Философия науки и техники.
Раздел III. Структура и динамика научного познания.
Глава 9. Динамика научного познания

Подход к научному исследованию как к исторически развивающемуся процессу означает, что сама структура научного знания и процедуры его формирования должны рассматриваться как исторически изменяющиеся. Но тогда необходимо проследить, опираясь на уже введённые представления о структуре науки, как в ходе её эволюции возникают все новые связи и отношения между её компонентами, связи, которые меняют стратегию научного поиска. Представляется целесообразным выделить следующие основные ситуации, характеризующие процесс развития научных знаний: взаимодействие картины мира и опытных фактов, формирование первичных теоретических схем и законов, становление развитой теории (в классическом и современном вариантах).

Взаимодействие научной картины мира и опыта

Картина мира и опытные факты на этапе становления научной дисциплины

Первая ситуация может реализовываться в двух вариантах. Во-первых, на этапе становления новой области научного знания (научной дисциплины) и, во-вторых, в теоретически развитых дисциплинах при эмпирическом обнаружении и исследовании принципиально новых явлений, которые не вписываются в уже имеющиеся теории.

Рассмотрим вначале, как взаимодействует картина мира и эмпирические факты на этапе зарождения научной дисциплины, которая вначале проходит стадию накопления эмпирического материала об исследуемых объектах. В этих условиях эмпирическое исследование целенаправлено сложившимися идеалами науки и формирующейся специальной научной картиной мира (картиной исследуемой реальности). Последняя образует тот специфический слой теоретических представлений, который обеспечивает постановку задач эмпирического исследования, видение ситуаций наблюдения и эксперимента и интерпретацию их результатов.

Специальные картины мира как особая форма теоретических знаний являются продуктом длительного исторического развития науки. Они возникли в качестве относительно самостоятельных фрагментов общенаучной картины мира на этапе формирования дисциплинарно организованной науки (конец XVIII — первая половина XIX века). Но на ранних стадиях развития, в эпоху становления естествознания, такой организации науки ещё не было. Это обстоятельство не всегда адекватно осмысливается в методологических исследованиях.

В 1980-х годах, когда интенсивно обсуждался вопрос о статусе специальных картин мира, были высказаны три точки зрения: специальных картин мира вообще не существует и их не следует выделять в качестве особых форм теоретического знания; специальные картины мира являются ярко выраженными автономными образованиями; их автономия крайне относительна, поскольку они выступают фрагментами общенаучной картины мира. Однако, в истории науки могут найти подтверждения все три точки зрения, только они относятся к разным её стадиям: додисциплинарной науке XVII века, дисциплинарно организованной науке XIX — первой половины XX века, современной науке с её усиливающимися междисциплинарными связями. Эти стадии следует различать.

Первой из наук, которая сформировала целостную картину мира, опирающуюся на результаты экспериментальных исследований, была физика. В своих зародышевых формах возникающая физическая картина мира содержала (особенно в предгалилеевский период) множество натурфилософских наслоений. Но даже в этой форме она целенаправляла процесс эмпирического исследования и накопление новых фактов.

В качестве характерного примера такого взаимодействия картины мира и опыта в эпоху становления естествознания можно указать на эксперименты В. Гилберта, в которых исследовались особенности электричества и магнетизма.

В. Гилберт был одним из первых учёных, который противопоставил мировоззренческим установкам средневековой науки новый идеал — экспериментальное изучение природы. Однако картина мира, которая целенаправляла эксперименты В. Гилберта, включала ряд представлений, заимствованных из господствовавшей в Средневековье аристотелевской натурфилософии. Хотя В. Гилберт и критиковал концепцию перипатетиков о четырёх элементах (земли, воды, воздуха и огня) как основе всех других тел, он использовал представления о металлах как сгущениях земли и об электризуемых телах как о сгущениях воды. На основе этих представлений Гилберт выдвинул ряд гипотез относительно электрических и магнитных явлений. Эти гипотезы не выходили за рамки натурфилософских построений, но они послужили импульсом к постановке экспериментов, обнаруживших реальные факты.

Например, представления об «электрических телах» как воплощении «стихии воды» породили гипотезу о том, что все электрические явления — результат истечения «флюидов» из наэлектризованных тел. Отсюда Гилберт предположил, что электрические истечения должны задерживаться преградами из бумаги и ткани и что огонь должен уничтожать электрические действия, поскольку он испаряет истечение. Так возникла идея серии экспериментов, обнаруживших факты экранирования электрического поля некоторыми видами материальных тел и факты воздействия пламени на наэлектризованные тела (если использовать современную терминологию, то здесь было по существу обнаружено, что пламя обладает свойствами проводника).

Аналогичным образом представления о магните как о сгущении Земли генерировали знаменитые эксперименты В. Гилберта с шаровым магнитом, посредством которых было доказано, что Земля является шаровым магнитом, и выяснены свойства земного магнетизма. Эксперимент с шаровым магнитом выглядит весьма изящным даже по меркам современных физических опытов. В его основе лежала аналогия между шаровым магнитом (террелой) и Землёй. Гилберт исследовал поведение миниатюрной магнитной стрелки, помещаемой в разных точках террелы, и затем полученные данные сравнил с известными из практики мореплавания фактами ориентации магнитной стрелки относительно Земли. Из сравнения этих данных Гилберт заключил, что Земля есть шаровой магнит.

Исходная аналогия между террелой и Землёй была подсказана принятой Гилбертом картиной мира, в которой магнит как разновидность металлов рассматривался в качестве воплощения «природы земли». Гилберт даже в названии шарового магнита (террела — земля) подчёркивает общность материи земли и магнита и естественность аналогии между земным шаром и шаровым магнитом.

Целенаправляя наблюдения и эксперименты, картина мира всегда испытывает их обратное воздействие. Можно констатировать, что новые факты, полученные В. Гилбертом в процессе эмпирического исследования процессов электричества и магнетизма, генерировали ряд достаточно существенных изменений в первоначально принятой В. Гилбертом картине мира. По аналогии с представлениями о земле как «большом магните», В. Гилберт включает в картину мира представления о планетах как о магнитных телах. Он высказывает смелую гипотезу о том, что планеты удерживают на их орбитах силы магнитного притяжения. Такая трактовка, навеянная экспериментами с магнитами, радикально меняла представление о природе сил. В это время силу рассматривали как результат соприкосновения тел (сила давления одного груза на другой, сила удара). Новая трактовка силы была преддверьем будущих представлений механической картины мира, в которой передача сил на расстоянии рассматривалась как источник изменений в состоянии движения тел.

Полученные из наблюдения факты могут не только видоизменять сложившуюся картину мира, но и привести к противоречиям в ней и потребовать её перестройки. Лишь пройдя длительный этап развития, картина мира очищается от натурфилософских наслоений и превращается в специальную картину мира, конструкты которой (в отличие от натурфилософских схем) вводятся по признакам, имеющим опытное обоснование.

В истории науки первой осуществила такую эволюцию физика. В конце XVI — первой половине XVII века она перестроила натурфилософскую схему мира, господствовавшую в физике Средневековья, и создала научную картину физической реальности — механическую картину мира. В её становлении решающую роль сыграли новые мировоззренческие идеи и новые идеалы познавательной деятельности, сложившиеся в культуре эпохи Возрождения и начала Нового времени. Осмысленные в философии, они предстали в форме принципов, которые обеспечили новое видение накопленных предшествующим познанием и практикой фактов об исследуемых в физике процессах и позволили создать новую систему представлений об этих процессах. Важнейшую роль в построении механической картины мира сыграли: принцип материального единства мира, исключающий схоластическое разделение на земной и небесный мир, принцип причинности и закономерности природных процессов, принципы экспериментального обоснования знания и установка на соединение экспериментального исследования природы с описанием её законов на языке математики.

Обеспечив построение механической картины мира, эти принципы превратились в её философское обоснование.

Научная картина мира как регулятор эмпирического поиска в развитой науке

После возникновения механической картины мира процесс формирования специальных картин мира протекает уже в новых условиях. Специальные картины мира, возникавшие в других областях естествознания, испытывали воздействие физической картины мира как лидера естествознания и, в свою очередь, оказывали на физику активное обратное воздействие. В самой же физике построение каждой новой картины мира происходило не путём выдвижения натурфилософских схем с их последующей адаптацией к опыту, а путём преобразования уже сложившихся физических картин мира, конструкты которых активно использовались в последующем теоретическом синтезе (примером может служить перенос представлений об абсолютном пространстве и времени из механической в электродинамическую картину мира конца XIX столетия).

