HPMNS
Search…
Лекции
L11. Естествознание 19 века
НЕПРОВЕРЕННЫЙ КОНСПЕКТ
Для Вашего удобства конспект был написан во время лекции, доработан после неё и опубликован в максимально короткие сроки. Лектором курса конспект ещё не проверялся. Возможны ошибки, неточности. В дальнейшем конспект планируется дополнить и исправить.

Основные достижения естествознания 19 столетия

Введение понятия поля Фарадеем. Соврешенно новое понятие для физики. Идея выдвинута Фарадеем, а математическая заслуга — Максвела. Он разрабатывает классическую электродинамику. В 1888 году открытие электромагнитных волн Герцем ставило точку на теории Максвела, подтверждая её.
В 40-е годы второе важное событие — идея о сохранении энергии, выдвинутая Майером, поддержанная Джоулем, Ленцем. Появляется термодинамика, в которой Клаузиусом и Томпсоном-Кельвином формируется второе начало, вводящее энтропию, как функцию состояния систем. В отличие от классической механики, здесь уже начинают говорить о необратимых процессах в системах.
В химии зарекомендовал себя атомизм при разработке кинетической теории газов. Возникали вопросы, а как можно атомизм принести в физику?
Одним из основных вопросов физики 19 века был вопрос механицизма. Принцип классической физики, что все физические явления могут и должны быть сведены к основам механики — перемещению тел — они встречали проблемы. В электродинамике не удавалось построить механическую модель электромагнитных явлений. Возникали проблемы с теорией эфира, как среды, в которых эти изменения возникают. Не получалось дать механистическое основание второму началу термодинамики. Сам Максвелл пользовался теми или иными механистическими моделями, но он рассматривал их, как некие аналогии, инструменты для описания. Уже он писал, что не стоит рассматривать механицизм, как онтологию мира. Снова возрождается феноменологизм науки. Наука занимается только законами явлений, а не причинами их возникнавений.
Не заботясь о сущности явлений, вещей, составлять уравнения, которые, будучи сводобными от гипотез, в точности бы соответствовали миру явлений
(с) Кирхгоф

Удобные инструменты Маха

Эрнст Мах (1838 ~ 1916)
Мах писал, что функция науки — экономное замещение или воспроизведение опыта. Формулы, законы науки — это просто удобное выражение данных опыта. Это не отражение самой реальности, которое существует независимо от опыта.
Отсюда появляется инструментализм — позиция Маха. Для Маха, атомная теория выполняет такую же функцию, как и математические представления в физике — она есть удобная математическая модель для описания фактов, но она не отражает самой реальности. Здесь атомы использовались просто как удобный инструмент для связи одних явлений с другими.
Когда для колебаний мы используем тригонометрические функции, то мы понимаем, что функции — это одно, а колебания в реальности — другое. И функции не отражают реальность целиком, это —просто удобный аппарат для описания этих явлений.
(с) Мах
Мах, исходя из своих соображений, также выступал с критикой механицизма. Он обращал внимание на то, что понятия абсолютного пространства и ньютоновской физики не должны рассматриваться, как непреложная истина. Это, по Маху, был удобный аппарат для описания реальности, но не стоит на нём останавливаться надолго.
Мах отмечал, что нет ничего трудного в том, чтобы разложить наши ощущения на систему элементов. Но совершенно непонятно, как из элементов можно построить какие-то психические переживания. Одно дело — человеческий непосредственный опыт. Опыт можно разложить на элементы. Другое дело — понятия в физике, символы, понятия, абстракции. Из того, что мы выстраиваем в ходе теоретизации физики, нельзя перейти к тому, что мы на самом деле ощущаем. Для него, физическое — это только лишь символы, которыми мы пользуемся, как удобным инструментом для описания опыта. Не стоит считать, что мир устроен так, как описывает его физика — ей просто пользуются, как удобным аппаратом, приближением реальности.
Вместе с тем Мах был критиком теории гипотез. Есть какой-то наш опыт, мы можем проверить наши модели с точки зрения опыта. Но попытки простроить гипотезы за пределы нашего опыта для Маха представляются метафизикой — для Маха это не нужно. Гипотезы (по Маху) — область метафизики.
Анри Пуанкаре (1854 ~ 1912)
Пуанкаре в детстве увлекался историей. Первое его научное произведение называлось "Наука и Гипотеза". Он пишет, что, на самом деле, наука не может жить без гипотез.
Те, кто думает, что чистый опыт (отсылка к Маху) — единственный источник физики, тот не имеет плана для строительства своей кирпичной стены Науки. Наука без плана, без чертежа — это просто набор кирпичей, выстроенный из опыта. Нужен план, по которому наука будет выстраивать своё то или иное направление. А что является таким планом? Научная гипотеза.
(с) Анри Пуанкаре в своей работе "Наука и Гипотеза"
Пуанкаре замечает, что существует два вида гипотез. Первые: гипотезы, допускающие проверку опытом, могут быть им опровергнуты или подтверждены. Они и приносят те самые кирпичики для построения научного знания. Но есть и второй вид гипотез, без которых не может обойтись наука, которые по сути же являются замаскированными соглашениями, которых все придерживаются.

