Что означает мысленный эксперимент. Познавательное значение мысленного эксперимента

Реальный эксперимент обычно имеет ограниченную сферу применения. Иногда он не осуществим по экономическим соображениям или в связи с его сложностью. Часто материальный эксперимент не дает желаемого результата, поскольку его возможности ограничены уровнем развития знания и техники. Только мысленный эксперимент, в котором логическое мышление и творческое воображение исследователя сочетаются с экспериментальным и теоретическим материалом, позволяет оттолкнуться от реальной действительности и пойти дальше - понять и исследовать то, что раньше казалось неразрешимой загадкой. Во всех тех случаях, когда для познания наиболее глубоких сущностей нужен эксперимент при высокой степени абстракции от реальных условий, исследователь обращается именно к мысленному эксперименту.

Мысленные эксперименты не придумываются совершенно произвольно, а представляют собой мыслительные операции, удовлетворяющие определенным требованиям и принципам проверенной научной теории. Как и в любом другом теоретическом построении, в мысленном эксперименте все операции должны подчиняться некоторым правила, вытекающим из знания объективных законов науки. Соблюдение этого условия служит гарантией высокой степени достоверности знаний, полученных в ходе исследования.

Мысленный эксперимент - это эксперимент в сфере сознания, в котором ведущая роль принадлежит мышлению. Этим определяется его субъективная сторона. Однако тот факт, что мысленный эксперимент реализуется целиком и полностью на уровне сознания, говорит о том, что его содержание объективно.

Оценивая мысленный эксперимент, нельзя к нему относиться как к готовому знанию; в этом случае он играет роль простой иллюстрации. Также нельзя сводить его содержание только к обдумыванию, планированию материального эксперимента (хотя он всегда предшествует материальному эксперименту). Мысленный эксперимент является скорее продолжением и обобщением, схематизацией последнего, нежели наоборот.

Ценность мысленного эксперимента, во-первых, состоит в том, что он позволяет исследовать ситуации, неосуществимые практически, хотя и возможные принципиально. Во-вторых, он позволяет в ряде случаев осуществлять познание и проверку истинности знаний, не прибегая к материальному экспериментированию. Однако, поскольку мысленный эксперимент является одновременно прямым и модельным, опосредованность связи субъекта с объектом исследования в конечном итоге требует практической проверки полученных результатов. Если в материальном эксперименте уже сам ход его служит подтверждением истинности “посылок”, то этого нельзя сказать об эксперименте мысленном: свою окончательную оценку мысленный эксперимент может получить только в процессе проверки его результатов на практике.

Подводя итог, можно охарактеризовать мысленный эксперимент как эвристическую операцию следующими особенностями: 1) это познавательный процесс, принимающий структуру реального эксперимента; 2) вся цепь рассуждений ведется в нем на базе наглядных образов; 3) мысленное экспериментирование связано с процессом идеализации; 4) по своей логической структуре оно представляет собой гипотетико-дедуктивное построение; 5) механизм мысленного эксперимента не автоматизирован, а связан с процессом решения возникшей в ходе исследования задачей; 6) мысленное экспериментирование осуществляется на основе выработки программы, плана-схемы мыслительных действий по переработке исходной информации; 7) мысленный эксперимент сочетает в себе силу формального вывода с экспериментальной достоверностью.

Таким образом, мысленный эксперимент - форма мышления, объективно возникшая как результат активного воздействия человека на природу. Специфика этой формы состоит в том, что абстрактное и конкретное, рационально-понятийное и чувственно-наглядное составляют в ней диалектическое единство. Мысленный эксперимент есть эффективное средство получения новых знаний о мире.

Этот мысленный эксперимент родился в споре между философами Джоном Локком и Уильямом Молинье.

Представьте слепого с рождения человека, который знает, чем на ощупь отличается шар от куба. Если он внезапно прозреет, сможет ли он визуально отличить эти предметы? Не сможет. До тех пор, пока тактильное восприятие не будет связано с визуальным, он не будет знать, где находится шар, а где - куб.

Эксперимент показывает, что до определённого момента у нас нет никаких знаний о мире, даже тех, которые кажутся нам «естественными» и врождёнными.

Теорема о бесконечных обезьянах

deviantart.net

Мы считаем, что Шекспир, Толстой, Моцарт - гении, ибо их творения уникальны и совершенны. А если бы вам сказали, что их произведения не могли не появиться?

Теория вероятности утверждает, что всё, что может произойти, обязательно произойдёт в бесконечности. Если бесконечное количество обезьян посадить за печатные машинки и дать им бесконечное количество времени, то когда-нибудь одна из них обязательно слово в слово повторит какую-нибудь пьесу Шекспира.

Всё, что может случиться, должно случиться - какое тут место личному таланту и достижениям?

Столкновение шаров

Мы знаем, что утро сменится ночью, что стекло разбивается при сильном ударе, а падающее с дерева яблоко полетит вниз. Но что порождает в нас эту убеждённость? Реальные связи между вещами или наша вера в эту реальность?

Философ Дэвид Юм показал, что наша убеждённость в причинно-следственных связях между вещами не более чем вера, которая порождена нашим предыдущим опытом.

Мы убеждены, что вечер сменит день, только потому, что всегда до этого момента вечер сменял день. Абсолютной уверенности у нас быть не может.

Представим два бильярдных шара. Один бьётся о другой, и мы считаем, что первый шар является причиной движения второго. Однако мы можем представить, что второй шар останется на месте после столкновения с первым. Нам ничто не запрещает сделать это. Значит, из самого движения первого шара логически не вытекает движение второго и причинно-следственная связь основана исключительно на нашем предыдущем опыте (ранее мы множество раз сталкивали шары и видели результат).

