Причинность и взаимодействие в физике. Законы физики и физические теории имеют определённые границы применимости Две стороны научных теорий

Учебное кино, телевидение и видеозапись имеют много общего. Эти средства дают возможность показать явление в динамике, что в принципе недоступно статическим экранным средствам. Данная особенность всеми исследователями в области технических средств обучения ставится на первый план.

Движение в кинематографе нельзя сводить только к механическому перемещению объектов по экрану. Так, во многих фильмах по искусству и архитектуре динамика складывается из отдельных статичных изображений, когда изменяется не сам объект съемки, а положение камеры, масштаб, происходит наложение одного изображения на другое, например, на схему задания накладывается его фотография. За счет использования специфических возможностей кино во многих фильмах можно увидеть «ожившие» рукописи, в которых строки текста появляются из-под невидимого (или видимого) пера. Таким образом, динамика в кинематографе - это и динамика познания, мыли, логических построений.

Огромное значение имеют такие свойства данных средств обучения, как замедление и ускорение течения времени, изменение пространства, превращение невидимых объектов в видимые. Особый язык кинематографа, на котором «говорят» не только фильмы, снятые на кинопленке, но и сообщения, созданные и переданные средствами телевидения или «законсервированные» в видеокассете, определяет ситуации на уроке, когда использование кино (понимаемого в широком смысле) оказывается дидактически оправданным. Так, Н.М. Шахмаев выделяет 11 случаев, указывая при этом, что это не исчерпывающий список.

1. Изучение объектов и процессов, наблюдаемых с помощью оптических и электронных микроскопов, не доступных в настоящее время для школы. В этом случае киноматериалы, снятые в специальных лабораториях и снабженные квалифицированными комментариями учителя или диктора, обладают научной достоверностью и могут быть показаны всему классу.

2. При изучении принципиально невидимых объектов, как, например, как элементарные частицы и поля, окружающие их. Используя мультипликацию, можно показать модель объекта и даже его структуру. Педагогическая ценность подобных модельных представлений огромна, ибо они создают в сознании учащихся определенные образы объектов и механизмов сложных явлений, чем облегчают понимание учебного материала.

3. При изучении таких объектов и явлений, которые в силу своей специфик не могут быть видимы одновременно всем учащимся в классе. Применяя специальную оптику и выбирая наиболее выгодные точки съемки, можно эти объекты снять крупным планом, кинематографически выделить и объяснить.

4. При изучении быстро или медленно протекающих явлений. Ускоренная или замедленная

съемка в сочетании с нормальной скоростью проекции трансформирует течение времени и делает эти процессы доступными для наблюдения.

5. При изучении процессов, протекающих в недоступных для непосредственного наблюдения местах (жерло вулкана; подводный мир рек, морей и океанов; зоны радиации; космические тела и т.п.). В этом случае только кино и телевидение могут предоставить в распоряжение учителя необходимую научную документацию, которая выполняет роль учебного пособия.

6. При изучении объектов и явлений, наблюдаемых в тех областях спектра электромагнитных волн, которые не воспринимаются непосредственно человеческим глазом (ультрафиолетовые, инфракрасные и рентгеновские лучи). Съемка через фильтры с узкой полосой пропускания на специальные виды пленок, а также съемка с люминесцирующих экранов позволяют трансформировать невидимое изображение в видимое.

7. При объяснении таких основополагающих опытов, постановка которых в условиях учебного процесса затруднена из-за сложности или громоздкости установок, дороговизны оборудования, продолжительности опыта и т.п. Киносъемка таких опытов позволяет не только продемонстрировать ход и результаты, но и дать необходимые пояснения. Существенно и то, что опыты показываются с наиболее удачной точки, в наиболее удачном ракурсе, чего нельзя обеспечить без кино.

8. При объяснении устройства сложных объектов (строение внутренних органов человека, конструкции машин и механизмов, структура молекул и т.п.). В этом случае с помощью мультипликации, путем постепенного заполнения и трансформации изображения можно перейти от простейшей схемы к конкретному конструктивному решению.

9. При изучении творчества писателей, поэтов. Кино дает возможность воспроизвести характерные черты эпохи, в которой жил и творил художник, но и показать его творческий путь, процесс рождения поэтического образа, манеру работы, связь творчества с исторической эпохой.

10. При изучении исторических событий. Фильмы, построенные на хроникальном материале, помимо своей научной значимости обладают огромной силой эмоционального воздействия на учащихся, что чрезвычайно важно для глубокого понимания исторических событий. В специальных игровых фильмах благодаря специфическим возможностям кино удается воссоздать исторические эпизоды, относящиеся к давно прошедшим временам. Исторические точное воспроизведение предметов материальной культуры, характеров исторических личностей, экономики, особенностей быта помогает созданию у учеников реального представления о тех событиях, о которых они узнают из учебников и из рассказа учителя. История приобретает осязаемые формы, становится ярким, эмоционально окрашенным фактом, входящим в интеллектуальный строй мысли школьника.

11. Для решения большого комплекса воспитательных задач.

Определение границ применения кино, телевидения и видеозаписи таит в себе опасность совершения ошибок. Ошибка неправомерного расширения возможностей использования этих средств обучения в учебном процессе может быть проиллюстрирована словами одного из персонажей фильма «Москва слезам не верит»: «Скоро ничего не будет. Будет сплошное телевидение». Жизнь показала, что сохранились и книги, и театр, и кино. И что самое главное - непосредственный информационный контакт учителя и учащихся.

С другой стороны, возможна ошибка необоснованного сужения дидактических функций экранно-звуковых средств обучения. Это происходит в том случае, когда киноили видеофильм, телевизионная передача рассматриваются только в качестве разновидности наглядного пособия, обладающего возможностью динамического представления изучаемого материала. Безусловно, это так. Но кроме этого есть еще один аспект: в дидактических материалах, предъявляемых учащимся с помощью кинопроектора, видеомагнитофона и телевизора, конкретные задачи обучения решаются не только силами техники, но и помощью изобразительных средств, присущих тому или иному виду искусства. Поэтому экранное учебное пособие приобретает хорошо видимые черты произведения искусства, даже если оно создавалось для учебного предмета, относимого к естественно-математическому циклу.

