<<
>>

О месте физических моделей в физике

  Наличие модельного слоя — одно из важнейших отличий схемы 7.3 от позитивистских моделей научной теории — «стандартного (общепринятого) взгляда», во многом остающегося исходным и в современной философии науки (п.
5.2) и разделяемого многими физиками-теоретиками. Одна из распространенных точек зрения на этот вопрос содержится в высказывании известного отечественного физика-теоретика Л.И. Мандельштама, который в 1930-х гг. в своих «Лекциях по квантовой механи

ке...» говорил следующее: «Какова структура всякой физической теории, всякого физического построения вообще? Немного схематично... можно сказать, что всякая физическая теория состоит из двух дополняющих друг друга частей... Это уравнения теории — уравнения Максвелла, уравнения Ньютона, уравнение Шрёдингера и т.д. ... В эти уравнения входят некоторые символы: х, у, z и t, векторы Ей Я и т. д. ...На этом вторая часть заканчивается... Первую же часть физической теории составляет связь этих символов (величин) с физическими объектами, связь, осуществляемая по конкретным рецептам (конкретные вещи в качестве эталонов и конкретные измерительные процессы — определение координат, времени и т. д. при помощи масштабов, часов ит. д.)...» [Мандельштам, 1972, с. 326—327] (курсив мой. — А.Л.).

В центр такого представления физической теории ставится уравнение, которое содержит математические объекты, принадлежащие соответствующим математическим структурам (геометрии Римана, гильбертовскому функциональному пространству и т. п.), а также символы, отвечающие измеримым величинам. Физические объекты типа атома или электрона в этом представлении в явном виде отсутствуют. Сложившиеся теории содержат математику и определенные правила измерения. Здесь нет места для модели. Есть хорошие уравнения, и они физически проинтерпретированы, экспериментально проверены, и этого достаточно.

Такое представление о структуре физической теории очень близко к сформировавшемуся приблизительно в то же время «стандартному взгляду» (Received View) логических позитивистов на структуру физической теории.

«Термины... делятся на три различных класса, называемых словарями: (а) логический словарь, состоящий из логических констант (включающих математические термины), (Ь) словарь наблюдаемых — V0, содержащий термины наблюдения', (с) теоретический словарь — VT, содержащий теоретические термины. Термины V0 интерпретируются как относящиеся к непосредственно наблюдаемым физическим объектам или непосредственно наблюдаемым атрибутам физических объектов... Имеется ряд теоретических постулатов Е, чьи единственные нелогические термины принадлежат К- Терминам в VT дается точное определение в терминах V0 посредством правил соответствия С... Так, если правило соответствия определяет «массу» (теоретический термин) как результат выполнения измерения М объекта при обстоятельствах S (где М и .S'устанавливаются, используя термины наблюдения), то этим устанавливают эмпирическую процедуру для определения массы, определяют «массу» в терминах этих процедур и делают это так, чтобы гарантировать познавательное значение термину «масса» [Suppe, р. 3—4, 16—17].

Что касается физических объектов типа атома или электрона, то они в этом представлении в явном виде отсутствуют, ибо не попадают ни в категорию математических объектов (терминов), ни в категорию измеримых величин (они растворяются в уравнении теории). Из выделенных здесь мест видно, что под «теоретическим термином» понимается скорее измеримая величина, чем физический объект типа атома. Здесь «теоретические термины являются лишь сокращениями для феноменальных описаний» [Там же] и в центре внимания находятся тоже уравнения, а не физические объекты. Практически все положения этой модели подвергаются жесткой критике в докладе Ф. Суппе и в других докладах той же значимой для становления постпозитивизма конференции 1974 г., но, хотя из этой критики делается вывод о неадекватности «стандартного взгляда» [Suppe, р. 3—4 и др.], другой модели структуры физической теории предложено не было (об этом уже говорилось в п. 5.2).

В «объектном теоретико-операциональном» подходе модельный слой не только существует, но и является центральным1.

Он расположен между уравнением движения и входящими в него математическими объектами, относящимися к определенным математическим структурам (векторы, тензоры, операторы и т. п.), с одной стороны, и измеримыми величинами — с другой. Модельный слой содержит описание физической системы как совокупности физических объектов — ПИО (частиц, полей и т. п.). Под физическим объектом (системой) здесь понимается то, что: 1) характеризуется набором состояний, определяющихся набором измеримых величин, а поведение физического объекта описывается как переход из одного состояния в другое; 2) может быть приготовлено (т. е. реализовано в эмпирическом материале). Соответственно физическая модель[CXIV] [CXV] — это конструкция, со-

стоящая из одного или нескольких физических объектов. Подобная объектная модель (ВИО) определяет соответствующее уравнение движения, т. е., имея модель, нетрудно составить это уравнение, которое вытекает из сочетания ПИО, входящих в ВИО. Законы природы в виде уравнений движения оказываются элементами ЯРН, а через него — и ПИО, ведь ПИО определяется всем ЯРН и поэтому «несет его на себе» (так законы электродинамики являются свойствами заряженных частиц и электромагнитного поля).

