Теоретические модели в классической науке

2.1. 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 еще только самые исходные понятия - «про­водник», «изолятор», «электрический заряд» и т. д. - и тем самым создавала условия для построения первых те­оретических схем, объясняющих электрические явления.

Подчеркнем особо, что 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. Известно, что одним из важных этапов становления классической электродинамики было открытие Майклом Фарадеем (1791-1867) явления электромагнитной индукции. Многочисленные экспери­менты по изучению этого физического феномена (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 (эдс).

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. Известно, что английский физик 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 на области знаний о токе проводимости. Эти объекты были «погру­жены» в новую систему отношений, благодаря чему приобрели новые признаки.

В новом экспериментальном контексте конструкт «магнитные силовые линии» приобрел при­знак «вызывать электродвижущую силу (эдс) в проводя­щем веществе» (тогда как раньше, в знаниях магнито­статики, он определялся только по признаку воздействия на пробный магнит). Другой теоретический конструкт «проводящее веще­ство», который ранее репрезентировал только свойства проводников, связанные с действием тока проводимос­ти, оказался наделенным новым признаком — «возник­новением в проводнике эдс индукции». Как видим, 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,

При внимательном рассмотрении можно обнаружить, что аналогичные способы построения теоретических схем встречаются в физике буквально на каждом шагу. Рассмотрим, например, под этим углом зрения резерфордовскую модель атома. Нетрудно установить, что ее базовые эле­менты (абстрактные объекты) — «ядро как центр потен­циальных отталкивающих сил » и «электрон » — были за­имствованы из уже сложившихся областей теоретичес­кого знания. В частности, 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 и при погружении его в новую систему отношений был наделен новым признаком - «вращаться вокруг ядра». За счет названных выше внутритеоретических операций и бы­ла создана гипотеза о планетарном строении атома, предназначенная для объяснения экспериментов в атом­ной области.

Изложенный выше материал дает нам основание сделать вывод, что в развитых формах научного исследо­вания теоретическая схема создается путем соединения в некой новой «сетке» связей абстрактных объектов, почерпнутых из других областей знания. Можно, стало быть, 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 своего рода «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 научной 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 М.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 здс»). В обоих приведенных примерах структура, в которую должны быть «погружены» абстрактные объекты созда­ваемой теоретической схемы, выражалась в виде на­глядного образа корреляции между элементами аналого­вой модели и фиксировалась посредством содержательных описаний типа: «материальные точки вращаются вокруг притягивающего центра», «силовые линии пересекают тела» и т. д.

2.2. Обоснование гипотезы. Подчеркнем, что гипотетические модели обретают статус теоретичес­ких представлений о некоторой области взаимодействий только тогда, когда пройдут через процедуры эмпириче­ского обоснования. Это особый этап построения теорети­ческой схемы, на котором доказывается, что ее перво­начальный гипотетический вариант может предстать как идеализированное изображение структуры, выражающей существенные черты именно тех экспериментально-измерительных ситуаций, в рам­ках которых выявляются особенности изучаемых в тео­рии взаимодействий. Нам представляется, что в исследованиях по методологии науки не всегда обращают достаточного внимания на эту сторону де­ла и ограничиваются лишь простой констатацией того факта, что вводимая теоретическая модель принимается за изо­бражение структуры исследуемого объекта в том случае, если выведенные в ее рамках предсказания эмпиричес­ких зависимостей согласуются с зависимостями, полу­ченными на базе реального эксперимента.

Естественно, что приведенное выше утверждение не содержит ничего принципиально неверного, однако в силу своего чисто опи­сательного характера оно не указывает путей к объясне­нию предсказательных функций теоретической схемы и не вскрывает объективных истоков ее содержания. При конструировании ее гипотетического варианта исследователь наделял абстрактные объекты, которые использовал в качестве исходного материала для построения теоретической схемы, новыми, пока еще только предварительными признаками. Вместе с тем, теоретический закон, выражающий связь между ука­занными гипотетическими признаками абстрактных объектов, на этом этапе исследования тоже является гипотезой. На первый взгляд может показаться, что его легко можно обосно­вать, проверив в экспериментах предсказания, получен­ные на основе закона. В действительности же такое обоснование - отнюдь не простая процедура.

