Текст книги "Концепции современного естествознания. Часть 1. Науки о неживом (физика, химия, синергетика)"

Аркадий Исаакович Липкин
Концепции современного естествознания. Часть 1. Науки о неживом (физика, химия, синергетика)

Введение

Наука подобна реке, которая хорошо видна, когда набрала силу, но образуется она в результате слияния нескольких речек, среди которых непросто найти главную, образ, заимствованный у французского математика Л. Карно (1753–1823). Одни указывают на то, что наука развилась «из ремесел и обычаев наших предков» (Дж. Бернал), и отсылают к каменному веку, когда человек начинает накапливать и передавать другим знания о мире. Другие на первый план выносят появление доказательного знания, которое возникает в философии и математике Древней Греции в середине I тысячелетия до н.э. Как известно, в древних государствах Египта и Междуречья были накоплены значительные математические знания, но только в Древней Греции начали доказывать теоремы. Следующая точка зрения на происхождение и природу науки базируется на том, что главной ее характеристикой считается опора на опытное знание. Этот подход освобождает науку от аристотелизма. Некоторые исследователи видят ее первые ростки уже в XIII–XIV вв. Многие, однако, считают, что наука как таковая возникла лишь после научной революции XVII в., когда благодаря трудам Г. Галилея и И. Ньютона появляется математизированная экспериментальная наука современного типа (образцом которой стала физика). Тогда же возникают особые научные социальные институты, такие как Лондонское королевское общество (1662) и Парижская академия наук (1666). Наконец, существует мнение, согласно которому необходимым качеством науки является оформление ее в особую профессию, что происходит лишь в конце первой трети XIX в. 11
  Ссылки на соответствующую литературу см. в [Келле, с. 41].


[Закрыть].

Можно упомянуть также не связывающий себя с историей аналитический подход к определению понятия науки через набор характерных качеств научного знания (проверяемость, системность, общность, предсказательная сила и т. д.). Но эти характеристики, интересные и важные сами по себе, не дают исчерпывающего ответа на интенсивно обсуждавшийся в XX в. вопрос о демаркации научного и ненаучного знания. Поэтому историко-генетический подход через метафору реки дает более гибкое и объемное представление о сущности науки.

С нашей точки зрения, «река науки» вполне сформировалась к XVII в. в Европе Нового времени. Ее истоки лежат в натурфилософии Древней Греции, которая возникает в VI в. до н. э. с утверждения Фалеса «все есть вода». Этим был обозначен переход от религиозно-мифологического описания мира-космоса типа гесиодовской теогонии к философскому (точнее – натурфилософскому) описанию. Такое философское знание отличается также от знания древних пророков и мудрецов. Кроме того, оно противопоставляется обыденному знанию и «техне» – рецептурному знанию-умению, знанию-искусству мастеров: философское знание относят к высокому миру умопостигаемого бытия, противопоставляемому миру «доксы» – изменчивой повседневной жизни людей. В рамках этой высокой философии формируется математическое теоретическое знание, образцом которого на многие века стала геометрия Евклида.

Различные компоненты (математика, натурфилософия, механика-инженерия) пройдя через котел эпохи возрождения сплавляются в XVII в. в новое образование – естественную науку Нового времени. Исходной точкой этой науки можно считать механику Галилея (теории движения падающего и брошенного тела), где натурфилософские модели соединяются с математическим описанием движения и экспериментом, включающим процедуры инженерного типа. Идеологическую и методологическую роль в становлении этой новой науки сыграли также Ф. Бэкон и Р. Декарт.

Развитие естественных наук (в первую очередь, физики, химии, биологии) часто представляют себе в виде следующей восходящей к Ф. Бэкону цепочки эмпирико-индуктивных обобщений:

Эмпирические факты ➔ Эмпирические закономерности ➔ Теоретические законы (1)

Еще в конце XVIII в. Д. Юм и И. Кант показали невозможность реализации такой схемы в рамках эмпиризма: теоретический закон, например закон тяготения Ньютона, универсален и всеобщ, он относится ко всем телам, в то время как эмпирическая индукция Ф. Бэкона исходит из сколь угодно большого, но конечного числа эмпирических фактов («сколько бы раз мы ни видели на озере только белых лебедей, из этого нельзя вывести закон, что все лебеди белые»). Подобная критика эмпиристского взгляда на науку была продолжена и в XIX и в XX вв., тем не менее этот взгляд популярен и сегодня.

