Математическое моделирование в современной физике

Метод моделирования играет важную роль в современной физике.

Идея построения моделей в классической физике возникла вследствие проникновения научного познания в разделы физики, выходят за пределы механики (электромагнитное поле). Она заключалась в возможности построения механических моделей немеханических 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, вытекающих из определенных знаний о свойствах объекта, процесса, с ограниченного количества экспериментальных и теоретических данных. Поэтому модель нельзя построить однозначно, при этом надо сосредоточиться на воспроизведении только 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 большего 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 описывают различные свойства и процессы, физические картины могут быть разными, а иногда прямо противоположными для этих моделей.

Следует заметить, что на определенном этапе развития науки даже принципиально неправильные модели иногда могут играть прогрессивную роль.

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, вовсе не означает, что законы науки не отражают природу, которую она изучает. Существует также широкий класс изоморфных моделей, каждая из которых в определенных пределах соответствует исследуемому 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 развитии моделирования связаны с достижениями Ньютона – это моделирование, которое заключается в создании и исследовании системы математических символов, отражающих отдельные стороны физических явлений. Так, физика взяла на вооружение модельные представления оматериальной точки, математический маятник, идеальный газ, абсолютно твердое тело, абсолютно черное тело и тому подобное.

Следующий этап в развитии моделирования 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 моделирования заключается в теоретическом разработке отдельных процессов, в частности моделирования микропроцессов. Современное физическое понимание процессов микромира не предусматривает наглядного механического представления их.

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

В данном случае, целесообразно будет рассмотреть соотношение проблемы наглядности модели в современной физике микромира. Наглядность, присущая механическим моделям, связана с непосредственной доступностью ощущениям. Сейчас центр этой проблемы перемещается в несколько иную плоскость, где наглядность рассматривается как соответствие привычным представлениям.

Истинное диалектическое философское сознание отрицает такой догматизированной здравый смысл, который соответствует привычному, общепринятому. При этом стремление к наглядности оказывается стремлением втиснуть новые идеи в прокрустово ложе ухудшенного варианта предыдущих 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, связанная с процессом моделирования в классической физике, возникла вследствие проникновения научного познания в немеханические сферы (электромагнитное поле). Эта проблематика в классической физике XIX в. формулировалась в виде вопроса о возможности построения механических моделей немеханических физических явлений. Внимание к философским проблемам моделирования значительно возросла в связи с проникновением в первой половине ХХ в. 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 ненаглядных микрообъектов.

Конечно, безосновательным является противопоставление математического и модельного описания физических явлений, поскольку модель микрообъектов понимается не с точки зрения классической физики, как наглядной, то есть механической системы, а с точки зрения современного познания как абстрактной логико-математической структуры.

В этом и заключается основной методологический вывод, связанный с моделированием в микрофизике. Например, модели атома является не планетарная система сама по себе, а ее идеальный образ. Мы только получаем при этом наглядный образ, в котором отражены следующие 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 в том, что Э. 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 противоречию 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 микрообъектов.

Кроме того, моделирование микрообъектов с помощью макровоображений имеет свою существенную специфику, которая связана прежде всего с диалектически противоречивой корпускулярно-волновой природой их. Этим можно объяснить рост элемента абстрактности при толковании явлений микромира. Модели в квантовой механике составляют единство наглядного образа научной абстракции и является некоторой схематизацией 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.

Итак, для более точного воспроизведения микрообъектов нужно учитывать близость, неточности, ограниченность таких моделей, односторонность каждой из них и пользоваться только экспериментально обоснованными моделями, дополняют друг друга. Существование различных моделей свидетельствует о сложности и разнообразии 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 чрезвычайной плотностью заряда (3 1019 Кл / см3).

Ядерные частицы, как и молекулы жидкости, имеют достаточную подвижность. При возбуждении ядра предоставленная 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 неодинаково, поскольку им присущи волновые свойства и они подлежат квантовым законам.

Важным моментом в развитии квантовых представлений о природе поля является появление гипотезы М. Планка о дискретной природе 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, чужую классической физике, физике восприняли не сразу.

Итак, в современной физике метод моделирования обобщается, развиваясь от первичных форм наглядных моделей к широкому использованию абстракционологических (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 моделирование осуществляет будто переводческую функцию – переводитполученную информацию с непонятной языку на известную языку модели.

Очень важной естьэкстраполяционная функция моделирования: информацию, которую получили на модели, распространяют на один объект.

В условиях органического единства диалектических процессов дифференциации и интеграции наук важное место принадлежит трансляционной функции моделирования. Моделирование выступает в качестве исходного приема при проникновении одних наук в сферу других.

Моделирование – этопроверенное 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 указать на подчиненность моделирования главной задаче – созданиюнаучной 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.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *