Мысленный эксперимент как метод научного познания

Государственное Образовательное Учреждение

Гимназия №1505

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Мысленный эксперимент как метод научного познания»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: ученица 9 класса «Б» 

Меньшова Мария

Научный руководитель: Пурышева Н.С.

 

 

 

 

 

 

Москва 2011 г.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение...................................................................................................................3

Глава 1. Роль и значение мысленного эксперимента в физике...........................6

Глава 2. Мысленный эксперимент в классической физике...............................12

Глава 3. Мысленный эксперимент в Теории Относительности........................30

Заключение.............................................................................................................45

Список использованной литературы...................................................................47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Мысленный эксперимент  как метод научного познания заключается  в получении нового или проверке имеющегося знания путем создания  объектов и управления ими в искусственно задаваемых ситуациях.

Мысленный эксперимент довольно часто применяется для доказательства или опровержения наиболее значимых с точки зрения науки идей, таких  как: свободное падение тел, доказательство суточного вращения Земли. Даже само создание теории относительности и квантовой механики были бы невозможны без использования мысленных экспериментов [2, с.24]. Современная философия и все науки, сильно обеднели бы без мысленных экспериментов [12, с.1].

История развития физики показывает, что в античные времена и средневековье в условиях развития экспериментальной науки того времени мысленный эксперимент являлся основным методом исследования. Сегодня можно сказать с уверенностью, что основоположником применения данного метода был Аристотель. Хотя этот великий философ и не сформулировал определения самого метода, но он понял, что научное познание без него невозможно.  Практически все известные ученые, жившие после него, также уделяли этому методу определенное внимание.

 

Чтобы понять особенности мысленного эксперимента, разберем пример, который четко их иллюстрирует. Мы визуализируем некоторую ситуацию; мы выполняем некоторую мыслительную деятельность, с помощью нашего воображения; мы мысленно наблюдаем за тем, что происходит и делаем вывод. Самый яркий мысленный эксперимент, на наш взгляд, это доказательство Тита Лукреция Кара о бесконечности пространства. Мы предположим, что по периметру Вселенной стоит «стена». Соответственно мы можем бросить копье в эту стену. Если копье пролетит сквозь нее, то тогда можно смело сказать, что стены нет. Если же копье отразится и вернется обратно, то это будет означать, что что-то есть за пределами края пространства. Для получения последнего стена действительно должна существовать. Так или иначе, нет никакой стены; пространство бесконечно [12, с.2-3].

В настоящее  время данный научный метод используется в экономике, демографии и социологии, широкое распространение получили эксперименты, в которых используются  математические модели экономических, демографических и социальных процессов и которые осуществляются с помощью ЭВМ (электронных вычислительных машин), позволяющих работать одновременно с различными комплексами факторов, взаимодействующих или связанных между собой. Особым видом мысленного эксперимента являются и сценарные разработки возможного развития хода событий.

В курсе школьной физики мысленный эксперимент, к  сожалению, используется не так часто как реальный. Считается, что он чаще мешает дать базовые знания о реальных объектах и о природе физических явлений, и поэтому чаще является дополнительным материалом к основному курсу.  Данная ситуация представляется неправильной, т.к. не позволяет представить с достаточной полнотой методы научного познания.

В данной работе показано значение мысленного эксперимента как метода научного познания, основываясь на анализе литературы по данной теме.

Целью данной работы является обоснование значения мысленного эксперимента в развитии физической науки и описание мысленных экспериментов  в классической физике и теории относительности.

Основными задачами настоящей работы являются: анализ понятия  «мысленный эксперимент», изучение мысленных экспериментов  по различным разделам физики, обобщение  представлений ученых и философов  разных эпох о природе, которое они  выразили в своих мысленных экспериментах, их точек зрения; и представление этой информации в виде реферата.

Данный реферат  состоит из трех частей. Первая глава – роль и значение мысленного эксперимента в физике – понятие, обзор литературы по этой теме.  Вторая глава - мысленный эксперимент в классической физике – мысленные эксперименты Галилео Галилея, Рене Декарта. Третья глава - мысленный эксперимент в теории относительности Альберта Эйнштейна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1

 

РОЛЬ  И ЗНАЧЕНИЕ МЫСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ФИЗИКЕ

 

 

«Что  наблюдалось бы на опыте, если не глазами  во лбу, то очами умственными?»

Галилео Галилей

 

 

Мысленные эксперименты появились еще в античный период, больше полутора тысяч лет назад. Он внесли большой вклад в науку  и помогли философам и ученым разных эпох открыть новые законы и теории.

