Жанр: Наука
УРОКИ ФИЗИКИ
...оей внутренней установке,
отбирают и группируют факты, навязывая, в хорошем смысле этого слова, конечно,
читателю свою концепцию объяснения исторического явления. Не правда ли, в этом
есть немало общего с решением обратных задач в теории молекул. Снова мы
оказываемся в положении, когда глупо ставить вопрос о том, кто прав: Тарле или
Манфред! Оба, по-своему, правы и их взгляды дополняют друг друга.
Жизнь сложная штука, и, может быть, поэтому Иисус Христос ничего не ответил на
вопрос Понтия Пилата: "Что есть истина?" Внимательное рассмотрение показывает,
что известная неопределенность в постановке и выводах, привычная для
гуманитарных наук, в гораздо меньшей, правда, степени проявляется и в
естественных науках, особенно в тех случаях, когда объект описывается множеством
признаков или параметров (как в молекулярных моделях, например). Человеческий
мозг, особенно если не существует строгих критериев отбора, не может охватить
сразу все многообразие признаков и четко ограничить их численные значения, что и
приводит, при необходимости решать обратные задачи, к разбросу в их постановке
и, стало быть, к субъективизму в окончательном результате. Заметим, что
обсуждаемая неоднозначность решения обратных задач имеет, если так можно
сказать, не математическую (как раз математически обратные задачи, после того
как они сформулированы, т. е. задана минимизируемая функция как сумма квадратов
невязок, начальные значения параметров и штрафная функция, отражающая взгляд
исследователя на то, каким образом должно быть выделено физически значимое
решение, решаются вполне однозначно), а "постановочную" причину. Разница между
историей и теорией молекул здесь количественная, но не качественная. Тем не
менее предел объективному познанию устанавливается и там, и тут.
Конечно, было бы большой ошибкой преувеличивать наличие субъективизма при
решении конкретных задач в естественных науках, в частности в физике, химии и
биологии. Тем более нельзя скатываться на позицию, выражаемую словами: "Что
хотим, то и получим!" Подавляющее большинство фундаментальных положений и
выводов в этих науках является следствиями либо многократно разными способами
поставленных экспериментов, либо применения хорошо обоснованных теорий.
Например, структурные формулы молекул устанавливают, как правило, вполне
однозначно с помощью серии соответствующим образом подобранных химических
экспериментов или спектральными методами в диапазоне от ультрафиолета до
радиоволн. В объективности представлений о молекулах как о некоторых
пространственных геометрических структурах убеждают нас не только тщательно
разработанная теория, но и прямые эксперименты по дифракции рентгеновских лучей
на молекулярных кристаллах. Сам факт получения достаточно четкой дифракционной
картины возможен только тогда, когда имеется некоторое подобие устойчивой во
времени "дифракционной решетки". Спектры поглощения в инфракрасной области могут
появиться только при наличии колебаний атомов около положений равновесия и т.д.
Используемые при решении обратных задач априорные сведения об упругостях
химических связей черпаются не только из спектральных, но и из чисто химических
экспериментов. Например, давно уже были введены в науку понятия об одинарной,
двойной и тройной связях между атомами углерода в углеводородах и было выяснено,
что они обладают разной прочностью и т. д.
Таким образом, речь не идет, как правило, о значительном произволе при выборе
начальных условий для постановки тех или иных обратных задач и ограничивающих
возможные вариации параметров моделей штрафов (обилие самых разнородных
сведений, возможность проведения прямых квантовых расчетов, всякого рода
аналогии и т.д. резко ограничивают возможности фантазии авторов), а лишь о
неизбежной, хотя и небольшой, нечеткости в деталях постановки этих задач и в
"размазанности" результата.
Можно поэтому говорить о появлении, наряду с привычными погрешностями собственно
эксперимента или округлениями чисел при расчетах, еще одной причины,
ограничивающей возможность точного определения параметров тех или иных моделей.
Соответствующая погрешность в конкретных случаях может оказаться значительно
меньше собственно погрешностей эксперимента. Тогда можно констатировать, что
получается вполне объективный результат. Нередко, однако, оказывается (это
типично как раз при детальном исследовании молекул спектральными и
дифракционными методами), что такая погрешность сравнима или даже превосходит
погрешность эксперимента. Тогда, конечно, субъективным фактором пренебрегать
нельзя.
В нашу задачу не входит детальный анализ этих важных вопросов, тем более
изучение конкретных случаев. Нам сейчас важно только понять и принять во
внимание, что субъективный фактор, ограничивающий объективное познание объектов
и явлений окружающей среды (сами объекты и явления, конечно, вполне объективны и
от нас с вами не зависят), начинает проявляться, хотя и в небольшой степени, уже
в одной из точнейших и объективнейших наук.
Таким образом, в этом смысле между естественными и гуманитарными науками нет
непроходимой грани: в смысле общих закономерностей формирования их выводов
обычное разделение этих наук на две крупные группы отражает не качественную, а
количественную сторону. Именно поэтому некоторые самые общие заключения,
первоначально сформулированные в естественных науках, оказываются верными и для
гуманитарных, и наоборот. То, что, например, принцип дополнительности
первоначально был сформулирован в физике, совершенно не означает, что о нем
нельзя было догадаться, изучая психологию. Причина здесь в том, что физика как
наука об относительно простых явлениях, не сопоставимых, например, с явлениями
истории или психологии, позволяет заметить нечто важное и общее на значительно
более простых и наглядных примерах. В этом и заключается ее всеобщее значение.
Остановимся теперь на некоторых важнейших смежных вопросах, имеющих громадное
значение для понимания вообще основ формирования наших представлений об
окружающем мире и отдельных аспектов взаимоотношений между членами человеческого
общества..
4. Объективное и субъективное в науке, или о принципе доказательности
В предыдущем параграфе мы уже коснулись вопроса об объективном и субъективном
при формировании представлений об окружающем нас мире в естественных науках и
гуманитарных. Вернемся к этой проблеме еще раз, а также обсудим некоторые
следствия.
Прежде всего отметим, что в основе физики как науки лежат некоторые
фундаментальные принципы. Физика прежде всего является экспериментальной наукой
и в своем развитии отправляется от так называемых экспериментальных фактов. В
свою очередь, в качестве факта, на основе которого в дальнейшем можно строить те
или иные теоретические выводы, признается лишь такое утверждение, такой
экспериментальный результат, который воспроизведен в ряде независимых
лабораторий и разными людьми. Конечно, не все можно воспроизвести в лаборатории.
Например, шаровую молнию пока получить не удалось. Ее, однако, многие реально
наблюдали и одинаковым образом описывают. Здесь, в отличие от рассказов об
инопланетянах, существенных расхождений в показаниях свидетелей нет.
Важнейшие результаты не только воспроизводятся, но и проверяются по-разному
поставленными опытами. Так, например, существовали ранее и существуют сейчас
разнообразные способы измерения скорости света. Вошедший в науку под именем
Кулона закон взаимодействия двух электрических зарядов приблизительно в одно
время был открыт Кулоном на основе экспериментов с крутильными весами и
Кавендишем с помощью наблюдения электрического поля на внутренней стороне полого
заряженного шара. Слава, разумеется, достается первооткрывателям (точнее тем,
кто первым опубликовал результаты), но, разумеется, это не означает, что, если
бы кто-нибудь вместо Кулона провел бы такой же эксперимент, то он получил бы
что-то иное. В таких случаях говорят, что результат объективен, отражает
реальную, не зависящую от нас действительность и в этом смысле от личности
собственно ученого не зависит. Если один ученый хочет убедить другого ученого в
своей правоте, то он должен представить ему возможность полностью воспроизвести
свой эксперимент. Это требование закреплено в правиле научных публикаций:
хорошая публикация не только должна давать изложение интересного и нового
результата, но и содержать столь подробное описание эксперимента, чтобы другой
исследователь понял, как его можно воспроизвести, и смог сделать это. Конечно,
при этом подразумевается, что сам ученый не воздействует сознательно на
измерительный прибор, т. е., например, не подталкивает в крутильных весах
заряженные шарики пальцами. Если он даже и подробно опишет, как он это сделал, и
другой ученый все это повторит, все равно в качестве физического факта результат
признан не будет.
