ПАРАДОКСЫ И ПРОБЛЕМНЫЕ СИТУАЦИИ КАК ПРЕДПОСЫЛКИ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ

Перестройка оснований научной дисциплины в результате её внутреннего развития обычно начинается с накопления фактов, которые не находят объяснения в рамках ранее сложившейся картины мира. Такие факты выражают характеристики новых типов объектов, которые наука втягивает в орбиту исследования в процессе решения специальных эмпирических и теоретических задач. К обнаружению указанных объектов может привести совершенствование средств и методов исследования (например, появление новых приборов, аппаратуры, приёмов наблюдения, новых математических средств и так далее).

Накопление знаний о новых объектах, не получивших обоснование в рамках принятой картины мира и противоречащих ей, в конечном итоге приводит к радикальной перестройке ранее сложившихся оснований науки. Чтобы детально проанализировать особенности и механизмы этого процесса, обратимся к исторической ситуации периода построения специальной теории относительности (СТО).

Если бы проводился конкурс среди научных открытий XX века, какое из них вызвало наибольшие дискуссии, удивление умов и повлияло на дальнейшее развитие науки, то теория относительности А. Эйнштейна имела бы самые серьёзные шансы на успех. Эта теория открывает эпоху перехода от классического к неклассическому естествознанию и является одним из ярких образцов научной рациональности неклассического типа. Она возникла в обстановке перемен западной культуры конца XIX — начала XX века и оказала влияние не только на состояние науки, но и на другие области культуры. Ряд предварительных шагов к их созданию сделали Г. Лоренц, А. Пуанкаре и другие известные учёные.

Путь к специальной теории относительности начался с обнаружения трудностей согласования механики и электродинамики в рамках целостной физической картины мира. После успехов максвелловской теории электромагнитного поля, позволившей описать с единой точки зрения огромное многообразие электрических, магнитных и оптических явлений, в физике утвердилась электродинамическая картина мира. Она пришла на смену механической, и между ними была преемственная связь.

Механическая картина мира, господствовавшая в науке около двух с половиной столетий, предлагала довольно простой образ мироздания. Считалось, что его основой являются неделимые атомы — своеобразные первокирпичики материи, из которых строятся все остальные тела; взаимодействие атомов и тел рассматривалось как мгновенная передача сил (принцип дальнодействия) и подчиняющееся принципу лапласовской причинности; полагалось, что взаимодействие и движение тел осуществляются в абсолютном пространстве с течением абсолютного времени.

Электродинамическая картина мира внесла в эти представления ряд изменений. Атомы рассматривались либо как электрически нейтральные «атомы вещества», либо как несущие заряд «атомы электричества», вводилась ещё одна материальная субстанция — мировой эфир, заполняющий все пространство, в котором движутся атомы и построенные из них тела. Иначе, чем в механической картине мира, рассматривалось взаимодействие. Оно трактовалось как передача сил от точки к точке с конечной скоростью, то есть принцип дальнодействия сменился противоположным ему принципом близкодействия. Что же касается представлений о причинности как лапласовском детерминизме и об абсолютном пространстве и времени, то они в неизменном виде перешли из механической в электродинамическую картину мира.

Опираясь на эту новую картину природы, физики решали различные конкретные экспериментальные и теоретические задачи. Среди них важное место заняли задачи взаимодействия движущихся электрически заряженных тел с электромагнитным полем. При решении такого рода задач возникла проблема формулировки законов электродинамики и оптики в различных инерциальных системах отсчёта. Неожиданно выяснилось, что форма основных уравнений электродинамики не сохраняется при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой, если пользоваться преобразованиями Галилея.

Неизменность уравнений, выражающих физические законы, относительно определённых преобразований пространственных и временных координат при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой называется ковариантностью у равнении. Требование ковариантности соответствует утверждению о независимости законов природы от выбора той или иной инерциальной системы отсчёта, что соответствует идее их объективного существования. Поэтому обнаружение того факта, что уравнения электродинамики не являются ковариантными, если пользоваться преобразованиями Галилея, поставило физиков перед серьёзной проблемой. Чтобы найти выход из неё, известный физик, создатель теории электронов Г. Лоренц предложил пользоваться новыми преобразованиями пространственных координат и времени. Их независимо от Лоренца нашёл также физик Фогт, но применяться они стали благодаря усилиям Лоренца, под именем которого они и вошли в науку.