 

Мысленный эксперимент  – это познавательный процесс, имеющий структуру реального физического эксперимента, с созданной на базе наглядных образов идеальной физической моделью, функционирование которой подчиняется законам физики и правилам логики. Мысленный эксперимент при этом сочетает силу формального логического вывода и экспериментальной достоверности [2, с.4]¹.

Физика изучает  природу с помощью абстрактных  идеальных моделей, для описания которых используется математический аппарат. Мысленный эксперимент позволяет научить переходу от реальности к абстрактным идеальным моделям, в результате действий с которыми получить результаты, применимые к реальным объектам [2, с.6].

Эрнст Мах знаменит тем, что именно он впервые ввел в физику, а затем и в остальные науки, термин «мысленный эксперимент» (Gedankenexsperiment). В своей книге «Наука Механика» Мах говорил, что мы обладаем большим запасом, полученных из личного опыта, «инстинктивных» знаний. Такие знания не всегда четко сформулированы, но в подходящей ситуации они найдут свое применение на практике. Ребенок, например, не зная ничего о силах действия и противодействия, из собственного опыта имеет представление о том, что если сильно ударить рукой по столу, она будет долго болеть. Ребенок даже не догадывается о том, что стол к нему приложил такую же силу, какую и ребенок приложил к столу. Получается, что в своем воображении каждый человек может мысленно создать ту или иную ситуацию, выполнив определенные умственные действия, получить результат, который будет соответствовать результату в реальной жизни.

 

Мысленный эксперимент  зародился еще в античный период. Современная наука пришла из античной философии, поэтому важно рассмотреть  значение мысленного эксперимента в  античной философии.

Античная наука  отличалась тем, что не предполагала реальные эксперименты, как метод  познания окружающего мира. Считалось, что теоретические выводы и мысленные  эксперименты являются единственными  правильными методами познания, они  были умозрительными и не могли быть связаны с наблюдением и измерением [3, с.17].

В античное время  таких философов, как Фалес Милетский, Анаксимен, Гераклит, Эмпедокл, Анаксимандр, Анаксагор, интересовал вопрос о  строении материи. Они пытались понять, что можно считать элементарным, неделимым. Вскоре после того, как Анаксимандр и Анаксагор пришли к понятию об атомах, появилась школа атомистов². Основатели этой школы философы Левкипп и Демокрит предположили, что все вещества состоят из одного и того же вида первичной материи. При этом имеющиеся различия в свойствах этих тел возникают из-за различия формы и размера простейших частиц. Известная строка из учения Демокрита-Эпикура: «Тела иль вещей представляют собой начала, иль они состоят из стеченья частиц изначальных» [цит. по 3, с.19].

Герон Александрийский  известен своим трактатом «Пневматика³». В нем описаны различные пневматические  устройства, действующие при помощи сжатого или нагретого воздуха, а также водяного пара. В книге описано много механизмов, основанных на гидравлике⁴ и пневматике: водяные часы, сифон, водяной орган, эолипил (шар, вращающийся силой пара – прообраз нынешней паровой турбины). Поразительным является то, что Герон не создавал на практике какие-либо свои устройства или механизмы. Античный философ пользовался теориями и мысленным экспериментом. Скорее всего, Герон понимал, что на современном ему уровне техники эти изобретения реализовать невозможно.

Крупнейший  философ античности Аристотель (384 до н. э.) уделил большое внимание вопросам движения. Он рассуждал так, что существуют два вида движения: естественное и искусственное. Естественное движение присуще идеальным объектам, находящимся в надлунном мире⁵, а искусственное – телам в подлунном мире⁶. Естественное движение совершенно и не требует приложения силы, как-то движение тела по окружности, движение планет.  Искусственное или насильственное же движение тел появляется в результате действия различных сил на них.

Свой закон  Аристотель назвал «vis impressa⁷». Он сводится к тому, что движущееся тело рано или поздно остановится, если перестанет действовать сила, приводящая его в движение.

 

 

Целью мысленных  экспериментов является изучение физических явлений. Довольно часто проведение реального физического эксперимента невозможно в связи с его сложностью по технологическим, практическим или экономическим причинам. Иногда проведение реального эксперимента ограничено уровнем развития знаний, техники и технологии, а иногда не может быть осуществлено из-за частой идеализации ситуаций в мысленных экспериментах.