Донорская лотерея

Философ Джон Харрис предложил вообразить мир, отличающийся от нашего двумя вещами. Во-первых, в нём считается, что позволить человеку умереть - то же самое, что и убить его. Во-вторых, операции по пересадке органов в нём всегда выполняются удачно. Что из этого следует? В таком обществе донорство станет этической нормой, ведь один донор может спасти множество людей. Тогда в нём проводится лотерея, которая в случайном порядке определяет человека, который должен будет пожертвовать собой, чтобы не дать умереть нескольким больным.

Одна смерть вместо многих - с точки зрения логики это оправданная жертва. Однако в нашем мире это звучит кощунственно. Эксперимент помогает понять, что наша этика построена не на рациональном базисе.

Философский зомби

Философ Дэвид Чалмерс в 1996 году в одном из своих докладов озадачил мир понятием «философского зомби». Это воображаемое существо, которое во всём идентично человеку. Оно встаёт по утрам под звук будильника, идёт на работу, улыбается знакомым. Его желудок, сердце, мозг работают так же, как у человека. Но при этом у него нет одного компонента - внутренних переживаний происходящего. Упав и повредив колено, зомби закричит как человек, но боли он не почувствует. В нём нет сознания. Зомби действует как компьютер.

Если человеческое сознание - результат биохимических реакций в мозге, то чем в таком случае человек будет отличаться от такого зомби? Если зомби и человек на физическом уровне ничем не отличаются, что же тогда такое сознание? Иначе говоря, есть ли в человеке что-то такое, что не обусловлено материальными взаимодействиями?

Мозг в колбе

Этот эксперимент предложил философ Хилари Патнэм.

wikimedia.org

Наше восприятие устроено следующим образом: органы чувств воспринимают данные извне и преобразуют их в электрический сигнал, который отправляется в мозг и расшифровывается им. Представим следующую ситуацию: мы берём мозг, размещаем его в специальном поддерживающем жизнедеятельность растворе, а электрические сигналы посылаем посредством электродов точно таким же образом, как это делали бы органы чувств.

Что бы переживал такой мозг? То же самое, что и мозг в черепной коробке: ему бы казалось, что он человек, он «видел» и «слышал» бы что-то, размышлял бы о чём-то.

Эксперимент показывает, что у нас нет достаточных оснований утверждать, что наш опыт - окончательная реальность.

Вполне возможно, что все мы находимся в колбе, а вокруг нас нечто вроде виртуального пространства.

Китайская комната

Чем отличается компьютер от человека? Можно ли представить будущее, в котором машины заменят людей во всех сферах деятельности? Мысленный эксперимент философа Джона Сёрля даёт понять, что нет.

Представьте человека, запертого в комнате. Он не знает китайского языка. В комнате есть щель, через которую человек получает вопросы, записанные на китайском. Он не может ответить на них сам, он даже прочитать их не может. Однако в комнате имеются инструкции по преобразованию одних иероглифов в другие. То есть там говорится, что если вы видите на бумаге такое-то сочетание иероглифов, то вам следует ответить таким-то иероглифом.

Таким образом, благодаря инструкциям по преобразованию иероглифов человек сможет отвечать на вопросы на китайском языке, не понимая ни смысла вопросов, ни своих собственных ответов. Это и есть принцип работы искусственного интеллекта.

Занавес неведения

Философ Джон Ролз предложил вообразить группу людей, которым предстоит создать некое общество: законы, государственные структуры, социальный порядок. Эти люди не имеют ни гражданства, ни пола, ни какого-либо опыта - то есть, проектируя общество, они не могут исходить из собственных интересов. Они не знают, какая роль выпадет каждому в новом социуме. Какое общество они построят в результате, из каких теоретических предпосылок будут исходить?

Вряд ли им оказалось бы хоть одно из существующих сегодня обществ. Эксперимент показывает, что все социальные организации на практике так или иначе действуют в интересах определённых групп людей.

Поставим теперь вопрос о том, в чем специфика мысленного эксперимента по сравнению с другими формами познания, каково" место среди других средств познания, какова его познавательная ценность?

Некоторые авторы склонны усматривать ценность мысленного эксперимента в его способности служить иллюстрацией физических принципов, сделать их наглядными; другие авторы видят значение умственного эксперимента в мысленном предварении реального эксперимента.

Действительно, мысленный эксперимент выполняет эти функции, но этим его значение и ценность не исчерпываются.

Ценность мысленного эксперимента в том, что он, будучи про* явлением творческой активности мышления, позволяет исследовать ситуации, неосуществимые практически, хотя и возможные с научной, материалистической точки зрения. Это обстоятельство * отметил еще М. Планк: «Нет ничего ошибочнее, чем утверждение, что мысленный эксперимент имеет значение лишь постольку, поскольку он каждый раз может быть осуществлен через измерение. Если бы это было верно, то не существовало бы, например, никакого точного доказательства геометрии. Ибо каждая черта, которую можно нанести на бумагу, в действительности является не линией, а более или менее узкой полоской и каждая нарисованная точка есть в действительности небольшое пятно... В мысленном эксперименте дух исследования поднимается над миром действительных средств измерения, помогающих ему создавать гипотезы и формулировать вопросы, исследование (Priifung) которых посредством различных экспериментов открывает взору новые закономерные связи, а также такие связи, которые недоступны прямому измерению».338

Познавательное значение мысленного эксперимента аналогично значению мысленных моделей. Более того, оно в значительной степени совпадает с последним в силу того обстоятельства, что модель включена в мысленный эксперимент в качестве его воображаемого объекта. Этим, в частности, и определяется отмеченная способность умственного эксперимента выполнять роль иллюстрации к тем или иным абстрактно-теоретическим положениям. Однако модель как элемент мысленного эксперимента привносит с собой и другие познавательные функции. Она является средством закрепления тех идеализаций и упрощений, которые столь характерны для него. О них-то собственно и говорит Планк в вышеприведенной цитате.

