Все вопросы Мухин. Наука это особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве

• Название: Наука это особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве
• Дата: 25.06.2021
• Размер: 0.71 Mb.
• Имя файла: Все вопросы Мухин.doc
• Тип: Задача; #221546
• страница: 18 из 20

19. Математизация технических наук. Физическое и математическое моделирование.
Современный этап развития науки характеризуется усилением и углублением взаимодействия отдельных её отраслей, формированием новых форм и средств исследования, в т.ч. математизацией и компьютеризацией познавательного процесса. Распространение понятий и принципов математики в различные сферы научного познания оказывает существенное влияние, как на эффективность специальных исследований, так и на развитие самой математики.

В процессе математизации естественных, общественных, технических наук и её углубления происходит взаимодействие между методами математики и методами тех отраслей наук, которые подвергаются математизации, усиливается взаимодействие и взаимосвязь между математикой и конкретными науками, формируются новые интегративные направления в науке.

Говоря о применении математики в той или иной сфере науки, следует иметь в виду, что процесс математизации знания будет идти скорее тогда, когда объект исследования состоит из простых и однородных элементов. Если объект обладает сложной структурной, то применение математики затрудняется.

В процессе познания действительности математика играет все возрастающую роль. Сегодня нет такой области знаний, где в той или иной степени не использовались бы математические понятия и методы. Проблемы, решение которых раньше считалось невозможным, успешно решаются благодаря применению математики, тем самым расширяются возможности научного познания. Современная математика объединяет весьма различные области знания в единую систему. Этот процесс синтеза наук, осуществляемый на фоне математизации, находит свое отражение и в динамике понятийного аппарата.

Воздействие научно-технической революции на прогресс математики чаще всего происходит опосредствованными и сложным путем. Обычно запросы техники, производства и экономики выдвигают различные проблемы перед наукам, которые стоят ближе к практике. Решая свои проблемы, естественные и технические науки ставят соответствующие задачи перед математикой, стимулируя ее дальнейшее развитие.

Говоря о современном этапе математизации научного познания, следует отметить повышение эвристической и интегративной роли математики в познании, а также влияние научно-технической революции на развитие современной математики, ее понятий и методов.

В процессе взаимодействия современных наук единство абстрактного и конкретного проявляется как в синтезе математических теорий в структурах научного знания, так и в синтезе самих математических теорий.

Развитие техники, производственной деятельности людей выдвигает исследование новых, неизвестных ранее процессов и явлений природы, которое зачастую немыслимо без совместных усилий различных отраслей науки. Если отдельно области современного научного знания не способны изучить эти процессы природы в отдельности, то эту задачу можно осуществить на основе интеграции наук, изучающих различные формы движения материи. Благодаря трудам ученых, работающих в различных областях науки, комплексные проблемы находят свое объяснение. В свою очередь, это области науки обогащаются новым содержанием, выдвигаются новые научные проблемы. В таком процессе взаимосвязи и взаимовлияния научных областей обогащается и математическое знание, начинают осваиваться новые количественные отношения, закономерности.

Синтетический характер математики состоит в том, что она обладает предметной общностью, т.е. абстрагируясь от количественных свойств социальных, природных и технических объектов, изучает специфические закономерности, присущие этим областям.

Другим важнейшим качеством математики является ее эффективность, которая достигается на основе восхождения к абстракциям высокого уровня. Сущность математики определяется соотношением чистой и прикладной математики. Прикладная математика ориентирована на решение различных конкретных проблем реального мира. Тем самым, в математическом творчестве различают три этапа: во-первых, движение от реальной действительности к абстрактным структурам, во-вторых, создание абстрактных понятий и математических теорий, в-третьих, непосредственное применение математики.

Современный этап математизации науки характеризуется широким использованием метода математического моделирования. Математика разрабатывает модели и совершенствует методы их применения. Создание математических моделей – первый шаг в математико-исследовательском направлении. В последующем модель изучается посредством особых математических методов.

Математика имеет множество конкретных методов. Универсальность математики связана с двумя моментами. Во-первых, единством языка математических моделей, вытекающих их качественно различных задач (единство языка составляет внешнее единство математики), во-вторых, наличием общих понятий, принципов и методов, применяемых к бесчисленным конкретным математическим моделям.

