Три методологические революции в физике

Исходя из анализа структуры физического знания, сложившейся к началу XX в., мы получаем структуру, которая во многом является общей для всех естественных наук. В физике она складывается в результате трех методологических революций, имевших место с начала XVII, но начало XX в. Их результаты применимы ко всем естественным наукам¹.

Природа естественнонаучного знания: синтез натурфилософии, математики и техники

Первая методологическая революция, осуществленная Г. Галилеем в его теории падения тел, содержит два пункта: 1) создание естественной науки как симбиоза математизированной натурфилософии (выраженной установкой «книга природы написана на языке математики» и порождающей «теоретическую часть» физической теории)^[1][2] и техники (технических операций приготовления объекта и его окружения и соответствующих измерений), без которой нет эксперимента; 2) особое сочетание модельного и математического слоев при теоретическом описании движения идеального объекта (тела, падающего в пустоте). Галилей здесь задал многие основополагающие черты естественнонаучной парадигмы, и мы будем не раз обращаться к его примеру, поэтому начнем с анализа его «Бесед…», где это было сделано.

Если обратиться к текстам «Бесед…» Г. Галилея, где он, решая доставшуюся ему в наследство от Аристотеля задачу об описании падения тела, закладывает основы естественной науки Нового времени, то обнаружится, что основой его построений является не столько эмпирическое наблюдение, сколько теоретическое убеждение в том, что природа «стремится применить во всяких своих приспособлениях самые простые и легкие средства… Поэтому, когда я замечаю, — говорит Г. Галилей, — 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 происходящее всегда равномерно» [7, с. 238]. Схема «физической» работы Галилея, ярко продемонстрированная в решении задачи о брошенном теле («4-й день»), такова: задается закон движения — тела падают равноускоренно — и в результате мысленных физических экспериментов происходит выделение элементов идеальной физической модели: тела, идеального движения в пустоте и мешающей этому идеальному движению среды. Далее он к созданному им таким образом теоретическому построению подходит как инженер к проекту, т. е. ставит перед собой задачу воплотить эти элементы в материал^[3]. И он делает это с помощью технических но своей сути операций приготовления ({П|) и измерения (|И}). В этом случае {П| — это, скажем, приготовление гладкой наклонной плоскости (а позже — трубки, из которых откачен воздух (Торричелли)), являющейся реализацией вакуума, шарика и помещение его на определенную высоту, а |И} — эго измерение времени и пройденного пути. Благодаря им осуществляется материализация «тела в пустоте» — идеального объекта (ИО)¹ рассматриваемой теории.

Это можно выразить схемой (9.1.1а):

Аналогичную структуру (9.1.16) с этих пор имеет и типичный физический (и естественнонаучный) эксперимент (подробно рассматриваемый в следующей главе), где явление (Я) — это поведение некоторого «реального объекта»^[4][5]. Отметим, что место приготовления может занимать выбор среди того, что находится в готовом виде в окружающем мире, например звезды в астрофизике. Об этом случае обычно говорят как о «наблюдении», а не эксперименте. Явление есть порождение эксперимента или наблюдения.

Таким образом, у Галилея при создании теории падения тел обнаруживается фактически противоположный предлагавшемуся Ф. Бэконом (см. параграф 2.3) подход. У Галилея сначала задается закон идеального движения тела в пустоте — тела падают равномерно и ускоренно. Из опыта берется только то, что тела падают ускоренно, закон же этого движения выбирается на рациональном основании — простейший закон ускоренного движения — и он постулируется, т. е. диктуется разумом, а не опытом^[6].

Поэтому галилеевский подход является, во-первых, рационалистическим, ибо основное его утверждение — равноускоренность падения тела — постулат разума, а не обобщение опыта. Во-вторых, он является конструктивистским, так как в теоретической части порождается новый ИО (пустота, точнее, тело в пустоте), который затем реализуется в эмпирическом материале в результате эксперимента с помощью процедур приготовления (и измерения). Этот ход постоянно применяется при создании разделов физики. Так, в классической механике аналогом пары «вакуум — среда» будут пара «прямолинейное равномерное движение — сила» в I законе Ньютона и «сила — инерциальная система отсчета» во II законе Ньютона. Ведь «инерциальная система отсчета» определяется как такая система отсчета, в которой этот закон верен. Она вводится иостулативно, а задача ее нахождения решается конструктивно с помощью привязки ее к поверхности Земли, центру Солнца, множеству удаленных звезд или реликтовому излучению.

