Роль моделей у природничих науках

Любимов Г. А.

Пізнання навколишнього світу - його будови, законів розвитку - завжди було привабливо для людини. Ця привабливість багато в чому (якщо не цілком) пов'язана з релігійними уявленнями людини, його природною потребою зрозуміти своє місце в цьому світі і мету свого існування.

Починаючи з деякого моменту в історії людства, прагнення до пізнання зовнішнього світу як творіння Божого отримало додатковий стимул, - людина усвідомила, що, пізнавши закони функціонування і розвитку світу, він зможе впливати на це розвиток у вигідному для себе напрямку, і отримувати користь з цього знання.

Систематизація і узагальнення знань і уявлень про зовнішній світ, отриманих в результаті спостережень, спеціальних дослідів або логічних висновків, являє собою предмет природничих наук. У різних природничих науках превалює або емпіричний (наглядова) компонент (біологія), або логічний компонент (математика).

Пізнання зовнішнього світу в якій - то галузі природничих наук починається з накопичення та узагальнення досвідчених даних про деяке колі явищ. Результати цієї роботи формулюються у вигляді співвідношень між фізичними величинами. Ці співвідношення у фізиці часто називається законами (закон всесвітнього тяжіння Ньютона, закон індукції, закон Бойля - Маріотта і т. д.). Ці закони, як правило, встановлюються в деяких найпростіших ситуаціях (взаємодія двох матеріальних тіл, розміри яких багато менше, ніж відстань між ними; дослідження величини струму, що виникає в замкнутому контурі, зміни магнітного потоку в контурі; дослідження зв'язку між тиском в газі і його об'ємом при повільному зміні обсягу газу в стаціонарних умовах і т.д.). Узагальнення фізичних законів на більш широку область умов, ніж та, в якій вони були встановлені, відбувається на основі логічних узагальнень і, як правило, спирається на ряд інтуїтивних міркувань. При цьому формулюються загальні фізичні та математичні моделі.

Поняття моделі в природничих науках має на увазі сукупність уявлень, понять або висновків, які в нашій свідомості пов'язуються з даним явищем і дозволяє не тільки пояснити спостережувані факти, а й прогнозувати їх.

Модель явищ може бути математичної, тобто містити сукупність рівнянь, вирішення яких описують що розглядається коло явищ (приклад такої моделі -- модель Максвелла електромагнітного поля).

Модель може бути логічною, що встановлює логічну послідовність фактів, притаманних певного кола явищ (сюди відноситься, наприклад, модель еволюційного розвитку живої природи).

Модель може бути фізичною, коли для пояснення якогось явища залучається деяка сукупність фізичних уявлень. Сюди належать, наприклад, молекулярна модель поширення тепла, хвильова модель розповсюдження світла і т. д.

В Як приклад побудови моделей розглянемо теорію електрики. Закон Кулона про взаємодію двох електричних зарядів і численні досвідчені факти, накопичені при дослідженні взаємодії зарядів і заряджених тіл, дозволили Фарадею ввести поняття електричного поля, що володіє властивістю потенційності, і дати формули для розрахунку напруженості електричного поля в найпростіших стаціонарних умовах. Модель електричного поля, введена Фарадеєм, виявилася зручною, і її використання дозволило пояснити з єдиних позицій багато відомих в той час досліди.

Аналогічним чином була введена модель магнітного поля, яка спиралася на досліди із силового взаємодії струмів.

Однак, обидві ці моделі, не дивлячись на їх змістовність, не могли описувати електромагнітні явища в нестаціонарних умовах. Ця задача була вирішена Максвелом, побудували модель електромагнітного поля, фізичний зміст якій описується рівняннями Максвелла.

узагальнення, зроблені Максвелом, багато в чому були засновані на його інтуїції (як то кажуть, зроблені руками). Їх фізичне тлумачення було вироблено пізніше. Однак ця модель виявилася настільки вдалою, що ось уже 150 років вона з успіхом використовується, і не зазнала удосконалень, незважаючи на гігантське розвиток науки.

Модель електромагнітного поля відноситься до класу моделей, що описують властивості різних матеріальних середовищ і об'єктів (модель гравітаційного поля, модель ідеальної рідини або пластичного тіла т. д.). Ці моделі в залежності від конкретизації що входять до них функцій, які відображають фізичні властивості матеріальних тіл, а також граничних і початкових умов, можуть описувати ті чи інші фізичні ситуації. До цього ж класу моделей відноситься еволюційна модель розвитку тваринного світу. Поряд з такими загальними моделями в науці використовуються моделі того чи іншого явища, що утворюються шляхом спрощення загальних моделей за рахунок нехтування поруч їх властивостей, несуттєвих для даного явища або спрощення постановки цього завдання. До цього класу моделей можна віднести:

-надзвичайно змістовну модель матеріальної точки (спрощення властивостей тіла). Моделювання тел точкою, що володіє масою тіла, з успіхом використовується як для опису гігантських об'єктів-планет, так і для опису молекул газу в тих випадках, коли відстань між тілами набагато перевищує їх розміри;

-модель обтікання крила однорідним потоком (спрощення постановки задачі). Ця модель орієнтована на дослідження задач аеродинаміки в тих випадках, коли характерний розмір тіла багато менше характерного розміру неоднорідності властивостей обтічного тіла потоку;

-модель одновимірного потоку в трубі, коли замість реального тривимірного течії в трубі розглядається перебіг з однорідним розподілом параметрів по перетину труби і т. д. і т. д.

