Введение. 
Мысленный эксперимент в физике

Мысленный эксперимент — вид познавательной деятельности, в которой ключевая для той или иной научной теории ситуация разыгрывается не в реальном эксперименте, а в воображении. Мысленный эксперимент в физике зачастую напоминает доказательство теоремы методом от противного в математике, когда некоторое положение физической модели или схемы сначала отвергается, а затем путём преобразования модели мы приходим к противоречию с тем или иным принципом, который считается безусловно истинным.

Термин «мысленный эксперимент» (Gedankenexsperiment) ввел в физику (а затем этим термином стали пользоваться во всех сферах науки) Эрнст Мах. В своей книге «Механика» Мах утверждал, что каждый из нас обладает большим запасом полученных из опыта «инстинктивных» знаний. Эти знания могут быть недостаточно ясно сформулированы, но в подходящей ситуации они найдут свое применение на практике. Например, ребенок, не зная закона Архимеда, из собственного опыта имеет представление о том, какие тела будут тонуть в воде, а какие плавать. Таким образом, каждый человек в своем воображении может мысленно создавать ту или иную ситуацию, выполнять определенные умственные действия и получать результат, который, так же как и результат материального эксперимента, будет соответствовать объективной реальности.

История развития физики показывает, что в античные времена и средние века мысленный эксперимент являлся основным методом исследования. Мысленный эксперимент применяли практически все известные ученые.

Создание теории относительности и квантовой механики были бы невозможны без использования мысленных экспериментов. Наиболее известными учеными, блестяще применявшими в своих исследованиях мысленный эксперимент были Галилей и Эйнштейн.

В книге «Продуктивное мышление» Вейтгеймер дает анализ мысленной деятельности Галилея и Эйнштейна с точки зрения психологии творчества.

Физический мысленный эксперимент — это метод исследования физических явлений при помощи воображения. Мысленный эксперимент позволяет исследовать ситуации, неосуществимые практически, хотя иногда принципиально возможные. Причем процесс познания и проверка истинности знания осуществляется без обращения к материальному экспериментированию. Мысленный эксперимент может предшествовать реальному эксперименту в виде обдумывания и планирования последнего.

В физике известно много мысленных экспериментов, среди которых наиболее яркими и известными являются:

• · эксперименты Архимеда по открытию условий плавания тел;
• · рассмотренные выше эксперименты Галилея и Эйнштейна;
• · эксперимент Маха: есть ли инерция в пустой Вселенной;
• · проекты идеальных двигателей (Карно);
• · демон Максвелла, осуществляющий создание вечного двигателя второго рода;
• · демон Больцмана — противовес демону Максвелла, доказывающий вероятностный характер второго начала термодинамики;
• · парадокс близнецов, иллюстрирующий относительность временных промежутков в различных системах отсчета;
• · лифт Эйнштейна — мысленный эксперимент Эйнштейна со свободно падающим лифтом, в результате которого сформулирован принцип эквивалентности тяжелой и инертной массы, положенный в основу общей теории относительности;
• · кот (кошка) Шредингера — эксперимент, показывающий неполноту квантовой механики; гамма-микроскоп Гейзенберга — мысленный эксперимент, подтверждающий принцип неопределенности;

Формально мысленные эксперименты можно разделить на три группы. К первой относятся эксперименты, которые давали теоретическое объяснение наблюдаемым фактам. Ко второй — мысленные эксперименты по изучению физических явлений, в настоящее время недоступных для проведения реальных экспериментов, и, естественно, мысленные эксперименты, изучающие явления в условиях, принципиально недоступных реальному эксперименту (например, работа идеальной тепловой машины).

Таким образом, хотя нельзя преувеличивать роль мысленных экспериментов там, где возможна экспериментальная проверка положений теории, нельзя и недооценивать эту роль в тех областях физики, где реальный эксперимент сильно ограничен. Это касается и процесса обучения физике.

Когда мы используем мысленный эксперимент, то должны постоянно подчеркивать связь между нашей мысленной моделью и реальностью, ею описываемой.

Ахиллес и черепаха — одна из апорий Зенона.

Быстроногий Ахиллес никогда не догонит черепаху, если в начале движения черепаха находится впереди на некотором расстоянии от него. Допустим, Ахиллес бежит в десять раз быстрее, чем черепаха, и находится от неё на расстоянии в 1 километр. За то время, за которое Ахиллес пробежит этот километр, черепаха проползёт 100 метров. Когда Ахиллес пробежит 100 метров, черепаха проползёт ещё 10 метров, и так далее. Процесс будет продолжаться до бесконечности, Ахиллес так никогда и не догонит черепаху.