Физика как наука, однако, состоит не только из экспериментальных фактов. Есть и
вторая, дополняющая первую сторона - обобщение фактов или построение разного
рода теорий.
Подобно тому, как история не сводится к архивной полке, так и физика как наука
не сводится к перечислению экспериментальных результатов. Отмеченная П.
Чаадаевым "мысль" истории появляется и в физике в виде разного рода теорий и
формул, устанавливающих связь между явлениями и измеряемыми величинами. Не
трудно заметить и субъективизм в изложении физики как науки, особенно
бросающийся в глаза в учебной литературе. Подобно Е. Тарле и А. Манфреду,
пишущим о Наполеоне, Р. Фейнман и Д. Сивухин создали несовпадающие курсы физики.
Конечно, ни тот ни другой не отклонялись от экспериментальных факторов, не
вводили непроверенных представлений, однако каждый из них по-своему отбирал
материал, группировал его, расставлял акценты, выделял главное и второстепенное,
сообразуясь со своими субъективными соображениями.
Но вернемся к физическим теориям и методам доказательства. Физическая теория
проявляется либо как результат обобщения большого числа фактов, либо как
результат интуитивного скачка. Однако и в том, и в другом случаях теория
признается научным сообществом правильной только тогда, когда ее построение
подчиняется строгим требованиям так называемой формальной логики (см. ниже) либо
когда строго логические выводы из интуитивно высказанного утверждения приводят к
полностью согласующимся с многочисленными экспериментами результатам. Так,
например, закон Кулона является прямым следствием формально-логической обработки
результатов экспериментов с крутильными весами. Второй же закон Ньютона
"вывести" на основании какого бы то ни было одиночного или нескольких
экспериментов вообще нельзя. Тем не менее, невероятное множество полученных из
него строго логическим путем совпадающих с экспериментами следствий убеждают
всех в его правильности и адекватности природе.
Заметим, что под формальной логикой понимается (основы ее были заложены еще
Аристотелем, почему эта логика и называется аристотелевой) оперирование с такими
утверждениями, в отношении которых можно сказать, что это или "истина", или
"ложь" (0 или 1 при работе с компьютерами). Соответствующие правила формальной
логики четко определены в так называемой булевой алгебре, возникшей в прошлом
веке, но только в этом веке в связи с развитием ЭВМ получившей широкое
распространение.
Именно по правилам формальной логики доказываются все теоремы, например,
известные из школьного курса алгебры, геометрии и тригонометрии. Не вдаваясь в
детали этой сложной проблемы, напомним теперь известный, по-видимому,
подавляющему числу читателей факт, что убедить другого человека принять свою
точку зрения легче всего в двух случаях: когда другому человеку предоставлена
возможность увидеть и измерить то, что видел и измерял первый (требование
воспроизведения эксперимента), и когда рассуждения первого отличаются строгой
логичностью (это, в сущности, тоже подразумевает возможность их абсолютного
воспроизведения, если оба субъекта пользуются одними и теми же правилами
построения вывода из исходных посылок). Логический метод получения заключений
общепринят в математике и теоретической физике и получил название
аксиоматического. Ярким примером этого является евклидова геометрия,
базирующаяся, как всем хорошо известно, на исходных пяти постулатах. Можно,
конечно, изменить эту систему постулатов, что и сделал Н. Лобачевский, развивший
так называемую сферическую геометрию. Однако при получении теорем этой геометрии
снова применялся метод формальной логики. Как в случае воспроизведения
экспериментов, так и при построении формально-логических выводов разные
исследователи обязаны прийти к одинаковым результатам, даже видоизменяя
эксперимент или следуя другим путем при доказательстве теорем, что и позволяет
считать их окончательные заключения объективными. Поскольку именно такие приемы
и являются характерными не только для физики, но и вообще для группы так
называемых естественных наук, то и возникло стойкое убеждение в том, что выводы
этих наук лишены субъективной окраски, в отличие, например, от истории, где
субъективный фактор играет очень заметную роль. Именно поэтому считается, что
естественные науки базируются на принципе строгой доказательности (как сказал Л.