Конвенционализм Маха

Отсюда, наука Маха начала называться конвенционализм (convencio — соглашение). В самой математике условные соглашения присутствуют и математика во многом на них базируется. Мах пишет, что соглашения вырастают на основе опыта, но не порождаются опытом. Опыт лишь помогает выбрать удобные для Науки соглашения. А создаёт эти соглашения Ум.
Примеры:
Само понятие математической величины. В математике нет величин! Величины — это наше произведение, которым мы пользуемся для изучения мира явлений. Это уже элемент соглашений. Единицы измерений, метрики — это элементы соглашений.
Пространство — другое подобное соглашение. Какое пространство — эвклидово или нет? Позиция Пуанкаре — бессмысленно рассуждать об этом. Опыт никогда не скажет нам, какое на самом деле пространство, потому что оно и его характеристики — это лишь наши соглашения. Мы пользуемся эвклидовой геометрией, потому что она удобна для нас и наших экспериментов. Пытаясь описывать наш опыт, мы либо используем какую-то из понятных и известных нам видов геометрии (Эвклида, Лобачевского, Римана), либо просто скажем, что луч — не прямой. Геометрия для Пуанкаре представляется просто языком. Разговаривать можно на разных языках — не нужно спорить о том, какой главный, нужно использовать тот, который в данном случае просто удобнее.
Законы Ньютона — это тоже соглашения. Второй закон Ньютона — просто определение силы. Точность этих законов тем и выражена, что построена на соглашениях. Наука развивается, а законы Ньютона не опровергаются, потому что они — удобные. Пока они удобные и работают в своих областях, никто не будет их переписывать.

