.

Методологічна проблематика, пов’язана з процесом моделювання в класичній фізиці, виникла внаслідок проникнення наукового пізнання в немеханічні сфери (електромагнітне поле). Ця проблематика в класичній фізиці XIX ст. формулювалась у вигляді питання про можливість побудови механічних моделей немеханічних фізичних явищ. Увага до філософських проблем моделювання значно зросла у зв’язку з проникненням у першій половині XX ст. наукового пізнання у сферу мікросвіту. Ця глибока методологічна проблема фізичної науки в розвитку квантової механіки модифікується у вигляді питання про можливість побудови макромоделей мікрооб’єктів. На сучасному етапі ця проблематика формулюється в більш загальній формі про роль наочних моделей у пізнанні ненаочних мікрооб’єктів. Звичайно, безпідставним є протиставлення математичного і модельного описання фізичних явищ, оскільки модель мікрооб’єктів тлумачиться не з погляду класичної фізики, як наочна, тобто механічна, система, а з погляду сучасного пізнання як абстрактна логіко-математична структура. В цьому й полягає основний методологічний висновок, пов’язаний з моделюванням у мікрофізиці. Наприклад, моделлю атома є не планетарна система сама по собі, а її ідеальний образ. Ми лише дістаємо при цьому наочний образ, в якому відбиті такі істотні властивості атома, як наявність у ньому центрального ядра і периферійної частини, обертання периферійних елементів навколо ядра. За допомогою наочного образу планетарної системи дістаємо відоме уявлення про структуру атома. Звичайно, ця наочна модель можлива лише тому, що Е. Резерфорду вдалося за допомогою розсіяння α-частинок різними елементами виявити в атомах центральне ядро, навколо якого рухаються електрони подібно до планет навколо Сонця. Відомо, що таке модельне тлумачення структури атома призвело до суперечності й появи борівської ідеї дозволених квантових орбіт. У моделі Н. Бора ідея дозволених орбіт, рухаючись по яких електрон не витрачає енергії, характеризує нові властивості атома, не притаманні мікрооб’єктам.

Крім того, моделювання мікрооб’єктів за допомогою макроуявлень має свою істотну специфіку, яка пов’язана насамперед із діалектично суперечливою корпускулярно-хвильовою природою їх. Цим також можна пояснити зростання елементу абстрактності при тлумаченні явищ мікросвіту. Моделі у квантовій механіці становлять єдність наочного образу наукової абстракції і є деякою схематизацією дійсності. При цьому ми природно спрощуємо багатогранний об’єкт пізнання, оскільки кожний образ мікросвіту формується на основі безпосередніх сприймань макроскопічних об’єктів, що оточують людину, тобто сам є макроскопічним. Отже, для більш точного відтворення мікрооб’єкта потрібно враховувати наближеність, неточність, обмеженість таких моделей, однобічність кожної з них і користуватися лише експериментально обгрунтованими моделями, що доповнюють одна одну. Існування різних моделей свідчить про складність і різноманітність явищ мікросвіту.

Однією з перших ядерних моделей була краплина, вперше запропонована Я. Френкелем і розвинена Н. Бором. Згідно з цією моделлю ядро атома становить краплину протонної і нейтронної рідин із великою густиною речовини (1038 част./см3) і надзвичайною густиною заряду (3 – 1019 Кл/см3). Ядерні частинки, як і молекули рідини, мають достатню рухливість. При збудженні ядра надана йому енергія розподіляється між усіма ядерними частинками статистичним способом, аналогічно тому, як розподіляється між молекулами енергія при нагріванні рідини. Однак, на відміну від молекул рідини, стан у всіх ядерних частинок неоднаковий, оскільки їм притаманні хвильові властивості і вони підлягають квантовим законам.

Для пояснення розсіяння а-частинок та інших частинок було запропоновано оптичну модель ядра. Проте однією з найбільш плідних моделей атомного ядра є оболонкова.

Важливим моментом у розвитку квантових уявлень про природу поля була поява гіпотези М. Планка про дискретну природу випромінювання осцилятора. Ідеї М. Планка розвинув А. Ейнштейн у своїй теорії фотоефекту, в якій він розглядав світлові кванти як реально існуючі частинки (фотони). Однак ідею перервності поля, чужу класичній фізиці, фізики сприйняли не відразу.

Отже, в сучасній фізиці метод моделювання узагальнюється, розвиваючись від первинних форм наочних моделей до широкого використання абстракціонологічних (математичних) моделей. Сучасне моделювання має дві провідні тенденції: збільшення ролі елементів абстракції в моделях і узагальнення подібності.

Роль моделювання в пізнанні можна виявити при аналізі його основних функцій. Насамперед моделювання здійснює ніби перекладацьку функцію – перекладає отриману інформацію з незрозумілої мови оригіналу на відому мову моделі. Дуже важлива екстраполяційна функція моделювання: інформацію, яку дістали на моделі, поширюють на сам об’єкт. В умовах органічної єдності діалектичних процесів диференціації й інтеграції наук важливе місце належить трансляційній функції моделювання. Моделювання виступає в ролі вихідного прийому при проникненні одних наук у сферу інших. Моделювання – це перевірене знаряддя синтезу знання. Воно пов’язане з використанням таких логічних форм, як аналогія, екстраполяція, гіпотеза, які, звичайно, мають і самостійне значення поза процесом побудови моделей. Однак для з’ясування місця і ролі моделей у пізнанні найбільше значення має аналіз їхніх взаємозв’язків з такою вищою формою пізнавального процесу, як послідовна теорія явища. Слід указати на підлеглість моделювання головному завданню – створенню наукової теорії, здатної пояснити деяку сферу об’єктивної реальності та визначити шляхи практичного перетворення її. Об’єктивним критерієм істинності модельного знання, як і для будь-якої іншої пізнавальної форми та процесу пізнання в цілому, є суспільно-історична практика.


Застосування методу моделювання у фізиці - Довідник с фізики