Как мы увидим далее, Г. Галилей (ровесник Ф. Бэкона) и И. Ньютона проложили совсем другой путь развития науки, по которому и развивается до сих пор физика и ориентирующиеся на нее другие естественные науки.

Итак, под наукой далее будет иметься в виду в первую очередь естественная наука XVII–XX вв., образцом которой является физика. Зрелую стадию этой науки представляет уже механика Ньютона, становящаяся образцом физики вплоть до второй половины XIX в. Этот период принято называть периодом «классической науки» (физики), в отличие от «неклассической» начала XX в. Таким образом в истории физики и естествознания в целом выделяют две революции: так называемую научную революцию XVII в. (сюда относят коперниканский переворот в астрономии, за которым последовали теории Г. Галилея и И. Ньютона) и «революцию в физике начала XX в.» Иногда еще говорят о «постнеклассической» науке последней трети XX в., но здесь наличие соответствующей революции не столь очевидно.

1. Физический эксперимент и естественная наука как специфическое сочетание математизированной натурфилософии и техники

Поскольку вопрос о сущности какого-либо явления тесно связан с вопросом о его происхождении, рассмотрим процесс становления естественной науки чуть подробнее22
  В отличие от классического курса истории науки нас будет интересовать «внутренняя история», связанная с логикой развития систем понятий, а не «внешняя» история взаимодействия людей и идей.


[Закрыть].

Возникшую в XVII в. физику часто характеризуют как математизированную и экспериментальную науку. Это действительно две важнейшие характеристики физики. Но что они означают? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к галилеевской теории падения тела, где эти черты проявляются уже в полной мере. Именно здесь сливаются в новое целое – физику Нового времени – три компоненты, идущие еще из Древней Греции: натурфилософия (философия природы), математика и искусство инженера-механика.

Натурфилософия начинается в Древней Греции с Фалеса, утверждавшего, что «все есть вода». Образцом развитой натурфилософии можно считать атомизм Левкиппа-Демокрита. Натурфилософия умозрительна и онтологична по своей сути (т. е. описывает бытие, природу). Образец математики в виде геометрии Евклида вырастает в древнегреческой философии в рамках натурфилософской по своей сути платонопифагорейской линии. Эти две линии сливаются у Галилея и Ньютона в образе «Книги Природы, написанной на языке математики» (естественно, Богом) в математизированную натурфилософию. Физический эксперимент и физика как естественная наука рождаются на пересечении натурфилософского умозрения и механического искусства, представлявших собой две разные линии.

В Древней Греции науке о природе соответствовала натурфилософия и сливавшаяся с ней физика, определенная Аристотелем как наука о движении. При этом философия, натурфилософия и физика Аристотеля не имели ничего общего с техникой – механикой машин, с помощью которых мастеру удавалось перехитрить природу. Техника – это «вторая природа». Она предполагает существование «первой природы», являющейся предметом натурфилософии, строящей онтологические модели «первой природы». Со времен Древней Греции до Нового времени господствовали представления, что «область механики – область технической деятельности, тех процессов, которые не протекают в природе как таковой без участия и вмешательства человека. Предмет механики – явления, происходящие «вопреки природе», т. е. вопреки течению физических процессов, на основе «искусства» (τεχνη) или «ухищрения» (µηχανη)… «Механические» проблемы… представляют самостоятельную область, а именно – область операций с инструментами и машинами, область «искусства»… Под механикой понимается некое «искусство», искусство делать орудия и приспособления, помогающие одолеть природу… Во второй половине XVII в. продолжало держаться старое представление о механике как теории машин, основанной на началах статики» [Григорьян, с. 9–11].

