Идея единства и простоты научного знания в современном естествознании

Идея единства и простоты научного знания в современном  естествознании.

Все крупные движения идей в научном познании обусловливались  не столько попытками разрешить  противоречия между теорией и  аномальными экспериментальными результатами, сколько стремлением к единству и простоте теоретического знания. Это стремление не было чем-то вторичным, оно не сводилось к деятельности по упорядочиванию уже полученных результатов. Оно было первичным, основным принципом  и требованием, определяющим стратегию  научного поиска.

В настоящее время эффективность  поисков единства знания и даже сама их необходимость ставятся под сомнение. Так, теоретики синергетики, например И.Пригожин и И.Стенгерс, говорят о том, что идеалы простоты и единства были правомерны только в период генезиса научного знания, что в современной науке, приступившей к исследованию больших сложноорганизованных систем, эти поиски потеряли свою актуальность. В классической науке, рассуждают Пригожин и Стенгерс, “сложность природы была провозглашена только кажущейся, а разнообразие природы - укладывающимся в универсальные истины, воплощенные для Галилея в математических законах движения” [1]. Это убеждение, сформировавшееся в классической науке, авторы относят к одному из мифов, характерных только для классической науки. Современная наука, утверждают они, должна отказаться от этого мифа.

 Аналогичные аргументы  выдвигаются некоторыми физиками-теоретиками  в связи с программой “эффективных  теорий” в физике элементарных  частиц (о ней будет рассказано  ниже), в связи с появлением  различного типа антиредукционистских программ в естествознании, в связи с разработкой концепции нечетких множеств в математике (Заде) и т.д. В современной методологии науки говорят даже о замещении парадигмы простоты научного знания парадигмой сложности. Сторонники этой точки зрения утверждают, что традиционный и популярный в классическом (да и неклассическом) естествознании тезис: “Наука за видимой сложностью ищет невидимую простоту” (Ж.Перрен) - в современном научном познании оказывается несостоятельным. Поиски простоты в современном естествознании обречены на заведомый провал.

В настоящей статье я попытаюсь  выяснить, насколько справедливы  подобные утверждения. Но вначале сделаю краткий экскурс в историю  физического познания, с тем чтобы определить, насколько работающими были здесь идеи единства и простоты.

 Идеал простоты и единства в классической и неклассической науке.

 Соображения единства  лежали в основе создания уже  первой, механической, картины мира, основанием которой выступала  классическая механика Галилея  - Ньютона. С единой точки зрения  удалось объяснить движение земных  и небесных тел. В созданной  Ньютоном теоретической системе  открытые ранее Галилеем законы  движения тел вблизи поверхности  Земли и кеплеровские законы движения планет фактически утратили свою самостоятельность, став проявлением единого закона всемирного тяготения. Классическая механика стремилась объяснить с единых, механических, позиций все природные явления. И это ей блестяще удавалось до тех пор, пока не появились вначале термодинамика, а затем электродинамика Фарадея - Максвелла. Термодинамика, так же как и молекулярно-кинетическая теория, послужившая объяснительным основанием феноменологической термодинамики, не укладывалась в механическую картину мира. Законы термодинамики были необратимыми. Согласно второму началу термодинамики, теплота самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым, но не наоборот. Это было непонятно с точки зрения классической механики, законы которой полностью обратимы. Больцман пытался спасти механическую картину мира с помощью статистической трактовки второго начала. По мнению Больцмана, необратимость законов термодинамики носит не абсолютный, а лишь статистический характер: в принципе возможен и переход тепла от менее нагретых тел к более нагретым, но только этот переход является чрезвычайно маловероятным.

Если по отношению к  термодинамике удалось найти  такой паллиатив, то с появлением электромагнетизма стало ясно, что  наука находится на пороге создания новой картины мира. Хорошо известно, какие усилия предпринимались учеными, для того чтобы “втиснуть” электромагнетизм в механическую картину мира. Все  оказалось тщетным. Открытие Фарадеем электромагнитной индукции показало, что для понимания явлений, связанных  с переменными токами и движущимися  магнитами, требуется введение новых, существенно немеханических идей и концепций. В физику было введено понятие поля, ставшее отправным пунктом при создании классической электродинамики.

Эта теория легла в основание  новой, электромагнитной, картины мира, с формированием которой появилось  стремление объяснить все природные  процессы с помощью основных принципов  и законов лежащей в ее основании  теории. Подобные попытки, как известно, не увенчались успехом, но нам важно  обратить внимание на то, что при  создании этой новой картины мира определяющую роль, так же как и при создании механической картины, играло стремление к единству научного знания. Великий Фарадей ясно давал понять, что им руководит в его творчестве именно это стремление. Фарадей знал об опыте Эрстеда, которому удалось создать магнитное поле с помощью электрического тока. Интуиция исследователя природы говорила ему, что, так же как электрический ток порождает магнетизм, должно существовать и противоположное явление: магнетизм должен порождать электричество. Долгое время Фарадею не удавалось превратить магнетизм в электричество, поскольку он работал с постоянным магнитным полем, а источником электрического поля могло быть только переменное магнитное поле. Уяснив это, Фарадей получил искомый результат.