Правда, и в реальном эксперименте осуществляется практически работа по устранению всевозможных случайных влияний и условий, затемняющих суть изучаемого процесса. Но в таком эксперименте экспериментатор всегда ограничен либо конкретно- историческим уровнем техники эксперимента (скажем, вакуумной техники, как например в опытах П. Н. Лебедева по исследованию светового давления), либо практической невозможностью осуществить вообще такое отвлечение (например, в случае инер- циальной системы). Степень же приближения к желаемым условиям опять-таки зависит от конкретно-исторических конструктивных возможностей человека, а мысленный эксперимент уже на стадии построения модели дает возможность преодолеть эти ограничения и осуществить абстракцию потенциальной осуществимости, т.

е. отвлечься от практически ограниченных конструктивных возможностей человека, о чем говорилось уже выше.

Абстракция потенциальной осуществимости в мысленном эксперименте характерна не только для объекта-модели, но и для средств воздействия на эту модель, а также воображаемых измерительных или регистрирующих инструментов.

Следует обратить внимание на то, что в мысленном эксперименте стирается различие между «внешними условиями» существования «объекта» и «приборами». В то время как в реальном эксперименте приборы в отличие от естественных условий изготовляются человеком и свидетельствуют о реализации его технических возможностей, в мысленном эксперименте от последних отвлекаются и учитывают лишь физические или вообще соответствующие объективные закономерности. Поэтому становится безразличным. (хотя в известном смысле это имеет место и в реальном эксперименте), сделан ли «прибор» человеческими руками, или же он представляет собой идеализированные внешние условия, с которыми взаимодействует «объект».

Рассмотрим в качестве примера идеализированную фотопластинку.339 Суть идеализации здесь состоит в том, что эмульсия пластинки отождествляется с системой закрепленных атомов, а ионизация такого атома - с образованием на фотопластинке изображения. Основанием для правомерности этой идеализации является тот факт, что ионизация одного из активных атомов есть начало процессов, ведущих в конце концов к образованию на фотопластинке проявленного зерна (пятнышка), которое и наблюдают в реальном эксперименте. Идеализация состоит также и в том, что атому приписывается бесконечно большая масса при достаточно малых его размерах, подходящих для определения области, в которой происходит ионизация.

Из этого примера видно, что подобная идеализация снимает всякие различия между «прибором», изготовленным человеком, и естественными условиями, поскольку она как раз и заключается в отвлечении от конструктивных особенностей пластинки - стекло или пленка, эмульсия, зерна, изображение и т. п.

Так же обстоит дело и с любым другим «прибором». Это значит попросту, что под «прибором» в идеализированном эксперименте имеют в виду некоторые идеальные и идеализированные условия, в которых выполняются некоторые положения теории или, что в данном случае одно и то же, существуют некоторые объективные законы. Таким образом, структура «эксперимента» здесь значительно упрощается, что позволяет выделить сущность изучаемого явления для того, чтобы подвергнуть его дальнейшему теоретическому обсуждению, анализу всевозможных следствий и, если это возможно или необходимо, наметить пути к реальному эксперименту.

Достигнутые упрощения делают структуру мысленного эксперимента во многих случаях такой, что она мало чем отличается от модели. Действительно, если наблюдатель в мысленном эксперименте -? элемент совсем необязательный, а различия между измерительными приборами и внешними условиями стираются, то остается некоторая схематическая картина, некий образ взаимодействия объекта с внешними условиями. Получается некая динамическая, структурно-функциональная или просто функциональная модель. Отсюда следует, что в пределе понятие мысленного эксперимента и понятие мысленной модели (мысленного моделирования) совпадают. А это значит, что все отмеченные выше познавательные функции мысленных моделей, так же как и свойственная им наглядность, выполняются в конечном счете и мысленным экспериментом. В связи с вопросом об абстракции, идеализации и упрощениях, применяемых в мысленных моделях и экспериментах, остановимся на одном частном моменте, имеющем, однако, существенное методологическое значение. От чего можно абстрагироваться при построении модели и проведении мысленного эксперимента, до какой степени упрощения следует идти, как далеко можно провести идеализацию? Эти вопросы возникают не случайно, а в связи с некоторыми высказываниями о природе мысленного моделирования и экспериментирования и дискуссиями на эту тему.,

Так, М. Планк, касаясь преимуществ и познавательных возможностей мысленного эксперимента, между прочим, говорил: «Мысленный эксперимент не связан с пределами точности (Ge- nauigkeitgrenze), ибо мысли тоньше (feiner) атомов и электронов, кроме того, при этом нет опасности причинного воздействия измерительного инструмента на измеряемый процесс»..340

Можно ли считать это мнение немецкого физика справедливым? Нам кажется, что нет. В нем не учтено гносеологическое значение тех трудностей, с которыми столкнулась квантовая физика с самого начала ее возникновения в 20-30-х годах. В результате их анализа в квантовой механике была обнаружена в качестве ее существенной методологической особенности невозможность при изучении некоторых явлений и при постановке некоторых мысленных экспериментов полностью отвлекаться от принципиального устройства приборов, с которыми взаимодействуют микрообъекты, для того чтобы получить сведения об объективных свойствах последних.

Конечно, мысленный эксперимент не ограничен и не должен быть ограничен трудностями практического характера, связанными с теми или иными конструктивными особенностями наших приборов: с их грубостью, с их относительным несовершенством (как например ограниченная разрешающая способность оптического микроскопа и т. п.). Но имеются такие стороны действительности, такие закономерности, отвлечение от которых лишает мысленный эксперимент всякого смысла, приводит не только к ложным следствиям из него, но и делает его вообще беспредметным с научной точки зрения. Мы уже упоминали выше о бессмысленности, с точки зрения Эйнштейна, воображаемых экспериментов, в которых движение происходит со сверхсветовой скоростью. Здесь происходит отвлечение от фундаментального закона природы, и неудивительно, что при помощи такого псевдоэксперимента можно «доказывать» всевозможные чудеса, вроде путешествия в прошлое. Поразительно только то, что до сих пор еще имеются теоретики, с серьезным видом пытающиеся строить модели и проводить мысленные эксперименты, нарушая принципы теории относительности именно в тех областях, где они должны выполняться. Представляется, что попытки, например, JI. Яноши341 выйти за рамки релятивистских требований при построении мысленных экспериментов и моделей для областей, где эти требования существенны, вступают в противоречие не только с теорией относительности (которую, впрочем, он про- должает оспаривать), но и с теорией мысленного эксперимента, развитой с позиций материалистической гносеологии.

