10 знаменитых мысленных экспериментов

Интересно

Для достижения идеальной чистоты эксперимента лучше всего проводить его чисто теоретически.

Юрий Татаркин

Понятие мысленного эксперимента было введено в начале 20 века австрийским физиком Эрнстом Махом. Он имел в виду прежде всего предварительное воспроизведение в воображении реального эксперимента. Мах считал, что с помощью фантазии можно ввести любые условия опыта, даже совершенно абсурдные, и это дает возможность рассматривать все варианты результата.

История науки изобилует экзотическими мысленными экспериментами, которые не только изменили общепринятые представления о мире, но и вызвали дебаты, продолжавшиеся десятилетиями. Мы расскажем о десяти самых известных. Будьте осторожны, некоторые из них могут свести вас с ума!

Ахиллес и черепаха

10 известных мысленных экспериментов

Античные философы любили высказывать парадоксальные суждения, но мало кто мог сравниться в этом с греком Зеноном Элейским, жившим в пятом веке нашей эры. Его апории (т е. «трудности») не сохранились в первозданном виде и известны по рассказам Платона и Аристотеля. Зенон сформулировал не менее сорока апорий, и только девять дошли до толкователей.

Самая известная апория Зенона — парадокс Ахиллеса и черепахи. Своим происхождением она обязана басне древнегреческого поэта Эзопа. В ней рассказывается, как черепаха поспорила с зайцем, что тот сможет обогнать его в честной гонке, и он смог это сделать. Он воспользовался невнимательностью соперника, который решил взять паузу, уверенный, что успеет добежать первым. Зенон заменил зайца быстроногим героем Ахиллесом, воспетым в «Илиаде».

Представьте, что черепаха и Ахиллес решили посоревноваться в гонке. Ахиллес в десять раз быстрее черепахи, что дает ему фору в тысячу шагов. За время, за которое Ахиллес пробежит это расстояние, черепаха проползет сто шагов в том же направлении. Когда Ахиллес пробежит сто шагов, черепаха проползет еще десять и так далее. Погоня будет бесконечной, Ахиллес никогда не догонит черепаху. Поэтому любое движение есть иллюзия.

Апория вызывает недоумение, потому что с точки зрения формальной логики она кажется безупречной, но на практике, как подсказывает опыт, любой бегун может легко обогнать черепаху. Этот парадокс серьезно озадачил греческих философов. Это нашло отражение и в литературе: об ахиллесовом фиаско писали Льюис Кэрролл, Лев Толстой и Хорхе Луис Борхес.

Конечно, утверждение Зенона о том, что Ахиллес никогда не догонит черепаху, ложно. Каждое последующее «расставание» с черепахой короче предыдущего, и Ахиллесу потребуется всего тысяча сто двенадцать шагов, чтобы продвинуться вперед. Парадокс возник потому, что Зенон и его последователи не понимали физического и математического смысла проблемы.

10 известных мысленных экспериментов

Памятник Быстроногому Ахиллесу на Корфу

Буриданов осёл

10 известных мысленных экспериментов

Осел Буридана превратился в игривый образ

Воображаемый Буриданом осел, как известно, оказался между двумя одинаковыми охапками сена и умер от голода, не в силах выбрать между ними. Как ни странно, этого осла придумал не французский философ XIV века Жан Буридан. Древнейшее упоминание об этой проблеме встречается у Аристотеля. Он в шутку описал выдуманную ситуацию, в которой у умирающего от жажды и голода человека нет выбора между водой и едой.

Идея оказалась плодотворной, и более поздние философы использовали те же образы для иллюстрации результирующих сил. В 1100 году персидский ученый Абу Хамид аль-Газали серьезно отнесся к дилемме Аристотеля, заявив, что человек будет выбирать между одними и теми же вещами в пользу того, что ему больше подходит в данный момент. Буридан добавил, что в ситуации, когда рациональный выбор невозможен, человек обратится к нравственным принципам и пойдет по пути высшего блага.

