Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. -
1.3.2 Ідеалізація. Уявний експеримент

Розумова діяльність дослідника в процесі наукового пізнання передбачає особливий вид абстрагування, який називають ідеалізацією. Ідеалізація являє собою уявне внесення певних змін у досліджуваний об'єкт відповідно до мети дослідження.

У результаті таких змін можуть бути, наприклад, вилучені з розгляду якісь властивості, ознаки, зв'язки об'єктів. Так, під широко розповсюдженою в механіці ідеалізацією, що має назву матеріальної точки, слід розуміти тіло, розмірами якого можна знехтувати. Такий абстрактний об'єкт зручний при описуванні його руху. Причому подібна абстракція є прийнятною в процесі дослідження будь-яких реальних об'єктів — від молекул та атомів при розгляді багатьох задач статистичної фізики і до планет Сонячної системи при вивченні, наприклад, їх руху навколо Сонця.

Зміни об'єкта в процесі ідеалізації можуть відбуватися також шляхом надання йому якихось особливих властивостей, яких у реальній дійсності не існує. Прикладом такого виду ідеалізації у фізиці може бути абстракція, відома під назвою абсолютно чорного тіла. Таке тіло наділяється неіснуючою у природі властивістю поглинати абсолютно всю променисту енергію, що надходить на його поверхню, нічого не відбиваючи. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла є ідеальним випадком, тому що на нього ніяк не впливає природа речовини випромінювача або стан його поверхні. А якщо можна теоретично описати спектральний розподіл густини енергії випромінювання для ідеального випадку, то можна дещо довідатися і про процес випромінювання в цілому.

Зазначена ідеалізація відіграла важливу роль у прогресі наукового пізнання в галузі фізики, тому що допомогла виявити помилковість деяких уявлень, що існували в другій половині 19 століття. Ці уявлення у випадку дослідження абсолютно чорного тіла призводили до парадоксальної ситуації.

Фізики почали працювати над проблемою випромінювання абсолютно чорного тіла наприкінці минулого століття. Почавши з припущень, що грунтувалися на законах класичної термодинаміки та оптики, вони спробували вивести формулу енергетичного спектра випромінювання. Ці спроби зазнали невдачі, тому що з ними був пов'язаний висновок, відомий під назвою "ультрафіолетової катастрофи". Із теорії випливало, що абсолютно чорне тіло, нагріте до високих температур, повинно випромінювати нескінченно велику кількість енергії на високих частотах, тобто в ультрафіолетовій частині спектра й за її межами... У випадку абсолютно чорного тіла теорія пророкувала катастрофу, однак прогноз не справдився.

Проблемою розрахунку кількості енергії, яку випромінює ідеальний випромінювач — абсолютно чорне тіло, — серйозно зайнявся Макс Планк. Він працював над цією проблемою довгих чотири роки. Нарешті, у 1900 році йому вдалося знайти вирішення у вигляді формули, що правильно описувала спектральний розподіл енергії випромінювання абсолютно чорного тіла. Так робота з ідеалізованим об'єктом допомогла закласти основи квантової теорії, яка ознаменувала радикальний переворот у науці.

Доцільність використання ідеалізації визначають такі обставини.

По-перше, ідеалізація доцільна тоді, коли реальні об'єкти, які слід дослідити, досить складні за наявних засобів теоретичного (зокрема математичного) аналізу, а стосовно ідеалізованого випадку можна, використавши ці засоби, побудувати й розвинути теорію, яка за певних умов ефективно описуватиме властивості й поведінку цих реальних об'єктів. Останнє, по суті, і засвідчує доцільність ідеалізації і відмежовує її від безплідної фантазії.

По-друге, ідеалізацію доцільно використовувати в тих випадках, коли необхідно вилучити деякі властивості, зв'язки досліджуваного об'єкта, без яких він існувати не може, але які затемнюють сутність процесів, що протікають у ньому. Складний об'єкт постає немовби в "очищеному" вигляді" що полегшує його вивчення.