Ошибка Яноши в методологическом отношении состоит в том, что он, строя свои модели и стараясь согласовывать их со всеми реальными экспериментами и не выходить за рамки бесспорных экспериментальных фактов, совершенно не желает считаться с теорией, подтвержденной всей совокупностью экспериментальных фактов, относящихся к области исследования квантовых явлений, следовательно, с законами этой области. Поэтому он с такой легкостью отбрасывает не только принцип предельности скорости света (допуская сверхсветовые скорости), но и принцип неопределенности342 - эту основную закономерность квантовых процессов. Предлагать подобные эксперименты в квантовой механике все равно, что при помощи мысленных экспериментов в области классической механики или термодинамики доказывать возможность вечного двигателя первого или второго рода.

Подобного же рода упреки можно сделать и в адрес других попыток построить мысленную модель и провести с ней мысленный эксперимент на основе представления о «скрытых» параметрах, отказа от принципа неопределенности. Другими словами, эти попытки основаны на предположении о возможности провести идеализацию, состоящую в отвлечении от конструктивных особенностей прибора и от его воздействий на микрообъект, так же полно, как в классической механике. Так, например, представляют себе модели и мысленные эксперименты в атомной физике Ж. Вижье и Д. Бом. Последний, выступая против положения Н. Бора о невозможности описать поведение индивидуальной системы в микромире на основе единой и точно определенной мысленной модели, считает, что «скрытые» параметры в принципе точно определяют результат любого индивидуального акта измерения и что искажение состояния системы измерительным аппаратом имеет не принципиальный, а только практический характер, что и выражается в соотношении неопределенностей.343 Д. Бом считает, что в принципе можно отвлечься от воздействия прибора на микрообъект и теоретически не принимать во внимание принцип неопределенности, который, как сказано, с его точки зрения, имеет только практическое зиаче- ниє, что, следовательно, «измерения, нарушающие соотношение неопределенности, являются, по крайней мере мыслимыми».344Отсюда и вытекает возможность в принципе точного предсказания будущего поведения системы, возможность мысленных экспериментов «на основе единой и точной мысленной модели».345

Такой моделью, являющейся базисом для «новой интерпретации» квантовой механики, выступает у Бома модель частицы, волновая функция которой истолковывается как описание некоего ф-поля, определяющего некоторую «квантовую силу», которая добавляется к обычной силе, действующей на частицу, рассматриваемую в виде материальной точки.346

Аналогичными методологическими особенностями характеризуются и модели, предложенные JI. де Бройле"м, Ж. Вижье, - «материальные частицы (а также фотоны) как сингулярности в метрике пространства-времени, окруженные волновым полем».347

Знаменитый мысленный эксперимент А. Эйнштейна, Р. Подольского п Н. Розена 348 также основан на идее о том, что идеализация и в области микровзаимодействий может быть доведена до полного отвлечения от возмущающего воздействия прибора, так что в конце концов путем некоторых остроумных приемов удается косвенно измерить одновременно скорость и координаты системы.

Между тем объективное содержание квантовой механики заставляет нас прийти к другому выводу. Как вытекает из квантовой механики, изучаемые в ней микровзапмодействия по своей квантовой природе не позволяют провести такое же полное отвлечение от средств наблюдения (приборов), как в классической физике, имеющей в основном дело с макроскопическими объектами.

Как известно, в классической физике предполагалось, что средства наблюдения не оказывают возмущающего воздействия на изучаемый объект, а если и оказывают, то это воздействие всегда можно (по крайней мере в принципе) учесть и внести соответствующую поправку. На этом и основана идеализация, суть которой состоит в возможности отвлечения не только от конструктивных особенностей и недостатков приборов, от их практической осуществимости, но и вообще от средств наблюдения. Это позволяет рассуждать так, как если бы средств наблюдения вообще не было, т. е. говорить о движении объекта безот- носительно к средствам наблюдения. Такая идеализация приводит к абсолютизации «состояния движения». И хотя состояние движения имеет смысл только по отношению к определенной системе отсчета, от этого отношения можно абстрагироваться и в случае надобности всегда его учесть.

Как показал В. А. Фок, качественно новой чертой квантово- механического описания является необходимость «учитывать не только механическое движение средств наблюдения, но и в какой-то схематической форме их внутреннее устройство».349 Эту особенность квантовомеханического описания В. А. Фок называет относительностью к средствам наблюдения350 и придает ей важное методологическое значение. Легко показать, что эта особенность теснейшим образом связана с принципом неопределенности и является прямым следствием отмеченной Н. Бором специфической черты закономерности квантовых процессов: их своеобразной неделимости, целостности.

Характеризуя эту особенность, Бор указывал, что «поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят явления».351

Важно подчеркнуть, что относительность к средствам наблюдения не означает никакого субъективизма, ибо она не есть относительность к сознанию субъекта, т. е. она не есть зависимость микрообъекта от сознания наблюдателя. Относительность к средствам наблюдения есть выражение диалектической закономерности всеобщей взаимозависимости и взаимосвязи явлений, причем в такой форме, которая одновременно демонстрирует существенные черты специфичности микроявлений и микровзаимодействий.