Если пользоваться преобразованиями Лоренца, то при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой сохранялась форма уравнений, выражающих законы как механики, так и электродинамики. И те и другие оставались ковариантными.

Казалось, выход из трудностей был найден. Но тут возникли новые, ещё более серьёзные проблемы. Из преобразований Лоренца следовало, что отдельно пространственный и отдельно временной интервалы изменяются при переходе от одной инерциальной системы к другой. Они перестают быть абсолютными, как считалось ранее в физике, а становятся относительными. И если принять это в качестве характеристики реального физического пространства и времени, то тогда необходимо отказаться от представлений об абсолютном пространстве и времени в физической картине мира. Иначе говоря, в системе физического знания возникал парадокс: если принять преобразования Лоренца и придать им физический смысл, то они противоречат принципу абсолютности пространства и времени.

Парадоксы являются сигналами того, что наука включила 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 её организации), но, для того чтобы устранить парадоксы, требовалось изменить физическую картину мира, которая воспринималась исследователями как адекватное отражение действительности.

Путь к теории относительности был связан с доказательством, что преобразования Лоренца выражают реальные свойства физического пространства и времени, с коренной перестройкой физической картины мира, отказом от представлений об абсолютном пространстве и времени. Движение по этому пути требовало критического отношения к фундаментальным принципам и представлениям, принятым в научном сообществе к началу XX века. Но занять эту критическую позицию для многих физиков того времени было совсем не просто.

Представления об абсолютном пространстве и времени служили основой развития физики на протяжении трёх столетий, начиная с классической механики и кончая термодинамикой и классической электродинамикой. Эти представления воспринимались как полностью соответствующие природе, выражающие её глубинные сущностные характеристики.

Лоренц также был убеждён в соответствии самой природе принципа абсолютности пространства и времени, в онтологическом статусе этого принципа. Он опирался на него при создании теории электронов. Поэтому он истолковывал вывод об изменчивости пространственных и временных интервалов в разных системах отсчёта не как характеристику реального физического пространства и времени, а как фиктивное пространство и время. Истинным же он полагал абсолютное пространство и время физической картины мира.

Чтобы устранить противоречие между предложенными им преобразованиями и картиной мира, Лоренц ввёл дополнительные постулаты. Он предположил, что при движении физической лаборатории вследствие взаимодействия её часов и линеек с мировым эфиром, который заполняет абсолютное пространство, линейки сокращаются, а часы замедляют свой ход при увеличении скорости движения. Таким образом, изменение пространственных и временных интервалов было истолковано Лоренцем не как свойство пространства и времени, а как побочный результат взаимодействия движущихся тел с эфиром. Этим же он объяснял результаты знаменитого опыта Майкельсона, который был поставлен с целью обнаружить движение Земли относительно эфира.

Результат был отрицательным и свидетельствовал о ненаблюдаемости эфира. Но Лоренц сохранил идею эфира путём введённого им допущения о сокращении линеек и замедления хода часов как следствия их «трения» об эфир. Такие положения, вводимые для объяснения новых фактов дополнительно к ранее принятым принципам, получили название ad hoc постулатов. Их накопление свидетельствует о несовершенстве теории. Оно противоречит идеалу теоретического описания, согласно которому из небольшого количеств базисных понятий, принципов и законов должно объясняться большое и постоянно расширяющееся многообразие явлений.

Этот идеал А. Эйнштейн называл внутренним совершенством теории. Анализируя состояние физики начала XX века, он оценил то, что предлагал Лоренц для спасения традиционных представлений о пространстве и времени, как нарушение идеала внутреннего совершенства теории. Ведь если для каждого нового факта придумывать новый объясняющий принцип, то в пределе множество таких принципов будет расти и станет сопоставимым с множеством объясняемых явлений, что противоречит самой природе теоретического объяснения.

Ad hoc постулаты — нечто вроде подпорок, которые поддерживают падающие стены теоретической постройки, когда становится неустойчивым её фундамент. Эйнштейн, в отличие от Лоренца, не стал пользоваться такими подпорками, а осуществил радикальную перестройку самого фундамента теоретического здания физики.

⇐ Предыдущая25262728293031323334Следующая ⇒

Поделиться: