Формирование теоретической схемы как гипотезы

В развитой науке теоретические схемы вначале строятся как гипотетические модели. Такое построение осуществляется за счет использования абстрактных объектов, ранее сформированных в сфере теоретического знания и применяемых в качестве строительного материала при создании новой модели.

Только на ранних стадиях научного исследования, когда осуществляется переход от преимущественно эмпирического изучения объектов к их теоретическому освоению, конструкты теоретических моделей создаются путем непосредственной схематизации опыта. Но затем они используются в функции средств 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 еще не выработано достаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться экспериментальным путем, и на этой основе постепенно формируются необходимые идеализации как средства для построения первых теоретических моделей в новой области исследования. Примером таких ситуаций могут служить ранние стадии становления теории электричества, когда физика формировала исходные понятия — “проводник”, “изолятор”, “электрический заряд” и т. д. — и тем самым создавала условия для построения первых теоретических схем, объясняющих электрические явления.

Большинство теоретических схем науки конструируются не за счет прямой схематизации опыта, а методом трансляции уже созданных абстрактных объектов. Чтобы выявить эту специфику построения теоретических моделей, обратимся к конкретному материалу истории физики.

Одним из важных этапов становления классической электродинамики было открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции. Многочисленные эксперименты по изучению этого явления (опыты с магнитом, который при движении относительно замкнутого провода порождал в нем индукционный ток; аналогичные опыты с соленоидами и проводами различной конфигурации, опыт Араго и т. д.) были объяснены Фарадеем в рамках закона индукции. Согласно этому закону, когда проводящее вещество, движущееся относительно потока магнитных силовых линий, пересекает его, то в проводящем веществе возникает электродвижущая сила (э. д. с.).

Данный закон выражал корреляции между абстрактными объектами теоретической схемы, которая характеризовала электромагнитную индукцию через отношение абстрактных объектов “магнитные силовые линии” и “проводящее вещество”. Присмотримся, однако, более внимательно, откуда взялись эти объекты. Они не содержались внутри эмпирических схем индукции, а были перенесены из других областей теоретического знания. Фарадей заимствовал конструкт “магнитные силовые линии” из смежной области теоретического знания, которая была введена для объяснения опытов магнитостатики (исследование возможных ориентаций миниатюрных магнитных стрелок в поле действия постоянных магнитов и токов). Другой же абстрактный объект — “проводящее вещество” — был перенесен им из области знаний о токе проводимости. Эти объекты были “погружены” в новую систему отношений, благодаря чему приобрели новые признаки.

Конструкт “магнитные силовые линии” приобрел признак “вызывать электродвижущую силу (э. д. с.) в проводящем веществе” (тогда как раньше, в знаниях магнитостатики, он определялся только по признаку воздействия на пробный магнит). Конструкт “проводящее вещество”, который ранее репрезентировал только свойства проводников, связанные с действием тока проводимости, оказался наделенным новым признаком — “возникновением в проводнике э. д. с. индукции”. Наделение данных конструктов новыми признаками означало перестройку прежних абстрактных объектов, поскольку каждый из них определялся только как носитель некоторых жестко фиксированных признаков. Таким путем наука сформировала первоначальный вариант теоретической схемы электромагнитной индукции.

Аналогичные способы построения теоретических схем встречаются в физике буквально на каждом шагу. Рассмотрим, например, под этим углом зрения уже упомянутую резерфордовскую модель атома. Ее основные элементы (абстрактные объекты) — “ядро как центр потенциальных отталкивающих сил” и “электрон” — были заимствованы из уже сложившихся областей теоретического знания. Конструкт “положительно заряженный центр потенциальных отталкивающих сил” был перенесен из электродинамики и определен по отношению к идеальной -частице и электрону как атомное ядро. “Электрон” также был взят из классической электродинамики ипри погружении его в новые отношения был наделен новым признаком — “вращаться вокруг ядра”. За счет всех этих внутритеоретических операций и была создана гипотеза о планетарном строении атома, предназначенная для объяснения экспериментов в атомной области.

Таким образом, в развитых формах научного исследования теоретическая схема создается путем соединения в новой “сетке” связей абстрактных объектов, почерпнутых из других областей знания. Но тогда возникает вопрос:откуда узнает исследователь, какие именно элементы уже созданных в науке теоретических схем можно использовать при построении новой модели и в какие отношения следует “погрузить” эти элементы, чтобы построить такую модель? Ответ на этот вопрос приводит к выяснению важных сторон процесса образования теоретической схемы на этапе ее выдвижения в качестве гипотезы.

На первый взгляд кажется, что исследователя в выборе абстрактных объектов целиком ориентируют те эксперименты, которые должны быть объяснены посредством новой модели. Так, в случае планетарной модели атома сами результаты эксперимента (обнаружение того, что -частицы, проходя через атомы вещества, рассеиваются на большие углы) делали естественным вывод, что внутри атома существует мощный положительный заряд, который ведет себя как центр потенциальных отталкивающих сил. Отсюда следовала идея атомного ядра. Его стабильное существование внутри атома требовало в свою очередь, чтобы электроны не соприкасались с ядром и не нейтрализовали его заряд. Отсюда естественно возникало предположение о вращении электронов вокруг ядра, благодаря чему они удерживаются на определенном расстоянии от него.

В принципе, так обычно и излагаются истоки резерфордовской гипотезы строения атома. При таком изложении проблема формирования гипотетического варианта будущей теоретической схемы решается просто: выбор ее абстрактных объектов (положительно заряженного ядра и электронов) и систему их отношений подсказывает эксперимент.

Но продолжим анализ дальше. Как видно из истории физики, задолго до того, как Резерфорд осуществил свой опыт, в физике были известны такие гипотетические модели атома, согласно которым положительные заряды могут быть сконцентрированы в виде ядра, а электроны должны вращаться вокруг ядра.