Мысленный эксперимент служит средством объяснения новых физических явлений, открытия новых законов, создания новых научных теорий, позволяет выявить смысл уже имеющихся физических постулатов (принцип, положение, который служит основанием для осуществления содержательных рассуждений и выводов) [10, с.43]. Без него невозможно истолкование основных теоретических положений физики. Особенно велика роль мысленных экспериментов в квантовой физике, в связи с тем, что в квантовой теории формируются понятия, относящиеся к единичным объектам, а в реальных опытах всегда участвуют несколько объектов.

Хорошо продуманный  мысленный эксперимент может  не только вызвать кризис в господствующей теории, но и создать новую, более  совершенную. Например, со времен Аристотеля не подвергался сомнению закон «vis impressa», а мысленные эксперименты Галилео Галилея позволили опровергнуть эту теорию и открыть новую – закон об инерции. Таким образом, Галилей открыл закон, пользуясь только своим мышлением и воображением, который через век после него записал и обосновал Исаак Ньютон (см. Первый закон Ньютона).

Мысленный эксперимент, как правило, основан на идеализации. Например, опыты Галилея, в которых  он пренебрегал силой трения, позволили  открыть ему законы инерции. Он понимал, что в реальных опытах с наклонной плоскостью полностью избавится от силы трения невозможно, поэтому он и переходил к мысленному эксперименту, отвечая на вопрос «Что наблюдалось бы на опыте, если не глазами во лбу, то очами умственными?». В основе специальной теории относительности⁸ Альберта Эйнштейна лежит мысленный эксперимент. Принципы и положения были введены Эйнштейном на его основе. С точки зрения механики не существовало абсолютной системы отсчета, в которой скорость света являлась бы константой, а с точки зрения световых явлений она должна была существовать. Эйнштейн задался вопросом, можно ли правильно, объективно оценить ситуацию, находясь в рамках классической физики. Его успех заключался в том, что он не отталкивался от основных положений традиционной физики, с устоявшимися понятиями пространства, времени, измерения, а исходил из собственных выводов, которые он выявлял с помощью мысленных экспериментов.

 

Мысленный эксперимент  использовался и используется в  качестве важного средства познания. Его значение постепенно возрастает, в связи с тем, что объект познания усложняется, и, следовательно, уменьшаются возможности получения полной информации об этом объекте  познания. Мысленный эксперимент используется на всех этапах развития научных теорий. Но в ходе их создания нельзя руководствоваться только этим методом. Хорошие результаты могут принести только использованные в единстве все методы познания.

Мысленный эксперимент  позволяет исследовать ситуации, неосуществимые практически. Причем процесс познания и проверка истинности знания осуществляется без обращения к реальному экспериментированию. Однако часто мысленный эксперимент является скорее продолжением, обобщением реального и распространением его результатов на область, недоступную в данное время измерениям. Прежде всего, он исходит из опыта, строится на основе реальных физических законов.

В настоящее  время мысленный эксперимент  тесно связан с компьютерным моделированием физических процессов. С его помощью  человек может видеть на экране то, что он представляет в своем сознании. Мы наблюдает за тем, что происходит с мысленным объектом в почти реальных условиях, при этом выделяется только самое существенное для этой идеальной модели [4, с.37].

Мысленные эксперименты формально принято делить на три  группы. К первой относятся мысленные эксперименты, дающие теоретическое объяснение наблюдаемым фактам. Ко второй — мысленные эксперименты, изучающие объекты или явления в условиях, принципиально недоступных реальному эксперименту (например, работа идеальной тепловой машины). К третьей - иллюстративные мысленные эксперименты, которые делают те или иные теории более наглядными.

В данной работе рассмотрены мысленные эксперименты в классической физике (механике) и  в теории относительности. Выбор  этих разделов физики обусловлен тем, что, во-первых, рассмотрение мысленных экспериментов при становлении первой физической теории и современной физики позволяет сравнить их роль в научном познании в разные периоды развития науки; во-вторых, эти теории изучают одну и ту же группу явлений: механическое движение (теория относительности – наряду с другими) материальных объектов, но с разными скоростями.

 

 

 

Глава 2

 

МЫСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ

 

 

Эрнест Мах, как упоминалось ранее, был первым, кто ввел понятие «мысленный эксперимент». Он сделал это, оценивая работы Галилея. Мах охарактеризовал эксперименты Галилея как воображаемые и говорил об их большой значимости в формировании естествознания нового времени. Но это совсем не значит, что в более ранний период развития науки мысленный эксперимент не существовал. Вспомнить хотя бы эксперименты Аристотеля, доказывавшего невозможность в природе пустоты⁹.