Дальнейший шаг в направлении к единству физического знания был сделан Максвеллом, объединившим оптику и электромагнетизм. Предсказав существование электромагнитных волн (они были получены позже Герцем) и показав, что свет является разновидностью электромагнитных волн, Максвелл объединил электромагнетизм и оптику.

Создавая свою электронную  теорию, которая была призвана сыграть  ту же роль, что и молекулярно-кинетическая теория по отношению к термодинамике (т.е. выступить в качестве объяснительной теории по отношению к феноменологической электродинамике), Лоренц также руководствовался стремлением к единству и простоте знания. Осознавая необходимость создания электронной теории, предоставляющей ученому знания о механизмах электромагнитных явлений, Лоренц писал, что такая теория сможет ликвидировать существенный недостаток электромагнитной теории, а именно тот, что в ней многие величины берутся просто из опыта (современные физики сказали бы, что они “вводятся руками”), тогда как в “хорошей” теории они должны выводиться из ее основных предпосылок. Лоренц справедливо полагал, что с созданием электронной теории имманентное включение этих величин в теорию станет возможным.

 Эйнштейн при создании  СТО также руководствовался прежде всего поисками единства научного знания. Проблема состояла в том, чтобы распространить принцип относительности Галилея, справедливый для законов механики, на электромагнитные явления. Принцип относительности Галилея утверждает инвариантность законов природы относительно преобразований Галилея. Согласно этому принципу никакими механическими опытами невозможно установить для замкнутой инерциальной системы, движется ли она равномерно и прямолинейно или покоится. При попытке распространить принцип относительности на электромагнитные явления столкнулись с трудностью. Оказалось, что для света не выполняется правило сложения скоростей, которые были справедливы для механических явлений. Скорость света в отличие от скорости механических явлений не зависела от скорости движения источника и оставалась неизменной в любой инерциальной системе координат. Это было совершенно непонятно и противоречило здравому смыслу. Это было равносильно утверждению, что скорость пассажира, перемещающегося в вагоне, который, в свою очередь, движется относительно железнодорожного полотна, не равна сумме скоростей пассажира (относительно вагона) и скорости вагона, а равна лишь скорости вагона.

Складывалась парадоксальная ситуация. Ее можно было разрешить  разными способами. Можно было объявить, например, что принцип относительности  несправедлив для электромагнитных явлений, пожертвовав, таким образом, идеей единства знания. Это означало признать существование абсолютной системы отсчета, относительно которой  можно определить абсолютное движение всех тел, и допустить, что только в этой системе отсчета скорость света одинакова по всем направлениям. Как известно, Эйнштейн пошел другим путем. Он сохранил принцип относительности  и для явлений электромагнетизма (никакими, не только механическими, но и электромагнитными опытами, осуществленными  в замкнутой системе, невозможно установить, движется ли она равномерно и прямолинейно или покоится), для  чего он был вынужден совершить глубокие преобразования в классических представлениях о пространстве и времени. И Эйнштейн пошел на это, сохранив единство научной  картины мира. Именно в этом прежде всего видел достоинства своей теории и сам ее автор. “Специальная теория относительности, - писал Эйнштейн, - выросла из электродинамики и оптики. Она мало изменила положения этих теорий, но значительно упростила теоретические построения, т.е. вывод законов, и - что несравненно важнее - заметно уменьшила число независящих друг от друга гипотез, лежащих в основе теории” [2]. Эйнштейн ставил в заслугу СТО то, что из нее удается вывести закон сокращения линейных размеров тел в направлении движения совершенно естественно, из основных предпосылок теории, в то время как в классической электродинамике объяснение этого явления потребовало введения весьма искусственных предположений [3].

 Те же соображения  единства и унификации научного  знания руководили Эйнштейном  при создании ОТО. При построении этой теории Эйнштейн был движим стремлением доказать, что законы природы инвариантны относительно не только инерциальных, но и неинерциальных систем отсчета, что инерциальные системы не являются преимущественными, выделенными системами.