Планетарная модель атома, которая обычно связывается с именем Резерфорда, в качестве гипотезы была выдвинута задолго до опыта с -частицами в работе Нагаока в 1904 г. Судя по тому, что в первых трудах, посвященных обсуждению экспериментов с -частицами и идеи ядерного строения атома (1911 г.), Резерфорд ссылался на эту работу, он, по-видимому, ставил свои опыты, уже имея в распоряжении в качестве одного из гипотетических вариантов, которые подлежали опытной проверке, планетарную модель атома[13]. Этот факт важен для понимания логики выдвижения научной гипотезы. Он свидетельствует, что проблема поиска абстрактных объектов будущей теоретической модели и их отношений не может быть решена только путем указания на целенаправляющую роль экспериментов, которые обосновывают гипотетическую модель.

Отсутствие таковых экспериментов не мешает выдвижению гипотетических моделей. Правда, в классической физике ситуации подобного типа скорее аномалии, чем правило. Но для анализа логики научных открытий они особенно важны, поскольку в таких ситуациях как раз и проявляются в чистом виде те операции построения теоретических схем на стадии гипотезы, которые трудно выявить при наличии развитого слоя экспериментов, обеспечивающего обоснование гипотезы и оказывающего воздействие на процесс ее формирования. Поэтому особый интерес приобретает выдвижение именно первых вариантов планетарной модели атома. Их можно рассматривать как гипотетическую стадию построения указанной модели. Деятельность же Резерфорда тогда можно интерпретировать как стадию обоснования планетарной модели атома.

Конечно, такой подход означает определенную реконструкцию исторического материала, поскольку модель Нагаока в свое время не имела успеха и не была принята большинством физиков. Сама идея атомного ядра в тот период не имела никаких подтверждений. Более того, были обнаружены не учтенные Нагаока парадоксы неустойчивости атома, к которым приводила планетарная модель: вращающийся вокруг ядра электрон должен излучать и, теряя свою энергию, падать на ядро[14].Планетарная модель атома обрела вторую жизнь только после экспериментов Резерфорда, подтвердивших существование атомного ядра, и поэтому ее по праву связывают с именем Резерфорда. Характерно, что в этот период все парадоксы неустойчивости атома стали открывать как бы заново. Однако теперь ситуация меняется, и физики, несмотря на эти парадоксы, принимают планетарную модель атома, считая, что устранить ее противоречия удастся в ближайшем будущем. Но от всех этих моментов, связанных с проблемой принятия гипотезы научным сообществом, можно абстрагироваться, прослеживая логику формирования теоретических схем. В определенных границах допустимо рассматривать выдвижение первых вариантов гипотетических моделей и последующее их обоснование как непрерывный процесс, осуществляемый некоторым “совокупным исследователем” (в нашем примере Нагаока—Резерфорд). В этом случае безразлично, как осуществляется выдвижение гипотезы и ее обоснование — одним ученым или коллективом исследователей, каждый из которых проделывает определенную серию познавательных операций, логически необходимых для построения теоретической схемы.

На основе сказанного можно вновь обратиться к проблеме выбора абстрактных объектов и “сетки” их связей, благодаря которой они образуют гипотетическую модель. Но теперь следует подойти к ней с новых позиций, не апеллируя к “решающим экспериментам” типа резерфордовских опытов с -частицами.

Прежде всего необходимо выяснить, откуда взялась сама задача построения планетарных моделей атома, если не существовало еще экспериментов, свидетельствующих о наличии атомного ядра.

Анализ состояния физики в период выдвижения первых гипотез о строении атома показывает, что постановка такой задачи была теснейшим образом связана с разработкой электромагнитной картины мира. Эта картина утвердилась благодаря успехам электродинамики в конце XIX века и развивалась по мере все новых экспериментальных и теоретических достижений. Согласно принципам электромагнитной картины мира, все процессы природы должны быть представлены как взаимодействие вещества и эфира. Все силы природы предполагалось унифицировать, сводя различные типы сил к изменениям состояния эфира (“Один эфир для света, теплоты и электричества”, — писал Кельвин в конце XIX века[15]). Считалось, что даже ньютоновский закон всемирного тяготения может быть сведен со временем к передаче сил с конечной скоростью в эфире[16]. Взаимодействие эфира с атомами вещества рассматривалось как источник возникновения зарядов[17].

Первоначально, согласно программе Максвелла и его последователей (например, Ленарда, Герца), предполагалось, что заряды можно представить как особые процессы возмущения эфира[18] (основанием тому была ключевая идея максвелловской теории электромагнитного поля о тождественности тока смещения току проводимости, что позволяло представить плотности зарядов-токов в форме потока электромагнитного поля). Однако под влиянием идей атомистики в физике неоднократно высказывались гипотезы о возможности распространить принцип атомизма и на заряды. Эти идеи нашли эмпирическое и теоретическое подтверждения после открытия электронов и разработки электродинамики Лоренца, основанной на представлении о зарядах-токах как о системе электронов, взаимодействующих с электромагнитным полем. После этого в картину мира окончательно вошло новое представление о зарядах. Они стали рассматриваться в качестве особых частиц вещества — электронов (“атомов электричества”), взаимодействие которых с электромагнитным полем (эфиром) было представлено как глубинное основание всех физических процессов. Тогда в физической картине мира кроме “атомов вещества” и “эфира” появился новый элемент — “атомы электричества”, и возникла проблема их отношения к атомам “обычного” вещества. Огромный интерес к вопросам строения вещества, который появился в физике в конце XIX — начале XX века, во многомбыл генерирован именно этой проблемой[19]. Обсуждая ее, физики прежде всего поставили вопрос: не входят ли электроны в состав атома? Конечно, сама формулировка такого вопроса была смелым шагом, посколькуона 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 из 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”[20]). Но так или иначе можно зафиксировать, что проблема соотношения электронов и атомов и ее анализ под углом зрения сложности атома была генерирована развитием физической картины мира.

С развитием физики, по мере появления новых экспериментальных данных и теоретических представлений (особенно после открытия радиоактивного распада и создания его теории) конструирование различных моделей строения атома стало у физиков обычным явлением. Однако построение таких моделей началось несколько раньше под влиянием проблемы электрона, введенного в качестве особого элемента в картину физической реальности.

Таким образом, мы вправе сделать вывод, что импульс к построению гипотетических схем структуры атома был дан электромагнитной картиной мира, включившей в свой состав под влиянием предшествующего развития эмпирического и теоретического материала физики и при участии философских идей новые элементы.

Физическая картина мира не только способствует выдвижению проблемы, приводящей к поискам новых гипотетических моделей физики, но и указывает пути ее решения, очерчивает область возможных средств, используя которые можно создавать гипотетические варианты будущих теоретических схем. В нашем примере с планетарной моделью атома нетрудно обнаружить, что сама постановка задачи — свести “атомы вещества” к “атомам электричества” — определяла область исходных абстрактных объектов, которые должны были использоваться для построения модели атома. Это должны быть объекты теории “атомов электричества”, т. е. объекты электродинамики Максвелла — Лоренца — положительные и отрицательные заряды, взаимодействующие через электромагнитное поле. Отношения этих зарядов призваны были представить электрически нейтральный и стабильный атом.

Однако, чтобы построить модель атома, недостаточно было только определить ее элементы. Нужна была еще и “сетка отношений”, в которой эти элементы должны находиться. Выбор элементов будущей гипотетической схемы атома в какой-то мере уже налагает ограничения на характер такой “сетки” (поскольку признаки абстрактных объектов должны соответствовать характеру их отношений в рамках создаваемой модели). В частности, разноименные заряды согласно их основному признаку, по которому они были введены в электродинамику, должны были притягиваться в соответствии с законом Кулона. Значит, проблема состояла в том, чтобы подыскать такие их корреляции, в рамках которых они, несмотря на это притяжение, оставались бы пространственно разделенными и такая их конфигурация была бы стабильной.

Одной из первых моделей атома, предлагающих решения этой задачи, как раз ибыла модель Нагаока. Ее создатель, опираясь на высказанную Кельвиным идею о возможности уподобить конфигурацию зарядов, из которых должен состоять атом, системам тяготеющих масснебесной механики, перенес отношения между стабильными конфигурациями таких масс (например, планет иСолнца в солнечной системе: планеты иее спутников)на заряды, образующие атом.

С этих позиций представить процесс построения модели атома можно таким образом: образ планетной системы был использован в качестве своеобразной структуры, особой сети отношений, в которую должны быть погружены конструкты “электрон” и “положительно заряженная сфера в центре атома”. Нагаока пользовался вначале моделью единичных тел, вращающихся вокруг центрального тела, а затем, с целью найти аналог многоэлектронных орбит, использовал аналогию между ними и кольцами, вращающимися вокруг Сатурна. Соединяя эту сеть отношений, заимствованную из небесной механики, с конструктами электродинамики (замещая материальные точки, изображающие центральное тело и движущиеся вокруг него массы, зарядами), Нагаока получил гипотетическую модель строения атома.

Указанную процедуру выдвижения гипотезы можно было бы описать также в терминах “гештальт-переключения”, как это часто делается в философской литературе (при обсуждении проблемы научного открытия)[21]. Тогда стабильные конфигурации тяготеющих масс небесной механики (типа солнечной системы или планеты со спутниками) предстанут в роли “гештальтов” (или “образцов” по Куну), позволивших в новом свете увидеть проблему строения атома. Однако при таком подходе несколько затемняется важное для логического понимания проблемы структурное расчленение теоретических моделей, а также связь их формирования с процессами переноса абстрактных объектов из других областей знания. Кроме того, существует еще один важный момент, который, на наш взгляд, не учитывается при описании процесса открытия в терминах смены “гештальтов”.

Речь идет об основаниях, благодаря которым происходит создание и применение в науке аналоговых моделей. Следуя Куну, можно говорить лишь о психологической интуиции исследователей, которая выражается в смене образца видения научной ситуации. Вопрос о причинах выбора того или иного образца у Куна, по существу, снимается[22].

Однако постановка такого вопроса как раз и приводит к обнаружению важного аспекта теоретических открытий. Почему, например, исследователи, создающие модели атома, вдруг обратились к представлению о тяготеющих массах? Что обусловило их видение атома как аналога планетной системы? Ведь для того чтобы использовать аналогии, нужно иметь какое-то основание, предположить сходство между двумя типами в общем-то очень разнородных явлений.

Оказывается, такое основание было? и источником его служила электромагнитная картина мира. В этой картине все виды сил природы, в том числе и тяготение, связывались с эфиром. Считалось, что действие тяготеющих масс в принципе можно объяснить свойствами эфира как носителя электромагнитной энергии (в качестве конкретно-теоретического основания приводилось сходство выражений ньютоновского закона всемирного тяготения и закона Кулона для зарядов и указывалось на успешную переформулировку последнего в рамках теории поля)[23].