На цю гносеологічну можливість ідеалізації звернув увагу Ф. Енгельс, який підтвердив її, навівши як приклад дослідження Саді Карно: "Він вивчив парову машину, проаналізував її роботу, виявив, що основний процес не виступає в ній у чистому вигляді, а затемнений усякого роду побічними процесами, усунув ці неістотні для головного процесу побічні обставини й сконструював ідеальну парову машину (або газову машину), яку, однак, так само не можна збудувати, як не можна, наприклад, провести геометричну лінію чи геометричну площину, але яка надає, по-своєму, такі ж послуги, як ці математичні абстракції. Вона подає процес, який розглядається, у чистому, незалежному, неспотвореному вигляді".

По-третє, застосування ідеалізації є доцільним тоді, коли ознаки, властивості, зв'язки досліджуваного об'єкта, які вилучаються з розгляду, не впливають у межах даного дослідження на його сутність. Вище вже згадувалося, наприклад, про те, що абстракція матеріальної точки дозволяє в деяких випадках уявляти найрізноманітніші об'єкти від молекул або атомів до гігантських космічних об'єктів. При цьому правильний вибір допустимості подібної ідеалізації відіграє дуже велику роль. Якщо в ряді випадків, можливо, і доцільно розглядати атоми у вигляді матеріальних точок, то така ідеалізація стає неприпустимою, коли йдеться про вивчення структури атома. Точно так само можна вважати матеріальною точкою нашу планету, розглядаючи її обертання навколо Сонця, але аж ніяк не у тому випадку, коли йдеться про її власне добове обертання.

Слід зазначити, що якщо існують різні теоретичні підходи до вивчення якогось явища, то характер ідеалізації може бути дуже різним. Як приклад можна розглянути три різних поняття "ідеального газу", що сформувалися під впливом різних теоретико - фізичних уявлень Максвелла-Больцмана, Бозе-Ейнштейна та Фермі-Дірака. Усі три варіанти ідеалізації, одержані при цьому, виявилися плідними в процесі вивчення газових станів різної природи. Ідеальний газ Максвелла-Больцмана став основою для досліджень звичайних молекулярних розріджених газів, що знаходяться при досить високих температурах; ідеальний газ Бозе-Ейнштейна знайшов застосування при вивченні фотонного газу, а ідеальний газ Фермі-Дірака допоміг розв'язати ряд проблем електронного газу.

Як різновид абстрагування, ідеалізація припускає елемент чуттєвої наочності (звичайний процес абстрагування приводить до утворення уявних абстракцій, які, практично, позбавлені будь-якої наочності). Ця особливість ідеалізації дуже важлива для реалізації такого специфічного методу теоретичного пізнання, яким є уявний експеримент (його ще називають мислимим, суб'єктивним, ідеалізованим).

Уявний експеримент припускає оперування ідеалізованим об'єктом (що заміщує в абстракції об'єкт реальний); оперування полягає в уявному створенні того чи іншого стану, різних ситуацій, що дозволяє виявити якісь важливі особливості досліджуваного об'єкта. У цьому виявляється певна подібність між уявним (ідеалізованим) і реальним експериментами. Більше того, будь-який реальний експеримент, перш ніж його буде здійснено на практиці, дослідник спочатку "прокручує" в уяві — у процесі обмірковування, планування. У цьому випадку уявний експеримент виступає в ролі попереднього ідеального плану реального експерименту.

Разом з тим, уявний експеримент відіграє і певну самостійну роль у науці. При цьому, зберігаючи подібність з реальним експериментом, він у той же час істотно відрізняється від нього. Назвемо ці відмінності.

Реальний експеримент — це метод, пов'язаний із практичним, предметно-маніпулятивним, "знаряддєвим" пізнанням навколишнього світу. В уявному ж експерименті дослідник оперує не матеріальними об'єктами, а їхніми ідеалізованими образами; саме ж оперування відбувається в його свідомості, тобто чисто уявно.

Можливість проведення реального експерименту залежить від наявності відповідного матеріально-технічного (а іноді й фінансового) забезпечення. Уявний експеримент такого забезпечення не потребує.