Осел появился благодаря голландскому философу Бенедикту Спинозе. Он утверждал, что если человек, находящийся в ситуации выбора между такими же возможностями, как «осел-буридан», не принимает решения, то его вряд ли можно считать личностью.

Автором буриданова осла на самом деле был философ Бенедикт Спиноза

Математик Готфрид Лейбниц усложнил задачу выбора, описав осла среди одинаковых тюков сена. Он считал, что такой эксперимент невозможно осуществить на практике, поскольку во Вселенной нет совершенной симметрии: одно столкновение всегда будет предпочтительнее другого, даже если мы не замечаем этого преимущества.

Современные философы считают, что проблема Буридана с ослом легко решается, если признать, что отказ от выбора между двумя тюками сена также является выбором. Осел выбирает не между сеном и сеном, а между жизнью и смертью, поэтому выбор предопределен на уровне инстинкта: осел выберет жизнь.

Опыт Галилея

10 известных мысленных экспериментов

Итальянскому физику и астроному Галилео Галилею понадобился мысленный эксперимент с падающими объектами, чтобы показать ошибочность заблуждения о том, что чем тяжелее тело, тем быстрее оно упадет на землю. Согласно легенде, в 1589 году Галилей поднялся на знаменитую «упавшую» Пизанскую башню и сбросил с нее два шара разной массы, которые одновременно достигли земли, подтвердив революционную гипотезу ученого. На самом деле он никуда не шел, а опирался на чисто умозрительные соображения, которые изложил в трактате «О движении» (1590).

Читайте также:  7 странных проектов конструкторов Третьего Рейха, у которых, похоже, развивалась гигантомания

Представьте два предмета, один тяжелее другого. Пусть они свяжут друг друга веревкой и бросят этот узелок с башни. Если тяжелые предметы падают быстрее легких, то легкий предмет должен замедлять падение тяжелого. Но так как рассматриваемая система в целом тяжелее тяжелого предмета, то и падать она должна быстрее него. Приходим к противоречию, а значит, исходное предположение (тяжелые предметы падают быстрее легких) неверно.

Наша совесть противится мысли, что молоток и перо, брошенные с одной высоты, упадут одновременно. В знакомом нам мире атмосфера будет замедлять перо, а молот будет падать быстрее. Но что, если вы поместите их в безвоздушную среду? Такой эксперимент проделали в 1971 году астронавты миссии «Аполлон-15»: на глазах у миллионов зрителей Дэйв Скотт бросил в Луну геологический молот и соколиное перо. Каждый смог убедиться в правоте Галилея.

10 известных мысленных экспериментов

Ручка и молоток на поверхности Луны

Пушка Ньютона

Мысленный эксперимент с космической пушкой был придуман великим английским физиком Исааком Ньютоном.

Представьте себе высочайшую гору, вершина которой выходит за пределы атмосферы. На его вершине находится пушка, которая стреляет горизонтально. Чем мощнее заряд, используемый при стрельбе, тем дальше от горы улетит ядро. При достижении определенной мощности заряда ядро ​​разовьет такую ​​скорость, что выйдет на орбиту. Сила притяжения для него будет уравновешена центробежной силой.

10 известных мысленных экспериментов

В той же работе Ньютон рассчитал значение первой космической скорости, необходимой для выхода на орбиту, которая для нашей планеты составляет 7,91 км/с.

Идея Ньютона была востребована в XIX веке, когда были заложены основы теории космонавтики. Именно пушка использовалась героями романа Жюля Верна «С Земли на Луну» для космических полетов, оказавших влияние на пионеров космонавтики, в том числе на Циолковского. В дальнейшем эту идею обыгрывали такие писатели, как Жорж Ле Фор и Анри де Графиня, Ежи Жулавский и Андрей Платонов. А у Грегори Киза есть альтернативный исторический роман «Пистолет Ньютона» (1998).