Метафизика (иногда) нужна

В своей работе "Ценность Науки" в 1905 году Пуанкаре касается вопросов соотношения науки и морали. Из концепции конвенциализма возникает вопрос: а что является достоверным в физико-математических теориях? Да, соглашения удобны. Но они что — просто соглашения, не истина? Пуанкаре указывает на историю: уже долго то, что связывает нас с реальностью — математические отношения. Что же касается физических представлений, они имеют метафизическое представление.
Примеры:
Теория Френеля, несмотря на дискуссии о природе света, сохраняет свою ценность для описания волновых явлений.
Принцип Карно. Тот был сторонником теории теплорода, который в данный момент признан несуществующим. Однако принцип остался и работает до сих пор, как удобный инструмент для описания термодинамики.
Пуанкаре занимается и вопросами морали. Он с интересом относился к учению Канта. Как для Канта вопросы нравственности были очень важны, без них человек — не человек. Так и Пуанкаре, один из немногих, кто в конце 19 века сумел оставить свой вклад в теорию естествознания, связывает нравственность и интуицию.
В то время математики задавались вопросы — раз у нас есть разные геометрии и разные подходы, то базируемся-то мы на чём? Точно ли на чём-то непротиворечивом? В это время начинает становиться популярным логицизм, продолжающий идеи Лейбница: математика, как строгая теория, отбрасывающая ненужные образы и приближения к реальному миру.
Пуанкаре полемизирует с этим направлением. Он пишет, что без интуиции невозможно работать с такой математикой. Что такое интуиция по Пуанкаре? Два значения.
Первое — это аналог нынешней математической индукции. Что-то работает для одного элемента и от n-го $(n+1)$-му. А потом интуитивно заключаем, что это работает для всего ряда. Без интуиции такой подход бы не работал.
Второе значение интуиции. Учёный обладает интуицией во втором значении. Он может без какого-либо логического обоснования открывать научные истины и только потом их как-либо доказывать логически.
В докладах "будущее науки" и "наука и метод" Пуанкаре обсуждал кризис научного знания. Мы будем говорить об этом позднее. Отметим, что Пуанкаре, как и Мах, подчёркивал спорность понятия одновременности. Именно Пуанкаре внёс значительный вклад в разработку теории относительности. Даже существует предположение, что Эйнштейн был знаком с работами Пуанкаре. Пуанкаре также сформулировал законы инвариантности математических законов относительно преобразований Лоренца.
Пьер Дюгем (1861~1916)
Второй представитель нового позитивизма. По своим взглядам он чем-то близок к Маху, а чем-то отличается. В 1913 году он стал членом Французской Академии Наук. В 1904 году Дюгем написал работу под названием "Физическая теория, её цель и строение".
Здесь стоит отметить уровень нашей отечественной науки. Иностранные научные труды мгновенно переводились. Это дало сильный толчок к развитию науки в нашей стране.
Дюгем пишет, что существует два взгляда на научную теорию. Первые говорят о том, что надо объяснить знание. Вторые говорят о классификации фактов. Дюгем сторонник второго подхода.
Первые понимают объяснение, как теорию той реальности, которая стоит за явлениями. Что значит — объяснить? Значит — указать, что собой представляет реальность, которую мы не видим, но наша теория её объясняет. Дюгем критикует данный подход: когда физическая теория пытается объяснить реальность, хочет она или не хочет, она связывается с метафизикой и теряет свою автономность. Такое объяснение всегда носит гипотетический характер. Объяснение никогда не может нам сделать наглядной ту реальность, которая это объяснение постулирует.
Дюгем приводит пример из оптики. Вот волновая теория Френеля, которая хорошо согласовалась с явлениями. Но когда эта теория старается разобраться, а в какой среде эти волны распространяются, возникают проблемы. И поскольку экспериментально нельзя проверить, что это за среда, возникают споры. Одни становятся сторонниками теории эфира, дургие — противниками этой теории. Всё это скатывается в метафизику.
Например, перепатетики, ньютонианцы, картезианцы — по разному объясняли явления магнетизма. Отсюда возникали споры.
Проблема этих метафизических концепций: они не давали указаний, чтобы из них можно было бы вывести те указания, которые можно было бы проверить на опыте. Да и вообще, как замечает Дюгем, они, как правило, отрицают что-либо. Вакуум, возможность действия на расстоянии и т. д. Но что-то отрицать — это мало даёт для развития естествознания.
Дюгем задаёт вопрос: а можно ли строить так нашу физическую теорию, чтобы она не была бы зависима ни от каких метафизических гипотез? Он приходит к выводу, что возможно.

Четыре стадии строительства научного знания

Физическая теория, по Дюгему, выводится дедуктивно из небольшого числа первоначальных принципов (аксиом, гипотез) для того, чтобы проще, точнее, полнее выразить реальные физические законы.
  1. 1.
    Сначала мы имеем физические явления.
  2. 2.
    Затем формулируем гипотезы и аксиомы.
  3. 3.
    На них строим физическую теорию, чтобы эти законы описать теоретически.
  4. 4.
    Затем мы подтверждаем/опровергаем эту теорию опытом.
По Дюгему эти первоначальные принципы (аксиомы, гипотезы) не претендуют на онтологию, на соответствие реальности. Для Дюгема эти аксиомы введены просто как удобный инструмент.

Вера в науку

Дюгем вводит понятие естественной классификации. Он говорит: теория даёт объяснение какого-то физического явления. Если мы видим, что теория какое-то время подтверждается опытом, то мы можем затаить надежду, что эта теория как-то соответствует тому, как такая классификация существует в реальности. Мы можем на это надеяться, но доказать мы это не можем. И не надо удивляться, если мы будем какое-то время верить в какую-то теорию, а потом её опровергнем и отбросим. Получается, что учёный верит, что система, которая совершенно ясно и просто объясняет какие-то группы явлений, будучи искуственной, соответствует реальному положению дел. Но доказать этого нельзя.
Дюгема упрекают: но ведь метафизика провоцировала естествознание на развитие! Дюгем отвечает, что учёные разделялись на две части. Есть часть описательная — всё хорошее, что остаётся в научном знании под конец. А есть часть объяснительная — всё то, что регулярно отбрасывается с появлением новых научных теорий. С прогрессом объяснительная часть, как правило, отпадает, чтобы уступить место новому объяснению, а описательная часть практически целиком переходит на новую ступень развития науки.
Приводится пример описания света Декартом. Понимание Декарта о том, что такое свет, давно отброшено. Однако математический аппарат — остался и в дальнейшем использовался.