Одним из первых исследователей, который стал рассматривать взаимодействие зарядов в атоме по образу и подобию взаимодействия тяготеющих масс, был Кельвин. Он в свое время особое внимание уделял проблемам связи тяготения и электромагнетизма и поэтому, может быть, лучше других, был готов к использованию аналогии между тяготеющими массами и зарядами (моменты, относящиеся к психологии открытия). Но, коль скоро было основание для такого шага, сам этот шаг уже может быть рассмотрен как логически оправданный и доступный любому исследователю (логика открытия). В этом отношении показательно, что, несмотря на различие моделей атома, предложенных в начале нашего столетия Кельвиным, Дж. Дж. Томсоном, Нагаока и другими, все они первоначально опирались на аналогию между распределением зарядов и распределением тяготеющих масс[24], пытаясь подобрать такую конфигурацию масс, чтобы, заменив ими заряды, получить стабильный атом.

Таким образом, физическая картина мира не только указывает на область теоретических конструктов, которые могут быть использованы при построении новых теоретических схем науки, но и помогает отыскать определенные отношения таких конструктов. Конструкты и структура, в которой они должны находиться, могут заимствоваться из разных областей знания. Но для переноса структуры нужно увидеть аналогию между объектами исследования уже сложившейся и только формирующейся области теоретического знания. Такое видение физических ситуаций обеспечивает картина мира.

Рассмотренный пример с планетарной моделью атома, которая создавалась в качестве гипотезы до появления “решающих экспериментов”, подтвердивших наличие атомного ядра, позволяет проследить в относительно чистом виде основные особенности построения теоретических схем на начальном этапе их становления.

Главная из этих особенностей состоит в активном целенаправляющем воздействии картины мира на процесс выбора абстрактных объектов и сети их отношений, благодаря объединению которых создаются первые гипотетические варианты теоретических схем. Эта особенность прослеживается и тогда, когда теоретическая схема создается при наличии развитого слоя экспериментов, для объяснения которых она вводится. В этом случае эксперименты облегчают процесс формирования гипотетических вариантов схемы, но они не являются единственным фактором в первоначальном выборе ее абстрактных объектов и их отношений.

Нетрудно, например, установить, что при построении фарадеевской модели индукции, которая создавалась для объяснения уже осуществленных экспериментов, обнаруживших явление электромагнитной индукции, важнейшую роль как в выборе абстрактных объектов, так в нахождении их связей сыграла развиваемая Фарадеем картина физической реальности. В ней все электрические и магнитные процессы рассматривались как проявление некоторой единой сущности, а центр тяжести анализа этих процессов переносился с зарядов и магнитов на пространство между ними, которое рассматривалось как “заполненное кривыми электрических и магнитных сил”. Эти первоначальные представления картины мира, выработанные Эрстедом, Воллостоном и Фарадеем, основывались на предшествующих достижениях электродинамики, рассмотренных под углом зрения философских идей единства мира и единства материи и силы.

Опираясь на эту картину физической реальности, Фарадей при построении теоретической схемы электромагнитной индукции перенес на новую область выработанное в магнитостатике представление о перемещениях магнитных силовых линий в пространстве. Таким путем было введено одно из главных отношений между проводящим веществом и силовыми линиями в модели индукции, а именно, что э. д. с. появляется тогда, когда число силовых линий, пересекающих проводник, меняется во времени в каждой единице его объема.

Сквозь призму этого представления можно было легко понять все эффекты, возникающие при относительном движении проводников и магнитов. Но из знания самих этих эффектов представление о силовых линиях вывести было чрезвычайно трудно, а практически и невозможно. Достаточно вспомнить, насколько неожиданным для современников Фарадея было его объяснение явлений электромагнитной индукции, хорошо известных из экспериментов, чтобы убедиться, что само по себе знание таких экспериментов отнюдь не подсказывало идею связи между э.д.с. индукции и изменением числа силовых линий в проводнике. В этом отношении особенно характерно неожиданное объяснение Фарадеем опыта Араго. Суть опыта состояла в следующем: если над подвешенным (ненамагничивающимся) медным диском вращать магнит, то диск тоже начинает вращаться. Все знали этот опыт, но только Фарадей сумел объяснить его: при вращении магнита в пространстве перемещаются окружающие его силовые линии и, пересекая проводящее вещество (медный диск), порождают в нем индукционные токи, что делает на время диск источником магнетизма (ток рождает магнетизм) и приводит его во взаимодействие с прямолинейным магнитом, вызывая вращение диска. Таким образом, чтобы ввести такое объяснение, нужно было заранее иметь картину движения магнитных силовых линий в пространстве. Но эта картина не следовала из самих опытов по индукции. Фарадей выработал ее в магнитостатике, а затем экстраполировал на область новых явлений. Процесс такой экстраполяции стал возможен только благодаря выработанной Фарадеем картине мира, согласно которой все процессы электромагнетизма следовало объяснять исходя из “конфликта” электрических и магнитных сил в пространстве.

Образ изменения направлений силы в пространстве, как причины всех электромагнитных явлений, постоянно был перед внутренним взором Фарадея. Поэтому для него было совершенно естественно использовать модели магнитостатики, основанные на представлении о магнитных силовых линиях, в качестве аналогов при объяснении электромагнитной индукции.

Отметим также, что сам перенос моделей из одной области знаний об электричестве и магнетизме в другую был возможен только потому, что фарадеевская картина физического мира постулировала связь предметов исследования каждой из таких областей. Если учесть, что в этот же период Фарадею приходилось доказывать, что различные виды электричества (электричество трения, гальваническое, магнитоэлектричество и т. д.) —суть проявления одного и того же электричества, то подобные переносы моделей выглядят отнюдь не тривиальными.

После того как картина мира стимулировала выбор определенных типов объектов и их отношений для создания гипотетической модели, экспериментальные ситуации корректируют и уточняют гипотезу (например, представление о возникновении в проводнике э. д. с. индукции является результатом подобного типа корректировки). Но только одни эксперименты не могут определить выбор теоретических средств для построения гипотетических моделей в науке.

