Теоретические модели и законы природы

Понятие материальной модели не вызывает вопросов - модель автомобиля действительно отражает конструкцию автомобиля, но почему любое теоретическое описание мы также называем моделью? Разве это описание не основано на законах природы, которые вы изучали на уроках физики, химии, биологии, законах, которым подчиняются все объекты природы?

В конце XVI в. астрономом И. Кеплером были сформулированы законы, описывающие движения планет Солнечной системы. Эти законы были установлены эмпирически, т. е. на основании наблюдения за движением планет.

Недостатком эмпирических законов является то, что они не объясняют причину явления, а только констатируют факт. Объяснение кеплеровским законам было дано Ньютоном на основе законов динамики и закона всемирного тяготения.

Однако, чтобы получить из законов Ньютона кеплеровские законы, необходимо выделить наиболее существенные особенности движения планет и отбросить второстепенные.

Подобное моделирование, когда на основе известных законов путем некоторых обоснованных допущений и приближений формулируется достаточно просто решаемая задача, очень часто используют в науке. При необходимости можно попробовать уточнить модель, учтя те факторы, которыми вначале пренебрегали.

Все естественно-научные законы - это модели, применимые для описания широкого класса явлений и процессов, происходящих в природе. Каждый естественно-научный закон имеет границы своего применения. Существует определенная иерархия законов: одни законы являются частными случаями других, т. е. могут быть выведены из них при определенных приближениях и допущениях.

Развитие науки показывает, что каждый естественно-научный закон имеет границы своего применения. Например, законы Ньютона оказываются неприменимы при исследовании процессов микромира. Для описания этих процессов сформулированы законы квантовой теории. С точки зрения моделирования это означает, что законы Ньютона являются некоторой моделью, которая следует при определенных приближениях из более общей теории. Однако и законы квантовой теории не абсолютны и имеют свои ограничения в применимости. Уже сформулированы более общие законы и получены более общие уравнения, которые, в свою очередь, также имеют ограничения. И цепочке этой не видно конца. Пока еще не получены какие-либо абсолютные законы, описывающие все в природе, из которых можно было бы вывести все частные законы. И неясно, можно ли такие законы сформулировать. Но это означает, что любой из естественно-научных законов фактически является некоторой моделью.

Методы моделирования, развитые и отработанные в естественных науках, оказываются полезными и в гуманитарных науках. Например, процессы самоорганизации в природе позволяют продвинуться в понимании процессов, происходящих в обществе.

Что такое математическое моделирование? Под математической моделью понимают систему уравнений, описывающих исследуемые процессы или явления. Фактически любая модель в физике является математической, поэтому понятие « математическая модель» в физике, как правило, не употребляют.

В других науках существуют качественные теоретические модели, не содержащие математических уравнений. Примером служит теория Ч. Дарвина в биологии, которая является качественной теоретической моделью сложного процесса эволюции живой природы.

С развитием компьютерной техники появился термин «компьютерное моделирование». Фактически это то же математическое моделирование, дополненное мощными вычислительными средствами, а также возможностью визуализации и интерактивного управления процессами. Примерами такого моделирования являются динамические компьютерные игры, различные эффекты в фантастических фильмах. Подобное моделирование применяют и для исследования различных природных процессов.

Но одних лишь знаний и умений недостаточно для успешного построения моделей еще не исследованных явлений. Фактически при таком моделировании происходит создание новой теории рассматриваемого явления, что является творческим процессом. Как и в любом творческом процессе, при этом необходимо нечто выходящее за рамки науки - интуиция, вдохновение, чувство красоты теории. В этом смысле процесс моделирования в науке схож с другими творческими процессами, например с деятельностью художника, композитора, писателя.

Моделирование теоретически не исследованных явлений является творческим процессом, требующим как научной подготовки, так и присущих любому творческому процессу качеств, таких, как интуиция, вдохновение, чувство красоты теории.

Читать далее