Парадокс дубликатов

10 известных мысленных экспериментов

Мысленный эксперимент, позже названный «Двойным парадоксом» или «Парадоксом телепортации», был впервые «выполнен» в 1775 году, когда шотландский философ Томас Рид написал лорду Камесу:

«Хотелось бы узнать мнение Вашего Превосходительства по поводу следующего: когда мой мозг потеряет свою первоначальную структуру и когда спустя сотни лет из того же материала удивительным образом будет создано разумное существо, могу ли я сам считать это? Или, если из моего мозга созданы два или три таких существа, могу ли я поверить, что это я и, следовательно, одно и то же разумное существо?»

Вопрос, поднятый Ридом, приводит к серьезной проблеме личностной идентичности, к которой неоднократно обращались философы. Например, Станислав Лем в «Диалогах» (1957) всесторонне рассматривает «парадокс дубликатов» и приходит к выводу, что его нельзя разрешить, пока мы не узнаем, что такое душа и к каким физическим процессам она сводится.

В 1984 году английский философ Дерек Парфит модифицировал «парадокс дубликатов», описав телепорт, который разбивает человека на атомы и передает информацию об этих атомах на Марс, где воссоздает копию из местных ресурсов. Парфит задался вопросом: можно ли считать такую ​​телепортацию средством передвижения и будет ли человек на Марсе таким же, как тот, которого расщепили на атомы на Земле?

Задание можно усложнить. Предположим, телепорт модернизировали и перестали уничтожать оригинал, но научились создавать бесконечное количество копий одного человека. Можно ли их считать полноценными личностями? Парфит пришел к выводу, что философия не предлагает никаких удовлетворительных критериев для отличия копии от оригинала, поэтому дубликаты следует считать одинаково полными. Отсюда следует, что закон должен учитывать права «будущих личностей» граждан.

Парадокс близнецов

10 известных мысленных экспериментов

Близнецы-космонавты Скотт и Марк Келли

Представьте себе двух близнецов, один из которых отправился в межзвездное путешествие на космическом корабле, летящем почти со скоростью света. Другой остался на Земле и старел быстрее своего брата. Этот мысленный эксперимент — замечательная иллюстрация эффектов, описанных в специальной теории относительности Эйнштейна. Но это следует из парадокса близнецов, сформулированного французским физиком Полем Ланжевеном в 1911 году.

Читайте также:  10 изобретений, которые лишили жизни своих создателей

Согласно специальной теории относительности процессы движения объектов замедляются, то есть близнец, вернувшись из путешествия, будет моложе своего брата. Например, полет к Альфе Центавра и обратно с ускорением 1 g в земной системе отсчета займет 12 лет, а по корабельным часам пройдет 7,3 года. С другой стороны, теория декларирует равенство инерциальных систем отсчета. То есть Земля относительно космического корабля тоже движется с нарастающей скоростью. Поэтому время на нем тоже нужно замедлять. Здесь возникает противоречие, которое необходимо объяснить.

10 известных мысленных экспериментов

Картина Геннадия Голобокова «Парадокс времени» иллюстрирует «двойной эффект»

В конце концов, объяснения были найдены. Правда, чтобы кратко их суммировать, нужна отдельная статья. Но что еще более важно, эффект замедления времени для быстро движущегося объекта был обнаружен экспериментально в частицах в ускорителях и в атомных часах на спутниках GPS, показания которых нуждаются в корректировке. Если бы при использовании этих спутников не учитывался эффект замедления времени, координаты, вычисленные GPS, уже через две минуты были бы неверными, а ошибка накапливалась бы со скоростью 10 км в день! Эффект и его последствия часто описывались в художественной литературе, от «Туманности Андромеды» Ивана Ефремова (1957) до недавнего «Интерстеллара» (2014).

Убийство дедушки

10 известных мысленных экспериментов

Этот мысленный эксперимент из прошлых поездок первоначально назывался «Парадокс профессора». Впервые он был сформулирован британским писателем-фантастом Фаулером Райтом в романе «Мир внизу» (1929) через его персонажа, профессора:

Любое изменение прошлого заведомо невозможно, все происходит безвозвратно. Иначе не было бы цели и была бы невыносимая неразбериха… Например, зная, что произошло убийство, я могу пойти туда и вмешаться, чтобы спасти жертву. В данном случае убийство, так сказать, произошло, но оно же было предотвращено, что абсурдно.