В XVII-XIX веках благодаря применению математических понятий в физике были получены первые результаты в области гидродинамики, разработаны теории, связанные с распространением теплоты, явлениями магнетизма, электростатики и электродинамики. А. Пуанкаре создал теорию диффузии на основе теории вероятности, Дж.Масквелл – электромагнитную теорию на основе дифференциального исчисления, идея случайного процесса сыграла существенную роль в изучении биологами динамики популяции и разработке основ математической экологии.

Современная физика является одной из наиболее математизированных областей естествознания. Движение математической формализации к физическим теориям является одним из важнейших признаков развития физического познания. Это можно видеть в закономерностях процесса познания, в создании теории относительности, квантовой механики, квантовой электромеханики, в развитии современной теории элементарных частиц.

Говоря о синтезе научного знания, необходимо отметить и роль математической логики в процессе создания понятий нового типа. Математическая логика по своему предмету является логикой, а по своему методу – математикой. Она оказывает существенное влияние как на создание и развитие обобщающих идей, понятий, так и на развитие познавательных функций других наук. Математическая логика сыграла важнейшую роль в создании алгоритмов и рекурсивных функций. Наряду с этим, трудно без математической логики представить себе создание и развитие электроники, кибернетики, структурного языкознания.

Математическая логика сыграла важнейшую роль в процессе возникновения таких общенаучных понятий, как алгоритм, информация, обратная связь, система, множество, функция и др.

Математизация науки есть в сущности двуединый процесс, включающий рост и развитие как конкретных наук, так и самой математики. При этом взаимодействие между конкретными науками и математикой носит диалектической характер. С одной стороны, решение проблем конкретных наук выдвигает множество задач, имеющих чисто математический характер, с другой стороны, математический аппарат дает возможность точнее сформулировать законы и теории конкретных наук.

Другая причина математизации современной науки связана с решением крупных научно-технических проблем. Это, в свою очередь, требует применения современной вычислительной техники, что нельзя представить без математического обеспечения. Можно отметить, что на стыке математики и других конкретных наук возникли дисциплины «пограничного» характера, такие как математическая психология, математическая социология и т.д. В методах исследования синтетических наук, таких как кибернетика, информатика, бионика и др. математика выполняет определяющую роль.

Возрастание взаимосвязи естественных, общественных и технических наук и процесс их математизации представляет собой ту основу, на которой формируются и приобретают общенаучный статус такие понятия, как функция, система, структура, модель, элемент, множество, вероятность, оптимальность, дифференциал, интеграл и др.

Моделирование – метод научного познания, основанный на изучении реальных объектов посредством изучения моделей этих объектов, т.е. посредством изучения более доступных для исследования и (или) вмешательства объектов-заместителей естественного или искусственного происхождения, обладающих свойствами реальных объектов (аналоги объектов, подобные реальным в структурном или функциональном плане).

При мысленном (образном) моделировании свойства реального объекта изучаются через мысленно-наглядные представления о нем (с этого варианта моделирования начинается, вероятно, любое первое изучение интересующего объекта).

При физическом (предметном) моделировании модель воспроизводит определенные геометрические, физические, функциональные свойства реального объекта, при этом являясь более доступной или удобной для исследования благодаря отличию от реального объекта в некотором не существенном для данного исследования плане (например, устойчивость небоскреба или моста, в некотором приближении, можно изучать на сильно уменьшенной физической модели – рискованно, дорого и вовсе не обязательно «крушить» реальные объекты).

При знаковом моделировании модель, являющаяся схемой, графиком, математической формулой, воспроизводит поведение определенной интересующей характеристики реального объекта благодаря тому, что существует и известна математическая зависимость этой характеристики от прочих параметров системы (построить приемлемые физические модели изменяющегося земного климата или электрона, излучающего электромагнитную волну при межуровневом переходе – задача безнадежная; да и устойчивость небоскреба, вероятно, неплохо заранее просчитать поточнее).

По степени адекватности модели прототипу их принято подразделять на эвристические (приблизительно соответствующие прототипу по изучаемому поведению в целом, но не позволяющие дать ответ на вопрос, насколько интенсивно должен происходить тот или иной процесс в реальности), качественные (отражающие принципиальные свойства реального объекта и качественно соответствующие ему по характеру поведения) и количественные (достаточно точно соответствующие реальному объекту, так что численные значения исследуемых параметров, являющиеся результатом исследования модели, близки к значениям тех же параметров в реальности).

Свойства любой модели не должны, да и не могут, точно и полностью соответствовать абсолютно всем свойствам соответствующего реального объекта в любых ситуациях. В математических моделях любой дополнительный параметр может привести к существенному усложнению решения соответствующей системы уравнений, при численном моделировании непропорционально вырастает время обработки задачи компьютером, нарастает ошибка счета. Таким образом, при моделировании является существенным вопрос об оптимальной, для данного конкретного исследования, степени соответствия модели оригиналу по вариантам поведения исследуемой системы, по связям с другими объектами и по внутренним связям исследуемой системы; в зависимости от вопроса, на который хочет ответить исследователь, одна и та же модель одного и того же реального объекта может быть признана адекватной или абсолютно не отражающей реальность.

“Модель - это система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе”. Модели классифицируют исходя из наиболее существенных признаков объектов. Понятие “модель” возникло в процессе опытного изучения мира. Первыми, кто применил модели на практике, были строители.

Способы создания моделей различны: физический, математический, физико-математический.

Физическое моделирование характеризуется тем, что исследования проводятся на установках, обладающих физическим подобием, т. е. сохраняющих полностью или хотя бы в основном природу явлений.

Более широкими возможностями обладает математическое моделирование. Это способ исследования различных процессов путем изучения явлений, имеющих различное физическое содержание, но описываемых одинаковыми математическими моделями. Математическое моделирование имеет огромное преимущество перед физическим, поскольку нет необходимости сохранять размеры модели. Это дает существенный выигрыш во времени и стоимости исследования.

Моделирование широко применяется в технике. Это и исследование гидроэнергетических объектов и космических ракет, специальные модели для наладки приборов управления и тренировки персонала, управляющего различными сложными объектами. Многообразно применение моделирования в военной технике. В последнее время особое значение пробрело моделирование биологических и физиологических процессов.

Общеизвестна роль моделирования общественно-исторических процессов. Применение моделей позволяет проводить контролируемые эксперименты в ситуациях, где экспериментирование на реальных объектах является практически невозможным или по каким-то причинам (экономическим, нравственным и т. д.) нецелесообразным.

Большое значение на современном этапе развития науки и техники приобретают задачи предсказания, управления, распознавания. Метод эволюционного моделирования возник при попытке воспроизведения на ЭВМ поведения человека. Эволюционное моделирование было предложено как альтернатива эвристическому и бионическому подходу, моделировавшему мозг человека в нейронных структурах и сетях. При этом основная идея звучала так: заменить процесс моделирования интеллекта моделированием процесса его эволюции.

Таким образом, моделирование превращается в один из универсальных методов познания в сочетании с ЭВМ. Особо хочется подчеркнуть роль моделирования - бесконечную последовательность уточненных представлений о природе.

В общем случае процесс моделирования состоит из следующих этапов:

1. Постановка задачи и определение свойств оригинала, подлежащих исследованию.

2. Констатация затруднительности или невозможности исследования оригинала в натуре.

3. Выбор модели, достаточно хорошо фиксирующей существенные свойства оригинала и легко поддающейся исследованию.

4. Исследование модели в соответствии с поставленной задачей.

5. Перенос результатов исследования модели на оригинал.

6. Проверка этих результатов.

Основными задачами являются: во-первых, выбор моделей и, во-вторых, перенос результатов исследования моделей на оригинал.
21. Реализация советского атомного проекта. Появление новых технологий и технологических дисциплин.
В 2004 году атомная энергетика отметила 50-летие.

Атомная промышленность СССР создавалась в условиях концентрации материальных и интеллектуальных ресурсов страны. Результатом стали высочайшие темпы создания ядерного оружия, ядерных энергетических установок различного назначения, широкое внедрение ядерных технологий в народное хозяйство.

Мирная атомная энергетика началась с использования реакторов на тепловых нейтронах, освоенных сначала для оборонных целей. Промышленность ядерного топливного цикла атомной энергетики также сформировалась на базе оборонных производств.

Новый этап в естествознании, начавшийся в конце прошлого столетия рядом крупнейших открытий, таких, как радиоактивность, строение атома и ядра атома, привел к коренной ломке старых представлений о строении вещества, о свойствах материи, пространства и времени.

Практические результаты революции в физике - это величайшие достижения человеческого разума двадцатого столетия, которые глубоко повлияли на колоссальный рост производительных сил.

Одним из фундаментальных практических результатов этого этапа в естествознании явилось освоение атомной (ядерной) энергии деления тяжелых атомов и синтеза легких ядер.

27 июня 1954 года в г. Обнинске под Москвой была пущена первая в мире атомная электростанция (АЭС) мощностью 5000 кВт электрической энергии. До этого события великое открытие нашего века - энергия ядра атома - в представлении миллионов людей связывалась только с военным применением.

Атомная энергетика - с одной стороны, единственный производитель электроэнергии, который может на длительный период обеспечить человечество энергией и не способствует ни парниковому эффекту, ни кислотным дождям, с другой стороны - атомная энергетика небезопасна по самой своей природе для человека и окружающей его среды. Опасность глобального загрязнения окружающей среды радиоактивностью может возникнуть от разрушения ядерных реакторов при любых авариях или обычных военных конфликтах.

Первое в истории испытание ядерного оружия было произведено Соединенными Штатами Америки 16 июля 1945 года в штате Нью-Мексико за три недели до бомбардировки Хиросимы и Нагасаки.

У нас в стране ядерная физика зарождалась в довоенные годы. Особенно большие заслуги в развитии ядерной физики в СССР в довоенные годы и в подготовке кадров высшей квалификации в этой области знаний принадлежат Ленинградскому физико-техническому институту и его директору академику А.Ф.Иоффе, И.В.Курчатову, Н.Н.Семенову, А.П.Александрову, Л.Д. Ландау, М.В. Келдыш.

Для освоения атомной энергии необходим был еще огромный промышленный потенциал. Советская промышленность оказалась способной в кратчайший срок создать ряд новых, чрезвычайно сложных и квалифицированных производств, составляющих сегодня атомную индустрию.

В 1943 году Игорю Васильевичу Курчатову правительство поручило возглавить первый атомный научный центр и все работы по атомной проблеме.

Начало пятидесятых годов отмечено созданием термоядерного оружия ("водородной бомбы"), основу которого составляет термоядерный синтез легких ядер. В создании советской водородной бомбы исключительная роль принадлежала физику академику А.Д. Сахарову.

Создание атомного и водородного оружия знаменовало собой новый этап в истории человечества, выдвинув ряд жизненно важных философских и мировоззренческих проблем, не стоявших перед обществом ранее, подняв уровень ответственности политиков за глобальное существование самой жизни на нашей планете.

Для руководства новой отраслью науки и техники в 1953 году было образовано Министерство среднего машиностроения СССР ("Средмаш"), а в 1989 году оно было преобразовано в Министерство атомной энергетики и промышленности СССР. Эта отрасль с самого начала создавалась на основе научно-технического потенциала с мощной производственной базой, т.е. представляла собой нового типа научно-производственный комплекс.

Процесс создания ядерного оружия неразрывно связан с натурными ядерными испытаниями.

Ядерные испытательные взрывы проводятся с целью создания и совершенствования ядерного оружия, с целью проверки теоретических расчетов по принципиальной схеме ядерного устройства. Деликатность конструкций ядерного оружия требует также систематической проверки образцов хранящегося оружия.

Однако ядерные испытания ядерного оружия с самого начала оказывали и продолжают оказывать негативное воздействие на многие стороны международной жизни, на здоровье и благополучие миллионов людей. Ядерные взрывы, особенно в атмосфере и на земле, кем бы они ни проводились, в конечном счете, вели к росту общего количества радиоактивности в среде нашего обитания.

Благодаря большим усилиям Советского Союза в 1963 году был подписан СССР, США и Великобританией в Москве Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, в космическом пространстве и под водой. К настоящему времени его участниками стали более 115 государств.

Сегодня прекращение всех ядерных испытаний имеет принципиальное значение, чтобы не допустить создания ядерного оружия третьего поколения, или так называемого оружия направленного действия. Это оружие, обладающее качественно новыми параметрами по безопасности в мирное время, по эффективности и надежности поражения целей в военное время. Это оружие, с одной стороны, по глобальному радиоактивному загрязнению должно быть в сотни раз меньше, чем существующее, а с другой - способно поражать стратегические цели противника и в космосе, и на Земле.

Ядерное оружие сегодня, прежде всего, средство поддержания глобальной политической, военной и экономической стабильности на нашей планете.

Единственной альтернативой ядерному равновесию, стратегии сдерживания является режим полного доверия, полной открытости, всеобщего и полного запрещения ядерного оружия и его разработок.

В 1946 году была создана национальная лаборатория по разработке ядерного оружия, ныне эта лаборатория - Всесоюзный научно-исследовательский институт экспериментальной физики, расположен на границе Нижегородской области и Мордовской республики и, по существу, является городом с сотней тысяч жителей. Вторая наша национальная "лаборатория" по разработке ядерного оружия была создана на берегу озера Синара в Челябинской области в 1955 году. Город и институт - Всесоюзный НИИ технической физики создавались одновременно.

За сравнительно короткий срок эти институты выросли в крупнейшие научные центры страны. Это, по существу, крупнейшие научно-производственные центры, где наука, конструирование и производство являются одним, неразрывно связанным циклом, где созданы уникальные экспериментальные, вычислительные и производственные базы.

Особое внимание физиками-разработчиками всегда уделялось вопросам безопасности ядерного оружия при производстве, хранении и эксплуатации, при регламентных работах, и в первую очередь за счет разработки таких физических схем конструкций ядерного оружия, которые бы в принципе исключали ядерный взрыв в любой нештатной ситуации.

Повышение безопасности - на сегодня приоритетная цель программы ядерного оружия. Поскольку последствия аварии или умышленного захвата ядерного оружия чрезвычайно опасны как в политическом, так и в физическом отношении, то всегда принимались все меры для его защиты от возникновения несанкционированного ядерного взрыва или опасного рассеивания радиоактивных веществ.

Необходимо подчеркнуть исключительную сложность проблемы безопасности комплексов ядерного оружия и необходимость анализа с использованием трехмерных моделей, который требует полных приближений к ядерному взрыву. Сам ядерный заряд представляет собой сложное, уникальное техническое устройство, где комплексированы современные электронные устройства и генераторы, ядерно-активные материалы и обычные взрывчатые вещества. Работа этих устройств синхронизирована до стомиллионных долей секунды по времени в автоматическом режиме по командам управления. Естественно, и срок службы таких устройств ограничен по времени, как и любой другой сложнейшей электронной аппаратуры. При ядерном взрыве приходится иметь дело с веществом при температурах порядка сотни миллионов градусов и давлениях в сотни миллионов атмосфер, с переносом внутри вещества тепла и нейтронов в сверхбыстроменяющейся геометрии за время порядка одной миллиардной доли секунды на фоне цепной реакции деления с переменной скоростью.

Переход к подземным ядерным испытаниям был кардинальным шагом и в улучшении экологической обстановки, и в уменьшении количества ежегодных испытаний. Важно, что подземные ядерные испытания при достаточной глубине заложения ядерного устройства, прочной и герметичной забивке выработки заложения этого устройства в грунте, при соответствующих метеоусловиях на момент взрыва и спустя двое-трое суток после него и соблюдении многих других организационных и инженерных мер безопасности сводят к минимуму экологический ущерб на территории ядерного полигона и не наносят практически ущерба жителям и территории страны вне полигона. Территория ядерного полигона обычно составляет порядка нескольких тысяч квадратных километров.

С самого начала подземных испытаний принимались все меры к тому, чтобы на поверхность радиоактивные продукты практически не выходили. Радиационная безопасность подземных ядерных испытаний - это комплекс технических и организационных мер, обеспечивающих предупреждение аварийных ситуаций или ограничение их последствий и недопущение получения населением доз облучения выше уровней международных норм.