Следует помнить, что ни кинофильм, ни видеозапись, ни телевидение не могут создать длительных и прочных мотивов учения, равно как не могут заменить других средств наглядности. Проведенный непосредственно в классе опыт с водородом (взрыв гремучего газа в металлической консервной банке) во много раз нагляднее этого же опыта, продемонстрированного на экране.

Контрольные вопросы:

1. Кому впервые удалось продемонстрировать движущиеся рисованные картинки на экране одновременно многим зрителям?

2. Как был устроен кинетоскоп Т. Эдисона?

4. Опишите строение черно-белой киноплёнки.

5. Какие виды съёмки используются в производстве кинофильмов?

6. Какие особенности характеризуют учебные кинои видеофильмы?

7. Перечислите требования к учебному фильму.

8. На какие виды можно разделить кинофильмы?

9. Для чего служит обтюратор?

10. Какие виды фонограмм используются в производстве кинофильмов?

1. Моделирование обеспечивает создание упрощенной, по сравнению с оригиналом, модели. В модели меньше второстепенной информации, чем в оригинале. В модели сосредотачивается информация на тех признаках, которые необходимы для расследования.

«Слепок следа» для нас важно, чтобы он отражал наиболее полно и точно особенности подошвы (протектор, рисунок, изношенность, повреждения и т. д.) другие признаки менее интересны, цвет материала и т.д.

Модель проще оригинала, она отвлекается от деталей, частностей и этим помогает решению познавательных задач.

В моделировании упрощение обуславливает широкое ее применение (составление планов местности, схем-преступлений связей, составление графиков).

ПРОСТОЕ - это доступное, понятное, состоящее из незначительного количества элементов, отношений.

СЛОЖНОЕ-наоборот-трудное для познания.

Человечество всегда пыталось привести сложное к простому и понятному. В математике есть термин «упростить выражение», когда громоздкая формула приводится к простой.

Все гениальное просто, а простое-гениально.

2. Для некоторых видов моделирования характерна НАГЛЯДНОСТЬ.

Наглядность моделей с чувственным восприятием и образным отражением предметов и явлений в сознании. Они оживляют память, способствуют уяснению существа изучаемых фактов и явлений.

«План-схемы» при допросе свидетелей, потерпевших, обвиняемых.

Допрос водителей и других участников ДТП с воссозданием дорожной ситуации с применением специальных планшетов, моделей и т.д.

Следственное действие- проверка показаний на месте говорит само за себя и применяется достаточно часто.

3 Модели выполняют иллюстративную функцию. Служат наглядным подтверждением доказываемых положений.

К протоколу осмотра - планы, схемы.

К акту СМЭ - схемы человека с имеющимися повреждениями.

К акту баллистической экспертизы-фотографии совмещений.

К акту дактилоскопической экспертизы-фотографии отпечатков с указанием совпадений стрелками.

Создание и изучение моделей способствуют, прежде всего, проверке имеющейся и получению новой информации.

Для расследования уголовных дел типичен познавательный, поисковый характер исследования.

Это объясняется тем, что фактор времени оказывает свое влияние на следы преступления: иногда благоприятствуют их уничтожению, сокрытию, равно как сокрытию самого преступления, так и лица, совершившего его. Модели и моделирование восстанавливают события преступления и их участников.

Главной и основной чертой криминалистического моделирования является выражение в этом методе закономерностей всеобщей связи предметов и явлений.

Моделирование базируется на законах отражения и всеобщей связи в силу модели и моделирования включаются в процесс познания.

Основанность на законах обуславливает научность метода и позволяет использовать его как метод доказывания.

Таким образом, результаты моделирования могут использоваться в качестве доказательств и ложиться в основу обвинительного заключения или приговора.

Раскрытие содержания и конкретизация понятий должны опираться на ту или иную конкретную модель взаимной связи понятий. Модель, объективно отражая определенную сторону связи, имеет границы применимости, за пределами которых ее использование ведет к ложным выводам, но в границах своей применимости она должна обладать не только образностью, наглядностью и конкретностью, но и иметь эвристическую ценность.

Многообразие проявлений причинно-следственных связей в материальном мире обусловило существование нескольких моделей причинно-следственных отношений. Исторически сложилось так, что любая модель этих отношений может быть сведена к одному из двух основных типов моделей или их сочетанию.

а) Модели, опирающиеся на временной подход (эволюционные модели). Здесь главное внимание акцентируется на временной стороне причинно-следственных отношений. Одно событие – «причина» – порождает другое событие – «следствие», которое во времени отстает от причины (запаздывает). Запаздывание – отличительный признак эволюционного подхода. Причина и следствие взаимообусловлены. Однако ссылка на порождение следствия причиной (генезис), хотя и законна, но привносится в определение причинно-следственной связи как бы со стороны, извне. Она фиксирует внешнюю сторону этой связи, не захватывая глубоко сущности.

Эволюционный подход развивался Ф. Бэконом, Дж. Миллем и др. Крайней полярной точкой эволюционного подхода явилась позиция Юма. Юм игнорировал генезис, отрицая объективный характер причинности, и сводил причинную связь к простой регулярности событий.

б) Модели, опирающиеся на понятие «взаимодействие» (структурные или диалектические модели). Смысл названий мы выясним позже. Главное внимание здесь уделяется взаимодействию как источнику причинно-следственных отношений. В роли причины выступает само взаимодействие. Большое внимание этому подходу уделял Кант, но наиболее четкую форму диалектический подход к причинности приобрел в работах Гегеля. Из современных советских философов этот подход развивал Г.А. Свечников , который стремился дать материалистическую трактовку одной из структурных моделей причинно-следственной связи.

Существующие и использующиеся в настоящее время модели различным образом вскрывают механизм причинно-следственных отношений, что приводит к разногласиям и создает основу для философских дискуссий. Острота обсуждения и полярный характер точек зрения свидетельствуют об их актуальности .

Выделим некоторые из дискутируемых проблем.

а) Проблема одновременности причины и следствия. Это основная проблема. Одновременны ли причина и следствие или разделены интервалом времени? Если причина и следствие одновременны, то почему причина порождает следствие, а не наоборот? Если же причина и следствие неодновременны, может ли существовать «чистая» причина, т.е. причина без следствия, которое еще не наступило, и «чистое» следствие, когда действие причины кончилось, а следствие еще продолжается? Что происходит в интервале между причиной и следствием, если они разделены во времени, и т.д.?

б) Проблема однозначности причинно-следственных отношений. Порождает ли одна и та же причина одно и то же следствие или же одна причина может порождать любое следствие из нескольких потенциально возможных? Может ли одно и то же следствие быть порожденным любой из нескольких причин?

в) Проблема обратного воздействия следствия на свою причину.

г) Проблема связи причины, повода и условий. Могут ли при определенных обстоятельствах причина и условие меняться ролями: причина стать условием, а условие – причиной? Какова объективная взаимосвязь и отличительные признаки причины, повода и условия?

Решение этих проблем зависит от выбранной модели, т.е. в значительной степени от того, какое содержание будет заложено в исходные категории «причина» и «следствие». Дефиниционный характер многих трудностей проявляется, например, уже в том, что нет единого ответа на вопрос, что следует понимать под «причиной». Одни исследователи под причиной мыслят материальный объект, другие – явление, третьи – изменение состояния, четвертые – взаимодействие и т.д.

К решению проблемы не ведут попытки выйти за рамки модельного представления и дать общее, универсальное определение причинно-следственной связи. В качестве примера можно привести следующее определение: «Причинность – это такая генетическая связь явлений, в которой одно явление, называемое причиной, при наличии определенных условий неизбежно порождает, вызывает, приводит к жизни другое явление, называемое следствием» . Это определение формально справедливо для большинства моделей, но, не опираясь на модель, оно не может разрешить поставленных проблем (например, проблему одновременности) и потому имеет ограниченную теоретико-познавательную ценность.

Решая упомянутые выше проблемы, большинство авторов стремятся исходить из современной физической картины мира и, как правило, несколько меньше внимания уделяют гносеологии. Между тем, на наш взгляд, здесь существуют две проблемы, имеющие важное значение: проблема удаления элементов антропоморфизма из понятия причинности и проблема непричинных связей в естествознании. Суть первой проблемы в том, что причинность как объективная философская категория должна иметь объективный характер, не зависящий от познающего субъекта и его активности. Суть второй проблемы: признавать ли причинные связи в естествознании всеобщими и универсальными или считать, что такие связи имеют ограниченный характер и существуют связи непричинного типа, отрицающие причинность и ограничивающие пределы применимости принципа причинности? Мы считаем, что принцип причинности имеет всеобщий и объективный характер и его применение не знает ограничений.

Итак, два типа моделей, объективно отражая некоторые важные стороны и черты причинно-следственных связей, находятся в известной степени в противоречии, поскольку различным образом решают проблемы одновременности, однозначности и др., но вместе с тем, объективно отражая некоторые стороны причинно-следственных отношений, они должны находиться во взаимной связи. Наша первая задача – выявить эту связь и уточнить модели.

Граница применимости моделей

Попытаемся установить границу применимости моделей эволюционного типа. Причинно-следственные цепи, удовлетворяющие эволюционным моделям, как правило, обладают свойством транзитивности . Если событие А есть причина события В (В – следствие А), если, в свою очередь, событие В есть причина события С, то событие А есть причина события С. Если А → В и В → С, то А → С. Таким способом составляются простейшие причинно-следственные цепи. Событие В может выступать в одном случае причиной, в другом – следствием. Эту закономерность отмечал Ф. Энгельс: «... причина и следствие суть представления, которые имеют значение, как таковые, только в применении к данному отдельному случаю: но как только мы будем рассматривать этот отдельный случай в общей связи со всем мировым целым, эти представления сходятся и переплетаются в представлении универсального взаимодействия, в котором причины и следствия постоянно меняются местами; то, что здесь или теперь является причиной, становится там или тогда следствием и наоборот» (т. 20, с. 22).

Свойство транзитивности позволяет провести детальный анализ причинной цепи. Он состоит в расчленении конечной цепи на более простые причинно-следственные звенья. Если А, то А → В 1 , В 1 → В 2 ,..., В n → C. Но обладает ли конечная причинно-следственная цепь свойством бесконечной делимости? Может ли число звеньев конечной цепи N стремиться к бесконечности?

Опираясь на закон перехода количественных изменений в качественные, можно утверждать, что при расчленении конечной причинно-следственной цепи мы столкнемся с таким содержанием отдельных звеньев цепи, когда дальнейшее деление станет бессмысленным. Заметим, что бесконечную делимость, отрицающую закон перехода количественных изменений в качественные, Гегель именовал «дурной бесконечностью»

Переход количественных изменений в качественные возникает, например, при делении куска графита. При разъединении молекул вплоть до образования одноатомного газа химический состав не меняется. Дальнейшее деление вещества без изменения его химического состава уже невозможно, поскольку следующий этап – расщепление атомов углерода. Здесь с физико-химической точки зрения количественные изменения приводят к качественным.

В приведенном выше высказывании Ф. Энгельса отчетливо прослеживается мысль о том, что в основе причинно-следственных связей лежит не самопроизвольное волеизъявление, не прихоть случая и не божественный перст, а универсальное взаимодействие. В природе нет самопроизвольного возникновения и уничтожения движения, есть взаимные переходы одних форм движения материи в другие, от одних материальных объектов к другим, и эти переходы не могут происходить иначе, чем через посредство взаимодействия материальных объектов. Такие переходы, обусловленные взаимодействием, порождают новые явления, изменяя состояние взаимодействующих объектов.

Взаимодействие универсально и составляет основу причинности. Как справедливо отмечал Гегель, «взаимодействие есть причинное отношение, положенное в его полном развитии» . Еще более четко сформулировал эту мысль Ф. Энгельс: «Взаимодействие – вот первое, что выступает перед нами, когда мы рассматриваем движущуюся материю в целом с точки, зрения теперешнего естествознания... Так естествознанием подтверждается то... что взаимодействие является истинной causa finalis вещей. Мы не можем пойти дальше познания этого взаимодействия именно потому, что позади его нечего больше познавать» (т. 20, с. 546).

Поскольку взаимодействие составляет основу причинности, рассмотрим взаимодействие двух материальных объектов, схема которого приведена на рис. 1. Данный пример не нарушает общности рассуждений, поскольку взаимодействие нескольких объектов сводится к парным взаимодействиям и может быть рассмотрено аналогичным способом.

Нетрудно видеть, что при взаимодействии оба объекта одновременно воздействуют друг на друга (взаимность действия). При этом происходит изменение состояния каждого из.взаимодействующих объектов. Нет взаимодействия – нет изменения состояния . Поэтому изменение состояния какого-либо одного из взаимодействующих объектов можно рассматривать как частное следствие причины – взаимодействия. Изменение состояний всех объектов в их совокупности составит полное следствие.

Очевидно, что такая причинно-следственная модель элементарного звена эволюционной модели принадлежит классу структурных (диалектических). Следует подчеркнуть, что данная модель не сводится к подходу, развивавшемуся Г.А. Свечниковым, поскольку под следствием Г.А. Свечников, по словам В.Г. Иванова, понимал «...изменение одного или всех взаимодействовавших объектов или изменение характера самого взаимодействия, вплоть до его распада или преобразования» . Что касается изменения состояний, то это изменение Г.А. Свечников относил к непричинному виду связи.

Итак, мы установили, что эволюционные модели в качестве элементарного, первичного звена содержат структурную (диалектическую) модель, опирающуюся на взаимодействие и изменение состояний. Несколько позже мы вернемся к анализу взаимной связи, этих моделей и исследованию свойств эволюционной модели. Здесь нам хотелось бы отметить, что в полном соответствии с точкой зрения Ф. Энгельса смена явлений в эволюционных моделях, отражающих объективную реальность, происходит не в силу простой регулярности событий (как у Д. Юма), а в силу обусловленности, порожденной взаимодействием (генезис). Поэтому хотя ссылки на порождение (генезис) и привносятся в определение причинно-следственных отношений в эволюционных моделях, но они отражают объективную природу этих отношений и имеют законное основание.

Pис. 2. Структурная (диалектическая) модель причинности

Вернемся к структурной модели. По своей структуре и смыслу она превосходно согласуется с первым законом диалектики – законом единства и борьбы противоположностей, если интерпретировать:

– единство –как существование объектов в их взаимной связи (взаимодействии);

– противоположности – как взаимоисключающие тенденции и характеристики состояний, обусловленные взаимодействием;

– борьбу – как взаимодействие;

– развитие – как изменение состояния каждого из взаимодействующих материальных объектов.

Поэтому структурная модель, опирающаяся на взаимодействие как причину, может быть названа также диалектической моделью причинности. Из аналогии структурной модели и первого закона диалектики следует, что причинность выступает как отражение объективных диалектических противоречий в самой природе, в отличие от субъективных диалектических противоречий, возникающих в сознании человека. Структурная модель причинности есть отражение объективной диалектики природы.

Рассмотрим пример, иллюстрирующий применение структурной модели причинно-следственных отношений. Таких примеров, которые объясняются с помощью данной модели, можно найти достаточно много в естественных науках (физике, химии и др.), поскольку понятие «взаимодействие» является основополагающим в естествознании.

Возьмем в качестве примера упругое столкновение двух шаров: движущегося шара А и неподвижного шара В. До столкновения состояние каждого из шаров определялось совокупностью признаков Сa и Сb (импульс, кинетическая энергия и т.д.). После столкновения (взаимодействия) состояния этих шаров изменились. Обозначим новые состояния С"a и С"b. Причиной изменения состояний (Сa → С"a и Сb → С"b) явилось взаимодействие шаров (столкновение); следствием этого столкновения стало изменение состояния каждого шара.

Как уже говорилось, эволюционная модель в данном случае малопригодна, поскольку мы имеем дело не с причинной цепью, а с элементарным причинно-следственным звеном, структура которого не сводится к эволюционной модели. Чтобы показать это, проиллюстрируем данный пример объяснением с позиции эволюционной модели: «До столкновения шар А покоился, поэтому причиной его движения является шар В, который ударил по нему». Здесь шар В выступает причиной, а движение шара А – следствием. Но с тех же самых позиций можно дать и такое объяснение: «До столкновения шар В двигался равномерно по прямолинейной траектории. Если бы не шар А, то характер движения шара В не изменился бы». Здесь причиной уже выступает шар А, а следствием – состояние шара В. Приведенный пример показывает:

а) определенную субъективность, которая возникает при применении эволюционной модели за пределами границ ее применимости: причиной может выступать либо шар А, либо шар В; такое положение связано с тем, что эволюционная модель выхватывает одну частную ветвь следствия и ограничивается ее интерпретацией;

б) типичную гносеологическую ошибку. В приведенных выше объяснениях с позиции эволюционной модели один из однотипных материальных объектов выступает в качестве «активного», а другой – в качестве «страдательного» начала. Получается так, будто один из шаров наделен (по сравнению с другим) «активностью», «волей», «желанием», подобно человеку. Следовательно, только благодаря этой «воле» мы и имеем причинное отношение. Подобная гносеологическая ошибка определяется не только моделью причинности, но и образностью, присущей живой человеческой речи, и типичным психологическим переносом свойств, характерных для сложной причинности (о ней мы будем говорить ниже) на простое причинно-следственное звено. И такие ошибки весьма характерны при использовании эволюционной модели за пределами границ ее применимости. Они встречаются в некоторых определениях причинности. Например: «Итак, причинность определяется как такое воздействие одного объекта на другой, при котором изменение первого объекта (причина) предшествует изменению другого объекта и необходимым, однозначным образом порождает изменение другого объекта (следствие)» . Трудно согласиться с таким определением, поскольку совершенно не ясно, почему при взаимодействии (взаимном действии!) объекты должны деформироваться не одновременно, а друг за другом? Какой из объектов должен деформироваться первым, а какой вторым (проблема приоритета)?

Качества модели

Рассмотрим теперь, какие качества удерживает в себе структурная модель причинности. Отметим среди них следующие: объективность, универсальность, непротиворечивость, однозначность.

Объективность причинности проявляется в том, что взаимодействие выступает как объективная причина, по отношению к которой взаимодействующие объекты являются равноправными. Здесь не остается возможности для антропоморфного истолкования. Универсальность обусловлена тем, что в основе причинности всегда лежит взаимодействие. Причинность универсальна, как универсально само взаимодействие. Непротиворечивость обусловлена тем, что, хотя причина и следствие (взаимодействие и изменение состояний) совпадают во времени, они отражают различные стороны причинно-следственных отношений. Взаимодействие предполагает пространственную связь объектов, изменение состояния – связь состояний каждого из взаимодействующих объектов во времени.

Помимо этого структурная модель устанавливает однозначную связь в причинно-следственных отношениях независимо от способа математического описания взаимодействия. Более того, структурная модель, будучи объективной и универсальной, не предписывает естествознанию ограничений на характер взаимодействий. В рамках данной модели справедливы и мгновенное дально- или близкодействие, и взаимодействие с любыми конечными скоростями. Появление подобного ограничения в определении причинно-следственных отношений явилось бы типичной метафизической догмой, раз и навсегда постулирующей характер взаимодействия любых систем, навязывая физике и другим наукам натурфилософские рамки со стороны философии, либо ограничило пределы применимости модели настолько, что польза от такой модели оказалась бы весьма скромной.

Здесь уместно было бы остановиться на вопросах, связанных с конечностью скорости распространения взаимодействий. Рассмотрим пример. Пусть имеются два неподвижных заряда. Если один из зарядов начал двигаться с ускорением, то электромагнитная волна подойдет ко второму заряду с запаздыванием. Не противоречит ли данный пример структурной модели и, в частности, свойству взаимности действия, поскольку при таком взаимодействии заряды оказываются в неравноправном положении? Нет, не противоречит. Данный пример описывает не простое взаимодействие, а сложную причинную цепь, в которой можно выделить три различных звена.

1. Взаимодействие первого заряда с объектом, который вызывает его ускорение. Результат этого взаимодействия – изменение состояния источника, воздействовавшего на заряд, и в частности потеря этим источником части энергии, изменение состояния первого заряда (ускорение) и появление электромагнитной волны, которая излучилась первым зарядом при его ускоренном движении.

2. Процесс распространения электромагнитной волны, излученной первым зарядом.

3. Процесс взаимодействия второго заряда с электромагнитной волной. Результат взаимодействия – ускорение второго заряда, рассеяние первичной электромагнитной волны и излучение электромагнитной волны вторым зарядом.

В данном примере мы имеем два различных взаимодействия, каждое из которых укладывается в структурную модель причинности. Таким образом, структурная модель превосходно согласуется как с классическими, так и с релятивистскими теориями, а конечная скорость распространения взаимодействий не является принципиально необходимой для структурной модели причинности.

Касаясь структурной модели причинности, отметим, что ей не противоречат реакции распада и. синтеза объектов. В этом случае между объектами либо разрушается относительно устойчивая связь как особый вид взаимодействия, либо такая связь образуется в результате взаимодействия.

Поскольку квантовые теории (равно как и классические) широко используют категории «взаимодействие» и «состояние», то структурная модель принципиально применима и в этой области естествознания. Встречающиеся иногда трудности обусловлены, на наш взгляд, тем, что, обладая хорошо развитым математическим формализмом, квантовые теории еще недостаточно полно развиты и отточены в плане понятийной интерпретации.

Марио Бунге пишет, например, об интерпретации f-функции:
«Одни относят функцию ψ к некоторой индивидуальной системе, другие – к некоторому действительному или потенциальному статистическому ансамблю тождественных систем, третьи рассматривают ψ-функцию как меру нашей информации, или степень уверенности относительно некоторого индивидуального комплекса, состоящего из макросистемы и прибора, или же, наконец, просто как каталог измерений, производимых над множеством идентично приготовленных микросистем». Такое многообразие вариантов истолкования ψ-функции затрудняет строгую причинную интерпретацию явлений микромира.

Это одно из свидетельств того, что квантовые теории находятся в стадии становления и развития и не достигли уровня внутренней завершенности, свойственной классическим теориям.

Но о проблемах становления квантовых теорий свидетельствует не только интерпретация ψ-функции. Хотя релятивистская механика и электродинамика на первый взгляд представляются законченными теориями, более глубокий анализ показывает, что по ряду причин эти теории также не избежали противоречий и внутренних трудностей. Например, в электродинамике существуют проблема электромагнитной массы, проблема реакции излучения заряда и др. Неудачи в попытках разрешения этих проблем в рамках самих теорий в прошлом и бурное развитие теорий микромира породили надежду, что развитие квантовых теорий поможет ликвидировать трудности. А до тех пор они должны восприниматься как неизбежное «зло», с которым так или иначе приходится мириться и ждать успехов от квантовых теорий.

В то же время квантовые теории сами столкнулись со многими проблемами и противоречиями. Любопытно заметить, что часть этих трудностей имеет «классическую» природу, т.е. досталась «по наследству» от классических теорий и обусловлена их внутренней незавершенностью. Получается «порочный круг»: разрешение противоречий классических теорий мы возлагаем на квантовые теории, а трудности квантовых определяются противоречиями классических.

Со временем надежда на способность квантовых теорий устранить противоречия и трудности в теориях классических стала угасать, но до сих пор интерес к разрешению противоречий классических теорий в рамках их самих все еще остается на втором плане.

Таким образом, трудности, встречающиеся иногда при объяснении явлений микромира с позиции причинности, имеют объективное происхождение и объясняются особенностями становления квантовых теорий, но они не являются принципиальными, запрещающими или ограничивающими применение принципа причинности в микромире, в частности применение структурной модели причинности.

Причинность и взаимодействие всегда взаимосвязаны. Если взаимодействие обладает свойствами всеобщности, универсальности и объективности, то столь же универсальны, всеобщи и объективны причинно-следственные связи и отношения. Поэтому в принципе нельзя согласиться с утверждениями Бома, что при описании явлений микромира можно в одних случаях опираться на философский индетерминизм, в других – придерживаться принципа причинности . Мы считаем глубоко ошибочной мысль В.Я. Перминова о том, что «понятие дополнительности указывает путь примирения (курсив наш – В.К. ) детерминизма и индетерминизма» , независимо от того, относится эта мысль к философии естествознания или к конкретной естественнонаучной теории. Путь примирения материалистической точки зрения с позицией современного агностицизма в данном вопросе есть эклектика, есть отрицание объективной диалектики. В.И. Ленин подчеркивал, что «вопрос о причинности имеет особенно важное значение для определения философской линии того или другого новейшего «изма»...» (т. 18, с. 157). И путь становления квантовых теорий лежит не через отрицание или ограничение, а через утверждение причинности в микромире.

Две стороны научных теорий

Структура научных теорий естествознания и функции научных теорий прямо или косвенно связаны с причинным объяснением явлений материального мира. Если обратиться к структурной модели причинности, то можно выявить два характерных момента, две важные стороны, которые так или иначе связаны с функциями научных теорий.

Первая касается описания причинных связей и отвечает на вопрос: как, в какой последовательности? Ей соответствует любая ветвь частного следствия, связывающая обусловленные состояния. Она дает не только описание перехода объекта из одного состояния в другое, но описывает и охватывает всю причинную цепь как последовательность связанных и обусловленных состояний, не вдаваясь глубоко в сущность, в источник изменения состояний звеньев цепи.

Вторая сторона отвечает на вопрос: почему, по какой причине? Она, напротив, дробит причинно-следственную цепь на отдельные элементарные звенья и дает объяснение изменении состоянии, опираясь на взаимодействие. Это объясняющая сторона.

Две эти стороны прямо связаны с двумя важными функциями научной теории: объясняющей и описательной. Поскольку принцип причинности лежал и будет лежать в основе любой естественнонаучной теории, теория всегда будет выполнять эти две функции: описание и объяснение .

Однако не только в этом проявляется методологическая функция принципа причинности. Внутреннее структурирование самой теории также связано с этим принципом. Возьмем, к примеру, классическую механику с ее тремя традиционными разделами: кинематикой, динамикой и статикой. В кинематике силовые взаимодействия не рассматриваются, а идет описание (физическое и математическое) видов движения материальных точек и материальных объектов. Взаимодействие подразумевается, но оно отходит на второй план, оставляя приоритет описанию сложных связанных движений через характеристики их состояний. Разумеется, этот факт не может служить поводом для классификации кинематики как непричинного способа описания, поскольку кинематика отражает эволюционную сторону причинно-следственных отношений, связывающих различные состояния.

Динамика – теоретический раздел, который включает в себя полное причинно-следственное описание и объяснение, опираясь на структурную модель причинно-следственных отношений. В этом смысле кинематика может считаться подразделом динамики.

Особый интерес с точки зрения причинности представляет статика, в которой следственные цепи вырождены (отсутствуют), и мы имеем дело только со связями и взаимодействиями статического характера. В отличие от явлений объективной реальности, где не существует абсолютно устойчивых систем, статические задачи – идеализация или предельный случай, допустимый в частнонаучных теориях. Но принцип причинности справедлив и здесь, поскольку не только решать статические задачи, но и понять сущность статики без применения «принципа виртуальных перемещений» или родственных ему принципов невозможно. «Виртуальные перемещения» непосредственно связаны с изменением состояний в окрестности состояния равновесия, т.е. в конечном счете с причинно-следственными отношениями.

Рассмотрим теперь электродинамику. Иногда ее отождествляют только с уравнениями Максвелла. Это неверно, поскольку уравнения Максвелла описывают поведение волн (излучение, распространение, дифракцию и т.д.) при заданных граничных и начальных условиях. Они не включают в себя описание взаимодействия как взаимного действия. Принцип причинности привносится вместе с граничными и начальными условиями (запаздывающие потенциалы). Это своеобразная «кинематика» волновых процессов, если подобное сравнение позволительно. «Динамику», а с ней и причинность, вносит уравнение движения Лоренца, учитывающее реакцию излучения заряда. Именно связь уравнений Максвелла и уравнения движения Лоренца обеспечивает достаточно полное причинно-следственное описание явлений электромагнетизма. Подобные примеры можно было бы продолжить. Но и приведенных достаточно, чтобы убедиться, что причинность и ее структурная модель находят отражение в структуре и функциях научных теорий.

Если в начале нашей работы мы шли от эволюционной модели причинности к структурной, то теперь предстоит обратный путь от структурной модели к эволюционной. Это необходимо, чтобы правильно оценить взаимную связь и отличительные особенности эволюционной модели.

Уже в неразветвленной линейной причинно-следственной цепи мы вынуждены отказаться от полного описания всех причинно-следственных отношений, т.е. не учитываем некоторые частные следствия. Структурная модель позволяет неразветвленные линейные причинно-следственные цепи свести к двум основным типам.

а) Объектная причинная цепь. Образуется тогда, когда мы выделяем какой-либо материальный объект и следим за изменением его состояния во времени. Примером могут служить наблюдения за состоянием броуновской частицы, или за эволюциями космического корабля, или за распространением электромагнитной волны от антенны передатчика до антенны приемника.

б) Информационная причинная цепь. Появляется, когда мы следим не за состоянием материального объекта, а за некоторым информирующим явлением, которое в процессе вза-имодействий различных материальных объектов связано последовательно во времени с различными объектами. Примером может служить передача устной информации с помощью эстафеты и т.п.

Все линейные неразветвленные причинные цепи сводятся к одному из этих двух типов или к их комбинации. Такие цепи описывают с помощью эволюционной модели причинности. При эволюционном описании взаимодействие остается на втором плане, а на первый план выходит материальный объект или индикатор его состояния. В силу этого главное внимание сосредоточивается на описании последовательности событий во времени. Поэтому данная модель получила название эволюционной.

Линейная неразветвленная причинная цепь сравнительно легко поддается анализу с помощью сведения ее к совокупности элементарных звеньев и анализа их посредством структурной модели. Но такой анализ не всегда возможен.

Существуют сложные причинные сети, в которых простые причинно-следственные цепочки пересекаются, ветвятся и вновь пересекаются. Это приводит к тому, что применение структурной модели делает анализ громоздким, а иногда и технически невозможным.

Помимо этого нас часто интересует не сам внутренний процесс и описание внутренних причинно-следственных отношений, а начальное воздействие и его конечный результат. Подобное положение часто встречается при анализе поведения сложных систем (биологических, кибернетических и др.). В таких случаях детализация внутренних процессов во всей их совокупности оказывается избыточной, ненужной для практических целей, загромождающей анализ. Все это обусловило ряд особенностей при описании причинно-следственных отношений с помощью эволюционных моделей. Перечислим эти особенности.

1. При эволюционном описании причинно-следственной сети полная причинная сеть огрубляется. Выделяются главные цепи, а несущественные отсекаются, игнорируются. Это значительно упрощает описание, но подобное упрощение достигается ценой потери части информации, ценой утраты однозначности описания.

2. Чтобы сохранить однозначность и приблизить описание к объективной реальности, отсеченные ветви и причинные цепи заменяются совокупностью условий. От того, насколько правильно выделена основная причинная цепь и насколько полно учтены условия, компенсирующие огрубление, зависят полнота, однозначность и объективность причинно-следственного описания и анализа.

3. Выбор той или иной причинно-следственной цепи в качестве главной определяется во многом целевыми установками исследователя, т.е. тем, между какими явлениями он хочет проанализировать связь. Именно целевая установка заставляет выискивать главные причинно-следственные цепи, а отсеченные заменять условиями. Это приводит к тому, что при одних установках главную роль выполняют одни цепи, а другие заменяются условиями. При других установках эти цепи могут стать условиями, а роль главных будут играть те, что раньше были второстепенными. Таким образом, причины и условия меняются ролями.

Условия играют важную роль, связывая объективную причину и следствие. При различных условиях, влияющих на главную причинную цепь, следствия будут различными. Условия как бы создают то русло, по которому течет цепь исторических событий или развитие явлений во времени. Поэтому для выявления глубинных, сущностных причинно-следственных отношений необходим тщательный анализ, учет влияния всех внешних и внутренних факторов, всех условий, влияющих на развитие главной причинной цепи, и оценка степени влияния.

4. Эволюционное описание основное внимание уделяет не взаимодействию, а связи событий или явлений во времени. Поэтому содержание понятий «причина» и «следствие» изменяется, и это весьма важно учитывать. Если в структурной модели взаимодействие выступает истинной causa finalis – конечной причиной, то в эволюционной – действующей причиной (causa activa) становится явление или событие.

Следствие также меняет свое содержание. Вместо связи состояний материального объекта при его взаимодействии с другим в качестве следствия выступает некоторое событие или явление, замыкающее причинно-следственную цепь. В силу этого причина в эволюционной модели всегда предшествует следствию.

5. В указанном выше смысле причина и следствие в эволюционной модели могут выступать как одно-качественные явления, с двух сторон замыкающие причинно-следственную цепь. Следствие одной цепи может явиться причиной и началом другой цепи, следующей за первой во времени. Это обстоятельство обусловливает свойство транзитивности эволюционных моделей причинности.

Мы здесь коснулись только главных особенностей и отличительных признаков эволюционной модели.

Заключение

Структурная модель причинности может успешно использоваться для сравнительно простых причинных цепей и систем. В реальной практике приходится иметь дело и со сложными системами. Вопрос о причинно-следственном описании поведения сложных систем практически всегда опирается на эволюционную модель причинности.

Итак, мы рассмотрели два типа моделей, отражающих причинно-следственные отношения в природе, проанализировали взаимную связь этих моделей, границы их применимости и некоторые особенности. Проявление причинности в природе многообразно и по форме, и по содержанию. Вполне вероятно, что этими моделями не исчерпывается весь арсенал форм причинно-следственных отношений. Но как бы ни были разнообразны эти формы, причинность всегда будет обладать свойствами объективности, всеобщности и универсальности. В силу этого принцип причинности выполнял и всегда будет выполнять важнейшие мировоззренческие и методологические функции в современном естествознании и философии естествознания. Многообразие форм проявления причинно-следственных отношений не может служить поводом для отказа от материалистического принципа причинности или утверждений об ограниченной его применимости.

Источники информации:

1. Свечников Г.А. Причинность и связь состояний в физике. М., 1971.
2. Свечников Г.А. Диалектико-материалистическая концепция причинности // Современный детерминизм: Законы природы. М., 1973.
3. Тюхтин В.С. Отражение, системы, кибернетика. М., 1972
4. Уемов А.И., Остапенко С.В. Причинность и время // Современный детерминизм: Законы природы.
5. Оруджев 3.М., Ахундов М.Д. Временная структура причинной связи // Филос. науки. 1969. №6.
6. Жаров А.М. Временное соотношение причины и следствия и неопределенность. 1984. №3.
7. Кузнецов И.В. Избранные труды по методологии физики. М., 1975.
8. Материалистичесская диалектика: В 5 т. Т. 1: Объективная диалектика / Под общ. ред. Ф.В. Константинова и В.Г. Марахова; Отв. ред. Ф.Ф. Вяккерев. М., 1981.
9. Налетов Н.3. Причинность и теория познания. М., 1975.
10. Гегель Г.В.Ф. Энциклопедия философских наук: В 3 т. Т. 1: Наука логики. М., 1974.
11. Старжинский В.П. Понятие «состояние» и его методологическая роль в физике. Минск, 1979.
12. Иванов В.Г. Причинность и детерминизм. Л., 1974.
13. Материалистическая диалектика. Т. 1. С. 213.
14. Бунге М. Философия физики. М., 1975. С. 99.
15. Бом Д. Причинность и случайность в современной физике. М., 1959.
16. Перминов В.Я. Проблема причинности в философии и естествознании. М., 1979. С. 209.
17. Никитин Е.П. Объяснение – функция науки. М., 1970.