У реальному експерименті доводиться враховувати реальні фізичні та інші обмеження щодо його проведення, неможливість у ряді випадків усунути негативний вплив зовнішніх чинників у ході проведення експерименту, спотворення одержаних результатів через зазначені причини. У цьому плані уявний експеримент має явні переваги над експериментом реальним. В уявному експерименті можна абстрагуватися від дії небажаних чинників, провівши його в ідеалізованому, "чистому" виді.

У науковому пізнанні бувають випадки, коли, досліджуючи деякі явища, ситуації, провести реальні експерименти взагалі неможливо. Цей пробіл у пізнанні може заповнити тільки уявний експеримент.

Наукова діяльність Галілея, Ньютона, Максвелла, Карно, Ейнштейна та інших учених, що заклали основи сучасного природознавства, свідчить про істотну роль уявного експерименту у формуванні теоретичних ідей. Історія розвитку фізики багата на факти використання уявних експериментів. Прикладом можуть бути уявні експерименти Галілея, які допомогли відкрити закон інерції.

Реальні експерименти, в яких неможливо було усунути фактор тертя, здавалося б, підтверджували концепцію Арістотеля, що панувала протягом тисячоліть. Вона стверджувала, що рухоме тіло зупиняється, якщо сила, що штовхає його, припиняє свою дію. Таке твердження ґрунтувалося на простій констатації фактів, які можна спостерігати в реальних експериментах (куля або візок, одержавши силовий вплив, котяться вже без нього по горизонтальній поверхні, а потім неминуче сповільнюють свій рух і, зрештою, зупиняються). У цих експериментах не вдавалося спостерігати рівномірний-безперервний рух за інерцією.

Галілей, проробивши в уяві зазначені експерименти з поетапною ідеалізацією поверхонь тертя й доведенням до повного вилучення тертя із взаємодії, спростував арістотелівську точку зору й зробив єдино правильний висновок. Цей висновок можна було отримати тільки за допомогою уявного експерименту. Таким чином було відкрито фундаментальний закон механіки руху."...Закон інерції, — писали А. Ейнштейн і Л. Інфельд, — не можна вивести безпосередньо з експерименту, його можна вивести умоглядно — за допомогою мислення, що спирається на спостереження. Цей експеримент ніколи не можна виконати в дійсності, хоч він і приводить до глибокого розуміння дійсних експериментів".

Результати уявних експериментів іноді можуть поставити перед наукою серйозні проблеми, розв'язати які непросто. Як цікавий приклад можна навести уявний експеримент Максвелла, що викликав сенсацію на початку 70-х років минулого століття. Цей уявний експеримент, описаний у його роботі "Теорія теплоти", ставив під сумнів друге начало термодинаміки. У своєму уявному експерименті Максвелл припустив існування особливої істоти — "демона", "...можливості якого настільки надзвичайні, що він може не тільки стежити за кожною молекулою на її шляху, а й робити те, що в даний час для нас є неможливим". "Припустимо, — писав Максвелл, — що маємо резервуар, розділений на дві частини А і В перегородкою з невеликим отвором, і що істота, яка може бачити окремі молекули, відкриває і закриває цей отвір так, щоб дати можливість тільки більш швидким молекулам перейти з А в В і тільки більш повільним перейти з В у А. Ця істота, таким чином, без виконання роботи підвищить температуру в В і знизить в А всупереч другому началу термодинаміки".

Бій із "демоном" Максвелла тривав протягом тривалого часу. Тільки у 20 столітті американські фізики Сцилард, Дімерс і Гейбор довели, що друге начало термодинаміки є вірним і що ніякого "вічного двигуна", навіть за допомогою "демона", побудувати не можна. Вони спроектували й розрахували машину-демона й переконалися, що така машина працювати буде, але потребує живлення за рахунок зовнішньої енергії. Причому витрати енергії на роботу такої машини виявляться більшими, ніж вихід енергії в результаті її діяльності. Пошук відповіді на питання, поставлене уявним експериментом Максвелла, був, безсумнівно, корисним і сприяв нагромадженню наукових знань.