Рассмотрим с этой точки зрения конкретную ситуацию обоснования гипотетически введенного закона, имевшую место в реальной истории науки. Обратимся к тому пери­оду развития электростатики, когда Шарль Кулон (1736-1806) проверял в опыте справедливость гипотетически введенного уравне­ния для взаимодействия наэлектризованных тел. Хорошо известно, что в опытах с крутильными весами французский ученый получил эмпирическую зависимость, которая сов­падала с гипотетическим законом для зарядов (еще раз подчеркнем, что французский физик не выводил своего закона только из экспериментов; приступая к эксперименту с крутиль­ными весами, он уже имел некую гипотезу, которую проверял опытными фактами). Однако переход от гипотетического уравнения к его проверке в эксперименте был отнюдь не про­стым шагом.

Как известно, в опыте ученый оперировал с объемными шарообразны­ми наэлектризованными телами. Закон же Кулона, вве­денный в качестве гипотезы вместе с моделью взаимодей­ствия зарядов, был сформулирован не для протяженных тел, а для точечных зарядов (в данном случае мы будем использовать со­временный термин «заряд» вместо тяжеловесного кулоновского понятия - «порция электрического флюида заданной плотности»). И, строго говоря, было неясно, можно ли переходить от величины точечно­го заряда к величине заряда, распределенного по объему некоторого тела. Иными словами, для того чтобы прове­рить гипотетический закон, нужно было иметь обстоятельную рецептуру связи между ним и величинами, измеряемыми в опыте. А как раз этой рецептуры у Кулона вначале не было.

Чтобы полу­чить ее, нужно было доказать, что гипотетическое свойст­во заряда «быть точечным » не противоречит тем характеристикам взаимодействия заряженных тел, которые были выявлены в реальных экспериментах электростатики. До­казательство такого рода состояло во введении точечного заряда как особой идеализации, опирающейся на реальные экс­перименты электростатики. Из экспериментов было известно, что заряд распределяется по поверхности тела. Да­лее было доказано, что в разных по объему телах можно сконцентрировать заряд одинаковой плотности, а в одном и том же теле - заряды разной плотности. Опираясь на эти свойства, можно было осуществить следующий мыс­ленный эксперимент: уменьшая объем тела, со­хранять в нем заряд одной и той же плотности и в идеа­ле перейти к бесконечно малому объему заряда.

Итак, гипотетическая модель взаимодейст­вия точечных зарядов оказалась обоснованной в каче­стве идеализированной схемы реальных опытов. Из это­го обоснования как раз и следовал рецепт связи между величиной точечного заряда и величиной заряда, распре­деленного по объему тела. Получалось, что если выбрать достаточно малое шарообразное заряженное тело, то оно должно взаимодействовать с другим заряженным телом так, будто их заряды расположены в центре тел. Значит, в опыте можно было проверять взаимодействие тел, за­ряженных некоторым количеством электричества, изме­ряя расстояние между центрами тел, и изучать, как ме­няется электрическая сила в зависимости от расстояния.

Приведенный выше материал свидетельствует, что процедура обоснования ги­потетически введенной модели предполагает особую про­верку признаков, которыми были наделены ее абстракт­ные объекты. Эти объекты как бы заново «выстраива­ются» путем идеализации реальных экспериментов, для объяснения и предсказания которых предназначалась модель. После этого гипотетическая модель предстает в качестве идеализированной схемы реальных экспери­ментально-измерительных ситуаций той области взаи­модействий, на объяснение которой она претендует. На основании этого можно заключить, что та­кое обоснование превращает гипотетическую модель в теоретическую схему данных взаимодействий.