В XVII в. две рассматриваемые линии двигались раздельно. Математизированная натурфилософия Галилея и Ньютона искала законы естественного движения – «законы природы», не зависящие от деятельности человека. Знаменитый труд Ньютона называется «Математические начала натуральной философии», а не физической механикой, как мы его назвали бы сегодня. Машины же создавались искусством инженеров-механиков, их суть определялась людьми и сводилась к заданным функциям. Действия людей противопоставлялись природным явлениям. Это были две разные области – области «второй» и «первой» природы. К XVII в. сосуществовало три натурфилософские линии рассмотрения «первой» природы: магическая, органическая и механическая. Физика Нового времени растет из последней, в которой природа рассматривается как очень сложная машина (механизм, подобный сложным часам), созданная мастером-Богом (позже – существующая сама по себе)33
  Ср. цель Коперника: «… Объяснить ход мировой машины, созданный лучшим и любящим порядок Зодчим» (по [Аршинов, с. 185]).


[Закрыть]. При познании этого механизма применяется «физическая интуиция, определенная механическими искусствами… Идея физики как всеобщей механики зарождалась в умах ученых с конца XVII в. и впервые была обоснована Декартом» [Григорьян, с. 216]. Этому пониманию природы («первой» природы) отвечает сложившаяся к концу XVII в. механика как раздел физики. Наряду с этим сохраняется прежнее понимание механики как человеческого искусства.

В анализируемой ниже теории падения тела Галилея эти две линии пересекаются и порождают физический эксперимент и новую естественную науку – физику. Это происходит благодаря тому, что Галилей к теоретической модели падения тела подошел как инженер к проекту: он ввел технические элементы инженерной конструкции типа наклонной плоскости, шарика и т. п. Назовем эти действия мастера-механика «операциями приготовления» (<П|). Другой разновидностью действий мастера-механика являются «операции измерения» (|И>), включающие в себя операции сравнения с эталоном (и наличие эталона). В результате возникает характерная структура физического (и естественно-научного) эксперимента:

(Схема 1.1)

До включения операций приготовления и измерения галилеевская «пустота» и основанная на ней теория падения тела принадлежат еще натурфилософскому умозрению, т. е. математизированной натурфилософии, а не естественной науке, включающей эксперимент.

В структуре (1.1) средний член – предмет исследования с помощью физических (естественно-научных) понятийных средств, а крайние члены – технические средства, связанные с этими понятиями. Важнейшим моментом структуры (1.1) является то, что эти крайние члены – не явления, а операции, действия человека, которые могли быть переданы машине (автомату). Операциональная часть состоит из операций и процедур, относимых к продуктам деятельности человека, а не к явлениям природы. Включение технических средств в структуру физического (естественно-научного) эксперимента отличает родившуюся в XVII в. естественную науку (физику) от натурфилософии.

Осознание принципиальной границы, проходящей между исследуемым объектом и процедурами (операциями) приготовления и измерения, является очень важным моментом для понимания естественной науки. Этот момент оказался смазанным в рефлексии квантовой механики, что привело к мнимым «парадоксам» и «проблемам» измерения (см. гл. 7).

2. «Модельный взгляд»: понятия «первичного идеального объекта» и «ядра раздела науки»

