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

• Название: Концепции современного естествознания. Часть 1. Науки о неживом (физика, химия, синергетика)
• Автор: Аркадий Липкин
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-4475-3641-1

Самое сложное при столкновении с незнакомой областью – понять, что надо понимать. С ответа на этот вопрос и начинается данный курс, в котором применение специфического методологического подхода позволяет обойти сложную математику и на уровне понимания рассматривать самые глубокие и сложные вопросы естественных наук, включая концепции теории относительности и квантовой механики.

---

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 (SA(1)) в другое (SA (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 физики4, 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.