Средство наблюдения или прибор, о котором речь идет в квантовой физике и которое употребляется в ее реальных экспериментах, представляет собой объективный материальный процесс, осуществляемый по законам природы, и с этой точки зрепия безразлично, сделан ли он руками человека или выбран из естественных условий, если они удобны для эксперимента. Естественно, что для идеализированных приборов, применяемых в мысленных экспериментах, это различие еще менее существенно вследствие того, что при этом абстрагируются от конструктивных возможностей человека и практических особенностей конструкции прибора, понимая под последним некое устройство, имеющее, однако, физический смысл, т. е. такую принципиально осуществимую систему, в которой действуют известные закономерности. Другой особенностью прибора в квантовой механике является его двухступенчатый характер. Его приготовляющая и рабочая части представляют собой микропроцессы и характеризуются протекающим на микроуровне взаимодействием, в буквальном смысле слова связанным с материальными полями, и превращением форм материи; его же регистрирующая часть является микроскопической системой. Отношения между той частью системы, которая описывается квантовомеханически, и той, которая допускает классическое описание, не есть взаимодействие в вышеуказанном смысле, хотя оно и представляет собой закономерный переход в рамках вероятностных законов. По В. А. Фоку, прибором следует считать «такое устройство, которое, с одной стороны, может взаимодействовать с микрообъектом и реагировать на его воздействия, а с другой стороны, допускает с точностью, достаточной для данной цели, классическое описание».352

Поэтому, поскольку умственные эксперименты в квантовой механике представляют собой оперирование моделями, а последние выступают как классические и наглядные структуры, элементы которых характеризуются такими микроскопическими чертами (и соответственно величинами), как координаты, скорости и т. п., отвлечение от тех закономерностей, благодаря которым поведение модели можно рассматривать как отражение свойств микрообъекта, недопустимо. К числу этих закономерностей относятся принцип неопределенности, связанная с ним относительность к средствам наблюдения, а также вероятностная характеристика состояний микрообъекта. Получаемую в умственном эксперименте картину следует всегда рассматривать как свидетельство возможности существования у микрообъекта свойств, фиксируемых в данной модели (и объективно реализуемых в определенных отношениях). Это вполне согласуется с тем объективным и фундаментальным фактом, что причинность в мире квантовых явлений осуществляется не в форме лап- ласовского детерминизма, а в форме статистической закономерности. Поэтому все мысленные эксперименты, в которых фигурируют классические модели, действующие по принципам классического детерминизма с его абсолютной (в принципе) точностью и однозначностью (в смысле Лапласа), обречены на неудачу, что и подтверждает история физики за последние тридцать лет.

15 В. Л. Штофф

Отсюда следует, что открытия в квантовой механике имели огромное методологическое, принципиальное значение. Они указали на те новые закономерности, которые необходимо учитывать для получения адекватных образов микроявлений. Не только при характеристике содержания объекта, но и при разработке способов его познания (в частности, умственного эксперимента и моделирования) необходимо учитывать объективные качественные особенности самого объекта, в данном случае - закономерностей тех явлений, которые объединяются в понятии микрообъекта.

В этом смысле можно согласиться с выводом Н. Бора о том, что одним из методологических уроков, вытекающих из квантовой механики, является «урок об ограниченной применимости обычных идеализацию).353

С этой ограниченной применимостью обычных идеализации связан вопрос и об ограничениях, накладываемых вообще на метод моделей в квантовой механике. Однако этот вопрос требует специального рассмотрения.

ЦЕЛЬ: научить обучающихся пользоваться мысленным экспериментом.

Рассказать о мысленных экспериментах Г.Галилея.

1. МЫСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ – это воображаемый опыт с идеальными объектами, благодаря которому закладываются и проясняются основания некоторой теоретической концепции или устанавливаются её пределы [ 22 ].

Мысленный эксперимент основывается, вообще говоря, на очевидности того или иного положения вещей. Например, можно считать очевидным тот факт, что два равновеликих груза будут уравновешивать равноплечий рычаг. То есть мы можем мысленно вообразить, что весы в этом случае останутся в покое.

Примером более сложного мысленного эксперимента может служить знаменитый мысленный опыт Галилея с равномерно движущимся кораблём. Галилей гордился тем, что проводя мысленные эксперименты с падением тел и др., он с большой достоверностью устанавливал факты физической реальности “не проделав ни ста испытаний, ни даже одного” [ 22 ].

РАССМОТРИМ ЗНАМЕНИТЫЙ ОПЫТ ГАЛИЛЕЯ С КОРАБЛЁМ.

Галилей говорит. Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь бабочками, мухами и другими летающими насекомыми. Пусть будет у вас также большой сосуд с водой и плавающими в нём маленькими рыбками; подвесьте наверху ведёрко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, поставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие насекомые с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд; и бросая какой-нибудь предмет, не придётся бросать его в одну сторону с большей силой, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и, если вы будете прыгать, отталкиваясь сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте всё это, хотя у вас не возникает никакого сомнения в том, что пока корабль стоит неподвижно, всё должно происходить именно так.

ЗАСТАВЬТЕ ТЕПЕРЬ КОРАБЛЬ ДВИГАТЬСЯ С ЛЮБОЙ СКОРОСТЬЮ РАВНОМЕРНО И БЕЗ КАЧКИ – во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно. Прыгая, вы переместитесь по полу на то же расстояние, что и раньше, и не будете делать больших прыжков в сторону кормы, чем в сторону носа, на том основании, что корабль быстро движется, хотя за то время, что вы будете в воздухе, пол под вами будет двигаться в сторону, противоположную вашему прыжку. Бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать её с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем, когда ваше взаимное положение будет обратным. Капли, как и ранее будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадёт ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдёт некоторое расстояние. Рыбы в воде не с большим усилием будут плыть к передней, чем к задней стенке сосуда; настолько же проворно они бросятся к пище, положенной в какой угодно части сосуда.

Наконец, бабочки будут летать по-прежнему во всех направлениях, и никогда не случится того, чтобы они собрались у стенки, обращённой к корме, как если бы устали, следуя за быстрым движением корабля, от которого они были совершенно обособлены, держась долгое время в воздухе.