Еще одно важное изменение в структуре научного знания происходит во второй половине XIX в. Для Галилея и Ньютона главным предметом поиска был закон движения, объект движения был очевиден. Ситуация меняется в середине XIX в. в связи с появлением электродинамики и термодинамики, где вопрос стоял уже и о самом изменяющемся объекте. В результате в теоретической физике установилось представление о явлении как о процессе изменения некоторого физического объекта (физической системы A), описываемом как переход системы из одного состояния (S_A(1)) в другое (S_A (2)). Таки образом, в центре внимания физики теперь оказывается физическая система (объект) и ее состояния, а «закон движения» («закон природы») превращается в характеристику физической системы, которая задает связь между состояниями, отображаемую уравнением движения. Именно теоретическая физика, включающая в себя эксперимент, стала адекватной формой построения новых физических сущностей. Это представление, в рамках которого происходит существенное усложнение рассматриваемых физических систем, и составляет суть новой теоретической физики44
  А. Пуанкаре делил историю «математической физики» (имея в виду посленьютоновскую физику XVIII–XIX вв., активно использовавшую математику) на три этапа: на первом этапе, относимом им к XVIII в., образцом является небесная механика, основанная на законах Ньютона. Здесь теории строятся на основе моделей, состоящих из точечных частиц и сил между ними. Второй этап – физику второй половины XIX в. – Пуанкаре определяет как «физику принципов», когда к природным объектам относятся как к сложным машинам с неизвестным внутренним строением («черным ящиком»). Свое время (конец XIX – начало XX вв.) он оценивал как кризис «физики принципов», за которым должен последовать новый третий этап [Пуанкаре, с. 232 и далее]. Описываемая ниже «теоретическая физика», по-видимому, и является этим ожидавшимся Пуанкаре третьим этапом. Не случайно именно конец XIXв. ознаменован «появлением кафедр теоретической физики» [12, с. 9].


[Закрыть], в которой формируется теоретико-операциональная структура физического знания, не нашедшая достаточно адекватного описания в философии и методологии науки.

Ключом к пониманию структуры физики (а на нее часто ориентируются и другие естественные науки) можно, по-видимому, считать геометрию Евклида. Из этой классической математической теоретической системы Галилеем и Ньютоном было унаследовано очень многое.

Во-первых, это иерархичность, которая состоит в том, что в геометрии Евклида существуют первичные (исходные) понятия (объекты) – точка, прямая, плоскость, из которых строятся все прочие «вторичные» идеальные объекты геометрии – геометрические фигуры.

Во-вторых – использование для них двух типов определения – «явного» и «неявного». Явное определение, примером которого может служить статья толкового словаря, выражает новое понятие (или объект) через другие: A – это B… С… D… (многоточие обозначает прочие слова высказывания-определения).

Явное определение последних (B, C, D) сведет их к третьим и т. д. (например: треугольник – это фигура, образованная пересечением трех прямых). Но этот процесс должен где-то обрываться. То, на чем он обрывается, будет образовывать группу «первичных» понятий (или объектов). Декарт и его последователи предлагали в качестве последних интуитивно очевидные понятия (в согласии с этим понятия точки, прямой, … в геометрии долгое время рассматривали как неопределимые, но самоочевидные исходные понятия). Но математика, физика, химия работали со все более сложными понятиями, и во второй половине XIX в. многие из первичных понятий уже трудно было считать очевидными. Так после появления во второй половине XIX в. неевклидовых геометрий с их весьма неочевидным определением прямой возникла проблема строгого определения оснований геометрии. Одно из наиболее известных решений этой проблемы дал в конце XIX в. Д. Гильберт: исходные (первичные) понятия геометрии – точку, прямую, расстояние, плоскость – стали определять неявным образом и совместно через систему аксиом геометрии (через любые две точки можно провести прямую, причем только одну; две прямые могут пересекаться только в одной точке, и т.д.). Так был введен неявный тип задания первичных понятий, структуру которого можно представить в виде не одного, а множества утверждений типа {A… B…; C… B…; C… A…;…}, в каждом из которых содержится несколько определяемых понятий. При этом неявный не значит нечеткий: если есть достаточное число утверждений, то все понятия задаются однозначно (примером чему является геометрия).

Аналогичную ситуацию мы имеем в классической механике и других разделах физики. Здесь тоже существуют «первичные идеальные объекты» (ПИО) – частицы, поля, … из которых строятся модели различных явлений природы и глобальные картины мира. Динамика Ньютона рассматривает невообразимое множество механических систем, собираемых из различных тел (частиц) и приложенных к ним сил. Частицы играют роль «первичных идеальных объектов», из которых собираются более сложные «вторичные идеальные объекты», лежащие в основании теоретических моделей различных явлений природы. ПИО – важнейшие понятия каждого раздела физики – являются теми исходными «кирпичиками», из которых строятся теоретические модели различных физических объектов, явлений и физическая «картина мира». «Вторичные идеальные объекты» (ВИО) отличает то, что они выражаются через ПИО явным образом. С определением же ПИО дело обстоит так же как и в геометрии. В классической механике их долгое время после Ньютона рассматривали как неопределимые, но самоочевидные исходные понятия.