Берг, "метод науки - это доказательство"). Это, в свою очередь, означает, что
только одно мнение может быть правильным. В то же время в медицине и
гуманитарных науках принцип доказательности имеет ограниченное хождение и
большую роль играют субъективные взгляды исследователя.
Разумеется, и в гуманитарных науках логика применяется очень широко, но, наряду
с ней, для убеждения других ученых в своей правоте и привлечения их на свою
сторону в не меньшей степени используется и играет громадную роль воздействие на
чувственное восприятие, что достигается литературной формой изложения, умело
подобранными наглядными примерами и т. д. "Мысль" и "чувство" при формировании
представлений об окружающем нас мире отчетливо выступают здесь не как
взаимоисключающие, а как взаимодополняющие стороны одного и того же действия.
Мы видели, однако, что субъективный элемент не чужд и естественным наукам и
обнаруживается в них при переходе от более простых объектов к более сложным (от
атомов к молекулам и т. д.). Этот элемент возрастает в химии, далее в биологии и
т. д.
Если ряд наук расположить в следующем порядке: математика, физика, химия,
биология, медицина, психология, науки об обществе, философия, то нетрудно
видеть, как от математики к философии нарастает субъективный фактор и
уменьшается степень доказательности выводов автора.
На крайнем правом фланге этого ряда наук можно расположить и религию. Давно
известно, что в сфере разума, т. е. логическим путем, ни доказать, ни
опровергнуть религиозное учение нельзя. Принятие или непринятие человеком
христианства или мусульманства есть результат его внутреннего чувства, а не
логических доводов. Вспомним разговор Берлиоза и Воланда о Христе в романе
"Мастер и Маргарита" М. Булгакова.
Берлиоз: Но требуется же какое-нибудь доказательство...
Воланд: И доказательств никаких не требуется... Все просто: в белом плаще...
Аксиоматическая математика и религия представляют две крайности. Для нас сейчас
важно усвоить, что между естественными и гуманитарными науками нельзя провести
четкой грани: "мысль" и "чувство" (воздействие исследователя) как средство
убеждения присутствуют и в естественных науках, даже в таких, как физика, но,
конечно, в гораздо меньшей степени. Это означает, что свойственное многим
ученым-естественникам убеждение в том, что в конечном счете только один вывод,
одно мнение есть истина, не является абсолютно правильным. К сожалению, такой
взгляд стал превалирующим в нашем обществе, воспитанном на привате науки, прежде
всего естественной, что порождает характерную для нашего общества нетерпимость к
чужим взглядам. Перенос этих же взглядов на науки об обществе и желание и там
выделить единственно правильный взгляд при отмеченной выше принципиальной
невозможности строго его обосновать (доказать истинность) с неизбежностью
приводят к навязыванию этого взгляда силой. Этому мы все были свидетелями в
недалеком прошлом со всеми трагическими последствиями для нашей страны. Уроки
физики для понимания всего этого оказываются чрезвычайно важными, так как именно
эта область науки очень долгое время воспринималась как образец развития наук
вообще и как образец идеала объективного познания окружающего нас мира. Не
случайно именно примеры из этой области науки так любили приводить философыматериалисты.
Мы видели, однако, что даже в этой науке проявляется в ряде направлений заметный
элемент субъективизма, что приводит к появлению выводов, не имеющих права
претендовать на некоторую исключительность и преимущество по отношению к
аналогичным выводам других авторов. Такие взгляды надо рассматривать не как
противоречащие друг другу, а как взаимодополняющие.
Ясно, что тем более нельзя придавать значение абсолютной истины никакому учению
о развитии общества. Любая общественно-политическая теория в лучшем случае
способна отразить лишь какие-то отдельные стороны сложного явления. Слепая
попытка в практической деятельности следовать только одному "учению" с
неизбежностью ведет в тупик, что и произошло в нашей стране.