Если от капли зажжённого ладана образуется немного дыма, то видно будет, как он восходит вверх и держится на подобии облачка, двигаясь безразлично, в одну сторону не более, чем в другую. Причина СОГЛАСОВАННОСТИ ВСЕХ ЭТИХ ЯВЛЕНИЙ заключается в том, что движение корабля общё всем находящимся на нём предметам, также, как и воздуху.

Мысленный эксперимент с кораблём необычен по своей структуре. И это сказывается в самом стиле изложения. Галилей здесь ничего не изобретает. Им просто описаны явления, наблюдавшиеся и ранее бесчисленное множество раз.

Но, всматриваясь в общеизвестное, он видит то, что не было известно никому.

“Смотрите, говорит он, вот факт, знакомый каждому. Но этот факт, если взглянуть на него ”очами разума”, неопровержимо свидетельствует о том, как устроен мир в его основаниях“.

ТАКИМ ОБРАЗОМ: ЗАКОН ИНЕРЦИИ У ГАЛИЛЕЯ ПОЛУЧЕН МЫСЛЕННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТОМ.

Закон инерции гласит ТЕЛА СОХРАНЯЮТ ВЕЛИЧИНУ И НАПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТИ, КОГДА НА НИХ НЕ ДЕЙСТВУЕТ НИКАКИЕ СИЛЫ /ИЛИ ДЕЙСТВУЮТ УРАВНОВЕШЕННЫЕ СИЛЫ/.

Мысленный эксперимент может широко применяться в школьных исследованиях. Применение этого метода в школе целесообразно для изучения таких, например, процессов, как:

Равновесие тел на наклонной плоскости;

Действие жидкости в гидравлических машинах;

Процессах, действующих в законе сохранения энергии;

Применение мысленного эксперимента в школе помогает развивать мышление учеников., умение тщательно рассуждать.

Решите логическую задачу: требуется разлить пополам 8-литровое ведро воды, используя пустые бидоны 5-и и 3-х литров.

Растолкуйте выражение: “Люди знают что ХОРОШО, но делают что ПЛОХО” (Сократ).

Вопросы для закрепления материала.

1.В чём заключается ценность мысленного эксперимента для ученика?

2.Какой известный мысленный эксперимент провёл Галилей?

3.Что конкретное используется в мысленном эксперименте?

История развития науки свидетельствует о блестящих результатах применения мысленного эксперимента, а современные тенденции развития знания превращают его в одну из важнейших процедур познания. Мысленных эксперимент использовали Галилей и Ньютон, к нему постоянно обращались А.Эйнштейн, Н.Бор, Г.Гейзенберг. Однако отсутствует единая терминология мысленного эксперимента. Его называют умственным идеализированным, воображаемым, теоретическим.

Мысленный эксперимент и творческое воображение

Мысленный эксперимент - это познавательная деятельность, где важное место занимает научное воображение. Д.П.Горский называет мысленным экспериментом метод, “позволяющий прибегнуть к отвлечениям, в результате которых создается идеализированный объект (абстракция, идеализация)”. Мысленный эксперимент определяется здесь как одна из форм умственной деятельности познающего субъекта. С другой стороны мысленный (воображаемый) эксперимент характеризуется как умственный процесс, строящийся по типу реального эксперимента и принимающий его структуру. Это вид теоретического рассуждения, реализующий одну из основных присущих человеку функций - поиск новых знаний. Мысленный эксперимент является такой формой умственной деятельности человека, которая имеет широкое распространение в науке как эвристическое средство исследования.

Эксперимент, осуществляемый практически, есть вид материальной деятельности, имеющий своей целью исследование объекта, проверку полученных знаний и так далее. Всякий материальный эксперимент предполагает выбор определенного объекта исследования и определенного способа воздействия на него. Воздействие осуществляется в строго воспроизводимых условиях, что обеспечивает воспроизводимость результата эксперимента.

Мысленный эксперимент, в свою очередь, развивается из материального эксперимента. На каких-то этапах развития эксперимента субъект не отделяет осмысление его течения от объективного хода экспериментального процесса. Позднее появляется способность проделывать эксперимент как бы про себя, в уме, не воздействуя материально на сам ход эксперимента. Характерной особенностью сознательной человеческой жизнедеятельности является то, что прежде чем производить непосредственно, субъект мысленно решает различные практические и теоретические задачи, совершает сложные и разнообразные мысленные операции, предвосхищающие непосредственное действие.

Особенность мысленного эксперимента связана с тем, что это есть вид познавательной деятельности, в которой структура реального эксперимента воспроизводится в воображении. Это означает, что между мысленным и материальным экспериментом имеется определенная аналогия. Такая аналогия - существенная черта умственного эксперимента. “Мы не только можем создавать образы более или менее произвольно, мы их можем также видоизменять и затем выяснять, какие изменения могут вытекать в качестве результата тех или других особенностей. Мы можем осуществлять воображаемый эксперимент, вводя превращения в образы и затем, отмечая, какое дальнейшее содержание может получить образ с точки зрения этих изменений. Эта процедура во многом аналогична физическому эксперименту; образы поддаются манипулирования так же, как и физические объекты”. “Человек в уме оперирует пространственными образами, мысленно ставит тот или иной объект в различные положения и мысленно подбирает такие “экспериментальные” ситуации, - пишет А.П.Чернов, - в которых, как и в обычном опыте, должны появиться более важные или почему-либо интересные особенности данного объекта”. Исследователь мысленно вводит изучаемый объект во все новые и новые взаимодействия, ставит его в разнообразные условия, постоянно учитывая возникающие причинно-следственные отношения, пространственно-временные и другие изменения, которые должны при этом совершаться в объекте, и соотнося их с первоначальными условиями и связями. Изучаемое явление многократно повторяется в различном составе и порядке. При этом в нем обнаруживаются новые, ранее неизвестные свойства и стороны.

Творческое воображение дает возможность предварять многие действия. Мысленно человек может создавать разнообразные связи и тут же их тормозить, если они не дают необходимого эффекта. Он мысленно проверяет многие варианты предварительных гипотез, прежде чем положить их в основу эксперимента. В зависимости от успеха или неудачи тех или иных пробных действий появляется возможность исключать некоторые области поиска, значительно ограничивать его вероятный район.