Граница между теоретическим описанием поведения И О, принадлежащим сфере умозрения и идеальных сущностей, и техническими операциями принципиально важна. Со времен Античности это были две разные сферы. Одна принадлежала сфере технэ, искусству человека, касалась различных «устройств», другая — сфере философского умозрения, натурфилософии, где обсуждались идеальные сущности, лежащие в основе различных явлений и мира в целом. Техника — это «вторая природа», за которой стоит управляющий ею человек, техника подразумевает цели и функции, а не сущности. 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“ (xex^vrl) или „у^хипФ^ения“ (pr|x^avrl) — 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»¹ [11, с. 9—11].

Это различение на технические устройства и физические явления, по сути, остается и после появления естественной науки, сменяющей натурфилософию. Однако между последними возникает специфическое взаимодействие. С одной стороны, в силу структуры (9.1.1а) естественная наука использует технические устройства в операциях (П| и |И}, с другой — технические устройства могут использовать различные физические явления (эго начинается с использования Гюйгенсом теории Галилея для конструирования часового механизма).

К обсуждению границы между теоретическим описанием ИО и техническими операциями, связывающими их с эмпирическим материалом, мы будем не раз возвращаться.

Вторая важная черта первой методологической научной революции XVII в. состоит в том, что теоретическое описание движения ИО содержит модельный и математический слои. К первому относятся «тело», «пустота» и «среда», ко второму — уравнение, описывающее равноускоренное падение^[7][8]. Появление математизированной натурфилософии произошло до Галилея, но там математизировались качества^[9], а здесь — движение.

• [1] Для физики это подробно проделано в работе [21], для химии эго почти очевидно, исходя из анализа материала, представленного в параграфе 18.1, биология, вообще говоря, требует дополнительного анализа, хотя в той или иной форме это, по-видимому, верно и для нее.
• [2] Нетривиальность самой мысли применения математики, предполагающей точность, к предполагающим неточность явлениям «подлунного мира», которыми занялась физика, подробнообсуждается в работе А. Койре «От мира „приблизительного“ к универсуму прецизионности».
• [3] Это стоит сопоставить с аристотелевским «по большей части не существует отдельно[от материи]» в его определении физики.
• [4] Идеальный объект — то, что движется (в очень общем смысле, который обсуждаетсяниже). Это выделяет его среди других идеальных сущностей, под которыми имеются в видусущности, задающиеся с помощью определения или входящие в определения. Они принадлежат области умозрения (Аристотель), из которой рождается научное мышление, и совсемне обязательно получаются путем идеализации или абстрагирования (могут изобретаться).
• [5] Такая структура эксперимента приводится у Фока [33] в связи с квантовой механикой, но эта структура существует со времен теории падения тел Галилея.
• [6] «Я заявляю, — говорит Галилей, — что хочу исследовать, каковы признаки, присущиедвижению тела, начинающегося с состояния покоя и продолжающегося со все возрастающейодинаковым образом скоростью». Причем, «Галилей указывает, что даже, если некоторыевыводимые им таким путем следствия нс будут соответствовать всем особенностям естественного движения падающих тел, для него это не будет иметь значения, — ведь „никтоне упрекает доказательства Архимеда за то, что в природе пет тел, движущихся по спирали (спирали Архимеда. — А. Л.)“» [11, с. 114]).
• [7] Ср. у Аристотеля: «Поскольку учение о природе… имеет… дело… с такой сущностью, которая имеет начало движения и покоя в самой себе, то ясно, что оно учение не о деятельности и не о творчестве (ведь творческое начало находится в творящем… а деятельноеначало — в деятеле» (Метафизика, кн. 6, гл. 1, 125Ь20).
• [8] В «Беседах…» Г. Галилея [7] математическая часть выделена в виде написанногона латыни трактата, а физические модельные рассуждения («мысленные эксперименты»)представлены в форме живого диалога на итальянском языке.
• [9] В работах группы английских философов XIV в., связанных с Мертон-коллсджемв Оксфорде (Томас Брадвардин и др.) общий логико-математический подход применялсяк рассмотрению самых разнообразных качеств, от физических (таких, как тепло, яркость, скорость) до моральных и метафизических (таких, как грех, вожделение, милосердие, благодать).