Итак, можно заключить, что построение теоретической схемы на стадии гипотезы в классической науке начиналось с картины мира, которая помогала поставить задачу исследования и указывала средства ее решения.

Вводя общие представления о структуре природных взаимодействий, картина мира тем самым указывает, какие области науки имеют сходные предметы исследования. Так возникает “подсказка”, откуда транслировать абстрактные объекты как строительный материал для будущих теоретических схем. В то же время картина мира помогает отыскать и предварительную сетку отношений, структуру, с которой должны быть соединены такие объекты. Средством для переноса указанной структуры служит использование теоретических схем одной области в качестве аналоговых моделей для другой области исследования.

В рассмотренных выше случаях такая структура вводилась в форме наглядного представления о связях, которым должны удовлетворять абстрактные объекты новой области знаний, подставляемые вместо прежних элементов в аналоговую модель. Это, например, представление о движении материальных точек вокруг центрального тела, введенное в небесной механике и использованное при построении планетарной модели атома; или картина движения магнитных силовых линий, пересекающих тела, которую Фарадей экстраполировал из области магнитостатики на область явлений электромагнитной индукции (для создания гипотетической схемы электромагнитной индукции достаточно было подставить в аналоговую модель, заимствованную из магнитостатики, вместо конструкта “тело вообще” новый абстрактный объект — “проводящее вещество, в котором возникает индукционная э. д. с.”) .

В обоих приведенных примерах структура, в которую должны быть “погружены” абстрактные объекты создаваемой теоретической схемы, выражалась в виде наглядного образа корреляций между элементами аналоговой модели и фиксировалась посредством содержательных описаний типа: “материальные точки вращаются вокруг притягивающего центра”, “силовые линии пересекают тела” и т. д.

Но в принципе эта же структура (“сетка отношений”) может быть представлена и в форме математических зависимостей. Тогда ее перенесение на новую область означает применение в этой области соответствующих математических средств (уравнений, которые призваны связать новые теоретические конструкты). Такая переброска уравнений осуществляется по уже описанному рецепту. Картина мира помогает определить, какие теоретические схемы сложившихся областей знания могут быть использованы в функции аналоговых моделей по отношению к новому предмету исследования. Тогда уравнения, связанные с такими аналоговыми моделями, переносятся в новую область знаний и соединяются там с новыми абстрактными объектами, из которых строятся гипотетические варианты будущих теоретических схем. Так, уравнения, применяемые для описания конфигурации небесных тел в механике, были использованы Нагаока вместе с планетарной моделью при описании и объяснении строения атома. Нагаока использовал их как средство расчета при решении проблемы стабильности атома, применяя также и некоторые уравнения электродинамики (использование последних было необходимо в силу того, что исходные абстрактные объекты модели заимствовались из электродинамики).

В классической физике использование математических средств в теоретическом исследовании обязательно было связано с предварительным построением содержательно выраженной теоретической модели, хотя бы в форме гипотетической конструкции. Часто процесс соединения такой модели с уравнениями мог быть отделен во времени от ее первоначального построения (примером тому могут служить созданные Фарадеем теоретические схемы электромагнитной и электростатической индукции). В таком случае гипотетическая модель предварительно проходила этап эмпирического обоснования и превращалась в теоретическую схему, которая обеспечивала объяснение и предсказание фактов на основе качественного закона (типа фарадеевского закона индукции). Но затем наступал этап поиска количественной, математической формулировки этого закона. Он заканчивался введением соответствующего уравнения, по отношению к которому теоретическая схема представала как его интерпретация.

Важно, однако, отметить, что соединение готовой теоретической схемы с уравнениями чаще всего сопровождается изменением самой схемы. Уравнения, применяемые в качестве средств теоретического описания, часто вводят новые отношения между абстрактными объектами теоретической схемы, что требует наделить такие объекты новыми свойствами. Например, к рядуизменений в фарадеевских схемах электростатической и электромагнитной индукции привело произведенное Максвеллом соединение этих схем с уравнениями Эйлера (ниже, когда речь пойдет о построении Максвеллом развитой теории электромагнетизма, мы подробное остановимся на этих изменениях).

Эту же особенность теоретического поиска можно проследить и на других исторических примерах. Чтобы выяснить более конкретно, каким образом происходит изменение уже обоснованной опытом теоретической схемы под влиянием вносимого в теорию математического аппарата, разберем в качестве одного из таких примеров ситуацию, возникшую в электростатике в связи с формулировкой знаменитого закона Кулона.

В период, непосредственно предшествующий этому открытию, в электростатике была создана система теоретических представлений о взаимодействии заряженных тел. Первоначально эти представления были выражены в виде наглядной теоретической модели, объясняющей процессы притяжения и отталкивания наэлектризованных тел. Такая модель была создана усилиями Эпинуса, Кевендиша, Пристли и самого Кулона и требовала рассматривать взаимодействие тел, содержащих электричество, как процесс передачи в пространстве сил, которые возникают при воздействии друг на друга двух типов “электрического флюида” (положительного и отрицательного). Каждому такому флюиду приписывалось свойство концентрироваться в телах. В зависимости от плотности концентрации происходило ослабление или усиление сил взаимодействия между телами, содержащими “электрический флюид”.

Таким образом, теоретическая схема электростатических взаимодействий тел, построенная Эпинусом, Кевендишем, Пристли и Кулоном, вводила абстрактные объекты “плотности электрического флюида” и “силы”, действующие между “электрическими флюидами”.

