Только мысленный эксперимент применялся при разработке теории: Эксперимент мысленный – Гуманитарный портал

генетически-конструктивный метод | это… Что такое генетически-конструктивный метод?

        ГЕНЕТИЧЕСКИ-КОНСТРУКТИВНЫЙ МЕТОД (от греч. genetikos — относящийся к рождению, происхождению и лат. constructio — построение) — способ построения и развертывания теории, основанный на конструировании идеальных теоретических объектов и мысленных экспериментах с ними. В отличие от аксиоматического метода, при котором осуществляются логические действия над высказываниями, описывающими некоторую область объектов, Г.-к. м. предполагает оперирование непосредственно с идеальными (абстрактными) объектами. Процесс развертывания теории включает мысленные эксперименты с такими объектами, фиксируемыми в соответствующей знаковой форме и взятыми как конкретно наличные. В математике примером генетически-конструктивного развертывания теории является доказательство теорем в евклидовой геометрии, основанное на мысленных экспериментах с геометрическими фигурами (их трансформация, наложение друг на друга и т. п.).

        В опытных науках Г.-к. м. основан на операциях с абстрактными объектами теоретических схем — особыми моделями, включаемыми в состав теории. Относительно таких моделей формулируются законы теории. Напр., три основных закона ньютоновской механики (в ее эйлеровской версии) сформулированы относительно фундаментальной теоретической схемы механики, представляющей любой вид механического движения как перемещение материальной точки по континууму точек пространственно-временной системы отсчета и изменение состояния движения точек под действием силы. Здесь материальная точка, сила, пространственно-временная система отсчета являются фундаментальными абстрактными объектами механики, которые репрезентируют в идеализированной форме реальные физические тела, их механические воздействия друг на друга, а также часы и линейки физических лабораторий, в которых изучаются движения тел. Вывод теоретических следствий из основных законов механики осуществляется не только за счет логических операций с высказываниями и терминами теории, но и посредством мысленных экспериментов с абстрактными объектами теоретических схем.

        Напр., вывод из второго закона Ньютона одного из его теоретических следствий — закона малых колебаний — предполагает, что в фундаментальную теоретическую схему механики, относительно которой формулируется второй закон Ньютона, вносятся дополнительные конкретизации: сила вводится как «квазиупругая сила», которая возвращает материальную точку к положению равновесия; движение материальной точки рассматривается как отклонение и периодическое возвращение в положение равновесия; система отсчета выбирается так, чтобы можно было фиксировать колебания материальной точки. В результате всех этих мысленных экспериментов, учитывающих особенности реальных колебательных процессов, фундаментальная теоретическая схема механики превращается в модель малых колебаний — осциллятор. Ее можно рассматривать как своего рода дочернее образование по отношению к фундаментальной теоретической схеме и обозначить как частную теоретическую схему. Применение к ней уравнения, выражающего второй закон Ньютона, приводит к преобразованию этого уравнения в закон малых колебаний.

В рассуждениях физика осциллятор играет примерно ту же роль, что и геометрическая фигура в рассуждениях геометра.

        Даже в наиболее математизированных теориях естествознания вывод из фундаментальных законов их теоретических следствий предполагает мысленные эксперименты, в ходе которых осуществляется редукция фундаментальной теоретической схемы к частным. Неформальный характер процедур такой редукции превращает каждый вывод нового теоретического закона (как следствия фундаментальных законов) в решение особой теоретической задачи.

        Теория развертывается как своеобразная цепочка решения задач. Операции, приводящие к решению задач, требуют усилий исследователя. Ориентирами при этом выступают образцы некоторых решенных задач, которые включаются в состав теории и по аналогии с которыми решаются другие задачи. На роль о б р а з ц о в обращал внимание Т. Кун, однако в его концепции не была проанализирована их структура и генезис. Структура образцов определена процедурами редукции фундаментальной теоретической схемы к частным.

Она предполагает обращение исследователя к специфике изучаемого объекта и соответствующую корректировку теоретических схем.

        При формировании развитых научных теорий образцы автоматически включаются в их состав в процессе обоснования. Развитым теориям обычно предшествуют теоретические знания меньшей степени общности (частные теоретические схемы и сформулированные относительно них законы). Напр., ньютоновской механике предшествовали модели и законы, выражающие сущностные характеристики отдельных видов механического движения (колебания, вращения, свободного падения тел и т.д.).

        Построение обобщающих теорий осуществляется путем последовательного синтеза частных теоретических схем и соответствующих им законов. В этом процессе теоретические схемы перестраиваются и включаются в состав обобщающей теории. На завершающем этапе синтеза, когда сформулирована фундаментальная теоретическая схема, осуществляется доказательство того, что в ней аккумулировано основное содержание всего обобщаемого теоретического материала. Процесс такого доказательства предполагает конструирование соответствующих частных теоретических схем на базе фундаментальной и вывод из фундаментальных законов теории обобщаемых законов меньшей степени общности (напр., вывод из уравнений Максвелла законов Кулона, Био-Савара, Ампера и т.п.). В результате процесс обоснования демонстрирует приемы редукции фундаментальной теоретической схемы к частным, выступая образцами решения теоретических задач.