Ситуация взаимодействия картины мира и эмпирического материала, характерная для ранних стадий формирования научной дисциплины, воспроизводится и на более поздних этапах научного познания. Даже тогда, когда наука сформировала слой конкретных теорий, эксперимент и наблюдение способны обнаружить объекты, не объясняемые в рамках существующих теоретических представлений. Тогда новые объекты изучаются эмпирическими средствами, и картина мира начинает регулировать процесс такого исследования, испытывая обратное воздействие его результатов. Описанные выше примеры с исследованием катодных лучей могут служить достаточно хорошей иллюстрацией взаимодействия картины мира и опыта применительно к процессу физического исследования.

Аналогичные ситуации можно обнаружить и в других науках. Так, в современной астрономии, несмотря на довольно развитый слой теоретических моделей и законов, значительное место принадлежит исследованиям, в которых картина мира непосредственно регулирует процесс наблюдения и формирования эмпирических фактов. Астрономическое наблюдение весьма часто обнаруживает новый тип объектов или новые стороны взаимодействий, которые не могут быть сразу объяснены в рамках имеющихся теорий. Тогда картина реальности активно целенаправляет все последующие систематические наблюдения, в которых постепенно раскрываются особенности нового объекта.

Характерным примером в этом отношении может служить открытие и изучение квазаров. После обнаружения первого квазара — радиоисточника 3С 48 — сразу же возник вопрос, к какому типу космических объектов он относится. В картине исследуемой реальности, сложившейся ко времени открытия квазаров, наиболее «подходящими» типами объектов для этой цели могли быть звезды либо очень удалённые галактики. Обе гипотезы целенаправленно проверялись в наблюдениях. Именно в процессе такой проверки были обнаружены первые свойства квазаров. Дальнейшее исследование этих объектов эмпирическими средствами также проходило при активной корректировке со стороны картины реальности. В частности, можно установить её целенаправляющую роль в одном из ключевых моментов этого исследования, а именно — открытии большого красного смещения в спектрах квазаров. В истоках этого открытия лежала догадка М. Шмидта, который отождествил эмиссионные линии в спектре квазаров с обычной бальмеровской серией водорода, допустив большое красное смещение (равное 0,158). Внешне эта догадка выглядит сугубо случайной, поскольку к этому времени считалось повсеместно, что квазары являются звёздами нашей Галактики, а звезды Галактики не должны иметь такое смещение. Поэтому, чтобы возникла сама идея указанного отождествления линий, нужно было уже заранее выдвинуть экстравагантную гипотезу. Однако эта гипотеза перестаёт быть столь экстравагантной, если принять во внимание, что общие представления о структуре и эволюции Вселенной, сложившиеся к этому периоду в астрономии, включали представления о происходящих в галактиках грандиозных взрывах, которые сопровождаются выбросами вещества с большими скоростями, и о расширении нашей Вселенной. Любое из этих представлений могло генерировать исходную гипотезу о возможности большого красного смещения в спектре квазаров.

С этих позиций за случайными элементами в рассматриваемом открытии уже прослеживается его внутренняя логика. Здесь выявляется важная сторона регулятивной функции, которую выполняла картина мира по отношению к процессу наблюдения. Эта картина помогала не только сформулировать первичные гипотезы, которые целенаправляли наблюдения, но и помогала найти правильную интерпретацию соответствующих данных, обеспечивая переход от данных наблюдения к фактам науки.

Таким образом, первичная ситуация, характеризующая взаимодействие картины мира с наблюдениями и экспериментами, не отмирает с возникновением в науке конкретных теорий, а сохраняет свои основные характеристики как особый случай развития знания в условиях, когда исследование эмпирически обнаруживает новые объекты, для которых ещё не создано адекватной теории.

Формирование частных теоретических схем и законов

Обратимся теперь к анализу второй ситуации развития теоретических знаний, которая связана с формированием частных теоретических схем и частных теоретических законов. На этом этапе объяснение и предсказание эмпирических фактов осуществляется уже не непосредственно на основе картины мира, а через применение создаваемых теоретических схем и связанных с ними выражений теоретических законов, которые служат опосредующим звеном между картиной мира и опытом.

В развитой науке теоретические схемы создаются вначале как гипотетические модели, а затем обосновываются опытом. Их построение осуществляется за счёт использования абстрактных объектов, ранее сформированных в сфере теоретического знания и применяемых в качестве строительного материала при создании новой модели.

Выдвижение гипотез и их предпосылки

Только на ранних стадиях научного исследования, когда осуществляется переход от преимущественно эмпирического изучения объектов к их теоретическому освоению, конструкты теоретических моделей создаются путём непосредственной схематизации опыта. Но затем они используются в функции средства для построения новых теоретических моделей, и этот способ начинает доминировать в науке. Прежний же метод сохраняется только в рудиментарной форме, а его сфера действия оказывается резко суженной. Он используется главным образом в тех ситуациях, когда наука сталкивается с объектами, для теоретического освоения которых ещё не выработано достаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться экспериментальным путём и на этой основе постепенно формируются необходимые идеализации как средства для построения первых теоретических моделей в новой области исследования. Примерами таких ситуаций могут служить ранние стадии становления теории электричества, когда физика формировала исходные понятия — «проводник», «изолятор», «электрический заряд» и так далее и тем самым создавала условия для построения первых теоретических схем, объясняющих электрические явления.

Большинство теоретических схем науки конструируются не за счёт схематизации опыта, а методом трансляции абстрактных объектов, которые заимствуются из ранее сложившихся областей знания и соединяются с новой «сеткой связей». Следы такого рода операций легко обнаружить, анализируя теоретические модели классической физики. Например, объекты фарадеевской модели электромагнитной индукции «силовые линии» и «проводящее вещество» были абстрагированы не прямо из опытов по обнаружению явления электромагнитной индукции, а заимствовались из области знаний магнитостатики («силовая линия») и знаний о токе проводимости («проводящее вещество»). Аналогичным образом при создании планетарной модели атома представления о центре потенциальных отталкивающих сил внутри атома (ядро) и электронах были почерпнуты из теоретических знаний механики и электродинамики.

В этой связи возникает вопрос об исходных предпосылках, которые ориентируют исследователя в выборе и синтезе основных компонентов создаваемой гипотезы. Хотя такой выбор и представляет собой творческий акт, он имеет определённые основания. Такие основания создаёт принятая исследователем картина мира. Вводимые в ней представления о структуре природных взаимодействий позволяют обнаружить общие черты у различных предметных областей, изучаемых наукой.

Тем самым картина мира «подсказывает», откуда можно заимствовать абстрактные объекты и структуру, соединение которых приводит к построению гипотетической модели новой области взаимодействий.

Целенаправляющая функция картины мира при выдвижении гипотез может быть прослежена на примере становления планетарной модели атома.

Эту модель обычно связывают с именем Резерфорда и часто излагают историю её формирования таким образом, что она возникала как непосредственное обобщение опытов Резерфорда по рассеянию р-частиц на атомах. Однако действительная история науки далека от этой легенды. Резерфорд осуществил свои опыты в 1912 году, а планетарная модель атома впервые была выдвинута в качестве гипотезы физиком японского происхождения Нагаока значительно раньше, в 1904 году.

Здесь отчётливо проявляется логика формирования гипотетических вариантов теоретической модели, которая создаётся «сверху» по отношению к опыту. Эскизно эта логика применительно к ситуации с планетарной моделью атома может быть представлена следующим образом.

Первым импульсом к её построению, равно как и к выдвижению целого ряда других гипотетических моделей (например, модели Томсона), послужили изменения в физической картине мира, которые произошли благодаря открытию электронов и разработке Лоренцом теории электронов. В электродинамическую картину мира был введён, наряду с эфиром и атомами вещества, новый элемент «атомы электричества». В свою очередь, это поставило вопрос об их соотношении с атомами вещества. Обсуждение этого вопроса привело к постановке проблемы: не входят ли электроны в состав атома. Конечно, сама формулировка такого вопроса была смелым шагом, поскольку она приводила к новым изменениям в картине мира (нужно было признать сложное строение атомов вещества). Поэтому конкретизация проблемы соотношения атомов и электронов была связана с выходом в сферу философского анализа, что всегда происходит при радикальных сдвигах в картине мира (например, Дж. Дж. Томсон, который был одним их инициаторов постановки вопроса о связи электронов и атомов вещества, искал опору в идеях атомистики Босковича, чтобы доказать необходимость сведения в картине мира «атомов вещества» к «атомам электричества»).

Последующее развитие физики подкрепило эту идею новыми экспериментальными и теоретическими открытиями. После открытия радиоактивности и её объяснения как процесса спонтанного распада атомов в картине мира утвердилось представление о сложном строении атома. Теперь уже эфир и «атомы электричества» стали рассматриваться как формы материи, взаимодействие которых формирует все остальные объекты и процессы природы. В итоге возникла задача — построить «атом вещества» из положительно и отрицательно заряженных «атомов электричества», взаимодействующих через эфир.