Корреляции между указанными абстрактными объектами характеризовались следующим образом: считалось, что два одинаковых флюида, содержащиеся в телах, отталкиваются, а два разноименных — притягиваются с силой, прямо пропорциональной их плотности в телах иобратно пропорциональной расстоянию между телами. Эта характеристика соответствовала качественномувыражению закона электростатического взаимодействия наэлектризованных тел. Поиск количественной формулировки закона потребовал найти точное математическое выражение зависимости между плотностями флюида в телах, расстояние между ними и величиной действующих сил. Пристли и Кевендишем была высказана гипотеза о том, что характер этой зависимости тот же, что и у взаимодействия между точечными тяготеющими массами ньютоновской механики[25] Кулон, приняв эту гипотезу, установил позднее ее справедливость в экспериментах с крутильными весами[26]. Следует отметить, что, как только эта гипотеза была принята, соединение уравнения для взаимодействия тяготеющих масс с моделью взаимодействия “электрических флюидов” сразу же трансформировало последнюю. Это видно хотя бы из кулоновских формулировок законов для заряженных тел. Они выражаются уже не в терминах плотности электрического флюида в протяженных телах, а в терминах “бесконечно малых частиц” такого флюида, его плотностей в точках[27].Последнее означает, что вместе с гипотетическим уравнением для взаимодействия зарядов была введена и новая теоретическая схема, в которой появились такие абстрактные объекты, как точечные заряды (“плотности электрического флюида в точке”). Обоснование Кулоном справедливости указанных гипотез привело к открытию знаменитого закона электростатики[28].

Таким образом, процедура математизации теоретических знаний нередко приводит к изменениям первоначально введенных теоретических схем. Однако в силу таких изменений они из ранга доказанных и обоснованных теоретических схем вновь переводятся в ранг гипотетических конструкций, которые нуждаются в обосновании. Поэтому в классической физике можно говорить о двух стадиях построения частных теоретических схем как гипотез: стадии их конструирования в качестве содержательно-физических моделей некоторой области взаимодействий и стадии возможной перестройки теоретических моделей в процессе их соединения с математическим аппаратом.

На высших ступенях развития теоретических знаний эти два аспекта гипотезы сливаются. Но на ранних этапах эволюции физики, когда только начинали формироваться теоретические знания о новых областях явлений, эти два аспекта построения гипотетических вариантов теоретической схемы могли быть разделены.

Важно, однако, что в обоих случаях этап выдвижения гипотез протекает по общим законам. Даже тогда, когда речь идет о перестройке теоретической схемы под влиянием математических средств, познавательное движение воспроизводит все основные черты, свойственные процессу формирования гипотетической модели. На этом этапе математические средства переносятся в новую область с помощью аналоговых моделей (весь этот процесс выбора и использования аналогий целенаправляет физическая картина мира).

Несколько ниже мы покажем, как протекал этот процесс применительно к теоретическим схемам электромагнитной и электростатической индукции, созданных Фарадеем. Пока же отметим, что у Максвелла средством соединения теоретических схем электростатической и электромагнитной индукции с уравнениями служили аналоговые гидродинамические модели, которые позволили перенести уравнения гидродинамики в новую область знаний. Что же касается самого основания для аналогии между процессами гидродинамики и областью электрических и магнитных взаимодействий, то оно коренилось в принятой Максвеллом фарадеевской картине физической реальности. Последняя, как показано выше, изображала взаимодействие в виде непрерывного изменения сил в пространстве, а поэтому легко позволяла увидеть аналогию между механикой сплошных сред и электромагнетизмом.

Точно так же перенос уравнения Ньютона для тяготеющих масс на область электростатических взаимодействий при выводе закона Кулона был обусловлен применением аналоговой модели точечных масс, связанных силами тяготения, к ситуации с заряженными телами. Сама же аналогия такого типа была возможна только благодаря тому, что после Франклина под влиянием экспериментальных и теоретических успехов “физики электричества и магнетизма” Эпинусом, Саймером, Пристли была разработана картина физической реальности, которая была модифицированным вариантом ньютоновской картины мира. Она предполагала, что количество материи, характеризующее массу ньютоновских корпускул, может соединяться с некоторым количеством материи невесомого электрического флюида и что нарядус механическими силами в природе действуют электрические и магнитные силы, которые мгновенно передаются от одного тела к другому в абсолютном пространстве.

Из сказанного видно, что физические картины мира, участвуя в формировании теоретических схем на уровне их выдвижения как гипотез, определяют стратегию теоретического поиска. Они ориентируют исследователя, в какой области знаний физики он может заимствовать исходные абстрактные объекты для построения новых теоретических схем, и помогают найти сеть связей таких объектов, выражаемую как в содержательной форме, так и в виде математических зависимостей, которые могут служить математическим аппаратом будущей теории. Поэтому, если исследователь выбрал картину мира, то он тем самым выбрал программу будущего теоретического движения, глобальную стратегию теоретического поиска.

Эвристическая роль картин мира в процессе формирования теоретических знаний не раз отмечалась в философской и историко-физической литературе. На наш взгляд, наиболее полно этот анализ проделан в отечественных исследованиях. Вышеизложенные рассуждения претендуют на продолжение и конкретизацию таких исследований применительно к проблеме механизмов формирования гипотетических моделей, лежащих в основании научной теории.

В зарубежной логико-философской литературе, посвященной проблемам эпистемологии, долгое время под влиянием позитивистской традиции при анализе процесса формирования теории исключалась сама постановка вопроса о роли в этом процессе картин мира. Во многом именно с этим был связан отказ от рационального анализа процесса научного открытия. Считалось, что сам акт выдвижения гипотезы является только продуктом смелой догадки исследователя (и дело психолога, а не логика разбирать основания такой догадки)[29].

Некоторый поворот в отношении “философии науки” к проблемам, которые ранее квалифицировались как “бессмысленная метафизика”, произошел в постпозитивистский период западной философии науки(Т. Кун, С. Тулмин, П. Фейерабенд, М. Поляни, И. Лакатос и др.).