Уявний експеримент може мати велику евристичну цінність, допомагаючи інтерпретувати нове знання, отримане виключно математичним шляхом. Це підтверджується багатьма прикладами з історії науки. Одним з таких прикладів б уявний експеримент В. Гейзенберга, що мав на меті пояснити співвідношення невизначеності. "У цьому уявному експерименті співвідношення невизначеності було встановлено завдяки абстрагуванню, що розділило цілісну структуру електрона на дві протилежності — хвилю й корпускулу. Тим самим збіг результату уявного експерименту з результатом, досягнутим математичним шляхом, став доказом об'єктивно існуючої суперечності, властивої електрону як цілісному матеріальному утворенню, і дав можливість зрозуміти це класично".

Однак незнання матеріалістичної діалектики створило для деяких вчених труднощі щодо правильного розуміння цього висновку. У результаті виникли численні дискусії з даного питання, особливо бурхливо вони розгорнулися на Сольвеєвських конгресах у 1927 і 1930 pp. У цих дискусіях, за свідченням їх учасників, величезну роль відіграли ідеалізовані уявні експерименти. У них, писав Гейзенберг, "подібні парадокси (протиріччя між хвильовими й корпускулярними уявленнями.) виявлялися особливо різко, і ми намагалися розгадати, яку відповідь на такі експерименти, можливо, дала 6 природа". Ці уявні експерименти полегшували розуміння нових наукових положень, допомагали обґрунтувати причини відмови від старих уявлень.

Метод ідеалізації, який в цілому є дуже плідним, має в той же час певні обмеження. Розвиток наукового пізнання змушує іноді відмовлятися від прийнятих раніше ідеалізованих уявлень. Так відбулося, наприклад, коли Ейнштейн створив спеціальну теорію відносності, з якої були виключені ньютонівські ідеалізації "абсолютного простору" та "абсолютного часу". Крім того, будь-яка ідеалізація обмежена конкретною областю явищ і придатна для вирішення тільки обмеженого кола проблем. Це добре ілюструє приклад описаної вище ідеалізації "абсолютно чорного тіла".

Сама по собі ідеалізація, хоч і може бути плідною, і навіть спроможна спонукати до наукового відкриття, не є ще достатньою підставою для того, щоб зробити це відкриття. У зазначеному випадку визначальну роль відіграють теоретичні установки, якими керується дослідник. Розглянута вище ідеалізація парової машини, вдало здійснена Саді Карно, привела його до відкриття механічного еквівалента теплоти, якого, однак, "...він не міг відкрити й побачити лише тому, — відзначав Ф. Енгельс, — що вірив у теплород. Цей приклад є також доказом шкідливості помилкових теорій".

Основне позитивне значення ідеалізації як методу наукового пізнання полягає в тому, що одержані завдяки ідеалізації теоретичні припущення дають можливість ефективно досліджувати реальні об'єкти та явища. Спрощення як результат ідеалізації полегшує створення теорії, допомагає розкрити закони досліджуваної області явищ матеріального світу. Якщо теорія в цілому правильно описує реальні явища, то ідеалізація, що лежить в її основі, є правочинною.

1.3.3 Формалізація. Мова науки
1.3.4 Індукція та дедукція
1.4 Загальнонаукові методи, що застосовуються на емпіричному й теоретичному рівнях пізнання
1.4.1 Аналіз і синтез
1.4.2 Аналогія та моделювання
Розділ 2. ЗАРОДЖЕННЯ, СТАНОВЛЕННЯ Й І РОЗВИТОК ПРИРОДОЗНАВСТВА
2.1 Зародження й розвиток наукових знань у стародавньому світі
2.1.1 Нагромадження раціональних знань у первісну епоху (від неандертальця до homo sapiens)
2.1.1.1 Повсякденне, стихійно-емпіричне знання
2.1.1.2 Зародження рахунку