В соответствии с изложенным выше можно, пока, правда, в самом общем виде, сформулировать основные требо­вания, которым должно удовлетворять обоснование гипотетической модели. Предположив, что она применима к новой, еще не освоенной теоретически предметной об­ласти, исследователь тем самым допускает, во-первых, что гипотетические признаки абстрактных объектов модели могут быть сопоставлены с некоторыми отношени­ями предметов экспериментальных ситуаций именно той области, на объяснение которой претендует модель; во-вторых, что такие признаки совместимы с другими опре­деляющими характеристиками абстрактных объектов, которые, в свою очередь, были обоснованы предшествующим развитием познания и практики. Отметим, что правомерность таких допущений следует доказывать специально. Это доказательство про­изводится путем введения абстрактных объектов как идеализаций, опирающихся на новый опыт. Как видим, гипотетиче­ски введенные признаки абстрактных объектов получа­ют в рамках мысленных экспериментов, соответствующих особенностям реальных экспериментально-изме­рительных ситуаций, которые, собственно говоря, и призвана объяснить вво­димая теоретическая модель. Далее проверяют, со­гласуются ли новые свойства абстрактных объектов с те­ми, которые уже оправданы предшествующим опытом.

Нетрудно обратить внимание, что в этом процессе обоснования теоретической модели автоматически создаются операциональные определения тех основных физических величин, которые фигурируют в формули­ровке закона. Операциональные опреде­ления предстают как характеристики идеализированного экс­перимента и измерения, в рамках которых вводится со­ответствующая величина, и описание способов построе­ния соответствующего идеализированного эксперимента на базе тех реальных экспериментов и измерений, кото­рые обобщает теория. Можно установить, что посредством этого достигается связь физических величин, введенных в уравнениях теории, с опытом; в теории появляется рецептура этой связи, со­здаются правила соответствия. Весь этот комплекс операций, обеспечивающий обос­нование признаков абстрактных объектов теоретической модели опытом, можно назвать конструктивным введением абстрактных объектов, а теоретическую схему, удовлетворяющую данным процедурам, - конструктивно обоснованной.

2.3. Построение развитой научной теории. Итак, введение теоретических схем в качестве гипотез с их последующим конструктивным обоснованием - главная когнитивная процедура в генезисе теоретических зна­ний. Эта процедура определяет не только процесс станов­ления частных теоретических схем, но и переход от них к развитой теории. В качестве некоего предваряющего замечания отметим, что в классической физике создание раз­витой теории начиналось обычно после того, как отдель­ные аспекты изучаемых взаимодействий отображались в некотором наборе частных теоретических схем и законов.

Первая фундаментальная теория физики - ньютоновская механика — создавалась как обобщение тео­ретических моделей и законов таких видов механического движения, как колебание маятника, свободное паде­ние тел, движение тел по наклонной плоскости, движе­ние планет (законы Кеплера) и т. д. Аналогичная ситуа­ция наблюдается в истории термодинамики и классичес­кой электродинамики, где отдельные аспекты изучаемых процессов были выражены в развитой сети частных теоре­тических схем и законов задолго до того, как были пост­роены первые обобщающие теории этих разделов физики.

Итак, развитая теория строится на основе синтеза частных теоретических схем. Последние включаются в состав теории в трансформированном виде и предстают как выводимые (конструируемые) из ее фундаментальной теоретической схемы. Соответственно, все частные теоретические зако­ны выступают как следствие фундаментальных законов теории. Логично поставить вопрос: каким путем создает­ся ядро развитой теории - ее фундаментальная теорети­ческая схема и связанные с ней уравнения, выражаю­щие основные законы теории?

Попытаемся проанализировать два возможных варианта формирования развитой теории. Можно допустить, что фундаментальная теоретическая схема и связанный с ней математический аппарат вводятся в качестве гипо­тез в уже развитой форме, а затем обосновываются теми частными теоретическими схемами и законами, которые теория должна включить в свой состав. Но возможно и иное предположение, согласно которому формирование фундамента развитой теории происходит постепенно, путем последовательного синтеза сначала некоторых близлежащих законов, обобщаемых в теории, а затем и законов, относящихся к более отдаленным областям ис­следуемых в теории взаимодействий.