Через два года появился рассказ американца Роберта Х. Уилсона «Полет во времени», в котором убийство в прошлом не абстрактно, а связано с бабушкой и дедушкой путешественника во времени. В 1933 году стереотип был подкреплен Натом Шахнером в рассказе «Голоса предков».

«Парадокс убитого дедушки» в современной философии имеет аналог под названием «аутоинфантицид»: бегство в прошлое с целью покончить с собой. Его часто используют как доказательство того, что путешествие во времени невозможно, поскольку оно нарушает причинно-следственную связь. Например, американский философ Брэдли Дауден в своей книге «Логическое рассуждение» (1993) заявил:

Никто и никогда не создаст машину, способную отправить человека в прошлое. Никто не должен всерьёз пытаться её построить, потому что есть веский аргумент, почему машину нельзя построить. Допустим, у вас есть машина времени, вы входите в нее и переноситесь в прошлое. Ваши действия могут помешать вашим бабушке и дедушке воссоединиться. Это приведет к тому, что вы не родитесь и не сможете путешествовать во времени на машине времени. Поэтому утверждение о том, что машину времени можно построить, противоречиво.

Но, возможно, события прошлого уже включают в себя вторжение инопланетян из будущего. Обстоятельства просто помешали ему убить или опутать своих предков. Эту точку зрения разделяет космолог Игорь Новиков, который в 1983 году ввел «принцип самосогласованности». По его словам, при путешествии в прошлое вероятность того, что действие изменит уже произошедшее событие, стремится к нулю. Этот принцип хорошо проиллюстрирован в фильме «12 обезьян» (1995), в рассказах Теда Чана и даже в одном из фильмов о Гарри Поттере.

Кот Шрёдингера

10 известных мысленных экспериментов

Мысленный эксперимент с кошкой (точнее, кошкой) придумал австрийский физик Эрвин Шредингер, чтобы продемонстрировать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим. Он описал эксперимент в «Современном состоянии квантовой механики» (1935 г):

Некий кот заперт в стальной камере рядом с адской машиной: внутри счетчика Гейгера находится крошечное количество радиоактивного материала, настолько малое, что за час может распасться только один атом, но с такой же вероятностью не может распасться; если это происходит, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, опускающее молоток, разбивающий конус синильной кислоты. Если оставить всю эту систему в покое на один час, то можно сказать, что кошка будет жить по истечении этого времени, пока атом не распадется. Первый распад атома отравил бы кошку. Пси-функция системы в целом выразит это, смешав в себе или помазав живого и мертвого кота (извините за выражение) в равных пропорциях.

Согласно квантовой механике, если ядро ​​не наблюдается, его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний: распавшегося и нераспавшегося ядра. Так что кот в коробке жив и мертв одновременно. Если коробку открыть, экспериментатор увидит конкретное состояние: «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив».

Читайте также:  А Вы знаете самую красивую формулу в мире математики?

Эрвин Шредингер сделал много открытий, но вошел в историю как «кот-мучитель»

В 1957 году американец Хью Эверетт выдвинул теорию о том, что в момент открытия ящика Вселенная разделится на две части: на мертвого кота и на живого кота. Поскольку мы сами в обыденной жизни каждую секунду выбираем (как далеко сегодня шагнуть), каждое мгновение Вселенная разветвляется на бесконечное количество параллелей. Сначала научное сообщество отвергло теорию Эверетта, но затем у нее появились последователи и возникла «эверетика» – мировоззрение, согласно которому Вселенная есть совокупность реализаций всех мыслимых миров. Идея оказалась востребованной среди писателей-фантастов: даже статьи не хватило бы, чтобы перечислить все книги и фильмы, в которых она происходит.

10 известных мысленных экспериментов

Кот (или кот) Шрёдингера уже давно стал шуткой

Обезьяны и «Гамлет»

10 известных мысленных экспериментов

Теорема о бесконечных обезьянах гласит, что миллиард обезьян, беспорядочно нажимая на клавиши пишущей машинки, рано или поздно напечатают любой текст, даже «Гамлета» или «Войну и мир».