Важным аргументом в пользу этой двухслойной структуры теоретической части (сх. 7.3) с четко выраженным слоем физической модели является характерная для физики практика использования для решения одной и той же (по физической сущности) задачи различных «математических представлений» (т. е. математических образов физической системы, ее состояний и соответствующих уравнений движения): Шрёдингера, Гейзенберга, «взаимодействия» и др. — в квантовой механике; Ньютона, Лагранжа, Гамильтона—Якоби — в классической механике. Использование различных математических представлений напоминает использование различных систем координат (декартовой, сферической и др.) в аналитической геометрии. Физическая модель фиксирует определенную неизменную физическую сущность (например, частицу в некотором силовом поле), которая не меняется при изменении математического представления.

В модели Мандельштама (и позитивистов), где математическое уравнение составляет суть физической теории, ответ на вопрос, что же остается неизменным при смене математического представления, вызывает затруднение. В их модели можно лишь доказывать эквивалентность математических описаний.

Двухслойность теоретической части указывает на возможность двух стратегий в решении физических задач: математи- ко-центрированной и модельно-центрированной. Примером Реализации математико-центрированной стратегии является производство серии преобразований уравнений, в результате которых решается некоторое сложное уравнение, или выявляется °тносительная малость некоторых членов уравнения, или преобразования в математическом слое наталкивают на новую модель (типичный пример — переход от частиц к квазичастицам в квантовой механике, где вид математического образа системы (гамильтониана) диктует вид квазичастиц). Под модельно-центрированной стратегией имеется в виду путь, когда сначала из физических соображений строится модель (ВИО), которая, с одной стороны, определяет ход соответствующего явления (т. е. модель явления — это модель объектов, порождающих это явление), а с другой, — описывается уравнением движения, которое, как уже было отмечено, непосредственно вытекает из структуры ВИО. Как правило, приходится сочетать эти две стратегии: уравнение движения для данной системы часто оказывается слишком сложным для решения, тогда начинают упрощать модель так, чтобы, не потеряв физической сути, прийти к решаемым уравнениям. Как описать в рамках манделыптамовской модели физической теории модельно-центрированный тип работы, совершенно непонятно.

Приведенное описание относится к построению теорий конкретных физических явлений и объектов в рамках ВИО-типа работы, т. е. в рамках уже существующих разделов физики, что следует отличать от создания нового ее раздела. Очень часто оба этих случая, не различая, называют «построением теории». Однако это, как уже было показано в п. 7.2, два принципиально разных уровня и типа работы.

Так вот, если обратиться к уровню создания новых разделов физики, то здесь работа идет и в математическом, и в модельном слое, которые, конечно же, связаны — от уравнения движения зависит, чем будет определяться состояние физической системы (то, что в классической механике состояние частицы задается ее положением и скоростью в некий момент времени, связано с тем, что здесь уравнение движения — уравнение Ньютона — дифференциальное уравнение второго порядка). Более того, в математическом слое фиксируются такие важные характеристики, как скалярность, векторность или тензорность поля и т. п., т. е. обе работы необходимы. Порою их совершают разные люди, так модель электромагнитного поля была заложена Фарадеем, а математический слой был разработан Максвеллом[CXVI]. Впечатление о первичности математики в физике XX в. связано с тем, что наиболее явная и сложная работа при создании ОТО и квантовой механики проходила в математическом слое: Эйнштейн 10 лет искал уравнение движения ОТО вместе с подходящими для него математическими структу

рами, создание новой квантовой механики начиналось с математического представления (матричная механика В. Гейзенберга, волновые функции Э. Шрёдингера)[CXVII]. Однако, как показывает анализ [Липкин, 2001; 2006], и в квантовой механике (гл. 13), и в ОТО место и роль модельного слоя и модельно-центрированного типа работы не меняются, хотя математика становится сложнее и требует больших усилий.

