Парадигма развития науки. Методологическое обеспечение (стр. 15 )

Рис. 1. Развитие методов моделирования

Со­временное развитие моделирования в этих областях можно характеризовать участком 1—1 кривой В. Модель при этом рассматривается пока только как нечто внешне или в лучшем случае функционально похожее на оригинал. Таковы, например, модели мыши и черепахи, созданные Шеноном и Уолтером. Эти кибернетические модели не воспроизводят каких-либо физических или физиоло­гических процессов и не отражают количественных соотношений, но дают внеш­нюю похожесть функций. Модели, например, отыскивают себе «пищу» (для моделей это магнит или источник света), запоминают к ней дорогу, т. е. качест­венно (без количественных соотношений) моделируют некоторые функции живого организма. В рассматриваемых моделях Шеннон и Уолтер как бы возвращаются (разумеется, на новом уровне) к представлениям Леонардо да Винчи, воспроизводя в своих моделях некоторые функции живых существ. Мо­дели отражают взаимодействие живого организма с внешней средой, его спо­собность реагировать на те или иные раздражения. Однако реальные живые существа и их поведение значительно сложнее. Они определяются не только внешними условиями и функциональными связями. Живые существа, кроме того, концентрируют, перерабатывают и воспроизводят при размножении поток информации, как приобретенной в ходе индивидуального развития, так и полу­ченной от предков, т. е. информации, накопленной в процессе исторического развития вида.

Метод, который был основным при моделировании сложных процессов, отличался функциональным подходом к задачам. Однако при моделировании «живого» необходимо учесть, что функциональный подход выделяет только свойства отдельной стороны изучаемого сложного явления. А у последнего имеется множество функций, отраженных в ряде про­цессов. Можно получить в модели многофункционального явления схожие по отдельным функциям процессы, не имея подобия в целом, подобия во всей сово­купности функций.

Но даже при таком ограниченном подходе современное биологическое моде­лирование все еще несовершенно из-за отсутствия тех количественных характе­ристик, которые придали бы ему большую определенность, ввели его в общее русло единых и целенаправленных методов моделирования.

К сожалению, изучая живую природу с помощью физических методов, иссле­дователь пока не всегда может найти достаточно надежные математические соотношения между параметрами и зафиксировать с их помощью те физические или физико-химические законы, которые управляют сложной живой системой. Однако не следует делать вывод, что в биологическое моделирование нельзя ввести математические критериальные соотношения. В задачах медицины моде­лирование, применяя вычислительные машины, перешло от первых опытов к решению практических задач, выявили возможности применения моделирования в генетике, во всяком случае в том ее разделе, который получил название инженерной генетики. Таким образом, действительно можно ожидать, что аллюр кривой В (рис. 1), отражающий моделирование в историческом плане и прогнозирующий его будущее, далее будет очень быстрым (отре­зок 1—2).

Возвращаясь вновь к кривой А (рис. 1), можно заметить, что столь успеш­но и, казалось бы, эффективно совершенствовавшиеся методы моделирования далеко не сразу получили признание; как правило, они встречались сначала недоверием. Здесь поучительным историческим примером недооценки роли моде­лирования может служит гибель броненосца «Кэптен», построенного в 1870 г. В то время английские ученые-кораблестроители Фруд и Рид создали теорию моделирования кораблей, кстати сказать, потом существенно развитую в нашей стране акад. . На основе экспериментов на моделях теория про­исходящих явлений уточнялась и давала полную картину поведения «натуры». Исследования модели показали, что броненосец должен опрокинуться даже при небольшом волнении. Специалисты Адмиралтейства не сочли моделирование серьезным доказательством. При выходе в море «Кэптен» перевернулся и 523 моряка погибли. Мемориальная доска, установленная в Лондоне, символизирует осуждение лордов Адмиралтейства, не поверивших ученым и их опытам с «игрушечной моделью».

Не столь трагичная, но неприятная совершенная ошибка, потребовала смены всех окон нового 60-этажного здания в г. Бостоне (США) и обошлась в 7 млн. долл. Как надо переделать окна, указали тщательные испы­тания модели здания в аэродинамической трубе, выявившие особенности ветро­вых нагрузок на стены и указавшие, как исправить просчет проектировщиков, своевременно не прибегших к моделированию. Однако, несмотря на случаи недоверия, а иногда даже и противодействия внедрению, методы моделирования давно стали применяться во многих областях техники. Их применил, например, при сооружении железнодорожных мостов . Ранее для опреде­ления размеров составных частей ферм мостов применялись упрощенные приемы и все раскосы и тяжи каждой фермы моста делались одного и того же размера. Выводы о том, что их нагрузки неодинаковы, сначала казались неправдоподоб­ными и были проверены на модели из металлической проволоки. На этой модели оказалось возможным, проводя смычком от скрипки по проволокам моде­ли, расположенным вблизи опоры фермы, получать более высокий тон, чем на проволоках, расположенных в середине; следовательно, оказалось ясно, что первые нужно натянуть значительно сильнее вторых.