Множественность способов диагностики и лечения в медицине (европейская медицина,
китайская, тибетская, иридодиагностика, аллопатия и гомеопатия и т. д.) также
является прямым следствием отмеченного выше неизбежного субъективизма при
исследовании сложных объектов и принципа дополнительности. Глупо и вредно
поэтому разрешать одно направление и запрещать другое, под воздействием моды
кидаться из одной крайности в другую, и т. д. А ведь это постоянно происходит в
жизни!
Все это показывает, насколько важно в практической жизни человека, в управлении
государством и отраслями производства знать и придерживаться соответствующих
общих принципов, весьма часто проистекающих из фундаментальных исследований в
физике.
5. Научный прогноз и его ограничения. Физика и История
Понимание процессов, происходящих в окружающем мире, и формирование его образа,
конечно, очень важно. Однако целью всякой науки является не только понимание, но
и, что главное, прогноз событий. Известно, что физика в этом отношении достигла
большого совершенства. Именно на базе установленных в физике общих законов и
хорошо развитого математического аппарата создавались соответствующие методы
расчетов для обслуживания отдельных крупных направлений в технике: теория машин
и механизмов, теоретическая электротехника, методы расчетов летательных
аппаратов и т. д. Сейчас ни одно из существующих промышленных изделий от
кофеварки до космических ракет не реализуется в натуре до тех пор, пока
соответствующая теоретическая проработка не покажет с вероятностью минимум 90,
что изделие будет работать именно так, как это хочется создателю. Поражающие
воображение космические полеты на Марс, Венеру, к дальним планетам Солнечной
системы длительностью до нескольких лет с минимальной коррекцией траектории в
пути следования можно смело назвать триумфом прогностической способности
физического знания.
Характерной особенностью сегодняшнего периода является бурное внедрение
расчетных методов для прогнозирования свойств не только макро-, но и
микрообъектов: атомов, молекул, полимеров, кристаллов. Например, с хорошей
точностью и сравнительно быстро можно рассчитать геометрическую структуру
молекул и молекулярных кристаллов, предсказать их спектральные свойства и т. д.
При этом такие задачи решаются не только для малых и средних по величине систем,
но даже и для белков. Появилась целая новая область науки, получившая название
молекулярного дизайна.
В основе всех этих достижений и нашей уверенности в том, что события будут
развиваться именно так, как это предсказывает соответствующая теория, лежит
принцип детерминизма. Этот принцип впервые был сформулирован как обобщение
достижений классической механики. Напомним, что согласно ее основным положениям,
если известно уравнение движения или система таких уравнений и начальные условия
(значения координат и скоростей в начальный момент времени), то, решая это
уравнение или систему, можно точно указать, где будет находиться предмет через
определенный промежуток времени и как он будет двигаться и деформироваться. В
свою очередь, такое уравнение (или систему уравнений) всегда можно записать,
если заданы массы и моменты инерции отдельных компонентов объекта и действующие
силы.
Сразу же бросается, конечно, в глаза, что поскольку прогноз будущего состояния
системы делается на основе решения соответствующих уравнений, то это
подразумевает, что во всем интервале времени, в пределах которого осуществляется
прогноз уравнение движения не меняется. Можно, конечно, снять это ограничение и
учесть возможность появления новых факторов отсутствовавших в начальный момент.
Например, принять во внимание, что тело при своем движении должно проходить
область с сильным воздействующим на него полем, которое практически не действует
на начальных стадиях движения. Это, однако, все равно подразумевает знание такой
возможности в тот момент, когда движение только начинается, т. е. с самого
начала. Таким образом, оказывается, что все предопределено (события
детерминированы) теми рамками, которые могут быть установлены в начальный момент
времени.
Громадное число различных экспериментов, убеждающих в том, что сделанные на
такой основе прогнозы событий выполняются, отражены в принципе детерминизма,
который выражает нашу уверенность в том, что, пользуясь установленными в физике
приемами, мы действительно можем предсказать события и пользоваться этим
предсказанием в жизни.
