Парадоксы и проблемные ситуации как предпосылки научной революции

Чаще всего наука включает в исследование новые объекты, сама того не замечая, через эмпирическое изучение новых явлений либо в процессе решения специальных теоретических задач.

Чтобы проанализировать детально особенности этого процесса, рассмотрим историческую ситуацию, которая непосредственно предшествовала построению специальной теории относительности и была одной из предпосылок революции в физике XX века[1]. Эта ситуация была связана с обнаружением парадоксов в классической электродинамике движущихся тел.

Развитие Лоренцем электродинамики Максвелла и построение теории электронов позволяло решать класс задач, в которых рассматривалось взаимодействие движущихся зарядов и тел с электромагнитным полем. В процессе решения требовалось записывать уравнения Максвелла в различных системах отсчета, и тогда обнаружилось, что уравнения перестают быть ковариантными, если пользоваться преобразованиями Галилея. Выход был найден путем введения новых преобразований. Их предложил вначале Фогт, а потом Лоренц, под именем которого они и вошли в историю науки.

Преобразования координат (пространственных и временнóй) при переходе от одной инерциальной системы к другой являются существенной характеристикой таких систем. Инерциальная же система отсчета относится к числу фундаментальных теоретических объектов любой физической теории. В электродинамике Максвелла—Лоренца она входила в качестве компонента в теоретическую схему, лежащую в основании теории. Эта схема изображала электромагнитные процессы через отношения абстрактных объектов — электрического и магнитного полей в точке, элементарного точечного заряда (электрона) и инерциальной системы отсчета. Схема объективировалась через отображение на электродинамическую картину мира: поля в точке рассматривались как состояния мирового эфира; элементарный точечный заряд соотносился с образом электрона как заряженного сферического поля чрезвычайно малых размеров, погруженного в эфир; пространственно-временные характеристики системы отсчета связывались с признаками абсолютного пространства и абсолютного времени. Эта связь устанавливалась благодаря тому, что пространственный и временнóй интервалы системы отсчета предполагались неизменными при переходе от одной системы отсчета к другой. Неизменность интервалов позволяла рассматривать их как не зависящие от движения тел (систем отсчета) и таким образом представить как абсолютное пространство и абсолютное время. Преобразования Галилея, из которых автоматически следовало это свойство инерциальных систем отсчета, получали таким путем физическую интерпретацию.

Но когда в теорию были введены новые преобразования, система отсчета неявно была наделена новыми признаками: из преобразований Лоренца следовало, что отдельно пространственной и отдельно временнóй интервалы не сохраняются при переходе от одной системы отсчета к другой. При отображении на картину мира эти признаки системы отсчета объективировались, что порождало противоречащие друг другу определения пространства и времени — относительность пространственных и временных интервалов была несовместима с принципом абсолютности пространства и времени[2].

Парадоксы являются сигналом того, что наука втянула в сферу своего исследования новый тип процессов, существенные характеристики которых не были отражены в картине мира. Представления об абсолютном пространстве и времени, сложившиеся в механике, позволяли непротиворечивым способом описывать процессы, протекающие с малыми скоростями по сравнению со скоростью света. В электродинамике же исследователь имел дело с принципиально иными процессами, которые характеризуются околосветовыми или световой скоростями. И здесь применение старых представлений приводило к противоречиям в самом фундаменте физического знания.

Таким образом специальная теоретическая задача перерастала в проблему: система знания не могла оставаться противоречивой (непротиворечивость теории является нормой ее организации), но для того, чтобы устранить парадоксы, требовалось изменить физическую картину мира, которая воспринималась исследователем как адекватное воспроизведение действительности.

Ситуации подобного рода достаточно характерны для науки, вступающей в полосу научной революции. Возникающие в этот период научные проблемы появляются благодаря решению специальных задач. Механизм перерастания задачи в проблему, с нашей точки зрения, заключается в том, что генерированные сложившимися основаниями науки теоретические схемы и законы перестраиваются в процессе своего эмпирического обоснования, приводятся в соответствие с новыми фактами и таким путем включают в себя новое содержание. При обратном отображении на основания (в частности, на картину мира) это содержание может рассогласовываться с вводимыми в картине мира представлениями о реальности. Если картина мира не учитывает специфику новых объектов, то отображение на нее теоретических схем, схватывающих некоторые существенные особенности таких объектов, приводит к парадоксам в системе знания[3].