Мысленный эксперимент как самостоятельная форма познания

Выделение мысленного эксперимента в относительно самостоятельную форму познания выражает этап в развитии познания. “Представляется неправильным сведение мысленного эксперимента к обдумыванию планируемого результата эксперимента, - считает А.О.Вальт. - Мысленный эксперимент является относительно самостоятельной познавательной операцией. Если обдумывается и планируется реальный эксперимент, то исследователь строит свои калькуляции исходя из наличной ситуации, стараясь охватить ее наиболее полным образом. Результаты такого рассуждения проверяются проведением самого реального эксперимента. В случае же мысленного эксперимента как прибор, так и “экспериментальная” ситуация являются предметно “искаженными”, идеализированными и полученные выводы проверяются опосредованно в ходе восхождения к конкретному. Мысленный эксперимент отличается от дискурсивного, чисто логического умозаключения тем, что он не протекает в одних только понятиях. Тут в познавательном процессе участвует конкретный чувственный образ - модель, идеальный объект, абсолютно твердое тело, идеальные газы и жидкости, абсолютно черное тело и так далее”.

Значение и ценность мысленного эксперимента заключается в том, что в нем в ряде случаев осуществляются познание и проверка истинности знаний, не прибегая каждый раз к реальному экспериментированию. Кроме того, умственный эксперимент позволяет исследовать ситуации, не осуществимые практически, хотя и возможные принципиально.

Как материальный, так и мысленный эксперимент, будучи особой формой деятельности человека, направлены непосредственно на обнаружение того, что интересует исследователя, на познание качественного своеобразия явления. Другими словами, в эксперименте можно функционально выделить ту или иную связь по отношению к целям познания и тем самым фиксировать ее в качестве предмета исследования. Но это не означает отвлечение от некоторых не существенных в данной ситуации связей и отношений. Не имея возможности охватить все богатство характеристик интересующего объекта, приходится “обеднять” и схематизировать его. В конечном счете (такова диалектика познания) использование научных абстракций ведет к углублению и обогащению знания об изучаемых объектах.

Материальный эксперимент, в ходе которого реализуется “активное освоение” объекта исследования, позволяет получать адекватные характеристики этого объекта. Субъект же в мысленном эксперименте приходит к знанию законов движения объекта исследования потому, что мысленно воспроизводит эту деятельность по “освоению” объекта. Мысленный эксперимент - это эксперимент по структуре, а не по “внешней форме”. Система связей и отношений объектов материальной действительности, которая приводится во взаимодействие в материальном эксперименте, в мысленном эксперименте оказывается представленной в “снятом” схематизированном виде.

Логическая структура мысленного эксперимента

Мысленный эксперимент строится на основе чувственно-наглядного материала, создания образных картин, но логическое обобщение предшествующего опыта субъекта включается в эксперимент в качестве организующего начала. С его помощью происходит упорядочение чувственного материала, его осмысление и необходимый отбор. Мысленный эксперимент дает соответствующим образом переработанный наглядный, чувственный материал.

Мысленный эксперимент является мыслительным процессом, в котором чувственные и рациональные элементы находятся в диалектическом единстве и взаимопроникновении. Именно единство чувственного и логического, наглядного образа и научной абстракции составляет то необходимое условие, благодаря которому на основе мысленного эксперимента нередко совершаются важные научные открытия.

Эвристическая ценность мысленного эксперимента заключается в том, что при анализе чувственно-наглядного образа объекта исследования можно вскрыть в нем такие стороны и свойства, такое содержание, которое еще не зафиксировано в понятийном аппарате науки. С помощью наглядных образов можно совершать в голове идеальные операции с предметами, не прибегая к действиям с самими предметами: делить их, соединять между собой, выделять отдельные свойства, включать их в новые связи и так далее.

Наглядные образы всегда неполно, приближенно отражают действительность. Эта ограниченность ставит пределы познавательному значению оперирования этими образами и обусловливает вероятностный характер выводов из мысленных экспериментов. Но пределы эти, свою очередь, детерминируются уровнем теоретического и практического освоения человеком исследуемой предметной области. Теория и практика обогащают смысловое, семантическое содержание исходных образов, уточняют их.

В мысленном эксперименте необходимо в ряде случаев достигнуть максимальной изоляции его элементов. Для чувственно-наглядных образов это почти не возможно вследствие некоторой их неопределенности и расплывчатости. Поэтому логическая структура эксперимента, словно сетка, накладывается на чувственные элементы, как бы придавая им более четкие очертания. Логическая структура мысленного эксперимента может и не осознаваться исследователем. Но она, несомненно, является тем фактором, который синтезирует все элементы мысли в цельный творческий процесс.

Экспериментальный метод основан на единстве индукции и дедукции. Каждый отдельный эксперимент - это единичный факт, некоторый материальный процесс, осуществляющийся всегда в конкретной форме. Результаты всей серии приведенных экспериментов используются как посылки индуктивного умозаключения. Последнее обобщает все единичные факты, экстраполирует данные этого обобщения на весь класс однородных с ними явлений и дает возможность сформулировать некоторую обобщающую закономерность. В то же время индукция обычно постоянно дополняется дедукцией. Результаты серии экспериментов постоянно интерпретируются в ходе исследования на основе уже установленных общих принципов теории. Сложность логической структуры реального эксперимента состоит в том, что индукция и дедукция здесь переплетаются между собой. Однако преобладающее значение имеет индукция.