Поиски единой теории поля, составившие содержание последних 30 лет жизни Эйнштейна, были мотивированы все тем же стремлением к единству научного знания. С построением классической электродинамики в физике утвердились  представления о двух, несводимых друг к другу сущностях - веществе и поле и двух видах взаимодействия - гравитационном и электромагнитном. Предпринимавшиеся Эйнштейном попытки  объединения этих взаимодействий на основе ОТО успехом, как известно, не увенчались. Высказывается мнение, что эта неудача великого преобразователя естествознания была связана с тем, что он не учитывал идеи квантовой теории. Возможно, менее известно другое: для Эйнштейна и в данном случае на первом месте стояли эстетические соображения. Он был неудовлетворен статусом самой идеи кванта в физическом познании. Для него это была своеобразная гипотеза ad hoc, введенная для того, чтобы разрешить трудности, подобные тем, которые возникали при теоретическом описании закономерностей излучения абсолютно черного тела. Эйнштейн полагал, что с созданием его единой теории поля идея кванта окажется следствием основных предпосылок этой теории. (Именно поэтому Эйнштейн очень прохладно относился к программе Гейзенберга и Паули, пытавшихся непосредственно применить процедуру квантования к гравитационному полю).

Основной причиной, почему не удалось создать единую теорию поля, является глубокое различие в  природе электромагнитного и  гравитационного полей. Электромагнитное поле является материальным полем. Что  касается гравитационного поля, то, согласно ОТО, оно представляет собой не что иное, как метрические свойства пространственно-временного многообразия [4]. По-видимому, создание квантовой теории гравитации (диктуемое все тем же стремлением к единству научного знания, так как в основе лежит стремление объединить ОТО и квантовую механику) потребует новых глубоких преобразований в современной картине мира

Исследования атомного ядра привели к открытию еще двух типов  взаимодействия - сильного (ядерного), ответственного за само существование  ядра, и слабого, ответственного за его распад. Было выяснено, что все  четыре типа взаимодействия сильно разнятся по своим свойствам. Различия касаются прежде всего величины (силы) взаимодействия: в отличие от гравитационной и электромагнитной сил, являющихся дальнодействующими, сильная и слабая действуют лишь на малых расстояниях. Согласно квантовой теории поля различие в радиусах действия этих сил определяется разницей в массах частиц, передающих взаимодействия. Переносчиком электромагнитного взаимодействия, имеющего бесконечно большой радиус действия, является безмассовый фотон, переносчиком короткодействующего слабого взаимодействия - массивные промежуточные векторные бозоны. Резкие расхождения в свойствах известных взаимодействий показало, что физика далека от желанной цели - выработать единую картину мира.

Аналогичная ситуация складывалась и при исследовании структуры  вещества. Открытие атомного строения вещества и выяснение структуры  атома как будто бы давали основание  надеяться, что все разнообразие существующих в природе элементов  может быть теоретически реконструировано на основании всего лишь трех частиц - электронов, протонов, нейтронов. Однако дальнейшее проникновение в область  микромира, так же как и исследование космических лучей, привело к  открытию огромного числа других элементарных частиц. Таким образом, стремление к единству и унификации физических воззрений постоянно  наталкивалось на открывающееся  разнообразие сущностей и взаимодействий. Тем не менее физики никогда не мирились с потерей достигнутого единства и всегда пытались найти новые основания для более глубокой унификации.

Значительным шагом в  этом направлении было создание классификации  сильновзаимодействующих частиц, позволившей  существенно сократить число  фундаментальных частиц, собрать  их в семейства - зарядовые мультиплеты, а затем объединить мультиплеты  в более широкие семейства - супермультиплеты. Некоторые особенности адронов позволили вскоре сделать еще один шаг на пути к унификации: было высказано предположение о существовании особых структурных единиц, из которых построены адроны, - кварков. На основании кварковой гипотезы удается представить все (весьма многочисленные) сильновзаимодействующие частицы как комбинацию небольшого числа кварков и таким образом существенно уменьшить число фундаментальных частиц.

Дальнейшим существенным шагом на пути к единству физических теорий явилось создание единой модели электромагнитного и слабого  взаимодействия, сформулированной в 60-х  годах Ш.Глэшоу, С.Вайнбергом и А.Саламом. Эта модель позволила рассматривать электромагнитную и слабую силы как различные проявления некоторого первичного взаимодействия и свести все многообразие элементарных частиц к двум типам - лептонам и кваркам. Возникновение единой теории электрослабого взаимодействия означало дальнейшее сокращение фундаментальных сущностей, взаимодействий и параметров, необходимых для их описания. Предпринимаются попытки включить в эту схему и сильное взаимодействие (теория “великого объединения”). Реализация этой программы означает возможность рассматривать все три взаимодействия (исключая гравитацию) как проявление некоего первичного фундаментального взаимодействия и объединить в единое семейство лептоны и кварки.

И наконец, наиболее честолюбивая мечта большинства физиков состоит  в том, чтобы представить все  четыре типа взаимодействия как проявление некоей первичной силы. Такой подход намечен, в частности, теорией супергравитации. Эта теория, являющаяся дальнейшим обобщением теории гравитации Эйнштейна, призвана связать два больших класса, на которые делятся все элементарные частицы, - фермионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с нулевым или целочисленным спином) и уменьшить таким образом число фундаментальных частиц и взаимодействий.