Побудова моделі того чи іншого явища досить простий для можливості проведення розрахунків, але зберігає основні питання, що цікавлять нас в даному дослідженні або розрахунку властивості явища, є мистецтвом, засноване на досвіді та інтуїції вченого.

Процес пізнання зовнішнього світу спирається на дані досвіду, узагальнення цього досвіду та розробку на його основі фізичних та математичних моделей тих чи інших явищ і на дослідження властивостей запропонованих моделей. Причому часто істотні наукові відкриття робляться саме на останньому етапі цього процесу (при дослідженні моделей).

Звідси треба важливий висновок про те, що наші знання і уявлення про зовнішній світ будуть завжди обмежені, тому що вони по суті спираються на обмежене число досвідчених фактів, доступних людству на даному етапі його розвитку, і вивчення властивостей прийнятих нами моделей, явищ зовнішнього світу. Можливості моделей обмежені їх властивостями, якими вони по суті "наділені" в процесі їх розробки. Тому при вивченні будь-якого явища результати дослідження властивостей моделей безперервно порівнюються з досвідченими фактами. При виникненні суперечностей між результатами аналізу та досвідченими фактами моделі удосконалюються за рахунок обліку в рамках моделі нових фізичних явищ, які учений припускає "відповідальними" за той чи інший ефект. У ряді випадків такі протиріччя призводять до повної зміни моделі (наприклад, заміну моделі теплорода на молекулярну модель в теорії розповсюдження тепла). Одним з прикладів розвитку і вдосконалення моделі є перехід від механіки Ньютона до спеціальної теорії відносності і потім до загальної теорії відносності.

Звернемо увага тут на те, що в процесі вдосконалення і перетворення моделей суттєву роль відіграє громадська думка і інерція в уявленнях людей. Причому, часто вирішальним стає не думка вчених, а громадська думка пануючої ідеології. Прикладів такого впливу можна багато знайти в історії розвитку радянської науки. В даний час щось подібне відбувається з еволюційної моделлю розвитку світу. Сьогодні з одного боку відомі вже численні факти, які неможливо пояснити в рамках моделі еволюційного розвитку, з іншого боку, не отримані неспростовні археологічні дані, покликані затвердити цю модель. Однак, наукова дискусія про "якості" еволюційної моделі йде під спудом і не розвивається природним науковим чином з - за опору людей, дотримуються усталеної зручної точки зору.

Вдало "сконструйовані" моделі не тільки описують широке коло спостережуваних фактів, але володіють також Предсказательная силою (пророкування -- саме з дослідження моделей). Прикладів Предсказательная сили моделей у природничих науках нескінченно багато (пророкування існування планети Плутона, пророкування нових елементів на основі таблиці Менделєєва, пророкування обмеженості швидкості світла і т. д.).

Якщо говорити в загальному, то всі діючі машини та устаткування ілюструють передбачувану силу механічних моделей. Несуперечність наших уявлень про навколишній світ свідчить про те ж. Але різноманіття цих прикладів не має затінювати в нашій свідомості того основного факту, що всі ці висновки отримані за допомогою моделей явищ зовнішнього світу. Тому, незважаючи на вражаючі успіхи природничих наук у пізнанні зовнішнього світу, ми не можемо розраховувати пізнати його до кінця, бо ми самі є частиною цього світу і виконуємо обмежені функції, покладені нам його Творцем.

Щоб підкреслити обмеженість наших знань, зазначимо, що сьогодні ми не маємо на своєму розпорядженні моделей, за допомогою яких можна було б зрозуміти і описати досить поширені явища. Наведемо два приклади з різних областей науки.

Усім відоме явище, зване "кульовий блискавкою". Кульова блискавка багаторазово спостерігалася, є її фотографії і опис її властивостей очевидцями. Є маса моделей різного рівня складності, що описують деякі риси цього явища. Незважаючи на це, фізична сутність кульової блискавки сьогодні невідома.