Можно обратить внимание, что история классической физики свидетельствует, ско­рее, в пользу второго предположения. Она показывает, что уже после построения ряда частных теоретических схем начинается процесс их экстраполяции на смежные области знания, с тем чтобы унифицировать законы, описывающие определенную область взаимодействий, и объяснить все явления этой области с единой точки зре­ния. На этот счет можно привести достаточно много исторических примеров. В частности, характерен вывод Галилеем зако­нов колебания как особого случая закона движения по наклонной плоскости. Также весьма показательна предприня­тая Ампером (1775-1836) попытка представить в качестве базисного закона электродинамики закон силового взаимодейст­вия токов и вывести отсюда в качестве следствий закон Био-Савара и закон Кулона для магнитных полюсов.

Полагая, что такого рода синтез является нормой построения теории, по крайней мере для этапа класси­ческой физики, определим центральный аспект этого синтеза. Для развитой физической теории всегда характерна относительно высокая стадия математизации, и поэтому построение математического аппарата обычно считается ключевой задачей теоретического обобщения. Однако нельзя упускать из виду и вторую, не менее важную сто­рону, а именно связь математического формализма с тео­ретическими схемами, которые обеспечивают его ин­терпретацию. Отсюда при анализе исторического мате­риала следует особое внимание обратить на связь между этими двумя аспектами познавательного движения (по­строением математического аппарата и построением его интерпретации)[3].

Хотелось бы предупредить, что одной из опасностей, которая подстерегает методолога науки при рассмотрении проблемы становления научной теории, являет­ся экстраполяция на любую разновидность теоретичес­кого синтеза выявленных современной наукой и распро­страненных в ней методов теоретического обобщения. Заметим, что такая экстраполяция может быть осуществлена совершенно неосо­знанно, под влиянием сложившейся традиции, но она будет в серьезной степени мешать обнаружению путей теоретического поис­ка, характерных для каждого этапа развития науки. В конечном итоге, это может затруднит решение главной методологической задачи: установить, что меняется в приемах построения теоретических знаний в ходе эволю­ции физики и каковы инварианты исторически меняю­щихся форм познавательной деятельности, т.е. ее устой­чивые и повторяющиеся черты, которые принадлежат к общим закономерностям теоретического исследования.

Чтобы избежать следования тем или иным предвзятым мнениям относительно ме­тодов построения развитой теории на том или ином эта­пе эволюции физики, следует обратиться к анализу ре­ального исторического материала. Этот материал, думается, следу­ет черпать не столько в учебниках или пособиях по истории физики, главная задача которых дать сжатое описание основных этапов эволюции физики (эмпирических и теоретических от­крытий) и создать общую картину ее исторического раз­вития, сколько в оригинальных текстах самих творцов научных теорий, текстах, запечатлевших реальные результаты движения их творческой мысли. Именно такие тексты служат основным эмпирическим базисом, на котором историк науки и методолог проверяют свои гипотезы.

словарь терминов

ГИПОТЕЗА - любое утверждение (или система ут­верждений) эмпирического или теоретического характера, относительно истинности которого, роли и существенности в наличной системе знания решение пока не принято.

НАУЧНАЯ ПРОБЛЕМА - принципиальный вопрос относительно конкретного предмета научного иссле­дования, его сущности, способов осмысления, практи­ческого использования и преобразования. В качестве необходимого исходного пункта научного исследования предложена и обоснована К. Поппером, трактовавшим научное познание как процесс выдвижения и отбора предпо­лагаемых решений (гипотетических ответов) постав­ленной проблемы. Философ противопоставил свою модель научного познания как множества проблем (загадок) и их возможных решений классическим моделям научной деятельности, согласно которым исходным пунктом научного познания выступает некий внеположенный научному знанию «объект науки». Научная проблема является выражением субъект-объектных отношений, ее адек­ватное осмысление невозможно только в рамках ло­гики и методологии науки, но требует также привле­чения аналитических средств социологии и психологии науки.