Моделирование широко применялось в строительстве и артиллерии (), а далее при изучении работы самых различных технических установок, гидравлических сооружений, строительных конструкций. На моделях стали изучать течение водных потоков, различные гидродинамические явления, происходящие при мощных взрывах, и даже явления, происходящие при земле­трясениях (имитируя с помощью специальной вибрационной платформы коле­бания земной поверхности). При этом для отработки антисейсмичности конст­рукций модель иногда имеет далеко не маленькие размеры: площадь ее достигает 20 м2, а вес конструкции доходит до 30 тс.

Модель дает возможность наблюдать такие явления, как извержение вулкана, возникновение и исчезновение горных систем. Модели гор при этом выполня­ются из фотоупругих материалов, которые при сжатии окрашиваются. По цвету того или иного участка можно судить о величинах приложенных сил и их рас­пределении. Такие эксперименты позволяют в ряде случаев получить практически важные сведения, например установить, где заложены полезные ископае­мые, и т. д.

Рассматривая моделирование в историческом разрезе, можно заметить, что, хотя теоретическое обоснование условий подобия шло от физики и физиче­ского моделирования, в дальнейшем при развитии аналогового, а затем и математического моделирования о их физическом проис­хождении стали забывать. Этому способствовало и то обстоятельство, что ана­логовые модели стали применяться давно, выступая в качестве некоторых на­глядных образов изучаемых объектов. Поскольку именно механические модели обладали наибольшей наглядностью, то появилось стремление все немеханиче­ские явления сводить к механическим, более привычным и более изученным. Уже в XVIII в. физики для объяснения электрических и оптических явлений ввели механические модели в виде колебаний некой «эфирной материи». Максвелл, широко применявший модели для объяснения электромагнитных явлений, под­черкивал не только наглядность, которую дает модель, но и ее гипотетические свойства, позволяющие объяснить механизм явления до выработки достаточно зрелой теории. Например, такими моделями, основанными на аналогии между свойствами электромагнитных процессов и свойствами несжимаемой жидкости, стали модели и уравнения электромагнитного поля, вытекающие из механических аналогий, и т. д. Э. Резерфорд, экспериментально получив данные о наличии ядра в атомах, выдвинул смелую гипотезу об аналогии атома и солнечной системы, создав свою знаменитую планетарную модель атома и многие другие модели. Можно было бы привести еще много примеров, когда в практике науч­ного исследования наряду с физическими моделями, воспроизводящими проте­кание процессов в других масштабах, появлялись модели иллюстративно-методические (моделирование жидкостью электромагнитных явлений) и модели эвристические, предназначенные для первоначального, хотя бы и неполного, объяснения физических явлений. Все эти модели в той или иной степени обычно имели сходство в математическом описании происходящих процессов. На таких моделях широко воспроизводились аналогии между законами, выражающими различные физические явления. Например, на электрической модели, представля­ющей закон Ома, стали изображать закон Фурье для теплового потока и закон Дарси для фильтрации жидкости. Такой подход заложил основы современного аналогового моделирования. В дальнейшем, когда развитие физических знаний пошло по пути все большей математизации и уменьшения наглядности, возмож­ность механического представления физических процессом стала уменьшаться и даже иногда исключаться. Эта ненаглядность стала рассматриваться некоторыми физиками как неизбежная плата за интеллектуальный выигрыш, связанный с пониманием. Изложенные ранее точки зрения о научных теориях как логиче­ских построениях, основанных на отвлеченных аксиомах, тоже в той или иной мере связаны с концепцией ненаглядности. Однако в действительности это означает, что не моделирование и не модели становятся ненужными, а подход к их применению требует определенных обобщений. При решении конкретных задач, выдвигаемых научной практикой, и особенно при решении технических задач значение модели не уменьшается, а возрастает. В теоретической (в том числе современной) атомной физике с ее глубокой математизацией аналоговое моделирование оказалось полезнейшим инструментом при изучении ядерных превращений. Так, Нильс Бор, изучая механизм передачи энергии в атоме, пред­ложил в качестве модели возбужденного ядра атома подогретую каплю: ока­залось, что можно сопоставить испарение и радиоактивность. Ведь в ядре тоже есть силы, цементирующие между собой его части. И прежде чем нейтрон, про­тон или альфа-частица вылетят наружу, они должны преодолеть эти силы. Так появилась мысленная модель атома, которую Бор, стремясь к еще большей наглядности, дополнил моделью вещественной. В чашеобразное углуб­ление стола он поместил стальные шары. Сами собой они не могли оттуда выка­титься. Но если послать в углубление еще один шар, то все остальные начинали очень быстро двигаться в чаше, а иногда один из них выскакивал наружу. Та­кая модель-аналог, несмотря на простоту, помогла при описании цепной реакции. Пользуясь ею, удалось, например, получить вывод о возможности самопроиз­вольного распада тяжелых ядер; далее были указаны гипотетические свойства изотопа урана-235 с нечетным числом протонов и нейтронов (вероятность его деления гораздо выше, нежели более распространенного урана-238). Оба пред­сказания вскоре блестяще подтвердились.