Постановка такой задачи подсказывала выбор исходных абстракций для построения гипотетических моделей атома — это должны быть абстрактные объекты электродинамики. Что же касается структуры, в которую были погружены все эти абстрактные объекты, то её выбор в какой-то мере также был обоснован картиной мира. В этот период (конец XIX — начало XX века) эфир рассматривался как единая основа сил тяготения и электромагнитных сил, что делало естественной аналогию между взаимодействием тяготеющих масс и взаимодействием зарядов.

Когда Нагаока предложил свою модель, то он исходил из того, что аналогом строения атома может служить вращение спутников и колец вокруг Сатурна: электроны должны вращаться вокруг положительно заряженного ядра, наподобие того как в небесной механике спутники вращаются вокруг центрального тела.

Использование аналоговой модели было способом переноса из небесной механики структуры, которая была соединена с новыми элементами (зарядами). Подстановка зарядов на место тяготеющих масс в аналоговую модель привела к построению планетарной модели атома.

Таким образом, в процессе выдвижения гипотетических моделей картина мира играет роль исследовательской программы, обеспечивающей постановку теоретических задач и выбор средств их решения.

После того как сформирована гипотетическая модель исследуемых взаимодействий, начинается стадия её обоснования. Она не сводится только к проверке тех эмпирических следствий, которые можно получить из закона, сформулированного относительно гипотетической модели. Сама модель должна получить обоснование.

Важно обратить внимание на следующее обстоятельство. Когда при формировании гипотетической модели абстрактные объекты погружаются в новые отношения, то это, как правило, приводит к наделению их новыми признаками. Например, при построении планетарной модели атома положительный заряд был определён как атомное ядро, а электроны были наделены признаком «стабильно двигаться по орбитам вокруг ядра».

Предположив, что созданная таким путём гипотетическая модель выражает существенные черты новой предметной области, исследователь тем самым допускает: во-первых, что новые, гипотетические признаки абстрактных объектов имеют основание именно в той области эмпирически фиксируемых явлений, на объяснение которых модель претендует, и, во-вторых, что эти новые признаки совместимы с другими определяющими признаками абстрактных объектов, которые были обоснованы предшествующим развитием познания и практики.

Понятно, что правомерность таких допущений следует доказывать специально. Это доказательство производится путём введения абстрактных объектов в качестве идеализаций, опирающихся на новый опыт. Признаки абстрактных объектов, гипотетически введённые «сверху» по отношению к экспериментам новой области взаимодействий, теперь восстанавливаются «снизу». Их получают в рамках мысленных экспериментов, соответствующих типовым особенностям тех реальных экспериментальных ситуаций, которые призвана объяснить теоретическая модель. После этого проверяют, согласуются ли новые свойства абстрактных объектов с теми, которые оправданы предшествующим опытом.

Весь этот комплекс операций обеспечивает обоснование признаков абстрактных объектов гипотетической модели и превращение её в теоретическую схему новой области взаимодействий. Будем называть эти операции конструктивным введением объектов в теорию.

Теоретическую схему, удовлетворяющую описанным процедурам, будем называть конструктивно обоснованной.

Процедуры конструктивного обоснования теоретических схем

Конструктивное обоснование обеспечивает привязку теоретических схем к опыту, а значит, и связь с опытом физических величин математического аппарата теории. Именно благодаря процедурам конструктивного обоснования в теории появляются правила соответствия.

Проследим особенности процедур конструктивного обоснования и их роль в развитии теории на разбираемом нами историческом примере с планетарной моделью атома.

Известно, что после того, как Нагаока предложил гипотезу планетарного строения атома, в его модели были обнаружены противоречия. В. Вин в 1905 году показал, что признак электрона «двигаться по орбите вокруг ядра» противоречит другому его фундаментальному признаку «излучать при ускоренном движении». Поскольку движение по замкнутой орбите является ускоренным, электрон должен излучать, терять свою энергию и падать на ядро. Следовательно, атом, если бы он был устроен так, как предполагает планетарная модель, не может быть стабильным.

Этот парадокс являлся довольно типичной иллюстрацией обнаружения в гипотетической модели неконструктивного элемента (в данном случае это было представление об электронной орбите). Правда, вопрос о конструктивности представлений об атомном ядре оставался открытым. Однако модель Нагаока после критики со стороны Вина была забракована, и многие физики некоторое время даже не упоминали о ней при обсуждении проблемы строения атома.

Свою вторую жизнь она обрела после того, как Резерфорд осуществил эксперименты с a-частицами, которые доказывали существование атомного ядра. Характерно, что Резерфорд ещё в 1911 году ссылался на идеи Нагаока и, судя по всему, он ставил свои опыты, рассчитывая проверить различные модели строения атома, в том числе и забракованную планетарную модель. Во всяком случае в своих экспериментах он особым образом размещал регистрирующую аппаратуру, полагая возможным, что a-частицы после их взаимодействия с атомами могут рассеиваться на большие углы. Обнаружив в эксперименте именно этот тип рассеяния, Резерфорд истолковал его как свидетельство существования внутри атома положительно заряженного ядра.

Теперь уже стало возможным ввести конструктивно те признаки атомного ядра, которые были постулированы планетарной моделью.

Ядро было определено как центр потенциальных отталкивающих сил, способный рассеивать тяжёлые, положительно заряженные частицы на большие углы. Характерно, что это определение можно найти даже в современных учебниках по физике. Нетрудно обнаружить, что оно представляет собой сжатое описание мысленного эксперимента по рассеиванию тяжёлых частиц на атоме, который, в свою очередь, выступает идеализацией реальных экспериментов Резерфорда. Признаки конструкта «атомное ядро», введённые гипотетически, «сверху» по отношению к опыту, теперь были получены «снизу», как идеализация реальных экспериментов в атомной области. Тем самым гипотетический объект «атомное ядро» получил конструктивное обоснование и ему можно было придать онтологический статус.

Доказательство существования ядра привело к восстановлению в правах планетарной модели, хотя все парадоксы неустойчивого атома, обнаруженные Вином, ещё не были разрешены. Но теперь проблема была конкретизирована. Было чётко определено слабое звено модели — представление об электронной орбите. Этот абстрактный объект, введённый на этапе формирования гипотезы, не имел коррелята ни в одном из экспериментов в атомной области.

Показательно, что стремление локализовать, а затем и элиминировать неконструктивный элемент — «электронную орбиту», опираясь на анализ специфики атомных экспериментов, было главным импульсом, который целенаправлял перестройку модели Резерфорда в квантово-механическую модель атома.

Таким образом, обнаружение неконструктивных элементов не только выявляет неадекватность представления структуры отражаемого объекта в гипотетической модели, но и указывает на конкретные пути перестройки модели.

В классической физике процедуры конструктивного обоснования осуществлялись интуитивно. Их не эксплицировали в качестве методологического требования. Лишь переход к современной физике сопровождался выявлением в рамках методологической рефлексии ряда их существенных аспектов. Последнее, на мой взгляд, нашло своё выражение (хотя и не полностью адекватное) в рациональных моментах принципа наблюдаемости, который был важным методологическим регулятивом при построении теории относительности и квантовой механики. Эвристическое содержание данного принципа может быть интерпретировано как требование конструктивного введения абстрактных объектов в теоретические модели.

Конструктивное обоснование гипотезы приводит к постепенной перестройке первоначальных вариантов теоретической схемы до тех пор, пока она не будет адаптирована к соответствующему эмпирическому материалу. Перестроенная и обоснованная опытом теоретическая схема затем вновь сопоставляется с картиной мира, что приводит к уточнению и развитию последней. Например, после обоснования Резерфордом представлений о ядерном строении атома такие представления вошли в физическую картину мира, породив новый круг исследовательских задач — строение ядра, особенности «материи ядра» и так далее.

Таким образом, генерация нового теоретического знания осуществляется в результате познавательного цикла, который заключается в движении исследовательской мысли от оснований науки, и в первую очередь от обоснованных опытом представлений картины мира, к гипотетическим вариантам теоретических схем. Эти схемы затем адаптируются к тому эмпирическому материалу, на объяснение которого они претендуют. Теоретические схемы в процессе такой адаптации перестраиваются, насыщаются новым содержанием и затем вновь сопоставляются с картиной мира, оказывая на неё активное обратное воздействие. Развитие научных понятий и представлений осуществляется благодаря многократному повторению описанного цикла. В этом процессе происходит взаимодействие «логики открытия» и «логики оправдания гипотезы», которые выступают как взаимосвязанные аспекты развития теории.