Анализ физической теории

Дюгем проводит анализ физической теории, физических гипотез. Он обращает внимание на важную для философии науки вещь: факт представляет собой не только описание какого-то явления природы, но и его интерпретацию на основе физических теорий.
Почему это важно для Дюгема? Он замечает, что соотношение теории и эксперимента — неверно. Он приводит такие примеры:
Представьте, вы занимаетесь простыми вещами: измеряете давление или силу тока. И вот вы приглашаете человека с улицы, говоря, что мы хотим записать ваши наблюдения. Что человек скажет? Ну, он может сказать, что уровень жидкости поднялся с этого уровня — на тот. Он скажет, что какой-то странный прибор что-то показал. Он что, знает, что такое ток? Что такое давление? Температура? Столетия уходили на то, чтобы разобраться в том, что такое температура. А как это объяснить? Обычно просто подходят к термометру и показывают: вот!
Физические теории заменяют наблюдаемые опытные данные абстрактными символьными описаниями. Фиксация научного эксперимента ставит реальным данным какие-то символы, которые мы наделили значениями. А символы мы взяли из самой теории. Поэтому теория участвует в проведении эксперимента.
Иными словами, когда мы результаты эксперимента фиксируем с помощью приборов, мы доверяем тому, что приборы и законы, на которые они опираются, работают и соответствуют действительности. Объясняя астрономические явления, мы опираемся на то, что телескоп адекватно отражает реальное положение вещей, не искажает их или вообще не показывает что-то своё и несуществующее.

Тезис Дюгема-Куайна

Физический эксперимент никогда не может привести к опровержению одной какой-либо изолированной гипотезы, а всегда к какой-либо группе теорий.
Что имеет в виду Дюгем: когда мы фиксируем результат какого-то эксперимента, мы фиксируем результаты множества различных теорий. Измерив температуру в своём эксперименте, мы утверждаем, что доверяем физике твёрдого тела, термодинамике и другим наукам, которые в связке доказали, что термометру можно доверять. Пример в программировании: используя библиотеки в своём коде, мы доверяем разработчикам этих библиотек, что они работают именно так, как написано.
По Дюгему, когда мы находим несоответствие между экспериментом и теорией, то есть что-то неверное между этим. Но мы пока не можем ответить, что именно, мы можем просто пока что это констатировать.

Приблизительность физических законов

Дюгем говорит, что физические законы — не истинны и не ложны, они — приблизительны, временны. Они — в пределах ошибки эксперимента. Развитие науки как раз и происходит, когда мы вносим уточнения в описании того или иного физического закона.
Так, при описании газа, сначала создали кинетическую теорию идеального газа. Но ведь реальный газ — не идеален. Так что начинали учитывать дополнительные условия, уточняя результаты теории идеального газа.
Каждая теория рано или поздно встречает жестокое опровержение. Но разно или поздно находится новый путь для очередного ростка этого направления, теория адаптируется к несоответствию, изменяясь и эволюционируя. Старые теории сохраняют своё значение, но становятся ростками новых, более общих теорий подобно тому, как ньютоновская механика осталась при существовании общей теории относительности.

Сравнение Дюгема с Махом и Кантом

Дюгем, в отличие от Маха, не считает, что человеческое существование должно быть ограничено только миром явлений. С Кантом он предполагает, что человек обладает свободой выбора. Это нельзя доказать научно. Но если Мах сразу это отбрасывает, то для Дюгема это имеет право на существование. Механицизм вступает в противоречие со свободой воли. Но Дюгем замечает, что это — тоже своего рода метафизика, и мы вправе выбирать, что из этого является истиной.
Если у Маха метафизику надо отбросить, то Дюгем говорит, что не надо быть таким максималистом, у метафизики есть место для объяснения отдельные, ненаучные стороны знания.