Но после появления во второй половине XIX в. электродинамики Максвелла ситуация изменилась. Реализация антиньютонианской программы Фарадея–Максвелла поставила под вопрос казавшиеся до того большинству физиков достаточно очевидными ньютоновские определения массы, силы, частицы и ее характеристик. И здесь физика пошла по тому же пути, что и геометрия (хотя и менее осознанно), через использование для ПИО неявного типа определения. Соответствующую систему понятий и постулатов (аналог системы аксиом геометрии) я буду называть «ядром раздела науки» – ЯРН (поскольку такой структурой обладает не только физика). Понятия «первичного идеального объекта» (ПИО) и «ядра раздела науки» (ЯРН) – основные понятия описываемого ниже модельного «теоретико-операционального подхода» к науке.

Наличие «первичных» и «вторичных» идеальных объектов требует ввести еще одно очень важное различение – фиксацию двух фаз в развитии науки: фазы создания (С) новых первичных идеальных объектов и фазы их использования (И) для построения моделей явлений природы или картины мира. Это различение фиксируется в предложенном Т. Куном делении на «нормальную» и «аномальную» фазы науки и в эйнштейновском различении «конструктивных» и «фундаментальных» («принципиальных») теорий. В истории физики (и естественной науки вообще) наличие указанных двух фаз развития науки отражается в споре о том, в чем состоит задача физики: «объяснять» или «описывать» (но союз «или» здесь неверен, поскольку речь идет о двух последующих фазах).

Творцы новых разделов физики – классической механики (Галилей, Ньютон с его знаменитым тезисом «гипотез не создаю»), электродинамики (Максвелл, Герц), специальной теории относительности (Мах, ранний Эйнштейн, находившийся под сильным влиянием Маха) – в своей деятельности придерживались не «объяснительной», а «описательной» установки. Это обусловлено тем, что следование «описательной» установке «развязывало руки» для создания нового «строительного материала» – «первичных идеальных объектов» и объемлющего их «ядра раздела науки», которые, как мы увидим, часто рождаются не через объяснение, а через конструктивное преобразование парадокса.

Нас интересует фаза создания нового «ядра раздела науки», в ходе которого создаются новые «первичные идеальные объекты». В центре этого процесса – теоретическая работа по созданию новых «первичных идеальных объектов» (ПИО). Опыты же, как они понимаются в эмпирической традиции, идущей от Ф. Бэкона, дают некий исходный эмпирический материал в виде «эмпирических фактов» и «эмпирических закономерностей. Из этого материала посредством главным образом описанной чуть ниже теоретической работы галилеевского типа создаются естественно-научные «первичные идеальные объекты» (идеальное движение ньютоновского тела в пустоте, идеальный газ, электромагнитное поле и др.). Этот же «эмпирический хаос» (в древнегреческом смысле слова «хаос») часто служит поставщиком тех «явлений природы», модели которых создаются из уже готовых первичных идеальных объектов (в фазе их использования).

