Познавательное значение мысленного эксперимента

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.

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.

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.

225

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.