Логика открытия и логика оправдания гипотезы

В стандартной модели развития теории, которая разрабатывалась в рамках позитивистской традиции, логика открытия и логика обоснования резко разделялись и противопоставлялись друг другу. Отголоски этого противопоставления можно найти и в современных постпозитивистских концепциях философии науки. Так, в концепции, развиваемой П. Фейерабендом, подчёркивается, что генерация новых идей не подчиняется никаким методологическим нормам и в этом смысле не подлежит рациональной реконструкции.

В процессе творчества, как подчёркивает П. Фейерабенд, действует принцип «всё дозволено», а поэтому необходимо идеал методологического рационализма заменить идеалом методологического анархизма.

В концепции Фейерабенда особо отмечается, что различные социокультурные факторы активно влияют на процесс генерации научных гипотез. Но отсюда не вытекает, что нельзя выявить никаких внутренних для науки закономерностей формирования новых идей.

Фейерабенд, по традиции резко разделив этап формирования гипотезы и этап её обоснования, во многом отрезал пути к выяснению этих закономерностей. Между тем рассмотрение этих двух этапов во взаимодействии и с учётом деятельностной природы научного знания позволяет заключить, что процесс обоснования гипотезы вносит не менее важный вклад в развитие концептуального аппарата науки, чем процесс генерации гипотезы. В ходе обоснования происходит развитие содержания научных понятий, что, в свою очередь, формирует концептуальные средства для построения будущих гипотетических моделей науки.

Описанный познавательный цикл, связывающий два этапа формирования теории, не обязательно осуществляется одним исследователем. Более того, как свидетельствует история науки, эта деятельность, как правило, осуществляется многими исследователями, образующими научные сообщества. В нашем примере с историей планетарной модели атома ключевыми фигурами, творчество которых обеспечило генерацию и развитие этой модели, выступали Нагаока, Вин и Резерфорд.

В принципе их можно рассматривать как некоторого коллективного теоретика, который осуществил необходимые операции для построения теории. Дальнейшее её развитие, связанное с элиминацией неконструктивного объекта (электронная орбита) и построением квантово-механической модели атома, осуществлялось уже другими исследователями (Н. Бор, А. Зоммерфельд, В. Гейзенберг). Но их деятельность в принципе также может быть рассмотрена как творчество коллективного теоретика, осуществляющего познавательный цикл: движение от оснований науки к гипотетической модели, её конструктивному обоснованию и затем вновь к анализу и развитию оснований науки.

В этом процессе создаваемая картина исследуемой реальности развивается как под воздействием непосредственных экспериментов, так и опосредовано, через теоретические схемы. В принципе, развитие эксперимента и конструктивное обоснование создаваемых теоретических схем уже на этапе построения частных теорий способно неявно втянуть в орбиту исследования новый тип взаимодействий, структура которых не представлена в картине исследуемой реальности. В этом случае возникает рассогласование между ней и некоторыми теоретическими схемами, а также некоторыми экспериментами. Такое рассогласование может потребовать изменения прежней картины исследуемой реальности. Необходимость такого рода изменений осознается исследователем в форме проблемных ситуаций. Однако разрешение последних и перестройка сложившейся картины мира представляется отнюдь не простым процессом. Этот процесс предполагает экспликацию и критический анализ философских оснований прежней картины исследуемой реальности, а также анализ идеалов познания с учётом накопленного наукой эмпирического и теоретического материала.

В результате такого анализа может быть создана новая, на первых порах гипотетическая картина исследуемой реальности, которая затем адаптируется к опыту и теоретическим знаниям. Её обоснование предполагает ассимиляцию накопленного эмпирического и теоретического материала и, кроме того, предсказание новых фактов и генерацию новых теоретических схем. Плюс ко всему, новая картина реальности должна быть вписана в культуру соответствующей исторической эпохи, адаптирована к существующим ценностям и нормативам познавательной деятельности. Учитывая, что процесс такого обоснования может занять довольно длительный период, новая система представлений о реальности не сразу выходит из гипотетической стадии и не сразу принимается большинством исследователей. Многие из них могут придерживаться старой картины мира, которая получила своё эмпирическое, теоретическое и философское обоснование на предшествующих стадиях научного развития. Рассогласование между ней и новыми теоретическими моделями или результатами эксперимента воспринимается такими исследователями как временная аномалия, которая может быть устранена в будущем путём коррекции теоретических схем и выработки новых моделей, объясняющих опыт.

Так возникает конкурентная борьба между различными картинами исследуемой реальности, каждая из которых вводит различное видение изучаемых наукой объектов и взаимодействий. Типичным примером такой борьбы может служить тот период развития классической электродинамики, когда в ней соперничали исследовательская программа Ампера-Вебера и исследовательская программа Фарадея.

Первая основывалась на механической картине мира, слегка модифицированной применительно к открытиям теории электричества (в этой картине предполагалось, что взаимодействие тел и зарядов осуществляется путём мгновенной передачи сил в пустоте), вторая вводила новую картину физической реальности (представление о полях сил, с которыми взаимодействуют заряды и тела, когда передача сил осуществляется с конечной скоростью от точки к точке). Фарадеевская картина физической реальности прошла длительный этап уточнения и развития и лишь к концу XIX столетия утвердилась в качестве электродинамической картины мира. Процесс её превращения в доминирующую систему представлений о физической реальности был обусловлен как генерированными ей экспериментальными и теоретическими открытиями, так и развитием её философского обоснования, посредством которого новая физическая картина мира была вписана в культуру XIX столетия.

Развитие теоретического знания на уровне частных теоретических схем и законов подготавливает переход к построению развитой теории. Становление этой формы теоретического знания можно выделить как третью ситуацию, характеризующую динамику научного познания.

Логика построения развитых теорий в классической физике

В науке классического периода развитые теории создавались путём последовательного обобщения и синтеза частных теоретических схем и законов.

Таким путём были построены фундаментальные теории классической физики — ньютоновская механика, термодинамика, электродинамика. Основные особенности этого процесса можно проследить на примере истории максвелловской электродинамики.

Создавая теорию электромагнитного поля Максвелл опирался на предшествующие знания об электричестве и магнетизме, которые были представлены теоретическими моделями и законами, выражавшими существенные характеристики отдельных аспектов электромасштабных взаимодействий (теоретические модели и законы Кулона, Ампера, Фарадея, Био и Савара и так далее).

По отношению к основаниям будущей теории электромагнитного поля это были частные теоретические схемы и частные теоретические законы.

Исходную программу теоретического синтеза задавали принятые исследователем идеалы познания и картина мира, которая определяла постановку задач и выбор средств их решения.

В процессе создания максвелловской электродинамики творческий поиск целенаправляли, с одной стороны, сложившиеся в науке идеалы и нормы, которым должна была удовлетворять создаваемая теория (идеал объяснения различных явлений с помощью небольшого числа фундаментальных законов, идеал организации теории как дедуктивной системы, в которой законы формулируются на языке математики), а с другой стороны, принятая Максвеллом фарадеевская картина физической реальности, которая задавала единую точку зрения на весьма разнородный теоретический материал, подлежащий синтезу и обобщению. Эта картина ставила задачу — объяснить все явления электричества и магнетизма как передачу электрических и магнитных сил от точки к точке в соответствии с принципом близкодействия.

Вместе с постановкой основной задачи она очерчивала круг теоретических средств, обеспечивающих решение задачи. Такими средствами послужили аналоговые модели и математические структуры механики сплошных сред. Фарадеевская картина мира обнаруживала сходство между передачей сил в этих качественно различных типах физических процессов и тем самым создавала основу для переброски соответствующих математических структур из механики сплошных сред в электродинамику. Показательно, что альтернативное максвелловскому направление исследований, связанное с именами Ампера и Вебера, исходило из иной картины мира при поиске обобщающей теории электромагнетизма. В соответствии с этой картиной использовались иные средства построения теории (аналоговые модели и математические структуры заимствовались из ньютоновской механики материальных точек).

Синтез, предпринятый Максвеллом, был основан на использовании уже известной нам операции применения аналоговых моделей. Эти модели заимствовались из механики сплошных сред и служили средством для переноса соответствующих гидродинамических уравнений в создаваемую теорию электромагнитного поля. Применение аналогий является универсальной операцией построения новой теории как при формировании частных теоретических схем, так и при их обобщении в развитую теорию. Научные теории не являются изолированными друг от друга, они развиваются как система, где одни теории поставляют для других строительный материал.

Аналоговые модели, которые использовал Максвелл — трубки тока несжимаемой жидкости, вихри в упругой среде, — были теоретическими схемами механики сплошных сред.