Мысленный эксперимент по своей логической структуре представляет собой гипотетико-дедуктивное построение, так как наряду с основными посылками, истинность которых установлена экспериментально или теоретически, в ходе исследования вводятся гипотетические посылки. Последние находят большее или меньшее подтверждение в процессе завершения всех звеньев преобразования исходного материала, причем в этом процессе принимают участие чувственно-наглядные, оценочные и тому подобные компоненты. В отличие от обычного дедуктивного рассуждения в этом творческом акте происходит не вычленение информации, в скрытом, не явном виде содержащейся в посылках, а получается новое знание, которое не содержалось в исходных положениях, использованных в мысленном эксперименте. Именно гипотетико-дедуктивный характер построения, т.е. введение в него гипотетических посылок с целью заполнения “белых пятен”, стимулирует открытие новых свойств, сторон и отношений исследуемых объектов.

В структуре мысленного эксперимента можно выделить три основных элемента:

а) активную мысленную деятельность экспериментатора как познающего субъекта;

б) образ объекта исследования;

в) образ экспериментальных средств, с помощью которых реализуется связь воображаемого субъекта познания с образом объекта исследования.

Степень схематизации системы связей и отношений объектов материальной действительности в мысленном эксперименте такова, что субъект познания в нем оказывается представленным неявно, а на первом плане остаются лишь образы объекта исследования и экспериментальных средств.

Образ объекта исследования, формирующийся в процессе мысленного эксперимента, выступает результатом не только непосредственного чувственного отражения, но и абстрактного мышления. Благодаря этому характеристики объекта в мысленном образе взаимосвязаны, что создает возможность замены конкретного объекта познания его образом, а материального оперирования объектами и экспериментальными средствами - мысленным оперированием их образами. Благодаря цельности, конкретности и относительной самостоятельности образа его можно соотносить и с такими объектами, чьим непосредственным аналогом он не является. Оперируя таким самостоятельным образом - представлением, можно вскрыть некоторые общие свойства изучаемых предметов, то есть при помощи одного получить знание о других объектах.

Следовательно, в мысленном эксперименте непосредственный образ объекта может одновременно стать опосредованным образом других объектов, а его исследование дает новую информацию. В этом случае образ является идеальной моделью объекта, а мысленный эксперимент - модельным.

Мысленный эксперимент есть целесообразная деятельность субъекта познания, а целеполагание и воображение связаны между собой, первое с необходимостью предполагает второе. Определить цель - значит мысленно предвосхитить результат деятельности, что невозможно без предвосхищения и самой этой деятельности. Это значит, что субъект способен фиксировать не только настоящее и прошлое объекта, но и отражать его в процессе изменения. Эта особенность целеполагания является одновременно и особенностью воображения, используемой в мысленном эксперименте. О том, что образ - модель объекта исследования в мысленном эксперименте является образом воображения, свидетельствует так же и то, что в мысленном эксперименте имеющийся опыт оказывается преобразованным в соответствии с целями исследования. Источником воображения в мысленном эксперименте являются объекты материального мира; образ объекта исследования (образ воображения) возникает не мгновенно, он формируется под влиянием изменяющейся экспериментальной ситуации. Образ-модель как образ воображения всегда нагляден, но объект отражается не непосредственно: происходит отрыв от “ситуационной связанности”.

Иными словами, в мысленном эксперименте обеспечивается модельная наглядность образа исследования. Это значит, что последний является своеобразным сплавом чувственности и мышления. Чувственность в данном случае играет роль материала, из которого при ведущей роли мышления строятся образы.

Роль воображения в ходе мысленного эксперимента велика. Но мысленный эксперимент включает в себя и чисто логические формы познания, которые выходят за пределы воображения. Функции воображения определяются той ролью, которую оно играет в процессе преобразования наглядной ситуации. Само это “преобразование наглядной ситуации в ходе мысленного эксперимента, - считает В.А.Штофф, - включает в себя следующие операции: 1) построение по определенным правилам мысленной модели подлинного объекта изучения; 2) построение по таким же правилам идеализированных условий, воздействующих на модель, включая создание идеализированных “приборов”, “инструментов”; 3) сознательное и планомерное изменение и относительно свободное комбинирование условий и их воздействия на модель; 4) сознательное и точное применение на всех стадиях мысленного эксперимента объективных законов и использование фактов, установленных в науке, благодаря чему исключается абсолютный произвол, необузданная и необоснованная фантазия”.

Мысленный эксперимент и наглядное моделирование

Мысленный эксперимент обязательно связан с созданием наглядных моделей некоторых объектов и процессов изменения этих объектов. Воображение в ходе данной формы познания протекает своеобразно, что обусловлено особым содержанием процедур наглядного моделирования.

Достаточно часто воображаемая модель реального объекта выступает как модель явления, подвергаемого влиянию со стороны субъекта. В ходе реального эксперимента субъект ставит объект исследования в искусственные условия. Реальный эксперимент предполагает изменения, происходящие в зависимости от действий субъекта. Эта черта реального эксперимента находит свое отражение и в мысленном эксперименте, где изменения модели как бы воплощают влияние на них субъекта. При этом познавательное значение сохраняют такие модели, где изменения в них соответствуют объективным законам. В том случае, если эти изменения принципиально не согласуются с объективными законами, наглядные преобразования теряют черты объективных моделей.

Воображаемый эксперимент воспроизводит не те изменения, которые с явлением произошли бы, будь оно включено в определенную ситуацию, где действуют определенные законы. Воображаемое моделирование в мысленном эксперименте прямо или скрыто предполагает наличие субъекта. Это относится ко всем формам мысленного эксперимента. Психологически это выражается в том, что исследователь как бы примысливает себя в качестве компонента тех преобразований, которые происходят с мысленной моделью.

Необходимым компонентом мысленного эксперимента выступает наглядное представление идеализированных приборов и различного рода инструментов. В реальном эксперименте наличие приборов является абсолютно необходимым условием. Всякий эксперимент проводится лишь тогда, когда его результат можно зафиксировать. Если этого сделать нельзя, человек откажется от проведения эксперимента. Поэтому воображаемое включение идеализированных приборов в структуру мысленного эксперимента отображает единство эксперимента с наглядной наблюдаемостью объекта.

Мысленный эксперимент как объективный метод исследования