Парадоксы разрешаются в науке путем перестройки ранее сложившихся оснований. Такая перестройка обязательно предполагает изменение картины мира. Однако пересмотр картины мира является весьма нелегким делом, поскольку она в предшествующий период стимулировала теоретические и эмпирические исследования и воспринималась как адекватный образ сущности изучаемых процессов.

Характерно, например, что Лоренц, подготовив своими работами ломку электродинамической картины мира, сам не сделал решающего шага в этом направлении.

Он истолковал изменения пространственных и временных интервалов при переходе от одной системы отсчета к другой как фиктивное, “местное” пространство и время. Истинным же он считал абсолютное пространство и время картины мира, принятой в физике конца XIX века.

Уже в процессе вывода своих преобразований Лоренц стремился придать им физический смысл за счет введения в картину мира ряда допущений, которые сохраняли бы эфир и абсолютное пространство и время. Он предположил, что при движении относительно эфира и при взаимодействии с ним электрон может изменять свою пространственную конфигурацию. Таким путем Лоренц интерпретировал изменение пространственных и временных интервалов как побочный эффект динамики электрона, но не как реальное свойство пространства и времени. С этих же позиций он истолковывал и результаты опыта Майкельсона.

Радикальная трансформация электродинамической картины мира была осуществлена в работах Эйнштейна. Она была связана с отказом от концепции эфира и пересмотром представлений об абсолютном пространстве и времени.

Переход к новому видению физической реальности, осуществленный Эйнштейном, можно было бы, вслед за Куном, охарактеризовать в терминах психологии открытия как гештальт-переключение. Но при таком подходе остаются в тени логика познавательного движения, которая лежала в основе эйнштейновского творчества и которая характеризует механизмы перестройки оснований науки в период научной революции.

Попытки предшественников Эйнштейна сохранить прежнюю физическую картину мира не устраняли парадоксов, а лишь переводили их в более глубокий слой оснований науки.

В этом случае обычно возникают противоречия между создаваемой системой знания и идеалами науки, в соответствии с которыми должна строиться теория. Дополнительные принципы, вводимые в картину мира для объяснения новых явлений, предстают в качестве постулатов ad hoc. Постоянное использование таких постулатов при обнаружении новых явлений порождает опасность неупорядоченного умножения исходных принципов теоретического исследования. В пределе при таком умножении количество принципов может начать уравниваться с количеством эмпирических фактов, объясняемых с помощью данных принципов, что разрушает саму идею теоретического объяснения.

Критика Эйнштейном представлений классической физики была во многом стимулирована осознанием указанного парадокса. В свою очередь, это осознание предполагало особую позицию исследователя. Он должен был выйти из сферы специально научных проблем и рассмотреть их в аспекте закономерностей процесса познания, т. е. обратиться к языку философско-методологического анализа. Познавательная деятельность, направленная на перестройку оснований науки, всегда предполагает такого рода смену исследовательской позиции и обращение к философско-методологическим средствам (см. рис. 7).

Рис. 7.

Эйнштейн исходил из методологического постулата, что теория не только должна удовлетворять нормативу опытного обоснования, но и, в идеале, должна быть организована так, чтобы многообразие самых разнородных явлений объяснялось и предсказывалось на основе относительно небольшого числа принципов, схватывающих сущность исследуемой реальности.

На более поздних этапах своего творчества (уже после создания специальной теории относительности) Эйнштейн обозначал эти методологические критерии, в соответствии с которыми должна создаваться физическая теория, как требования ее опытного подтверждения и внутреннего совершенства[4]. Оба этих требования он обосновывал в качестве глубинных характеристик научного исследования и по существу рассматривал их как экспликацию инвариантного содержания идеалов науки, которое регулирует теоретический поиск на всех этапах развития естествознания.

Обоснование указанных требований в качестве универсально значимых характеристик идеала естественнонаучной теории предполагало анализ природы теоретического познания. К этому анализу Эйнштейн неоднократно обращался в различные периоды деятельности, уточняя и развивая представления о путях формирования научной теории. Теоретическое воспроизведение существенных сторон реальности, согласно Эйнштейну, осуществляется путем творческого поиска небольшого набора принципов, на базе которых развертывается вся остальная концептуальная конструкции теории. Сами же эти принципы могут быть лишь “навеяны” опытом, но не выводятся непосредственно из опытных фактов индуктивным путем. Они являются результатом активной перестройки исторически накопленных концептуальных средств, которые развиваются в самом процессе познания и во многом определяют характер создаваемой теории. Теория, чтобы быть истинной, должна опираться на опыт. Но одна и та же сфера опыта может быть описана различными теориями, и каждая из них дает свое видение фактов. Поэтому опытное подтверждение, согласно Эйнштейну, необходимо, но не достаточно для того, чтобы принять теорию. Нужно еще внутреннее совершенство теоретической конструкции.

