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

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.