В Як другий приклад розглянемо рух спеціальних "вій", що покривають внутрішні стінки дихальних шляхів людини. Реснички представляють собою вирости спеціальних клітин. Їх довжина близько 10 мікрон і діаметр близько 1,5 мікрона. Вони здійснюють впорядковані руху у вигляді хвиль на поверхні шару вій. Основна фізіологічна завдання, що виконується віями, -- здійснення транспорту слизу і сторонніх тіл уздовж дихальних шляхів і їх видалення з дихального тракту. Механізм "управління" рухом цих мільйонів вій, що забезпечує їх впорядкований рух і залежність інтенсивності цього процесу від кількості слизу або ваги сторонніх часток, в даний час невідомий. У цьому прикладі у "учасників руху" відсутній інтелект, відсутні нервові сигнали, не змінюється їх електричний потенціал і т.д. Очевидно, взаємодія здійснюється через зовнішню рідку середу, але моделі такої взаємодії сьогодні відсутні, і не видно навіть підходів до її розробки.

В наукової діяльності на такого роду незрозумілі факти дивляться як на деякий "виклик" науці і вірять в те, що вдосконалення моделей або виявлення нових явищ або ефектів дозволить дати пояснення цим фактам. При викладанні або при популяризації науки про такі факти воліють замовчувати, вважаючи за краще не підривати уявлення про всесильність людського розуму.

Поряд з цим відомий ряд непояснених фактів, по суті пов'язаних з таємною Божественного Творіння. Ці факти ми називаємо чудесами (наприклад, поява зображення на Плащаниці Господа Ісуса Христа, загадкові властивості крові святого Януарія, мироточення ікон, нарешті, властивості святої води та ін.) Віруючі люди сприймають чудеса як чудеса і поклоняються їм як явищ, пов'язаних з Божественним Промислом. З іншого боку, вчені прагнуть проникнути в таємницю чудес і намагаються пояснити їх на базі сучасних наукових уявлень.

Отже, за допомогою моделей, створених людиною, ми прагнемо пізнати таємниці Божественного Творіння, закони буття і розвитку зовнішнього світу. На цьому шляху нам відкривається прекрасна картина оточуючого нас світу, дивовижна за своєю красу і "розумності". Людська свідомість часто стає в тупик перед досконалістю форм і явищ, які спостерігаються в зовнішньому світі і не осмислюємо сучасною наукою. Виявлення таких непояснених фактів всякий раз дає нам зрозуміти, що пізнання завжди буде обмежена рамками моделей, і, тому, успіхи розвитку науки не повинні формувати в людях уявлення про всесильність людського розуму.

Ми бачимо, що мотивація наукової діяльності лежить в області релігійних устремлінь людини.

Розробка основоположного апарату науки - моделей явищ - спирається на світогляд вченого, його уявлення про зовнішній світ. Тому будь-яка серйозна наука не віддільна від релігії (якщо хочете матеріалізм, атеїзм і т.д. - це теж релігії) і висновки вченого, хоче він того чи ні, завжди пов'язані з його релігійними та світоглядними уявленнями. Сама наукова мотивація пов'язана з вірою в те, пізнання явища можливо. Питання про те, наскільки ті чи інші світоглядні уявлення вченого впливають на його успіхи в науці, дуже важливий. Мова тут звичайно не про те, що віруючий або невіруючий вчені будуть отримувати різні дані в одному і тому ж досвіді, а про те, які висновки робить учений з аналізу своїх моделей, і про соціальне значення цих висновків.

Звідси випливає, що і процес навчання має бути нерозривно пов'язаний з духовно - моральним вихованням і виробленням світогляду школяра, якщо ми хочемо виховати в процесі навчання активну, творчу особистість, що реалізовує свій потенціал на благо людини й людства.

Для такого духовно-морального виховання потрібна світоглядна основа, якої володіє і прагне передати учням вчитель.

Ясно, що такої світоглядної основою не може бути прагматичний, культивується на Заході, а також сьогоднішні спроби виховати в людині почуття залежності його добробуту від деякої «удачі».

З іншого боку, Росія століттями жила на світоглядної основі Православ'я. На цій основі розвивалася велика російська культура і, зокрема, російська наука, внесла колосальний внесок у світову науку.

До жаль, сьогодні повернення духовно-морального виховання школярів на цю світоглядну основу зустрічає опір з боку керівництва нашим освітою.

Не зупиняючись на мотивації або обставин, які призводять до опору поверненню православного світогляду в нашому суспільстві, підкреслимо, що тільки цей світогляд може бути основою виховання людей, що відчувають відповідальність перед Творцем за свої вчинки; людей, для яких вищою ідеалом є служіння своїй Батьківщині, людей, для яких існують непереборні моральні норми і обмеження на вибір своєї трудової чи іншої діяльності. Зокрема, у людей, що займаються наукою і освітою, повинні бути вироблені необхідні жорсткі норми й обмеження на області наукового дослідження, якими вони можуть займатися і заняття якими аморально (роботи, що ведуть до екологічних катастроф, до створення засобів масового знищення людей, до створення методів психічного впливу, клонування і т. д.).

Сьогодні, коли наука і техніка досягли небувалих можливостей, питання про виховання правильного, християнського ставлення до досягнень науки має дуже важливе значення. І від того, яке покоління ми виховаємо в цьому сенсі залежить саме існування нашої цивілізації.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/