        Ориентируясь на них, исследователь решает новые теоретические задачи. Таким образом, Г. — к. м. представляет собой и способ построения теории, и способ ее развертывания, получения из основных ее законов новых теоретических следствий.

        B.C. Стёпин

        Г.-к. м. — способ построения теории, при котором исходными понятиями оказываются не описания эмпирически фиксируемых предметов и явлений, а так называемые конструкты. Термин «конструкт» используется для указания на некую абстрактную модель (идеальный объект, порождаемый теоретическим сознанием и существующий лишь в языке соответствующих концептуальных систем).

        Объекты такого рода служат средством представления знаний о тех характеристиках изучаемого фрагмента действительности, которые невозможно непосредственно наблюдать ни при каких условиях. Введение в структуру теории идеальных моделей позволяет весьма успешно использовать такое познавательное средство, как мысленный эксперимент. Представляя воображаемые объекты в некоторой знаковой форме, исследователь может вносить в нее определенные преобразования, вводить в содержание конструктов характеристики, не обнаруженные эмпирическим путем, рассматривать интересующие его сущности в таких условиях, которые в реальной обстановке могут быть невозможными. В с е это позволяет увидеть изучаемый объект в каком-то новом ракурсе и обнаружить такие способы его описания, которые ранее оставались не задействованными.

        Такие возможности обусловлены тем обстоятельством, что значение конструктов определяется не посредством каких-то эмпирических интерпретаций, а исключительно его связями с другими терминами, входящими в структуру соответствующей теоретической системы.

В связи с этим мысленное оперирование с идеальными объектами может изменять характер связей, существующих между языковыми средствами некоторой концептуальной конструкции, и тем самым открывать возможности качественно иного описания воображаемой действительности, а значит и появления новых содержательных интерпретаций тех результатов, которые получены с помощью интеллектуальных операций. Такие понятия термодинамики как, «идеальные газы» и «идеальная тепловая машина», «виртуальные частицы», о которых говорит современная микрофизика, «точки», «прямые линии» и «плоскости» в геометрии — все это примеры конструктов. Производя всевозможные операции с объектами такого рода, ученые обретают возможность развивать создаваемые ими теории, не попадая в абсолютную зависимость от эмпирической реальности. Данный метод наиболее эффективно применяется в сфере математических исследований, поскольку современная математика в меньшей степени, нежели другие области естествознания, опирается на результаты непосредственного взаимодействия с предметно-реальной действительностью. Однако и в дисциплинах, преимущественно ориентированных на экспериментальное исследование, Г. — к. м. часто оказывается вполне правомерным. Использование конструктов в содержательных концепциях оказывается возможным при условии их определенной корректировки, учитывающей особенности реальных предметов и явлений, теоретическим отображением которых и являются идеальные объекты.

        Определив фундаментальные для конкретной теоретической системы конструкты, исследователь обычно старается сформулировать некоторые законы, описывающие их взаимосвязь таким образом, что становится возможным соотнести эти законы с поведением реальных вещей и явлений, благодаря чему можно выводить эмпирические характеристики в качестве частных случаев из общих положений теории. Хотя основная сфера применения данного метода связана с опытом различных наук о природе, он достаточно часто используется и в гуманитарных науках. Введение в язык политической экономии и истории таких абстракций, как «общественно-экономическая формация» К.

Маркса или «идеальный тип» М. Вебера, способствовало получению в них важных теоретических результатов и позволило существенным образом повысить научную строгость этих дисциплин. С этой точки зрения концептуальная система, построенная с помощью Г. — к. м., выступает в роли эталонного образца при разработке целого ряда частных теорий, опирающихся на непосредственные эмпирические результаты исследований. Она задает способ формулировки соответствующих познавательных проблем и определяет направление поиска решения возникающих задач. То обстоятельство, что многие конкретные результаты могут быть получены в качестве частных следствий из общей концепции, позволяет видеть в эталонной теории синтетическую структуру, объединяющую в себе различные частные модели, служащие в данном случае формой выявления отдельных сторон и аспектов изучаемой предметной области. Из этого следует, что каждый раз, когда удается построить теорию, включающую в свое содержание множество других, связанных с ней фактическим материалом, уровень достигнутого знания повышается. Следовательно, Г. — к. м. является одним из важнейших средств развития научного знания, позволяющим получать сведения не только о характеристиках объективной реальности, непосредственно воспринимаемых человеком в его эмпирическом взаимодействии с изучаемой действительностью, но и о таких, существование которых лишь предполагается и не входит в сферу чувственного опыта.

        С.С. Гусев

        Лит.: Смирнов В.А. Генетический метод построения научной теории // Философские вопросы современной формальной логики. М., 1962; Кун Т. Структура научных революций. М., 1975; Стёпин B.C. Становление научной теории. Минск, 1976; Стёпин B.C. Теоретическое знание. М., 2000.

Энциклопедия эпистемологии и философии науки. М.: «Канон+», РООИ «Реабилитация». И.Т. Касавин. 2009.

Классификация экспериментов — Студопедия

Поделись  

Назовём некоторые основания классификации. К разновидностям экспе­риментов относят:

1) по условиям проведения — естественные и искусственные;

2) по целям исследования — преобразующие, контролирующие, конста­тирующие, поисковые и др. ;

5 — 1410 Ушаков

3) по количеству факторов — однофакторные и многофакторные;

4) по степени контролируемости факторов — активные и пассивные (ре­гистрирующие).

Рассмотрим некоторые виды экспериментов подробнее.

По условиям проведения. Так называемый естественный эксперимент предполагает изучение объекта в реальных условиях его существования; чаще всего такой вид эксперимента применяется в биологических и гумани­тарных науках. Искусственный же эксперимент требует для своего проведе­ния специально создаваемой обстановки, Чаще используется в науках о не-‘i живой природе. Его называют также лабораторным экспериментом.

Искусственный эксперимент имеет такие достоинства, как возмож­ность обеспечить достаточные условия для устранения побочных факто­
ров, т.е. для достижения высокой внутренней валидности, причём с эф­фективным использованием времени и ресурсов. Однако часто перед ним
встаёт проблема внешней валидности, или экстраполируемоети полученных результатов. i

Естественный же эксперимент, наоборот, уступая лабораторному в воз­можности создания удобных для исследователя условий, демонстрирует приближенный к реальности ход изучаемых процессов. Часто он использу­ется в технических науках для испытания изготовленных объектов, в этом случае его называют натурным. В зависимости от условий непосредствен­ного проведения естественный эксперимент может быть полевым, поли­гонным, производственным, клиническим и т.п. Главная задача в естествен­ном эксперименте — обеспечить максимальную непринуждённость, натуральность окружающей обстановки. В эту задачу, как правило, входят изучение параметров воздействия среды на данный объект, особенностей поведения или функционирования данного объекта и их оценка.

2. По целям исследования. Эксперимент преобразующий, предполагает активное изменение структуры и функций изучаемого объекта, преднамеренное создание условий, которые должны способствовать появлению его новых качеств.

Контролирующий эксперимент решает задачу обеспечения контроля над изучаемым объектом, управления объектом с помощью воздействую­щих факторов с одновременным изучением изменений его состояния в за­висимости от воздействия.

Констатирующий эксперимент представляет собой процедуру провер­ки какого-либо исходного предположения; целью данного эксперимента является фиксация наличия или отсутствия определённых свойств, отноше­ний, эффектов, состояний и т.п.

Поисковый эксперимент не имеет всецело систематического характе­ра; часто он является лишь начальной стадией в серии эксперименталь-

ных исследовании. Проводится в тех ситуациях, когда недостаточно извес­тен комплекс факторов, влияющих на изучаемый объект. Поэтому такой эксперимент носит разведывательный, предварительный характер. Именно для него в большой степени характерно то, что мы говорили выше об экспе­риментировании как поисковой активности. Поисковый эксперимент зани­мает достаточно видное место в научном познании, хотя его роль иногда недооценивается методологами из-за влиятельной роли теории в совре­менной эмпирической науке, что будет рассмотрено несколько ниже.

Важным видом эксперимента является также т. н. решающий экспери­мент. Для его проведения характерна ситуация, когда две или несколько гипотез конкурируют друг с другом, претендуя на роль ведущей и при­мерно одинаково согласуясь с имеющимся эмпирическим базисом. В этом случае решающим экспериментом становится такой, результаты которого од­нозначно свидетельствуют в пользу одной теоретической системы и опро­вергают альтернативную ей систему. Для этого, конечно, сам эксперимент должен быть спланирован так, чтобы основной вопрос, решаемый в ходе экспериментального исследования, был сформулирован дихотомически, т.е. чтобы он допускал только два возможных ответа: «да» или «нет». Приме­рами решающих экспериментов могут служить: знаменитый «маятник Фуко», благодаря которому Ж.Б.Л. Фуко продемонстрировал вращение Зем­ли (1851 г.), доказав справедливость теории Коперника и опровергнув тео­рию Птолемея; опыт О.Ж. Френеля с открытием белого пятна в тени диска, благодаря которому была открыта дифракция света и поддержана волновая теория света в противовес корпускулярной.

Однако следует заметить, что вопрос о действительной роли решающих экспериментов в развитии научного знания весьма непрост. Например, далеко не всегда решающий эксперимент расценивается современниками как именно решающий; часто это удаётся понять лишь намного позже. В последующих разделах мы ещё вернёмся к этой теме.

3. По количеству факторов — (подробно см. ниже).

4.По степени контролируемости факторов. Эксперимент активный предполагает возможность существенного управления независимыми переменными. Экспериментатор контролирует «вход» и «выход» иссле­дуемой системы. Но не всегда независимая переменная хорошо контроли­руема. Иногда мы можем лишь констатировать, что она изменяется, не будучи в состоянии целенаправленно воздействовать на неё. В этом слу­чае имеет место ситуация пассивного, или регистрирующего, эксперимен­та. Здесь экспериментатор наблюдает за поведением зависимой перемен­ной, стараясь извлечь максимум информации об изучаемых взаимосвязях. Примером может служить изучение шокового процесса в патологической физиологии, когда у лабораторного животного он вызывается искус-

ственно; исследователь следит за функционированием биохимических систем организма в зависимости от стадии шока, не предпринимая актив­ного вмешательства. В экспериментах подобного типа вообще велик удельный вес входящего в них наблюдения.

Самостоятельным вариантом регистрирующего эксперимента являет­ся корреляционное исследование. Некоторые методологи считают его отдельным научным методом, но по своей логической схеме он является , частным случаем именно пассивного, регистрирующего эксперимента. Корреляционные исследования часты в гуманитарных науках, где воз­можность активного вмешательства в изучаемые процессы весьма ограни­ченна. Например, исследователь выдвигает гипотезу, что дети из многодет­ных семей быстрее развиваются и демонстрируют большую успеваемость в школе, чем те дети, которые являются в своих семьях единственными. Как можно проверить эту гипотезу? Исследователь не может здесь пред­принять какие-либо активные действия, чтобы вызвать и проверить иско­мые различия, однако у него есть возможность изучить зависимость между уже существующими различиями: для этого он ищет и изучает статистические данные, сопоставляя их между собой. Таким образом, в от­личие от активного эксперимента, где осуществляются контролируемые воз­действия, в корреляционном анализе проверяются гипотезы о взаимосвязи уже имеющихся данных, проводится ретроспективное изучение уже* произошедших событий. Здесь учёный работает с наличными массивами данных, применяет статистические методы их обработки для выделения возможных детерминант определяемых различий. Корреляционное ис­следование относится к квазиэкспериментальному подходу, о котором мы говорили в предыдущем параграфе: оно сочетает в себе черты и экспе­римента, и наблюдения.

Помимо перечисленных, в методологии науки называют и другие виды экспериментов. Так, выделяют в качестве особой разновидности матема­тический, или вычислительный, эксперимент: в этом случае на основе компьютерной обработки введённых данных получают результат в виде математического решения той или иной задачи. Он применяется в эколо­гии, сейсмологии, аэродинамике и других науках. К преимуществам мате­матического эксперимента, способствовавшим его широкому применению в современной науке, относится, помимо высокой точности проводимых расчётов, то, что в таком исследовании каждый участвующий фактор мож­но свободно варьировать при отсутствии того риска катастрофических последствий, который может возникнуть в натурном эксперименте. Математический эксперимент имеет черты, относящиеся к методу моделиро­вания; в § 2.5 мы несколько подробнее поговорим о плюсах и минусах применения имитационных математических моделей.

Ещё одним специальным видом экспериментирования, занимающим важное место в научной практике, является мысленный эксперимент. Он применяется учёными как средство расширения доступных им эксперимен­тальных средств. В случае, когда провести реальный эксперимент не пред­ставляется возможным, учёный может мысленно воспроизвести и продумать саму экспериментальную ситуацию, получив в ходе этого продумывания важные теоретические результаты. Хрестоматийным примером мысленного эксперимента является мысленное рассмотрение падающего лифта, осу­ществлённое Эйнштейном в ходе разработки теории относительности. Мысленный эксперимент опирается на различные процедуры абстрагирова­ния, идеализации, рассуждений по аналогии. Он сочетает в себе черты как эмпирического, так и теоретического уровней исследования. Как уже говори­лось выше (§ 1.4), приёмы мысленного экспериментирования, составляющие особый метод конструктивного обоснования абстрактных объектов, играют важнейшую роль в развитии теоретического знания (B.C. Степин).



Экспериментальный эксперимент | наука | Britannica

Gedankenexperiment (нем. «мысленный эксперимент») термин, используемый немецким физиком Альбертом Эйнштейном для описания его уникального подхода к использованию концептуальных, а не реальных экспериментов при создании теории относительности.

Например, Эйнштейн описал, как в возрасте 16 лет он видел себя мысленным взором, когда он ехал на световой волне и смотрел на другую световую волну, движущуюся параллельно его. Согласно классической физике, Эйнштейн должен был видеть вторую световую волну, движущуюся с относительной нулевой скоростью. Однако Эйнштейн знал, что электромагнитные уравнения шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла абсолютно требуют, чтобы свет всегда двигался со скоростью 3 × 10 ⁸ метров (186 000 миль) в секунду в вакууме. Ничто в теории не позволяет световой волне иметь нулевую скорость. Возникла и другая проблема: если неподвижный наблюдатель видит свет со скоростью 3 × 10 ⁸ метров в секунду, в то время как наблюдатель, движущийся со скоростью света, видит свет с нулевой скоростью, это будет означать, что законы электромагнетизма зависят от наблюдателя. Но в классической механике одни и те же законы применимы ко всем наблюдателям, и Эйнштейн не видел причин, почему электромагнитные законы не должны быть в равной степени универсальными. Постоянство скорости света и универсальность законов физики для всех наблюдателей — краеугольные камни специальной теории относительности.

Эйнштейн использовал еще один мысленный эксперимент , чтобы начать построение своей общей теории относительности. Он ухватился за озарение, которое пришло к нему в 1907 году. Как он объяснил в лекции в 1922 году:

Я сидел на стуле в своем патентном бюро в Берне. Внезапно меня осенила мысль: если человек свободно падает, он не чувствует своего веса. Я был ошеломлен. Этот простой мысленный эксперимент произвел на меня глубокое впечатление. Это привело меня к теории гравитации.

Эйнштейн имел в виду любопытный факт, известный во времена английского физика сэра Исаака Ньютона: какой бы ни была масса объекта, он падает на Землю с одинаковым ускорением (без учета сопротивления воздуха) в 90,8 метра (32 фута) в секунду в квадрате. Ньютон объяснил это, постулировав два типа массы: инертную массу, которая сопротивляется движению и входит в его общие законы движения, и гравитационную массу, которая входит в его уравнение для силы тяжести. Он показал, что если две массы равны, то все объекты будут падать с одинаковым гравитационным ускорением.

Эйнштейн, однако, понял нечто более глубокое. Человек, стоящий в лифте с оборванным кабелем, чувствует себя невесомым, поскольку корпус свободно падает на Землю. Причина в том, что и он, и лифт ускоряются вниз с одинаковой скоростью и, следовательно, падают с одинаковой скоростью; следовательно, если не смотреть снаружи лифта на свое окружение, он не может определить, что его тянет вниз. Фактически, он не может провести эксперимент в закрытом падающем лифте, чтобы определить, находится ли он в гравитационном поле. Если он выпустит мяч из руки, он будет падать с той же скоростью, просто оставаясь там, где он его выпустит. И если бы он увидел, как мяч опускается к полу, он не мог бы сказать, было ли это потому, что он покоился в гравитационном поле, которое тянуло мяч вниз, или потому, что трос тянул лифт вверх, так что его пол поднимался к земле. мяч.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Эйнштейн выразил эти идеи в своем обманчиво простом принципе эквивалентности, лежащем в основе общей теории относительности: в локальном масштабе — то есть в рамках данной системы, без рассмотрения других систем — невозможно различить физические эффекты, обусловленные гравитации и вызванные ускорением.

В этом случае, продолжил мысленный эксперимент Эйнштейна , на свет должна влиять гравитация. Представьте, что в лифте просверлено отверстие прямо в двух противоположных стенах. Когда лифт находится в состоянии покоя, луч света, входящий в одно отверстие, движется по прямой линии, параллельной полу, и выходит через другое отверстие. Но если лифт ускоряется вверх, к тому времени, когда луч достигает второго отверстия, отверстие смещается и больше не совпадает с лучом. Когда пассажир видит, что свет не попадает во второе отверстие, он заключает, что луч прошел по криволинейной траектории (фактически, по параболе).

Если луч света искривляется в ускоренной системе, то, согласно принципу эквивалентности, свет должен искривляться и под действием силы тяжести, что противоречит обыденному ожиданию, что свет будет двигаться прямолинейно (если только он не перейдет из одной среды в еще один). Если его путь искривлен гравитацией, это должно означать, что «прямая линия» имеет другое значение вблизи массивного гравитационного тела, такого как звезда, чем в пустом пространстве. Это был намек на то, что гравитацию следует рассматривать как геометрическое явление.

Сидни Перковиц

Самый известный мысленный эксперимент Эйнштейна

Самый известный мысленный эксперимент Эйнштейна

John D. Norton
Департамент истории и философии науки
University of Pittsburgh, Pittsburgh PA 15260
Домашняя страница: www.pitt.edu/~jdnorton
Эта страница (с анимированными рисунками) доступна по адресу www.pitt.edu/~ jdnorton/плюшки

Эйнштейн вспоминал, как в 16 лет он представлял себе погоню после луча света и что мысленный эксперимент сыграл незабываемую роль в разработке им специальной теории относительности. Известный как он есть, он доказал трудно понять, как мысленный эксперимент дает свои результаты. Это не создает серьезных проблем для электродинамики, основанной на эфире. Я предлагаю новый способ прочтения, который хорошо вписывается в этапы открытия Эйнштейном специальной теории относительности. Это показывает несостоятельность «эмиссионной» теории света, подхода к электродинамическому Теория, которую Эйнштейн серьезно рассматривал и отвергал до своего прорыв 1905.

Подробнее см.:

«В погоне за светом: самый известный мысленный эксперимент Эйнштейна», подготовленный для Мысленные эксперименты в философии, науке и искусстве , ред., Джеймс Роберт Браун, Мелани Фраппье и Летиция Мейнелл, Routledge. Скачать.

Разделы 5–6 книги «Эйнштейн, исследующий ковариант Галилея». Электродинамика до 1905 г.», Архив истории точных наук , 59 (2004), стр. 45105. Скачать.

1. Головоломка

Разве мы не можем быть очарованы этой восхитительной историей? Эйнштейн рассказывает в своих автобиографических заметках поразительную мысль, которую он было в 16 лет? Рассказывая об усилиях, которые привели к особому теории относительности, он вспомнил

«…парадокс, на который я натолкнулся уже в возрасте шестнадцать: Если я буду преследовать луч света с скорости с (скорость света в вакууме), я должен наблюдать такой пучок свет как покоящееся электромагнитное поле, хотя и колеблющееся в пространстве. Там кажется, однако, что это не так, ни на основании опыта, ни по уравнениям Максвелла. С самого начала мне казалось интуитивно ясно, что, если судить с точки зрения такого наблюдателя, все должно было бы происходить по тем же законам, что и для наблюдателя который по отношению к земле находился в покое. Ибо откуда первому наблюдателю знать или суметь определить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения? Один видит в этом парадоксе зародыш специальной теории относительности уже содержится.»

Мысль сама по себе проста. Вот свет, форма волны, распространяющаяся на c:

Если бы молодой Эйнштейн погнался за ним в точке с, он бы догонять волну и двигаться вместе с ней, как серфер на волне. Он увидит застывшую световую волну.

Несостоятельность этой мысли привела к падению великое достижение физики девятнадцатого века, эфир, который тогда дал основой всей электромагнитной теории.

Беда в том, что довольно непонятно только как эта мысль создает трудности для эфира. Эйнштейн привел три причины, и на каждую из них мог бы легко ответить способный теоретик эфира.

	Эйнштейн написал…	Теоретик эфира отвечает…
	«…Я должен наблюдать такой луч света как электромагнитное поле в состоянии покоя, хотя и колеблющееся в пространстве. Кажется, однако быть таковым не может…»
1	«…ни на основании опыта…»	…но у нас нет застывшего света для простых причина, по которой мы не движемся в точке с через эфир. Если бы мы двигались так быстро, мы бы испытали застывший свет.
2	«…ни по уравнениям Максвелла…»	Не так. Очень короткий расчет показывает, что Максвелл уравнения предсказывают, что свет застывает для наблюдателей, движущихся со скоростью c через эфир.
3	«…С самого начала мне казалось интуитивно ясным, что, если судить с точки зрения такого наблюдателя, все должно было бы происходить по одному и тому же законы, как для наблюдателя, который относительно земли находился в покое. Ибо как первый наблюдатель должен знать или быть в состоянии определить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения?…»	Наблюдатель знает, что он движется быстро относительно эфир просто потому, что свет застыл. Аналогично серфер знает, что он движется, так как он остается на волне.

Так что же нам делать с мысленным экспериментом? Возможно, это не более чем запись висцерального догадки не по годам развитому 16-летнему подростку, который даже не изучал Максвелла теории до двух лет спустя. Это возможность, которую мы не можем исключить. Если это правильно, то нам не нужно больше ломать голову над тем, как мысленный эксперимент работает, потому что мало что еще может пролить свет на путь Эйнштейна. к специальной теории относительности.

Но тогда мы должны спросить, почему мысленный эксперимент заслуживает гордости места в определяющей автобиографии Эйнштейна? Есть ли в нем убедительность, выходящая за рамки последней средней школы Эйнштейна? год? Что Эйнштейн упоминает уравнения Максвелла в мысленном эксперименте предполагает их отношение к операции мысленного эксперимента и, таким образом, что эта операция имела отношение к позднейшей мысли Эйнштейна, после того как он выучил уравнения Максвелла.

Хотя мы не можем знать по имеющимся доказательствам, если мысль эксперимент действительно имел убедительность за пределами размышлений 16-летнего Эйнштейна, мы можно спросить, существуют ли правдоподобные описания пути Эйнштейна к особым относительность, в которой мысленный эксперимент играет более важную роль.

2. Предлагаемое решение

Существует способ понять, как мысленный эксперимент может иметь значение, выходящее далеко за пределы эйнштейновского последний год в старшей школе. Суть не в том, чтобы связать мысленный эксперимент с эфирные теории электромагнетизма. Скорее, мы знаем, что Эйнштейн посвятил некоторое усилий в течение многих лет, предшествовавших его открытию 1905, к так называемым «эмиссионным» теориям света и электромагнетизма. В конце концов Эйнштейн счел такие теории нежелательными и несостоятельными.

Я полагаю, что мысленный эксперимент Эйнштейна дал особенно убедительный способ сформулировать те возражения и тем самым поддержали Эйнштейна в его окончательном решении: это дает создал эмиссионную теорию в пользу сохранения знаменитой теории Максвелла-Лоренца. теории, но с радикально измененной теорией пространства и времени.

3. Эмиссионная теория света и электромагнетизм

Позднее Эйнштейн неоднократно вспоминал, что до его открытия специальной теории относительности, он исследовал эмиссионные теории, что указывает на сходство его подхода с подходом Уолтера Ритца. в затем стандартная электродинамика Максвелла и Лоренца, электромагнитное воздействие всегда распространяется на c по отношению к эфир . Простейшим примером было распространение световой волны. Но он в равной степени справедлив для действия одного заряда на другой. Это был этот факт это делало невозможным согласование принципа относительности с электромагнетизм. Эфир обеспечивал предпочтительное состояние покоя, необходимое для теории, но несовместимой с идеей о том, что все инерциальные состояния движения эквивалент.

Итак, Ритц в 1908 году и Эйнштейн незадолго до 1905 года пытались изменить электромагнитную теорию таким образом, чтобы электромагнитные эффекты всегда распространяется на c по отношению к источнику эффект . Если бы такую ​​теорию можно было бы найти, она бы больше не требуют состояния покоя эфира, и было бы разумно ожидать, что он мог бы соответствуют принципу относительности.

Анимация ниже отображает разница. Слева в теории Максвелла-Лоренца электромагнитная действие распространяется из фиксированной точки в эфире. Итак, когда два заряда движутся вместе воздействуют друг на друга, источником эффекта, ощущаемого одним, является фиксированная точка в эфире, оставленная движущимся источником. Поскольку эффект распространяется из точки, оставленной движущимися зарядами, наблюдатель, движущийся с зарядами можно использовать этот факт, чтобы определить, что заряды движутся.

Справа мы видим соответствующий процесс в модифицированном «эмиссионная» теория, такая как разработанная Ритцем и Эйнштейном. Движение источник добавляется к распространяющемуся эффекту. Итак, теперь эффект распространяется изотропно из точки, которая движется вместе с источником. Чтобы увидеть это, обратите внимание, как расширяющиеся сферические оболочки остаются центрированными на движущемся положительном заряде это их источник, как это произошло бы, если бы оба заряда находились в покое. распространение электромагнитных эффектов больше не может использоваться наблюдателями перемещение с двумя зарядами для обнаружения их абсолютного движения; принцип относительность больше не угрожает.

Простейшим электромагнитным действием является распространение легкий. Таким образом, в этой теории скорость излучателя — источника — добавляется к скорость испускаемого света. По этой причине он известен как «излучение». теория.

Многообещающе, как должно было изначально показаться Эйнштейну. стремясь восстановить принцип относительности, Эйнштейн в конечном итоге отверг эмиссионную теорию. Его более поздняя переписка и статьи завалены замечаниями о проблемах, с которыми столкнулась теория. Две будут вернуться, как наша история разворачивается.

— В письме Паулю Эренфесту от июня 1912 г. (и в других местах) Эйнштейн заметил, что эмиссионная теория противореча элементарному результату оптики: физическому состоянию луча света. определяется его интенсивностью и цветом (и поляризацией).

— В интервью Р. С. Шенкленду в В 1950-х годах Эйнштейн заметил, что эту теорию нельзя сформулировать как локальную теории поля, то есть в терминах дифференциальных уравнений.

В локальной теории поля мы восстанавливаем как поле развивается во времени, принимая свое состояние в один момент и консультируясь с уравнениями дифференциального поля теории. Эти уравнения принимают текущее состояние полей и расскажите нам, как быстро они меняются. Из эти скорости изменения мы можем затем сделать вывод о состояниях поля в будущем раз. (Аналогичный анализ говорит нам, как поле будет меняться в разных частях пространства.)

4. Мысленный эксперимент Эйнштейна в контексте Эмиссионная теория Света

Давайте теперь вернемся к мысленному эксперименту Эйнштейна и вообразите, что его целью стала эмиссионная теория света. Мы немедленно видим, что три возражения докладов Эйнштейна представляют собой серьезные препятствия для эмиссионной теории. Давайте возьмем три возражения по порядку.

1. Первое возражение заключалась в том, что мы на самом деле не ощущаем застывший свет. Это загадка эмиссионной теории света. Мы должны предположить, что существуют источники света со всевозможными скоростями вокруг нас. Источник света движется быстро удаляясь от нас, будет излучать световую волну, которая медленно распространяется относительно нам. В самом крайнем случае источник света удаляется от нас в точке с. Что источник оставит в космосе застывшую световую волну, так как анимация показывает:

Итак, если теория излучения является правильной теорией света, мы следует ожидать в конце концов столкнуться с застывшими световыми волнами, испускаемыми быстро удаляющиеся источники. Но мы не испытываем ничего подобного.

2. Второе возражение было то, что застывший свет был несовместим с Уравнения Максвелла. Почему это должно быть проблемой для эмиссионной теории? когда такая теория не использует уравнения Максвелла? Это будет проблемой, но требуется несколько шагов, чтобы прийти к заключению.

Во-первых, отметим, что эмиссионная теория допускает замороженный свет в обычном обстоятельства; нам не нужно двигаться в точке c, чтобы найти его. Это означает, что замороженная световая волна должна быть частью электростатики и магнитостатики, теории статических электрических и магнитных полей. Теперь электродинамика Максвелла развивалась в течение полувека и основывалась на длинной серии эксперименты по электричеству и магнетизму. Эмиссионная теория должна скорректировать теорию, но не может изменить ее слишком радикально на боль несовместимости с этими экспериментами. Одна часть Максвелла теория, которая кажется наиболее надежной, — это ее простейшая часть, ее трактовка статических электрические и магнитные поля. Таким образом, мы ожидаем, что успешная эмиссионная теория согласиться с теорией Максвелла в этой самой простой и надежной части.

Теперь у нас есть проблема: эмиссионная теория позволяет существование замороженных световых волн. Но эмиссионная теория должна точно согласовываться с трактовкой статических полей в теории Максвелла и теории Максвелла не допускает статических полей, что соответствует замороженным световым волнам.

3. В третьем возражения, Эйнштейн сетовал на наблюдателя, уловившего световой луч: «…Для как первый наблюдатель должен знать или быть в состоянии определить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения?» Конечно, в В контексте эмиссионной теории «состояние быстрого равномерного движения» должно быть читается как «быстрое равномерное движение относительно источника света».

Сначала непонятно, какое вообще должно иметь значение, наблюдатель, поймавший световой луч, может сделать это суждение. оказывается важно, если общая эмиссионная теория света должна быть детерминированный; то есть, если текущее состояние полей и тому подобное в пространстве, чтобы иметь возможность определить, как они будут развиваться в будущем. Эйнштейна беспокоит то, что детерминизм потерпит неудачу. Чтобы понять почему, представьте, что вы являются наблюдателем, которому дан сигнал, но все, что вы знаете о нем, это его состояние в момент настоящее мгновение.

Световая волна в одно мгновение

Сможете ли вы определить, соответствует ли форма волны застывший в космосе;

Одно возможное будущее: застывший свет волна

или это тот, который распространяется мимо вас?

Другое возможное будущее: распространяющийся свет волна

Оба варианта возможны в эмиссии теория. В каком случае зависит от вашей скорости по отношению к источник света. Если вы движетесь в точке c по отношению к источнику, волна замороженный. Если вы находитесь в состоянии покоя относительно источника, волна распространяется в с.

Можете ли вы сказать, какой у вас чемодан, просто взглянув на форма волны в одно мгновение? Вы не можете. Более раннее замечание Эйнштейна о свете теперь решающее. Световая волна полностью характеризуется своим цветом, интенсивностью и поляризации, и оба случая согласуются в этих свойствах. Форма волны не имеет свойств в данный момент, которые позволили бы вам определить каким будет его развитие в будущем. Это индетерминизм. Настоящее состояние волны не определяет ее будущее развитие во времени.

Хотя это обстоятельство может быть просто странным неполноты нашего знания, оно становится кризисом, если мы воображаем, что мы не люди-наблюдатели, а дифференциальные уравнения локальной теории поля. Ибо, как мы видели выше, основная функция этих полей уравнений состоит в том, чтобы взять текущее состояние полей и вывести из них скорости изменения поля. Эти скорости изменения затем определяют время развитие сигнала — независимо от того, распространяется он или нет, и как быстро он распространяется. Эта существенная функция невозможна в эмиссионной теории. ибо мгновенное состояние световой волны не определяет скорости изменение поля.

Следовательно, благодаря Эйнштейну мысленный эксперимент, мы заключаем, что эмиссионная теория не может быть сформулирована как локальная теория поля.

Мы можем обобщить проблемы, поставленные мыслью Эйнштейна. эксперимент по эмиссионной теории:

	Эйнштейн написал…	Специалист по теории выбросов беспокоится…
	«…Я должен наблюдать такой луч света как электромагнитное поле в состоянии покоя, хотя и колеблющееся в пространстве. Кажется, однако быть таковым не может. ..»
1	«…ни на основании опыта…»	Теория излучения позволяет наблюдателям замораживать формы волн. во всех инерциальных состояниях движения, поэтому мы должны ожидать, что испытаем их.
2	«…ни по уравнениям Максвелла…»	Теория излучения должна точно согласовываться со статическими полями с теорией Максвелла, но теория Максвелла запрещает статические поля застывшего света (кроме специального случае наблюдателей, движущихся в точке с относительно эфира).
3	«…С самого начала мне казалось интуитивно ясным, что, если судить с точки зрения такого наблюдателя, все должно было бы происходить по одному и тому же законы, как для наблюдателя, который относительно земли находился в покое. Ибо как первый наблюдатель должен знать или быть в состоянии определить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения?…»	Мы не можем сказать по мгновенному состоянию света волны, будь то застывшая волна или распространяющаяся волна. Так что дифференциальный уравнения поля не могут сказать ни то, ни другое, и эмиссионная теория света нельзя сформулировать как локальную теорию поля, управляемую дифференциальным уравнения поля.

5. Заключение

Когда Эйнштейн отказался от эмиссионной теории света, он также отказаться от надежды на то, что электродинамику можно будет привести в соответствие с принцип относительности обычными модификациями электродинамического теория, занимавшая теоретиков второй половины XIX в. Вместо этого Эйнштейн знал, что должен прибегнуть к чрезвычайные меры. Он был готов добиваться реализации своей цели в пересмотре наших основных представлений о пространстве и времени.