Когда связанные с ними уравнения транслировались в электродинамику, механические величины замещались в уравнениях новыми величинами. Такое замещение было возможным благодаря подстановке в аналоговую модель вместо абстрактных объектов механики новых объектов — силовых линий, зарядов, дифференциально малых элементов тока и так далее. Эти объекты Максвелл заимствовал из теоретических схем Кулона, Фарадея, Ампера, схем, которые он обобщал в создаваемой им новой теории. Подстановка в аналоговую модель новых объектов не всегда осознается исследователем, но она осуществляется обязательно. Без этого уравнения не будут иметь нового физического смысла и их нельзя применять в новой области.

Ещё раз следует подчеркнуть, что эта подстановка означает, что абстрактные объекты, транслированные из одной системы знаний (в нашем примере из системы знаний об электричестве и магнетизме) соединяются с новой структурой («сеткой отношений»), заимствованной из другой системы знаний (в данном случае из механики сплошных сред). В результате такого соединения происходит трансформация аналоговой модели. Она превращается в теоретическую схему новой области явлений, схему на первых порах гипотетическую, требующую своего конструктивного обоснования.

Особенности формирования научной гипотезы

Движение от картины мира к аналоговой модели и от неё к гипотетической схеме исследуемой области взаимодействий составляет своеобразную рациональную канву процесса выдвижения гипотезы. Часто этот процесс описывается в терминах психологии открытия и творческой интуиции. Однако такое описание, если оно претендует на содержательность, непременно должно быть сопряжено с выяснением «механизмов» интуиции. Показательно, что на этих путях исследователи сразу же столкнулись с так называемым процессом гештальт-переключения, составляющим основу интеллектуальной интуиции.

Детальный анализ этого процесса показывает, что интеллектуальную интуицию существенно характеризует использование некоторых модельных представлений, сквозь призму которых рассматриваются новые ситуации. Модельные представления задают образ структуры (гештальт), который переносится на новую предметную область и по-новому организует ранее накопленные элементы знаний об этой области (понятия, идеализации, и так далее).

Результатом этой работы творческого воображения и мышления является гипотеза, позволяющая решить поставленную задачу.

Дальнейшее рассмотрение механизмов интеллектуальной интуиции достаточно чётко зафиксировало, что новое видение реальности, которое соответствует гештальт-переключению, формируется за счёт подстановки в исходную модель-представление (гештальт) новых элементов — идеальных объектов, и это позволяет сконструировать новую модель, задающую новое видение исследуемых процессов.

Гештальт здесь является своего рода «литейной формой», по которой «отливается модель».

Такое описание процедур генерации гипотезы соответствует исследованиям по психологии открытия. Но процесс выдвижения научных гипотез можно описывать и в терминах логико-методологического анализа. Тогда выявляются его новые важные аспекты.

Во-первых, ещё раз отметим то обстоятельство, что сам поиск гипотезы не может быть сведён только к методу проб и ошибок; в формировании гипотезы существенную роль играют принятые исследователем основания (идеалы познания и картина мира), которые целенаправляют творческий поиск, генерируя исследовательские задачи и очерчивая область средств их решения.

Во-вторых, следует подчеркнуть, что операции формирования гипотезы не могут быть перемещены целиком в сферу индивидуального творчества учёного. Эти операции становятся достоянием индивида постольку, поскольку его мышление и воображение формируется в контексте культуры, в которой транслируются образцы научных знаний и образцы деятельности по их производству. Поиск гипотезы, включающий выбор аналогий и подстановку в аналоговую модель новых абстрактных объектов, детерминирован не только исторически сложившимися средствами теоретического исследования. Он детерминирован также трансляцией в культуре некоторых образцов исследовательской деятельности (операций, процедур), обеспечивающих решение новых задач. Такие образцы включаются в состав научных знаний и усваиваются в процессе обучения. Т. Кун особо отметил, что применение уже выработанных в науке теорий к описанию конкретных эмпирических ситуаций основано на использовании некоторых образцов мысленного экспериментирования с теоретическими моделями, образцов, которые составляют наиболее важную часть парадигм науки.

Кун указал также на аналогию между деятельностью по решению задач в процессе приложения теории и исторически предшествующей ей деятельностью по выработке исходных моделей, на основе которых затем решаются теоретические задачи.

Подмеченная Куном аналогия является внешним выражением весьма сложного процесса аккумуляции, свёртки в наличном составе теоретических знаний деятельности по производству этих знаний.

Парадигмальные образцы работы с теоретическими моделями возникают в процессе формирования теории и включаются в её состав как набор некоторых решённых задач, по образу и подобию которых должны решаться другие теоретические задачи. Трансляция теоретических знаний в культуре означает также трансляцию в культуре образцов деятельности по решению задач. В этих образцах запечатлены процедуры и операции генерирования новых гипотез (по схеме: картина мира — аналоговая модель — подстановка в модель новых абстрактных объектов). Поэтому при усвоении уже накопленных знаний (в процессе формирования учёного как специалиста) происходит усвоение и некоторых весьма общих схем мыслительной работы, обеспечивающих генерацию новых гипотез.

Трансляция в культуре схем мыслительной деятельности, обеспечивающих генерацию гипотез, позволяет рассмотреть процедуры такой генерации, абстрагируясь от личностных качеств и способностей того или иного исследователя. С этой точки зрения можно говорить о логике формирования гипотетических моделей как моменте логики формирования научной теории.

Наконец, в-третьих, резюмируя особенности процесса формирования гипотетических моделей науки, мы подчёркиваем, что в основе этого процесса лежит соединение абстрактных объектов, почерпнутых из одной области знания, со структурой («сеткой отношений»), заимствованной в другой области знания. В новой системе отношений абстрактные объекты наделяются новыми признаками, и это приводит к появлению в гипотетической модели нового содержания, которое может соответствовать ещё не исследованным связям и отношениям предметной области, для описания и объяснения которой предназначается выдвигаемая гипотеза.

Отмеченная особенность гипотезы универсальна. Она проявляется как на стадии формирования частных теоретических схем, так и при построении развитой теории.

В процессе создания теории электромагнитного поля эта особенность формирования новых теоретических смыслов проявилась уже на самых первых этапах максвелловского исследования. Максвелл начал теоретический синтез с поиска обобщающих законов электростатики. Для этой цели он использовал гидродинамическую аналогию трубок тока идеальной, несжимаемой жидкости. Заместив эти трубки электрическими силовыми линиями, он сконструировал гипотетическую схему электростатических взаимодействий, а уравнения Эйлера представил как описание поведения электрических силовых линий. При подстановке абстрактных объектов, заимствованных из фарадеевой модели электростатической индукции, в аналоговую модель эти объекты (силовые линии) погружались в новую сеть связей, благодаря чему наделялись новыми признаками — электрические силовые линии предстали как оторванные от порождающих их зарядов. Потенциально здесь содержалось новое, хотя на первых порах и гипотетическое, представление об электрическом поле (вводилась идеализация поля, существующего относительно независимо от порождающих его зарядов).

Представление о самостоятельном бытии электрических силовых линий могло превратиться из гипотезы в теоретическое утверждение только в случае, если новый признак силовых линий получил бы конструктивное обоснование. Доказательство правомерности этого признака в принципе было несложным делом, если учесть возможность следующего мысленного эксперимента с фарадеевской схемой электростатической индукции. В этой схеме силовые линии изображались как возникающие в идеализированном диэлектрике, ограниченном идеальными заряженными пластинами, и зависели от величины заряда на пластинах (идеальный конденсатор). Мысленное варьирование зарядов на обкладке идеального конденсатора и констатация того факта, что вместе с этим то убывает, то прибывает электрическая энергия в диэлектрике, позволяли совершить предельный переход к случаю, когда вся электрическая энергия сосредоточена в диэлектрике. Это соответствовало представлению о наборе силовых линий, существующих и тогда, когда устранены порождающие их заряды. Теперь уже силовые линии, «оторванные» от зарядов, оказались идеализацией, опирающейся на реальный опыт.

Это новое содержание теоретической схемы было объективировано благодаря её отображению на картину исследуемой реальности, предложенную Фарадеем и принятую Максвеллом. В эту картину вошло представление об электрическом поле как особой самостоятельной субстанции, которая имеет тот же статус объективного существования, что и заряженные тела. Впоследствии эта идея самостоятельного, не привязанного к зарядам, бытия электрического поля помогла Максвеллу в интерпретации завершающих уравнений, когда возникло представление о распространении электромагнитных волн.

Парадигмальные образцы решения задач

Взаимодействие операций выдвижения гипотезы и её конструктивного обоснования является тем ключевым моментом, который позволяет получить ответ на вопрос о путях появления в составе теории парадигмальных образцов решения задач.