Однако недостаточно дифференцированное описание структуры теоретических знаний не позволило им четко различить такие его компоненты, как картина мира и теоретическая модель. Выше уже отмечалось, что основные понятия в концепциях Куна, Лакатоса, Тулмина и других, а именно понятия “парадигмы”, “исследовательской программы”, “рациональных идей относительно регулярного порядка Природы” употребляются весьма неоднозначно.

Если бы, например, Лакатос более дифференцированно рассматривал структуру научного знания, то уже в рамках его концепции можно было бы конкретизировать идею различных типов исследовательских программ, которые отличаются по широте охвата явлений и формам их обобщения. Картина мира выступила бы как ядро глобальной исследовательской программы, относительно которой формируются более локальные исследовательские программы, обладающие своим ядром и своим “предохранительным поясом защищающих гипотез”. Но поскольку у Лакатоса подобной классификации исследовательских программ не было выработано, а лишь намечен общий подход, постольку сам термин “исследовательская программа”, обозначая разнородные компоненты науки, не вносит ясности в их соотношение и взаимодействие. В свою очередь, это не позволяет исследовать конкретные механизмы такого взаимодействия и выявить конкретные процедуры выдвижения научной гипотезы. Та же ограниченность присуща исследованиям Куна, Тулмина и других представителей постпозитивизма.

Существует, однако, один аспект, который особо подчеркнут у Лакатоса и Куна и который следует отнести к достоинствам их концепций: это — идея борьбы исследовательских программ (наличия нескольких парадигм, по терминологии Куна), которые характеризуют развитие научного знания. Применительно к естественнонаучным картинам мира, как определителям стратегии теоретического поиска, данное положение означает, что на одном и том же этапе эволюции науки могутсоперничать несколько вариантов картины мира. Последнее, по-видимому, особенно характерно для стадии становления частных теоретических схем, которые еще не синтезированы в единой развитой теории и отражают отдельные существенные черты и аспекты новой области взаимодействий. Так, из истории классической электродинамики отчетливо видно, как примерно в один период складываются два альтернативных подхода к анализуэлектромагнитных взаимодействий: картина мира, предполагающая описание взаимодействий природы с позиций мгновенной передачи сил по прямой в пустоте (развиваемая в электродинамике Эпинусом, Пристли, Кулоном, Ампером, Вебером), и картина мира, базирующаяся на представлении о “кривых линиях сил”, заполняющих пространство между телами (Эрстед, Воллостон, Фарадей, Максвелл). Аналогичным образом можно выделить конкурирующие картины мира, определившие борьбу картезианского и ньютоновского направлений в механике.

Каждая из выдвигаемых в науке физических картин мира проходила длительную эволюцию, изменяясь и уточняясь под воздействием все новых результатов теории и эксперимента, которые она генерировала.

Исследователь, приступая к решению тех или иных задач, уже самим их выбором неявно выбирает и картину мира. В этом смысле Кун прав, когда отмечает, что выбор парадигмы определяет выбор научных проблем. Различие в картинах мира, принятых разными научными направлениями, способно породить и различие в выдвигаемых ими проблемах. Как подчеркивает Кун, “парадигма одного научного сообщества” может даже исключить постановку задач, которые считаются главными для другого сообщества. Похожую мысль, но сформулированную в терминах “методологии исследовательских программ”, можно найти у Лакатоса, который указывает, что ядро программы обеспечивает положительную и отрицательную эвристику, т. е. определяет круг главных проблем и методов исследования и в то же время может запретить постановку ряда других проблем, как не имеющих смысла в рамках исследовательской программы.

В этом есть доля истины. Понятно, например, что для сторонников амперовского направления в электродинамике не имела смысла главная проблема фарадеевского направления — исследовать формы линий электрических и магнитных сил в пространстве и характер их изменения во времени. Конечно, несовместимость задач двух различных направлений исследований, в основе которых лежат различные картины физической реальности, никогда не бывает абсолютной (эту сторону вопроса Кун недостаточно учитывает, излишне преувеличивая несовместимость постановки исследовательских проблем в рамках различных парадигм). Принимая во внимание то, что конкурирующие теории должны объяснять некоторую общую для них совокупность экспериментальных фактов, даже у альтернативных направлений исследований будут существовать общие исследовательские проблемы. Однако сам подход к их решению будет различным, ив этом смысле вполне правомерно считать, что ядро исследовательской проблематики и саму форму постановки теоретических задач во многом определяет картина мира. Выбор исследователем картины мира позволяет не только установить круг теоретических задач, но и помогает отыскать определенные средства их решения. В теоретических исследованиях в качестве таких средств выступают некоторые типы абстрактных объектов, уже накопленные предшествующим развитием науки, и математические аппараты, сформировавшиеся в определенных областях научного знания. Картина мира ориентирует исследователя на использование этих средств, что является необходимым условием выдвижения новых гипотез.

Иногда для конструирования новых теоретических схем на стадии их формирования в качестве гипотез исследователю достаточно использовать уже сложившуюся в науке картинумира. Так, например, обстояло дело с ситуацией открытия Кулоном теоретического закона, описывающего взаимодействие зарядов. Гипотеза о бесконечно малых флюидах возникла без каких-либо существенных предварительных корректив в картине мира, развитой Эпинусом, Саймером и Пристли. Но часто при создании новых теорий приходится вносить изменения в ранее сложившиеся картиныфизической реальности и, опираясь на перестроенную картину, выдвигать новые гипотетические модели объясняемых явлении. Так поступал, например, Галилей, разрабатывая теоретические схемы равномерного прямолинейного движения, свободного падения тел, движения по наклонной плоскости и т. д. Аналогичнымобразом действовал Фарадей при теоретическомобъяснении опытов Эрстеда, а затем явлений электромагнитной и электростатической индукции. Для того чтобы создать гипотетические схемы, призванные объяснить соответствующие эксперименты, Фарадей должен был предварительно выдвинуть новое представление о пространстве между телами, предположив, что оно заполнено “кривыми электрических и магнитных сил”. Само же это представление уже вносило радикальные изменения в физическую картину мира. Изменения такого типа всегда являются достаточно революционным шагом и требуют привлечения философских идей, обеспечивающих особое рассмотрение существующего эмпирического и теоретического материала. Импульсом к таким изменениямобычно служат неожиданные, с точки зрения прежних представлений о природе, экспериментальные факты и теоретические выводы (например, в разработке фарадеевской картины мира важную роль сыграло открытие Эрстедом “вращательного воздействия” тока на магнитную стрелку и обнаружение самим Фарадеем вращения магнитной стрелки под действием магнитных сил, порождаемых током; это натолкнуло на мысль о вихревом характере магнитных сил).