Кулигин В.А. Причинность и взаимодействие в физике. Сборник Воронежского госуниверситета: «Детерминизм в современной науке». Воронеж, 1987.

Закон Дарси справедлив при соблюдении следующих условий:

a) пористая среда мелкозерниста и поровые каналы достаточно узки;

b) скорость фильтрации и градиент давления малы;

с) изменение скорости фильтрации и градиента давления малы.

При повышении скорости движения жидкости закон Дарси нарушается из-за увеличения потерь давления на эффекты, связанные с инерционными силами: образование вихрей, зон срыва потока с поверхности частиц, гидравлический удар о частицы и т.д. Это так называемая верхняя граница . Закон Дарси может нарушаться и при очень малых скоростях фильтрации в процессе начала движения жидкости из-за проявления неньютоновских реологических свойств жидкости и её взаимодействия с твёрдым скелетом пористой среды. Это нижняя граница.

Верхняя граница. Критерием верхней границы справедливости закона Дарси обычно служит сопоставление числа РейнольдсаRe=war/h с его критическим значением Re кр, после которого линейная связь между потерей напора и расходом нарушается. В выражении для числа Re:

w -характерная скорость течения:

а - характерный геометрический размер пористой среды;

r - плотность жидкости.

Имеется ряд представлений чисел Рейнольдса, полученных различными авторами при том или ином обосновании характерных параметров. Приведём некоторые из данных зависимостей наиболее употребляемые в подземной гидромеханике:

а) Павловского

Критическое число РейнольдсаRe кр =7,5-9 .

б) Щелкачёва

(1.31)

Критическое число Рейнольдса Re кр =1-12 .

в) Миллионщикова

(1.32)

Критическое число Рейнольдса Re кр =0,022-0,29 .

Скорость фильтрации u кр, при которой нарушается закон Дарси, называется критической скоростью фильтрации . Нарушение скорости фильтрации не означает перехода от ламинарного движения к турбулентному, а вызвано тем, что силы инерции, возникающие в жидкости за счёт извилистости каналов и изменения площади сечения, становятся при u>u кр соизмеримы с силами трения.

При обработке экспериментальных данных для определения критической скорости пользуются безразмерным параметром Дарси :

, (1.33)

представляющим отношение сил вязкого трения к силе давления. В области действия закона Дарси данный параметр равен 1 и уменьшается при превышении числа Re критического значения.

Нижняя граница. При очень малых скоростях с ростом градиента давления (изменение давления с глубиной) увеличение скорости фильтрации происходит более быстро, чем по закону Дарси. Данное явление объясняется тем, что при малых скоростях становится существенным силовое взаимодействие между твердым скелетом и жидкостью за счет образования аномальных, неньютоновских систем, н.п. устойчивые коллоидные растворы в виде студнеобразных плёнок, перекрывающих поры и разрушающихся при некотором градиенте давленияt н , называемого начальным и зависящим от доли глинистого материала и величины остаточной водонасыщенности. Имеется много реологических моделей неньютоновских жидкостей, наиболее простой их них является модель с предельным градиентом

(1.34)

1.3.1.4. Законы фильтрации при Re > Re кр

От точности используемого закона фильтрации зависит достоверность данных исследования скважин и определение параметров пласта. В связи с этим в области нарушения действия закона Дарси необходимо введение более общих, нелинейных законов фильтрации. Данные законы разделяются на одночленные и двухчленные.

19. Моделирование как метод познания. Виды моделей. Адекватность, границы применимости моделей. Примеры использования моделей при изучении биологических систем.

Моделирование - это метод, при котором производится за­мена изучения некоторого сложного объекта (процесса, явле­ния) исследованием его модели. Основные этапы моделирования можно свести к следующим:

1. Первичный сбор информации. Исследователь должен по­лучить как можно больше информации о разнообразных харак­теристиках реального объекта: его свойствах, происходящих в нем процессах, закономерностях поведения при различных внешних условиях.

2. Постановка задачи. Формулируется цель исследования, основные его задачи, определяется, какие новые знания в ре­зультате проведенного исследования хочет получить исследо­ватель. Этот этап часто является одним из наиболее важных и трудоемких.

3. Обоснование основных допущений. Другими словами, уп­рощается реальный объект, выделяются из характеристик (п. 1) не существенные для целей исследования, которыми можно пре­небречь.

4. Создание модели, ее исследование.

5. Проверка адекватности модели реальному объекту. Ука­зание границ применимости модели.

Таким образом , модель как бы согласовывает реальный объект с целью исследования: с одной стороны, упрощает объект, давая возможность провести исследование, но с другой - сохраняет то главное, что интересует исследователя. В биофизике, биологии и медицине часто применяют физи­ческие, биологические, математические модели. Также распро­странено аналоговое моделирование.

Физическая модель имеет физическую природу, часто ту же, что и исследуемый объект. Например, течение крови по сосу­дам моделируется движением жидкости по трубам (жестким или эластичным).

Биологические модели представляют собой биологические объекты, удобные для экспериментальных исследований, на которых изучаются свойства, закономерности биофизических процессов в реальных сложных объектах. Например, законо­мерности возникновения и распространения потенциала дей­ствия в нервных волокнах были изучены только после нахожде­ния такой удачной биологической модели, как гигантский аксон кальмара.

Математические модели - описание процессов в реальном объекте с помощью математических уравнений, как правило, дифференциальных. Для реализации математических моделей в настоящее время широко используются компьютеры.

Если процессы в модели имеют другую физическую природу, чем оригинал, но описываются таким же математическим аппа­ратом (как правило, одинаковыми дифференциальными урав­нениями), то такая модель называется аналоговой . Обычно в виде аналоговой модели используются электрические . Например, аналоговой моделью сосудистой системы является электричес­кая цепь из сопротивлений, емкостей и индуктивностей.

Основные требования, которым должна отвечать модель.

1. Адекватность - мо­дель должна с заданной степенью точности воспроизводить за­кономерности изучаемых явлений.

2. Должны быть установлены границы применимости моде­ли, то есть четко заданы условия, при которых выбранная мо­дель адекватна изучаемому объекту, поскольку ни одна модель не дает исчерпывающего описания объекта.