Поставив проблему образцов, западная философия науки не смогла найти соответствующих средств её решения, поскольку не выявила и не проанализировала даже в первом приближении процедуры конструктивного обоснования гипотез.

При обсуждении проблемы образцов Т. Кун и его последователи акцентируют внимание только на одной стороне вопроса — роли аналогий как основы решения задач. Операции же формирования и обоснования возникающих в этом процессе теоретических схем выпадают из сферы их анализа.

Весьма показательно, что в рамках этого подхода возникают принципиальные трудности при попытках выяснить, какова роль правил соответствия и их происхождение. Т. Кун, например, полагает, что в деятельности научного сообщества эти правила не играют столь важной роли, которую им традиционно приписывают методологи. Он специально подчёркивает, что главным в решении задач является поиск аналогий между различными физическими ситуациями и применение на этой основе уже найденных формул. Что же касается правил соответствия, то они, по мнению Куна, являются результатом последующей методологической ретроспекции, когда методолог пытается уточнить критерии, которыми пользуется научное сообщество, применяя те или иные аналогии. В общем-то Кун последователен в своей позиции, поскольку вопрос о процедурах конструктивного обоснования теоретических моделей не возникает в рамках его концепции. Чтобы обнаружить эту процедуру, требуется особый подход к исследованию структуры и динамики научного знания. Необходимо рассматривать теоретические модели, включаемые в состав теории, как отражение объекта в форме деятельности. Применительно к конкретному исследованию природы и генезиса теоретических моделей физики такой подход ориентирует на их особое видение: теоретические модели рассматриваются одновременно и как онтологическая схема, отражающая сущностные характеристики исследуемой реальности, и как своеобразная «свёртка» предметно-практических процедур, в рамках которых принципиально могут быть выявлены указанные характеристики. Именно это видение позволяет обнаружить и описать операции конструктивного обоснования теоретических схем.

При других же теоретико-познавательных установках указанные операции ускользают из поля зрения методолога. Но поскольку конструктивное обоснование теоретических схем как раз и обеспечивает появление в теории правил соответствия, определяя их содержание и смысл, то неудивительными становятся затруднения Куна в определении путей формирования и функций этих правил.

Характерно, что Т. Кун при обсуждении проблемы образцов ссылается на историю максвелловской электродинамики. Анализируя её только в плане применения аналоговых моделей, он полагает, что основные результаты максвелловского исследования были получены без какого-либо конструирования правил соответствия. Но этот вывод весьма далёк от реальных фактов истории науки. Дело в том, что в процессе построения своей теории Максвелл на одном из этапов получил уравнения поля, весьма близкие к современной математической схеме описания электромагнитных явлений. Однако он не смог на этом этапе поставить в соответствие некоторым фундаментальным величинам, фигурирующим в уравнениях, реальные отношения предметов эмпирических ситуаций (введённая вместе с уравнениями теоретическая схема не находила конструктивного обоснования). И тогда Максвелл вынужден был оставить этот в общем-то перспективный аппарат, начав заново процесс теоретического синтеза. В его исследованиях поиск математических структур, описывающих электромагнитные взаимодействия, постоянно подкреплялся экспликацией и обоснованием вводимых теоретических схем.

Если проследить под этим углом зрения становление классической теории электромагнитного поля, то обнаруживается следующая логика максвелловского исследования. Максвелл поэтапно обобщал полученные его предшественниками теоретические знания об отдельных областях электромагнитных взаимодействий. Теоретический материал, который он обобщал, группировался в следующие блоки: знания электростатики, магнитостатики, стационарного тока, электромагнитной индукции, силового и магнитного действия токов.

Используя аналоговые модели, Максвелл получал обобщающие уравнения вначале для некоторого отдельного блока знаний. В этом же процессе он формировал обобщающую гипотетическую модель, которая должна была обеспечить интерпретацию уравнений и ассимилировать теоретические схемы соответствующего блока знаний.

После конструктивного обоснования и превращения этой модели в теоретическую схему Максвелл подключал к обобщению новый блок знаний. Он использовал уже применённую ранее гидродинамическую или механическую аналогию, но усложнял и модернизировал её так, чтобы обеспечить ассимиляцию нового физического материала. После этого уже известная нам процедура обоснования повторялась: внутри новой аналоговой модели выявлялось конструктивное содержание, что было эквивалентно экспликации новой обобщающей теоретической схемы. Доказывалось, что с помощью этой схемы ассимилируются частные теоретические модели нового блока, а из нового обобщающего уравнения выводятся соответствующие частные теоретические законы. Но и на этом обоснование не заканчивалось.

Исследователю нужно было убедиться, что он не разрушил при новом обобщении прежнего конструктивного содержания. Для этого Максвелл заново выводил из полученных обобщающих уравнений все частные законы ранее синтезированных блоков. Показательно, что в процессе такого вывода осуществлялась редукция каждой новой обобщающей теоретической схемы к частным теоретическим схемам, эквивалентным ранее ассимилированным.

На заключительной стадии теоретического синтеза, когда были получены основные уравнения теории и завершено формирование фундаментальной теоретической модели, исследователь произвёл последнее доказательство правомерности вводимых уравнений и их интерпретаций: на основе фундаментальной теоретической схемы он сконструировал соответствующие частные теоретические схемы, а из основных уравнений получил в новой форме все обобщённые в них частные теоретические законы. На этой заключительной стадии формирования максвелловской теории электромагнитного поля было доказано, что на основе теоретической модели электромагнитного поля можно получить в качестве частного случая теоретические схемы электростатики, постоянного тока, электромагнитной индукции и так далее, а из уравнений электромагнитного поля можно вывести законы Кулона, Ампера, Био-Савара, законы электростатической и электромагнитной индукции, открытые Фарадеем, и так далее.

Эта заключительная стадия одновременно предстаёт как изложение «готовой» теории. Процесс её становления воспроизводится теперь в обратном порядке в форме развёртывания теории, вывода из основных уравнений соответствующих теоретических следствий. Каждый такой вывод может быть расценен как изложение некоторого способа и результата решения теоретических задач.

Содержательные операции построения теоретических схем, выступающие как необходимый аспект обоснования теории, теперь приобретают новую функцию — они становятся образцами операций, ориентируясь на которые исследователь может решать новые теоретические задачи. Таким образом, образцы решения задач автоматически включаются в теорию в процессе её генезиса.

После того как теория построена, её дальнейшая судьба связана с её развитием в процессе расширения области приложения теории. Этот процесс функционирования теории неизбежно приводит к формированию в ней новых образцов решения задач. Они включаются в состав теории наряду с теми, которые были введены в процессе её становления. Первичные образцы с развитием научных знаний и изменением прежней формы теории также видоизменяются, но в видоизменённой форме они, как правило, сохраняются во всех дальнейших изложениях теории. Даже самая современная формулировка классической электродинамики демонстрирует приёмы применения уравнений Максвелла к конкретным физическим ситуациям на примере вывода из этих уравнений законов Кулона, Био-Савара, Фарадея. Теория как бы хранит в себе следы своей прошлой истории, воспроизводя в качестве типовых задач и приёмов их решения основные особенности процесса своего формирования.

Особенности построения развитых, математизированных теорий в современной науке

С развитием науки меняется стратегия теоретического поиска. В частности, в современной физике теория создаётся иными путями, чем в классической. Построение современных физических теорий осуществляется методом математической гипотезы. Этот путь построения теории может быть охарактеризован как четвёртая ситуация развития теоретического знания. В отличие от классических образцов, в современной физике построение теории начинается с формирования её математического аппарата, а адекватная теоретическая схема, обеспечивающая его интерпретацию, создаётся уже после построения этого аппарата. Новый метод выдвигает ряд специфических проблем, связанных с процессом формирования математических гипотез и процедурами их обоснования.

Применение метода математической гипотезы

Первый аспект этих проблем связан с поиском исходных оснований для выдвижения гипотезы. В классической физике основную роль в процессе выдвижения гипотезы играла картина мира. По мере формирования развитых теорий она получала опытное обоснование не только через непосредственное взаимодействие с экспериментом, но и косвенно, через аккумуляцию экспериментальных фактов в теории. И когда физические картины мира представали в форме развитых и обоснованных опытом построений, они задавали такое видение исследуемой реальности, которое вводилось коррелятивно к определённому типу экспериментально-измерительной деятельности. Эта деятельность всегда была основана на определённых допущениях, в которых неявно выражались как особенности исследуемого объекта, так и предельно обобщённая схема деятельности, посредством которой осваивается объект.

В физике эта схема деятельности выражалась в представлениях о том, что следует учитывать в измерениях и какими взаимодействиями измеряемых объектов с приборами можно пренебречь. Указанные допущения лежат в основании абстрактной схемы измерения, которая соответствует идеалам научного исследования и коррелятивно которой вводятся развитые формы физической картины мира.