Происхождение теоремы можно найти в трудах Аристотеля, который считал, что весь мир представляет собой случайное сочетание атомов. А поскольку их количество и размер ограничены, высока вероятность повторения комбинаций. Спустя три столетия древнеримский оратор Марк Туллий Цицерон возразил Аристотелю, указав, что если буквы бросить на землю, то они вряд ли составят даже одну осмысленную линию.

В известном нам виде теорема о бесконечных обезьянах была сформулирована французским математиком Эмилем Борелем. Мне нужен был мысленный эксперимент с обезьянами и пишущими машинками, чтобы проиллюстрировать статистическую невероятность нарушения законов механики. Борель сказал, что теоретически предмет, брошенный рукой, может не вернуться на Землю, но это событие настолько маловероятно, что обезьяны скорее напечатают Гамлета. А эксперимент с обезьянами вошел в массовую культуру благодаря юмористическому рассказу Рассела Мэлони «Нерушимая логика» (1940), где обезьянам, вопреки теории вероятности, это удалось.

Ученые подсчитали, что если отбросить знаки препинания и пробелы, то вероятность случайного набора «Гамлета», состоящего примерно из 130 тысяч букв, составляет 1/3,4 × 10183946. Если бы вся наблюдаемая часть Если бы Вселенная была полна обезьян писали все время своего существования, вероятность написать для них произведение увеличилась бы до 1/10183800.

Описанный эксперимент, в принципе, можно осуществить, и в 2003 году он был проведен студентами Плимутского университета (Великобритания). Шесть хохлатых павианов из местного зоопарка месяц работали на компьютере, пытаясь создать хоть один литературный набросок, только порвали его. В результате получилось пять страниц бессмысленного текста, в котором преобладала буква S. Что бабуины подразумевали под этим, остается загадкой. Его великое произведение было опубликовано ограниченным тиражом под названием «Примечания к полному собранию сочинений Шекспира».

Мозг в чане

10 известных мысленных экспериментов

Мысленный эксперимент «мозг в бочке» (как вариант — в бочке или фляге) придумал в 1973 г американский философ Гилберт Харман, развивая идею Рене Декарта, изложенную в 1641 г. Он считал, что наилучший способ узнать истину можно через крайний скептицизм. Эту идею он проиллюстрировал гипотезой о существовании «злого демона», создающего для философа иллюзию внешнего мира, в том числе подражание телесным ощущениям. Из гипотезы вытекает ряд вопросов. Например, как вы можете быть уверены, что не спите прямо сейчас?

Гипотеза демона, за которую Декарта обвиняли в богохульстве, в XX веке устарела, поэтому Харман модернизировал ее в духе научной фантастики. Представьте, что сумасшедший ученый подключает человеческий мозг к компьютеру, способному генерировать электрические импульсы, идентичные тем, которые мозг получает, находясь в теле. Компьютер может имитировать виртуальную реальность, и субъект, несмотря на отсутствие тела, будет осознавать себя существующим. Никто не может знать наверняка, находится ли ваш мозг в ванне или в вашем теле, а значит, вы не можете быть уверены, что мир вокруг вас реален.

В 1981 году философ Хилари Патнэм распространила идею на все человечество и породила фантастическое предположение, которое позже легло в основу кинотрилогии «Матрица». В то же время Патнэм показал, что мысленный эксперимент Хармана был основан на «самоотрицающем предположении», утверждении, истинность которого подразумевает собственную ложность, и это доказывает существование реальности с точки зрения логики. Можете вздохнуть с облегчением: «Матрица» — всего лишь голливудский вымысел.

* * *

Конечно, в десяти примерах невозможно описать все богатство мысленных экспериментов, придуманных учеными. Но и этого достаточно, чтобы увидеть, что воображение в науке не менее важно, чем чистота расчета и точность измерений. И во много раз полет этой фантазии превосходит самые экзотические идеи писателей-фантастов.

Фонтан

Оцените статью
Добавить комментарий