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.

---

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) слой5 состоит из таких элементов, как «тело», «пустота», «среда»6. 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 явления7. 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 задачу8.

3 . Структура раздела физики

Перейдем к конкретизации полученной выше галилеевской модели «ядра раздела науки» (схема 2.1) для случая физики.

Система понятий и постулатов, образующих ЯРН в физике, имеет общую для всех разделов физики структуру теоретической части (схема 3.1). В этой структуре можно выделить два слоя: математический (Матем) и модельный (Мод). Модельная часть содержит два главных понятия: физическая система (A) и ее состояния в данный момент времени t (SA (t))). С их помощью, как уже было сказано, осуществляется теоретическое описание обобщенного движения (процесса) как перехода физической системы из одного состояния в другое (при этом если в качестве физической системы выступает ПИО – простейшая физическая система данного раздела, то схема 3.1 выступает как схема ЯРН, а если в качестве физической системы выступает ВИО, то центральная часть схема 3.1 выступает как схема теории ВИО). Связь между состояниями задается с помощью математического слоя (в этом его смысл и его функция), содержащего соответствующие математические образы A и SA (t) (будем подчеркиванием обозначать принадлежность к математическому слою), а также уравнение движения (УД) – центральный элемент математического слоя. Уравнение движения содержит в том или ином виде математические образы физической системы A и внешнего воздействия F(t) (оно не выписано в модельном слое, чтобы не загромождать схему). Уравнение движения и задает в математическом слое связь между состояниями в различные моменты времени9.

Уравнение движения наряду с «диахроническими» свойствами, описывающими рассматриваемый переход из одного состояния в другое, определяет также и «синхронические» свойства системы – множество возможных ее состояний.

Схема 3.1. Ядро раздела науки в физике

Набор возможных состояний является важнейшей характеристикой физической системы. Состояние – это понятие, описывающее изменение (движение) системы и дающее полную возможную в данном разделе физики информацию о системе в данный момент времени, а посредством уравнения движения – и в другие моменты времени. Такое понятие состояния физической системы тесно связано с другими элементами структуры, изображенной на схеме 3.1. К другим элементам относятся понятия внешнего воздействия и взаимодействия (при построении многочастичных систем), каковыми в классической механике являются силы.

Кроме указанных элементов теоретической части физическая система и ее исходное состояние должны иметь материальную реализацию в эмпирическом слое, а измеримые величины (расстояние, скорость, масса и т. п.), которые входят в физическую модель системы и ее состояний, должны иметь соответствующие эталоны и операции сравнения с эталоном. Это обеспечивают рассмотренные выше операциональные элементы ЯРН – процедуры приготовления (<П|) и измерения (|И>), составляющие «операциональную» часть. При этом в рамках ЯРН речь идет об идеальных проектах приготовления и измерения, которые реализуются в рамках конкретных материалов и технических возможностей с определенной точностью. В результате структура ЯРН является гетерогенной – она имеет теоретическую и операциональные части.

Все эти понятия задаются совместно и неявно в рамках ядра раздела науки подобно тому, как задаются основные понятия геометрии в рамках системы аксиом геометрии. Один раздел от другого отличается содержательным наполнением элементов структуры ЯРН, изображенных на схеме 3.1. Так вводятся понятия физики, которые возникли начиная с электродинамики10 Максвелла. Их нельзя адекватно воспринять, не используя явно или неявно структуру базовой системы исходных понятий и постулатов раздела физики (ЯРН), изображенную на схеме 3.1, т. е. структуру оснований раздела физики, которая естественным образом возникает в теоретической физике.