Например, когда последователи Ньютона рассматривали природу как систему тел (материальных корпускул) в абсолютном пространстве, где мгновенно распространяющиеся воздействия от одного тела к другому меняют состояние каждого тела во времени и где каждое состояние строго детерминировано (в лапласовском смысле) предшествующим состоянием, то в этой картине природы неявно присутствовала следующая абстрактная схема измерения. Во-первых, предполагалось, что в измерениях любой объект может быть выделен как себетождественное тело, координаты и импульсы которого можно строго определить в любой заданный момент времени (идея детерминированного в лапласовском смысле движения тел). Во-вторых, постулировалось, что пространство и время не зависят от состояния движения материальных тел (идея абсолютного пространства и времени). Такая концепция основывалась на идеализирующем допущении, что при измерениях, посредством которых выявляются пространственно-временные характеристики тел, свойства часов и линеек (жёстких стержней) физической лаборатории не меняются от присутствия самих тел (масс) и не зависят от относительного движения лаборатории (системы отсчёта).

Только та реальность, которая соответствовала описанной схеме измерений (а ей соответствовали простые динамические системы), принималась в ньютоновской картине мира за природу «саму по себе».

Показательно, что в современной физике приняты более сложные схемы измерения. Например, в квантовой механике элиминируется первое требование ньютоновской схемы, а в теории относительности — второе. В связи с этим вводятся и более сложные предметы научных теорий.

При столкновении с новым типом объектов, структура которых не учтена в сложившейся картине мира, познание меняло эту картину. В классической физике такие изменения осуществлялись в форме введения новых онтологических представлений. Однако последние не сопровождались анализом абстрактной схемы измерения, которая составляет операциональную основу вводимых онтологических структур. Поэтому каждая новая картина физической реальности проходила длительное обоснование опытом и конкретными теориями, прежде чем получала статус картины мира. Современная физика дала образцы иного пути построения знаний. Она строит картину физической реальности, эксплицируя схему измерения, в рамках которой будут описываться новые объекты. Эта экспликация осуществляется в форме выдвижения принципов, фиксирующих особенности метода исследования объектов (принцип относительности, принцип дополнительности).

Сама картина на первых порах может не иметь законченной формы, но вместе с принципами, фиксирующими «операциональную сторону» видения реальности, она определяет поиск математических гипотез. Новая стратегия теоретического поиска сместила акценты и в философской регуляции процесса научного открытия. В отличие от классических ситуаций, где выдвижение физической картины мира прежде всего было ориентировано «философской онтологией», в квантово-релятивистской физике центр тяжести был перенесён на гносеологическую проблематику. Поэтому в регулятивных принципах, целенаправляющих поиск математических гипотез, явно представлены (в конкретизированной применительно к физическому исследованию форме) положения теоретико-познавательного характера (принцип соответствия, простоты и так далее).

В ходе математической экстраполяции исследователь создаёт новый аппарат путём перестройки некоторых уже известных уравнений. Физические величины, входящие в такие уравнения, переносятся в новый аппарат, где получают новые связи, а значит, и новые определения. Соответственно этому заимствуются из уже сложившихся областей знания абстрактные объекты, признаки которых были представлены физическими величинами. Абстрактные объекты погружаются в новые отношения, благодаря чему наделяются новыми признаками. Из этих объектов создаётся гипотетическая модель, которая неявно вводится вместе с новым математическим аппаратом в качестве его интерпретации.

Такая модель, как правило, содержит неконструктивные элементы, а это может привести к противоречиям в теории и к рассогласованию с опытом даже перспективных математических аппаратов.

Таким образом, специфика современных исследований состоит не в том, что математический аппарат сначала вводится без интерпретации (неинтерпретированный аппарат есть исчисление, математический формализм, который принадлежит математике, но не является аппаратом физики). Специфика заключается в том, что математическая гипотеза чаще всего неявно формирует неадекватную интерпретацию создаваемого аппарата, а это значительно усложняет процедуру эмпирической проверки выдвинутой гипотезы. Сопоставление следствий из уравнений с опытом всегда предполагает интерпретацию величин, которые фигурируют в уравнениях. Поэтому опытом проверяются не уравнения сами по себе, а система: уравнения плюс интерпретация. И если последняя неадекватна, то опыт может выбраковывать вместе с интерпретацией весьма продуктивные математические структуры, соответствующие особенностям исследуемых объектов.

Чтобы обосновать математическую гипотезу опытом, недостаточно просто сравнивать следствия из уравнений с опытными данными. Необходимо каждый раз эксплицировать гипотетические модели, которые были введены на стадии математической экстраполяции, отделяя их от уравнений, обосновывать эти модели конструктивно, вновь сверять с созданным математическим формализмом и только после этого проверять следствия из уравнений опытом.

Длинная серия математических гипотез порождает опасность накопления в теории неконструктивных элементов и утраты эмпирического смысла величин, фигурирующих в уравнениях. Поэтому в современной физике на определённом этапе развития теории становятся необходимыми промежуточные интерпретации, обеспечивающие операциональный контроль над создаваемой теоретической конструкцией. В системе таких промежуточных интерпретаций как раз и создаётся конструктивнообоснованная теоретическая схема, обеспечивающая адекватную семантику аппарата и его связь с опытом.

Все описанные особенности формирования современной теории можно проиллюстрировать, обратившись к материалу истории квантовой физики.

Квантовая электродинамика является убедительным свидетельством эвристичности метода математической гипотезы. Её история началась с построения формализма, позволяющего описать «микроструктуру» электромагнитных взаимодействий.

Создание указанного формализма довольно отчётливо расчленяется на четыре этапа. Вначале был введён аппарат квантованного электромагнитного поля излучения (поле, не взаимодействующее с источником). Затем на втором этапе, была построена математическая теория квантованного электронно-позитронного поля (было осуществлено квантование источников поля). На третьем этапе было описано взаимодействие указанных полей в рамках теории возмущений в первом приближении. Наконец, на заключительном, четвёртом этапе был создан аппарат, характеризующий взаимодействие квантованных электромагнитного и электронно-позитронного полей с учётом последующих приближений теории возмущений (этот аппарат был связан с методом перенормировок, позволяющим осуществить описание взаимодействующих полей в высших порядках теории возмущений).

В период, когда уже был пройден первый и второй этапы построения математического формализма теории и начал успешно создаваться аппарат, описывающий взаимодействие свободных квантованных полей методами теории возмущений, в самом фундаменте квантовой электродинамики были обнаружены парадоксы, которые поставили под сомнение ценность построенного математического аппарата. Это были так называемые парадоксы измеримости полей. В работах П. Иордана, В. А. Фока и особенно в совместном исследовании Л. Д. Ландау и Р. Пайерлса было показано, что основные величины, которые фигурировали в аппарате новой теории, в частности, компоненты электрической и магнитной напряжённости в точке, не имеют физического смысла. Поля в точке перестают быть эмпирически оправданными объектами, как только исследователь начинает учитывать квантовые эффекты.

Источником парадоксов измеримости была неадекватная интерпретация построенного формализма. Такая интерпретация была неявно введена в самом процессе построения аппарата методом математической гипотезы.

Синтез квантово-механического формализма с уравнениями классической электродинамики сопровождался заимствованием абстрактных объектов из квантовой механики и электродинамики и их объединением в рамках новой гипотетической конструкции. В ней поле характеризовалось как система с переменным числом частиц (фотонов), возникающих с определённой вероятностью в каждом из возможных квантовых состояний. Среди набора классических наблюдаемых, которые необходимы были для описания поля как квантовой системы, наиболее важное место занимали напряжённости полей в точке. Они появились в теоретической модели квантованного электромагнитного поля благодаря переносу абстрактных объектов из классической электродинамики.

Такой перенос классических идеализаций (абстрактных объектов электродинамики Максвелла-Лоренца) в новую теоретическую модель как раз и породил решающие трудности при отображении её на эмпирические ситуации по исследованию квантовых процессов в релятивистской области. Оказалось, что нельзя выявить рецепты связи компонентов поля в точке с реальными особенностями экспериментов и измерений, в которых обнаруживаются квантово-релятивистские эффекты.

Классические рецепты предполагали, например, что величина электрической напряжённости в точке определяется через отдачу точечного пробного заряда (приобретённый им импульс служит мерой напряжённости поля в данной точке). Но если речь идёт о квантовых эффектах, то в силу соотношения неопределённостей локализация пробного заряда (точная координата) приводит к возрастающей неопределённости его импульса, а значит, к невозможности определить напряжённость поля в точке. Далее, как показали Ландау и Пайерлс, к этому добавлялись неопределённости, возникающие при передаче импульса от пробного заряда прибору-регистратору. Тем самым было показано, что гипотетически введённая модель квантованного электромагнитного поля утрачивала физический смысл, а значит, терял такой смысл и связанный с ней аппарат.