Опыт – категория для обозначения процесса и результатов познавательной деятельности во всех ее проявлениях: чувственной и рациональной, эмпирической и теоретической, индивидуальной и коллективной. В узком значении слова – это чувственное или эмпирическое освоение объекта, осуществляемое в процессе непосредственного контакта с ним.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ СХЕМА - некоторая совокупность утверждений теории об основных свойствах и от­ношениях ее исходных объектов. Например, теорети­ческой схемой классической кинематики Ньютона являются три ее основных закона (закон инерции, закон взаимосвязи силы, массы и ускорения, закон равенства действия и противодействия) как полнос­тью характеризующие движение ее исходного объекта - материальной точки. Понятие теорети­ческой схемы было введено В.С. Степиным в качестве противовеса позитивистскому пони­манию структуры научной теории, трактуемой толь­ко как логически упорядоченное множество ее выс­казываний без отсылок на конкретный тип теорети­ческого объекта. Благодаря наличию в научных теориях таких конструктов, как теоретические схемы, частные научные теории не могут быть получены чисто логически из более общих теорий (например, теория движения идеального ма­ятника из общих законов механики Ньютона), так как последние описывают существенно иной тип объек­тов, нежели частные теории. Между объектами част­но-научных и фундаментальных теорий имеет место отношение конструирования объектов менее общей теории из объектов более общей теории. Вследствие различия теоретических схем частных и общих тео­рий (например, теории математического маятника или небесной механики Кеплера, или оптики по сравне­нию с теоретической механикой Ньютона) становит­ся понятным, почему частно-научные теории могут возникать и развиваться как до возникновения более об­щих теорий, так и после возникновения последних и относительно независимо от них.

Теория – 1) понятийная модель реальности (в противовес чувственно-перцептивной); 2) идеализированно-логическая модель эмпирического опыта; 3) продукт идеальной деятельности человека (в отличие от деятельности практической, материальной).

вопросы и задания для самоконтроля

1. Методологи науки выделяют два вида научных теорий: описательные и объяснительные. Приведите примеры научных теорий, относящихся к этим видам, основываясь на фактах истории развития естествознания.

2. Что такое идеализированный объект теории?

3. В чем заключаются трудности эмпирической интерпретации понятий и утверждений теории?

4. Всегда ли научное знание носит гипотетический характер?

5. Раскройте место гипотезы в рамках решения конкретной научной проблемы.

6. Что собой представляет теоретическая схема и каково ее место в становлении теории?

7. Определите проблемы как форму научного знания.

8. В чем своеобразие трактовки проблемы К.Поппером?

9. Поясните тезис Платона «вопрос труднее ответа».

10. Встречаются ли в науке псевдопроблемы?

литература по теме

Обязательная

Степин В.С. Теоретическое знание: структура, историческая эволюция. М.: Прогресс-Традиция, 2000. [Глава IV, Глава V]

Степин В.С., Горохов В.Г., Розов М.А. Философия науки и техники. М.: Гардарика, 1996. [Раздел III, Глава 9]

Дополнительная

Кузнецов Б.Г. Принципы классической физики. М., 1958

Кузнецова Л.Ф. Картина мира и ее функции в научном познании. Минск, 1984

Лесков Л.В. Современная физическая картина мира // Философия современного естествознания. Под ред. проф. С.А.Лебедева. М., 2004

Льоцци М. История физики / Пер. с итал. Э.Бурштейна. М., 1970

Максвелл Д.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1954

Пайерлс Р.Е. Законы природы. М., 1957

Соловьев Ю.И. Эволюция основных теоретических проблем химии. М., 1971

[1] См. подр.: Гильберт В. О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. М., 1956. С. 81-97.

[2] Цит. по: Льоцци М. История физики. Пер. с ит. Э.Бурштейна. М.: Мир, 1970. С. 291.

[3] См. подр.: Степин В.С. Теоретическое знание. М.: Прогресс-Традиция, 2000. С. 383.