Образец работы С-типа по созданию нового ПИО («пустоты») мы находим у Г. Галилея (1564–1642) в текстах его «Бесед…», где он, решая доставшуюся ему в наследство от Аристотеля (и считавшуюся очень важной все это время) задачу об описании падения тела, закладывает основу естественной науки Нового времени. Здесь проступает фактически схема, противоположная бэконовской. Свою теорию падения тела он выводит не из тщательного эмпирического исследования (измерение времени падения тел с Пизанской башни, по-видимому, миф [Койре]). В качестве исходного пункта его построений можно принять теоретическое утверждение, что природа «стремится применить во всяких своих приспособлениях самые простые и легкие средства… Поэтому, когда я замечаю, – говорит Г. Галилей в своих «Беседах…», – что камень, выведенный из состояния покоя и падающий со значительной высоты, приобретает все новое и новое приращение скорости, не должен ли я думать, что подобное приращение происходит в самой простой и ясной для всякого форме? Если мы внимательно всмотримся в дело, то найдем, что нет приращения более простого, чем происходящего всегда равномерно…» [Галилей, с. 238]. Схема работы Галилея, ярко продемонстрированная в задаче о брошенном теле («4-й день» «Бесед…»), такова: 1) задается закон движения (тела падают равномерно– ускоренно); 2) в результате мысленных физических экспериментов происходит создание элементов физической модели идеального движения тела в пустоте и мешающей этому идеальному движению среды. На этом этапе, фактически «по определению», вводится взаимообусловленная пара понятий: «пустота» как такая совокупность условий, в которой галилеевское идеальное падение тела и реальное совпадают, и «среда» – то, что отклоняет реальное падение от идеального. Превращение этой еще натурфилософской модели в естественнонаучную происходит благодаря третьему шагу: 3) к созданному таким путем теоретическому построению – физической модели падения тела в пустоте – Галилей подходит как инженер к проекту, воплощая его в материал путем создания «гладких наклонных плоскостей» и других «конструктивных элементов» инженерной конструкции. Эта схема просматривается и в других разделах физики.

По сути Г. Галилей создал многослойную структуру ядра раздела науки. В нее входит двухслойная теоретическая часть (происходящая из математизированной натурфилософии): 1) «модельный» (Мод) слой55
  Без математического слоя нельзя овладеть физикой, нельзя в ней работать, но понимание физики связано, в первую очередь, с освоением модельного слоя. Специфика данного курса состоит в том, что в нем вся теоретическая физика спроецирована на модельный слой, благодаря чему убирается сложная математика. Это позволяет на уровне понимания обсуждать очень глубокие проблемы с далекими от математики и физики гуманитариями.


[Закрыть] состоит из таких элементов, как «тело», «пустота», «среда»66
  В «Беседах…» Галилея эти два слоя выделяются языком и стилем: математический слой представлен трактатом, написанным на латыни, а модельный – живым диалогом на итальянском.


[Закрыть]. 2) в математическом слое (Матем) на языке пропорции v₁:v₂=t₁:t₂ зафиксирован закон равномерно-ускоренного падения тела. Этот двухслойный теоретический блок (Т) дополняется нетеоретическим операционным блоком (О), содержащим две части: «приготовительную» часть < П |, включающую необходимые для приготовления самой системы и ее исходного состояния «конструктивные элементы» типа наклонной плоскости и шарика (с их помощью в материале создается система и ее начальное состояние); «измерительную» часть |И>, включающую операции измерения и эталоны для измеримых величин, фигурирующих в слое «физических моделей» (схема 2.1).

(Схема 2.1)

Модельный слой не только существует, но и является центральным в физике. Только после построения модели явления, как справедливо отмечает В. Гейзенберг, можно говорить о действительном понимании явления77
  «Мы хотим каким-то образом говорить о строении атома, а не только о наблюдаемых явлениях, к которым относятся, например, … капли в камере Вильсона», – говорит Гейзенберг [Гейзенберг, 1989, с. 162, 112]. Эти мотивы он развивает в статье «Что такое «понимание» в теоретической физике?» [Гейзенберг, 1971, с. 75–77]. Ссылаясь на пример теории Птолемея с ее высокой «предсказательной ценностью», Гейзенберг подчеркивал, что несмотря на это «большинство физиков согласятся, что лишь после Ньютона удалось добиться «реального понимания» динамики движения планет.


[Закрыть]. Об этом же говорит практика использования различных математических представлений (Ньютона, Лагранжа, Гамильтона – в классической механике, Шредингера, Гейзенберга, «взаимодействия» и др. – в квантовой механике) для решения одной и той же физической задачи. Именно инвариантность модели выделяет эту физическую задачу88
  Это фиксирует и Лакатос: «Внимание ученого сосредоточено на конструировании моделей…» [Лакатос, с. 84–85].


[Закрыть].