Весьма показательной для обсуждаемой темы является дискуссия В. Паули и В. Гейзенберга о проблеме понимания в современной физике. «Если ты овладел математической схемой теории, то это означает, что ты в состоянии для каждого данного эксперимента рассчитать, что будет воспринимать или измерять покоящийся наблюдатель и что — движущийся (речь шла об эйнштейновской теории относительности. — А.Л.). Ты знаешь также, что у всех нас есть основания ожидать от реального эксперимента точно таких же результатов, какие предсказывает расчет. Что тебе еще нужно?» — говорит Паули, воспроизводя, по сути, позицию позитивистов.

На это Гейзенберг отвечает: «Мы хотим каким-то образом говорить о строении атома, а не только о наблюдаемых явлениях, к которым относятся, например... капли в камере Вильсона» [Гейзенберг, 1989, с. 112, 162]. Эти мотивы он развивает в статье «Что такое «понимание» в теоретической физике?» [Гейзенберг, 1971, с. 75—77]. Ссылаясь на пример теории Птолемея с ее высокой «предсказательной ценностью», Гейзенберг подчеркивал, что, несмотря на это, большинство физиков согласятся, что лишь после Ньютона удалось добиться «реального понимания» динамики движения планет. «Мы поняли некоторую группу явлений, если мы нашли корректные понятия (concepts) для описания этих явлений» или «построили упрощенные модели, которые обнаруживают характерные особенности наблюдаемых явлений». Эти примеры показывают, что только после построения модели явления можно говорить о действительном понимании физического явления, только после этого у физиков возникает ощущение «понятности». Но именно эти модели, состоящие из физических объектов (идеальных объектов теории), выпали из описания структуры физической теории в описании Л.И. Мандельштама и у логических позитивистов.

Именно типами моделей, с помощью которых естественные науки (физика, химия и др.) описывают природу (внешний мир), они отличаются друг от друга. Специфика физики задается тем, что она описывает процессы как переход физической системы из одного состояния в другое1, и тем, что ее ПИО создаются на основе двух базовых моделей: локальной частицы (образцом развитой естественно-научной модели здесь выступает механика Ньютона)[CXVIII] [CXIX] и нелокальной сплошной среды (образцом развитой естественно-научной модели здесь выступает гидродинамика идеальной жидкости Эйлера, а натурфилософским прародителем — Декарт)[CXX]. Существует специфика «неклассической» физики XX в. В XX в. новые ЯРН и ПИО рождались из решения парадоксов, возникающих из столкновения новых и старых разделов физики (столкновение классической механики с электродинамикой порождает специальную теорию относительности, столкновение последней с теорией тяготения Ньютона ведет к общей теории относительности, столкновение волнового и корпускулярного описаний приводит к современной

Часть I. Глава 7

--- ----:              •;¦•::              :; "Г,, ; ':,.... ^.. Г/;\? у::, " уууугу,./¦•¦,:: - у ..у:..у... у .. -_:y. ууу:.у:-.::::у: ™ у уу г уу- -у:у: уу: у/— .уу/.. лу уууу

квантовой механике)1. Другая ее специфическая черта состоит в том, что модели квантовой механики и теории относительности активно используют модели классической физики, модифицируя их, а не создавая совершенно новые (см. п. 13.3 и [Липкин, 2001, 2006]). 

<< | >>
Источник: Под ред. д-ра филос. наук А.И. Липкина. Философия науки: учеб, пособие. 2007

Еще по теме О месте физических моделей в физике:

  1. § 1. Понятие модели мира
  2. ПРОБЛЕМА ПЕРВОНАЧАЛА В ФИЛОСОФИИ И ФИЗИКЕ А.Н. Спасков
  3. § 3. Модели и типы реальности
  4. Структура ядра раздела науки в физике
  5. О месте физических моделей в физике
  6. Глава 11 МАТЕМАТИЗАЦИЯ ФИЗИКИ
  7. Проблема «необратимости времени» и «физика неравновесных процессов» И. Пригожина
  8. Обусловленность восприятия социокультурнымии физическими параметрами
  9. § 2. Философские проблемы физической картины мира
  10. 3.1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ФИЗИКИ ВСТУПЛЕНИЕ
  11. 3.2. ФИНСЛЕРИАН И НОВАЯ ФИЗИКА. ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАЛЬНОСТИ
  12. Энтропия в структуре моделей бассейновых  геосистем
  13. Глава 4 Подходы к проблемамтеоретической физики
  14. Построение моделей
  15. Проблема иерархии в физике частиц
  16. Метод построения модели общественного богатства современной рыночной экономики
  17. Модель общественного богатства - матрица синтеза категорий микро- и макроэкономики
  18. Как возникла квантовая физика
  19. § 2. Модель и условия формирования и развития интеллектуальных способностей студентов
  20. 1.3. Модель управления сопровождением замещающих семей в муниципальной системе образования