Особенности интерпретации математического аппарата

Математические гипотезы весьма часто формируют вначале неадекватную интерпретацию математического аппарата. Они «тянут за собой» старые физические образы, которые «подкладываются» под новые уравнения, что может привести к рассогласованию теории с опытом. Поэтому уже на промежуточных этапах математического синтеза вводимые уравнения должны быть подкреплены анализом теоретических моделей и их конструктивным обоснованием. С этой точки зрения работы Фока, Иордана и Ландау-Пайерлса могут рассматриваться в качестве проверки «на конструктивность» таких абстрактных объектов теоретической модели квантованного поля, как «напряжённости поля в точке».

Выявление неконструктивных элементов в предварительной теоретической модели обнаруживает её наиболее слабые звенья и создаёт необходимую базу для её перестройки.

В плане логики исторического развития квантовой электродинамики работы Ландау и Пайерлса подготовили вывод о неприменимости идеализаций поля в точке в квантово-релятивистской области и тем самым указывали пути перестройки первоначальной теоретической модели квантованного электромагнитного поля. Решающий шаг в построении адекватной интерпретации аппарата новой теории был сделан Бором. Он был связан с отказом от применения классических компонентов поля в точке в качестве наблюдаемых, характеризующих поле как квантовую систему, и заменой их новыми наблюдаемыми — компонентами поля, усреднёнными по конечным пространственно-временным областям.

Показательно, что эта идея возникла при активной роли философско-методологических размышлений Бора о принципиальной макроскопичности приборов, посредством которых наблюдатель как макроскопическое существо получает информацию о микрообъектах. Как следствие этих размышлений возникла идея о том, что пробные тела, поскольку они являются частью приборных устройств, должны быть классическими макротелами. Отсюда следовало, что в квантовой теории абстракция точечного пробного заряда должна быть заменена другой абстракцией — заряженного пробного тела, локализованного в конечной пространственно-временной области. В свою очередь это приводило к идее компонент квантованного поля, усреднённых по соответствующей пространственно-временной области. Такая интеграция философско-методологических рассуждений в структуру конкретно физического поиска не случайна. Она характерна для этапов формирования представлений о принципиально новых типах объектов науки и методах их познания.

В результате всех этих процедур в квантовой электродинамике возникла новая теоретическая модель, которая призвана была обеспечить интерпретацию уже созданного математического аппарата.

Отмеченный ход исследования, при котором аппарат отчленяется от неадекватной модели, а затем соединяется с новой теоретической моделью, характерен для современного теоретического поиска. Заново перестроенная модель сразу же сверяется с особенностями аппарата (в истории квантовой электродинамики эта операция была проведена Бором; он показал, что в аппарате классические величины полей в точке имеют только формальный смысл, тогда как однозначным физическим смыслом обладают лишь классические величины полей, усреднённых по конечной пространственно-временной области). Согласованность новой модели с математическим аппаратом является сигналом, свидетельствующим о её продуктивности, но тем не менее не выводит новую теоретическую конструкцию из ранга гипотезы. Для этого нужно ещё эмпирическое обоснование модели, которое производится путём конструктивного введения её абстрактных объектов. Средством, обеспечивающим такое введение, являются процедуры идеализированного эксперимента и измерения, в которых учитываются особенности реальных экспериментов и измерений, обобщаемых новой теорией. В истории квантовой электродинамики указанные процедуры были проделаны Н. Бором и Л. Розенфельдом.

В процессе их осуществления была получена эмпирическая интерпретация уравнений теории и вместе с тем были открыты новые аспекты «микроструктуры» электромагнитных взаимодействий. Так, например, одним из наиболее важных следствий процедур Бора-Розенфельда было обоснование неразрывной связи между квантованным полем излучения и вакуумом. Известно, что идея вакуума возникла благодаря применению метода квантования к электромагнитному полю (из аппарата теории следовало, что квантованное поле обладает энергией в нулевом состоянии, при отсутствии фотонов).

Но всё дело в том, что до обоснования измеримости поля было совершенно неясно, можно ли придать вакууму реальный физический смысл или же его следует принимать только как вспомогательный теоретический конструкт. Энергия квантованного поля в нулевом состоянии оказывалась бесконечной, и это склоняло физиков ко второму выводу. Считалось, что для непротиворечивой интерпретации квантовой электродинамики вообще следует как-то исключить «нулевое поле» из «тела» теории (такая задача вывигалась, хотя и было неясно, как это сделать, не разрушая созданного аппарата). Кроме того, Ландау и Пайерлс связали идею вакуума с парадоксами измеримости, и в их анализе вакуумные состояния уже фигурировали как одно из свидетельств принципиальной неприменимости квантовых методов к описанию электромагнитного поля. Но Бор и Розенфельд в процессе анализа измеримости поля показали, что определение точного значения компонентов поля может быть осуществлено лишь тогда, когда в такие значения включаются как флуктуации, связанные с рождением и уничтожением фотонов, так и неотделимые от них нулевые флуктуации поля, возникающие при отсутствии фотонов и связанные с нулевым энергетическим уровнем поля. Отсюда следовало, что если убрать вакуум, то само представление о квантованном электромагнитном поле не будет иметь эмпирического смысла, поскольку его усреднённые компоненты не будут измеримы. Тем самым вакуумным состояниям поля был придан реальный физический смысл.

Если рассмотреть все основные вехи развёртывания процедур Бора-Розенфельда, то обнаруживается, что интерпретация аппарата квантованного электромагнитного поля была лишь первым этапом таких процедур. Затем Бор и Розенфельд проанализировали возможность построения идеализированных измерений для источников (распределений заряда-тока), взаимодействующих с квантованным полем излучения.

Чрезвычайно характерно, что такой путь построения интерпретации воспроизводил на уровне содержательного анализа основные вехи исторического развития математического аппарата квантовой электродинамики. При этом не была опущена ни одна существенная промежуточная стадия его развития (логика построения интерпретации совпадала в основных чертах с логикой исторического развития математического аппарата теории).

Если в классической физике каждый шаг в развитии аппарата теории подкреплялся построением и конструктивным обоснованием адекватной ему теоретической модели, то в современной физике стратегия теоретического поиска изменилась. Здесь математический аппарат достаточно продолжительное время может строиться без эмпирической интерпретации. Тем не менее при осуществлении такой интерпретации исследование как бы заново в сжатом виде проходит все основные этапы становления аппарата теории. В процессе построения квантовой электродинамики оно шаг за шагом перестраивало сложившиеся гипотетические модели и, осуществляя их конструктивное обоснование, вводило промежуточные интерпретации, соответствующие наиболее значительным вехам развития аппарата. Итогом этого пути было прояснение физического смысла обобщающей системы уравнений квантовой электродинамики.

Таким образом, метод математической гипотезы отнюдь не отменяет необходимости содержательно-физического анализа, соответствующего промежуточным этапам формирования математического аппарата теории.

Если построение классической теории происходило по схеме: уравнение 1 (r) промежуточная интерпретация 1, уравнение два (r) промежуточная интерпретация 2 обобщающая система уравнений (r) обобщающая интерпретация, то в современной физике построение теории осуществляется иным образом: вначале уравнение 1 (r) уравнение 2, etc, а затем интерпретация 1 (r) интерпретация 2 etc (но не уравнение 1 (r) уравнение два (r) обобщающая система уравнений и сразу завершающая интерпретация!). Конечно, сама смена промежуточных интерпретаций в современной физике полностью не воспроизводит аналогичных процессов классического периода. Не следует представлять дело так, что речь идёт только о замене дискретного перехода от одной промежуточной интерпретации к другой непрерывным переходом. Меняется само количество промежуточных интерпретаций. В современной физике они как бы уплотняются, благодаря чему процесс построения интерпретации и развития понятийного аппарата теории протекает здесь в кумулятивной форме.

Таким образом, эволюция физики сохраняет на современном этапе некоторые основные операции построения теории, присущие её прошлым формам (классической физике). Но наука развивает эти операции, частично видоизменяя их, а частично воспроизводя в новых условиях некоторые черты построения математического аппарата и теоретических моделей, свойственные классическим образцам.

Процесс формирования теоретического знания осуществляется на различных стадиях эволюции науки различными способами и методами, но каждая новая ситуация теоретического поиска не просто устраняет ранее сложившиеся приёмы и операции формирования теории, а включает их в более сложную систему приёмов и методов.