Томас Кун - После «Структуры научных революций»

Но ньютоновское использование всех трех терминов является количественным, и ньютоновская форма количественного описания меняет как их индивидуальное употребление, так и взаимосвязь между ними [54]. Только единицы измерения могут быть установлены конвенционально; шкала же должна быть выбрана так, чтобы вес и масса были экстенсивными величинами и чтобы силы, таким образом, могли быть векторными. (Сравните с температурой, для которой как единицы измерения, так и шкала могут быть выбраны конвенционально.) Повторюсь: процесс изучения нуждается в непосредственном сопоставлении утверждений, содержащих изучаемые термины, с ситуациями, взятыми из природы непосредственным или опосредованным образом.

Начнем с количественного описания «силы». Студенты полностью овладевают данным количественным понятием, обучаясь измерять силу безменом или другим упругим прибором. Такие инструменты появились некогда в научной теории или практике еще до Ньютона, когда они унаследовали концептуальную роль, которую ранее играли чашечные весы. С этого времени они стали главными, по причинам скорее концептуальным, нежели прагматическим.

Использование безмена для демонстрации правильного измерения силы нуждается, как бы то ни было, в обращении к двум утверждениям, обычно считающимся законами природы. Одно из них – третий закон Ньютона, который утверждает, что сила, посредством веса воздействующая на безмен, равна и противоположно направлена силе воздействия безмена на вес. Другое – закон Гука, утверждающий, что сила, прикладываемая для растягивания безмена, пропорциональна перемещению пружины.

Как и в случае первого закона Ньютона, эти термины впервые встречаются в изучении языка, когда они накладываются на примеры ситуаций, по отношению к которым используются. Эти соотнесения играют двойную роль, одновременно устанавливая, как должно употребляться слово «сила» и как ведет себя мир, наполненный силами.

Обратимся теперь к количественному описанию терминов «масса» и «вес». Оно особенно ясно иллюстрирует ключевой аспект процесса овладения словарем, который до того не был изучен. В этом отношении мое обсуждение терминологии Ньютона, вероятно, предполагает, что при наличии необходимого предварительного словаря студенты изучают термины, которые принадлежат определенному множеству примеров их употребления.

Может показаться, что эти единичные примеры создают необходимые условия для овладения этими терминами. На практике, однако, случаи такого рода очень редки. Как правило, существуют альтернативные наборы примеров, которые ведут к овладению одними и теми же терминами. И хотя обычно не имеет значения, с каким набором примеров был знаком индивид, существуют особые обстоятельства, в которых различия между этими наборами становятся очень важными.

В случае с «массой» и «весом» один из этих альтернативных наборов является стандартным. Он может возместить недостающие элементы как словаря, так и теории, и, возможно, таким образом, с него начинается процесс освоения словаря всеми студентами. Но логически могут существовать и другие примеры, и для большей части студентов они также играют роль.

Будем придерживаться стандартного пути, который сначала количественно описывает массу в виде того, что сегодня называют «инерциальной массой». Студентам представляют второй закон Ньютона – сила равна массе, умноженной на ускорение, – в качестве описания того, как в действительности ведут себя движущиеся тела, но в описании присутствует важнейшее употребление пока еще не вполне определенного термина «масса». Таким образом, этот термин и второй закон Ньютона выучиваются вместе, и закон может затем использоваться для установления недостающего измерения: масса тела пропорциональна его ускорению под воздействием известной силы. Для усвоения этого понятия аппарат центростремительной силы предоставляет определенно эффективный способ измерения.

Когда масса и второй закон введены таким образом в ньютоновский словарь, можно ввести закон гравитации как эмпирическую закономерность. Теория Ньютона применима к наблюдению неба, где проявления притяжения сравнимы с существующими между Землей и телами, находящимися на ней. Взаимное притяжение между телами, таким образом, оказывается пропорциональным их массам, и эта эмпирическая закономерность может использоваться для объяснения недостающих аспектов ньютоновского термина «вес».

«Вес», как теперь представляется, обозначает относительное свойство, которое зависит от присутствия двух или более тел. Таким образом, он может, в отличие от массы, изменяться в зависимости от местоположения, к примеру, на поверхности Земли и Луны. Это различие могут отразить только пружинные весы, но не чашечные, используемые до этого (которые показывают один и тот же результат во всех положениях). То, что измеряется чашечными весами, – это масса, количество, зависящее только от тела и от выбора единицы измерения.

Ввиду того что обозначенный процесс устанавливает как второй закон, так и употребление термина «масса», он открывает прямые пути ко многим приложениям теории Ньютона [55]. Вот почему он играет ключевую роль при представлении словаря теории. Но он, как было отмечено ранее, не является необходимым для этой цели и редко функционирует в одиночестве.

Теперь позвольте рассмотреть второй способ, каким можно ввести использование терминов «масса» и «вес». Он отталкивается от того же пункта, что и первый, – от количественного измерения понятия «силы» при помощи пружинных весов. Далее «масса» вводится в виде того, что сегодня называется «гравитационной массой». Соответствующее описание сущности мира наделяет студентов понятием «гравитации» как универсальной силы притяжения между парами материальных тел, величина которого пропорциональна массе каждого. Восполняя отсутствующий аспект «массы», вес можно объяснить как относительное свойство, силу, являющуюся результатом гравитационного притяжения.

Это второй способ введения ньютоновских терминов «масса» и «вес». При их наличии второй закон Ньютона, пока еще отсутствующий компонент ньютоновской теории, может быть введен в качестве эмпирического положения просто как результат наблюдения. С этой целью вновь используется аппарат центростремительной силы, но не для того, чтобы измерять массу, как в первом случае, а скорее для установления отношения между приложенной силой и ускорением массы, прежде измеряемой посредством гравитации.

Эти два способа, таким образом, отличаются своими допущениями относительно природы, при помощи которых происходит овладение ньютоновскими терминами и тем, что оставляется для эмпирического открытия. В первом случае второй закон вводится как допущение, а закон гравитации эмпирически. Во втором они изменяют свой эпистемологический статус. В каждом случае один из законов, но только один, является как бы изначально встроенным в словарь.