Но само осмысление таких фактов и выводов — весьма тонкий вопрос, в решении которого участвуют философские идеи и многочисленные факторы социокультурной детерминации познания. Поскольку картина мира служит своеобразным мостиком между генерированной ею “популяцией” теоретических знаний и культурой, в которую должны быть вписаны эти знания, постольку в становлении картины мира так или иначе участвуют ценностные факторы. В определенном смысле можно считать, что такие факторы оказывают воздействие и на процесс формирования гипотетических моделей науки.

Однако если абстрагироваться от моментов психологии творчества и рассмотреть только логику открытия, то воздействие ценностных факторов на выдвижение конкретно-научных гипотез всегда предстает как опосредованное картиной мира. Последнее обстоятельство позволяет выделить в проблеме формирования гипотезы два аспекта: 1) анализ механизмов изменения в картине мира (здесь следует учитывать воздействие отображаемых на нее эмпирических и теоретических знаний, с одной стороны, и воздействие философских идей и ряда социокультурных факторов, с другой); 2) анализ механизмов воздействия картины мира на формирование теоретических моделей.

В исследовательской практике эти аспекты взаимосвязаны, и подчас складывается впечатление, что все указанные стороны процесса открытия как бы склеены друг с другом. Но в анализе эти стороны необходимо различать.

Часто такое различение бывает затруднено тем, что исследователь, внося довольно-таки существенные изменения в сложившуюся картину физической реальности, не описывает их, а иногда и не осмысливает как глобальное изменение стратегии теоретического поиска (хотя они, в сущности, являются таковыми).

Новые представления о системной организации изучаемых наукой процессов природы, которые непосредственно предшествуют выдвижению конкретно-научной гипотезы, могут быть введены имплицитно как результат выдвижения нового физического принципа. Так, фарадеевская идея пространства, заполненного изменяющимися линиями сил, предлагалась вначале как физический принцип, относящийся только к электрическим и магнитным силам. Но по текстам фарадеевских “Экспериментальных исследований по электричеству” нетрудно установить, что этот принцип у самого Фарадея осмысливался через представление о пространстве, непрерывно заполненном материей, в которой есть тела как центры сил и в которой силы передаются от точки к точке. Это была новая картина природы (в буквальном смысле этого слова), вводящая представление о полях сил как особой реальности[30]. Возможно, вначале она не имела столь четкого выражения, которое приобрела после экспериментальных и теоретических исследований Фарадея, доказавших реальное существование электрических и магнитных силовых линий. Но в общем виде она, несомненно, выдвигалась Фарадеем с самого начала (следует учесть, что у Эрстеда, на идеи которого опирался Фарадей, уже можно найти похожие представления о пространстве как арене “конфликта сил”).

Причины, по которым исследователь не “обнародует” первичные формы картин мира, коренятся в том, что вначале эти картины выступают только как предварительные образы физической реальности, которые еще мало имеют подтверждающих экспериментальных и теоретических результатов. В какой-то мере они, конечно, должны опираться на экспериментальные факты и теоретические обобщения предшествующего периода развития науки. Ведь само их возникновение обязано рассмотрению с новых позиций того эмпирического и теоретического материала, который выглядел аномалией по отношению к ранее принятой физической картине мира или вызывал трудности при его согласовании с указанной картиной. Однако ассимилировать уже известные факты еще недостаточно, чтобы утвердиться в науке в статусе новой картины физической реальности. Все зависит от того, насколько генерированные новой картиной мира эксперименты и теоретические гипотезы дадут плодотворные результаты, а отчасти и от того, насколько успешно новая картина физической реальности сможет ассимилировать результаты, полученные в рамках конкурирующих с ней исследовательских направлений.

Если картина мира проходит все эти испытания, то она из зародышевой стадии переходит в зрелое состояние. На этом этапе она открыто пропагандируется исследователями и принимается в качестве общей схемы видения исследовательских ситуаций, или, выражаясь языком Т.Куна, становится “парадигмой”, принятой широким научным сообществом.

Но не всем предварительно выдвинутым картинам мира уготована такая судьба. Многие из них оказываются непродуктивными и гибнут, не выходя из эмбрионального состояния. Поэтому исследователь, сформулировав для себя новую систему представлений о физической реальности, не спешит ее выдвинуть в качестве картины мира до тех пор, пока на ее основе не будет развернута серия гипотез, которые пройдут обоснование опытом и, превратясь в теорию, не предскажут новые, ранее неизвестные факты. Именно поэтому бывает трудно выявить картину мира как основу определенного направления исследований.

Однако с принципиальной точки зрения важно, что она существует и что само выдвижение гипотез на этой стадии не обходится без картины мира. Ее функции в начальной фазе исследований заключаются в том, что она целенаправляет построение гипотетических моделей, подсказывая, из каких областей уже сложившегося знания черпать их абстрактные объекты и структуру, в которую они должны быть погружены.