В развитой форме эта концепция была изложена в эйнштейновских трудах уже после построения специальной теории относительности (СТО). По-видимому, в период становления СТО многие из идей указанной концепции были еще в зародышевом состоянии. Имеются веские основания считать, что идея о невыводимости теоретических принципов непосредственно из опыта была выработана Эйнштейном только в период создания общей теории относительности (ОТО)[5]. Но особую роль принципов в теоретическом познании Эйнштейн осознавал всегда. Через все этапы его творчества проходит убеждение в существовании глубинных закономерностей природы, которые призвана выявить наука и которые отражаются в науке в форме принципов.

Показателем соответствия теоретических принципов исследуемой реальности служит, по Эйнштейну, не только дедуктивная выводимость из них отдельных следствий, подтверждаемых опытом, но и охват принципами как можно более широкого многообразия фактов. Принципы, положенные в основу физического исследования, должны отражать “общие черты огромного множества экспериментально установленных фактов”[6].

Такого рода представлений было уже достаточно, чтобы обосновать универсальность идеала опытного подтверждения и внутреннего совершенства теории. Последующая эволюция гносеологических взглядов Эйнштейна лишь уточняла это обоснование, включая в него новые, более глубокие аспекты понимания взаимосвязей теории и опыта.

Выделив универсальные характеристики идеала теоретического объяснения и теоретической организации знаний (опытное обоснование и внутреннее совершенство теории) , Эйнштейн с этих позиций проанализировал ситуацию, сложившуюся в физике к началу XX века.

Введенные в электродинамике Лоренца гипотезы (“объясняющие” изменение длин и временных интервалов) Эйнштейн расценил как типичные постулаты ad hoc, посредством которых лишь формально устраняются противоречия между теорией и опытом и которые являются “искусственным средством спасения теории”[7]. Лоренцевская электродинамика движущихся тел не удовлетворяла идеалу теоретической организации, а поэтомунуждалась в коренной перестройке. Но такая перестройка предполагала изменение фундаментальных понятий ипредставлений, на которых основывалась физическая картина мира.

Поскольку эти понятия онтологизировались, их пересмотр предполагал постановку вопроса об их отношении к реальности. В результате вновь возникала ситуация, когда философский анализ был необходимым предварительным условием решения конкретно-научных задач.

Создатель теории относительности не раз подчеркивал, что понятия науки должны описывать реальность, существующую независимо от нас. Мы видим реальность через систему понятий и поэтому часто отождествляем понятия с реальностью, абсолютизируем их. Между тем опыт развития науки свидетельствует, что даже наиболее фундаментальные понятия ипредставления науки “никогда не могут быть окончательными”. “Мы всегда должны быть готовы изменить эти представления, т. е. изменить аксиоматическую базу физики, чтобы обосновать факты восприятия логически наиболее совершенным образом”[8].

Такого рода философская критика понятий и принципов физической картины мира служит предпосылкой ее последующей коренной перестройки.

Но роль философско-методологического анализа в период перестройки оснований науки не ограничивается только критическими функциями. Этот анализ выполняет также конструктивно-эвристическую функцию, помогая выработать новые основания исследования. Новая картина мира не может быть получена из нового эмпирического материала чисто индуктивным путем. Сам этот материал организуется и объясняется в соответствии с некоторыми способами его видения, а этот способ задает картина мира. Поэтому эмпирический материал может лишь обнаружить несоответствие старого видения новой реальности, но сам по себе он еще не указывает, как нужно изменить это видение. Формирование новой картины мира требует особых идей, которые позволяют перегруппировать элементы старых представлений о реальности, элиминировать часть из них, включить новые элементы с тем, чтобы разрешить имеющиеся парадоксы и ассимилировать накопленные факты. Такие идеи формируются в сфере философско-методологического анализа познавательных ситуаций науки и играют роль весьма общей эвристики, обеспечивающей интенсивное развитие исследований.