Переход от механики Ньютона к механике Эйнштейна (больших скоростей) и к
электродинамике ничего в указанном выше смысле не меняет и только может служить
дальнейшим подтверждением обоснованности самого принципа.
Мы не будем здесь касаться философского осмысления и толкования принципа
детерминизма, чему посвящена многочисленная литература, а остановимся только на
том, каков взгляд на этот принцип современной физики.
Выше было сказано, что если задано уравнение движения и начальные условия, то
все развитие дальнейших событий уже предопределено. На самом деле все обстоит,
конечно, сложнее, поскольку прогнозирование реального эксперимента требует не
идеального, а реального знания масс, сил, начальных условий. Получение таких
знаний невозможно без соответствующих измерений. Любые реальные измерения имеют
ту или иную степень погрешности. Поэтому, строго говоря, не одну из названных
величин мы не можем указать точно, а лишь в определенном интервале возможных
значений. Отсюда следует, что и прогноз событий точным быть не может. Более
того, начальные ошибки при длительном течении времени могут накапливаться,
снижая достоверность прогноза. Именно поэтому при полетах космических аппаратов
и требуется периодическая коррекция на промежуточных стадиях их движения к
желаемой цели.
Далее, нет полной уверенности, что не появится какой-то неожиданный фактор,
например столкновение космического аппарата с метеоритом. Все это приводит к
тому, что реальный прогноз никогда не является абсолютно достоверным, а имеет
вероятностный характер. Правда, вероятность правильного прогноза, как правило,
достаточно велика.
Вероятностный элемент усиливается при переходе к микромиру и при использовании
квантовой механики. Аналогия с классикой сохраняется в том смысле, что место
классических уравнений движения занимает уравнение Шредингера. Его снова можно
решить при подходящих начальных условиях (то, что надо задать уже не координаты
и скорости, а начальные значения волновой функции не является принципиальным).
Однако существенно новое состоит в том, что в результате решения находятся не
координаты и скорости движения частей системы, а значения некоторой функции ( в
заданный момент времени. Мы знаем, что сама по себе она не наблюдаема, однако
квадрат модуля этой величины, передает вероятность пространственного состояния
системы в данный момент времени. Эта вероятность уже не связана с тем, хорошо
или плохо мы измерили параметры системы (массы, характеристики потенциальной
функции), а с существенно квантовой природой объекта.
С учетом этих оговорок прогноз по-прежнему оказывается возможным, и в этом
смысле можно говорить, что принцип детерминизма можно распространить и на
область квантовых явлений.
Ситуация не меняется и тогда, когда от описания сравнительно несложных объектов
мы переходим к объектам множественным, статистическим, например газам. Если
изучать интегральные характеристики этих систем (температуры, давления), то
снова можно предсказать их изменения, если указано, как должны меняться внешние
воздействия и задать начальные параметры p, V, Т. Ничего неожиданного не
происходит и в тех случаях, когда от обратимых процессов мы переходим к
необратимым, таким как диффузия, передача тепла и другие.
Если внимательно приглядеться ко всем рассмотренным выше случаям, то можно
обнаружить нечто общее - отсутствие качественных изменений в изучаемых системах.
Во все время, в течение которого делается прогноз, сохраняются классические и
квантовые уравнения, газ остается тем же газом и т. д. Можно поэтому сказать,
что все изменения в системе носят количественный, но не качественный характер.
Правда, было отмечено, что может быть и такая ситуация, когда в процессе
эксперимента в какой-то момент включится новый фактор, отсутствовавший в
начальном уравнении движения. Однако и в этом случае прогноз возможен, если
появление нового действия заранее также известно.
Но ведь не только с такими ситуациями имеет дело современная физика.
Вернемся к газу, т. е. сложному объекту, состоящему из многих частиц. Состояние
таких систем можно описывать интегральными параметрами (для газа, например, с
помощью температуры и давления), т. е. на макроскопическом у
...Закладка в соц.сетях
