КОММУНИКАТИВНЫЙ ПОДХОД К ГЕНЕЗИСУ ТЕОРИЙ И ИНТЕРТЕОРЕТИЧЕСКИМ ОТНОШЕНИЯМ
Гейзенберг, анализируя структуру физического знания в XX в., обратил вни-мание на существование пяти замкнутых теорий — классической механики, ста-тистической физики, термодинамики, теории относительности и квантовой механики.
Проблема заключалась в том, насколько эти теории замкнуты и каковы взаимоотношения между ними. Между рядом теорий были найдены определенные интертеоретические отношения. Так, были связаны между собой классическая механика и специальная теория относительности. Принцип соответствия, выдвинутый Бором, характеризовал взаимоотношения между классической физикой и квантовой механикой.Особую методологическую проблему составляет взаимоотношение между теориями в процессе генезиса новых теорий. В истории науки нередки случаи, когда применение тех или иных теорий оказывается не явным, скрытым, не артикулируемым создателем новой теории. Приоритет, даваемый им тем или иным теориям, нередко идет вразрез принятым в научном сообществе теориям, и воспринимается этим сообществом как нечто странное, необъяснимое в рамках принятой парадигмы, как нарушение само собой разумеющихся стандартов научности. Нередки случаи, когда из той или иной теории воспринимаются и заимствуются не теоретические принципы и методологические нормы, а математические формализмы, которые требуют своей физической интерпретации.
Для того, чтобы показать сложность межтеоретических отношений, обращусь к генезису специальной теории относительности. Генезис специальной теории относительности (далее СТО) обычно рассматривается сам по себе, безотносительно к генезису квантовой теории. Считается, что эти две физические теории сформировались независимо друг от друга: основатель СТО — Эйнштейн, генезис квантовой теории связан с именами Планка и Эйнштейна.
Обратим внимание на то, что до 1910-1912 гг. в физическом сообществе релятивистские идеи Эйнштейна воспринимались вместе с идеями Лоренца.
Да и сам Эйнштейн в статье «О методе определения соотношений между поперечной и продольной массами электрона» (1906) сравнивал три теории — теории А. Г. Бухерера, теории М. Абрагама и теории Лоренца-Эйнштейна, не проводя различия между своими идеями и идеями Лоренца. Релятивистские программы еще не разошлись друг с другом.Их сопоставление друг с другом, осуществленное в статье Э. Захара в соответствии с расчленениями Лакатоса («жесткое ядро», «защитный пояс», «позитивная и негативная эвристика») показывает, что только создание общей теории относительности (далее ОТО) обеспечило СТО победу в сознании физиков, поскольку ОТО обеспечило «эмпирически прогрессивный сдвиг решаемых проблем» .
Возникновение СТО связывается со статьей Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» (1905). Она была опубликована в том же журнале и в том же самом году, что и три другие статьи, посвященные проблемам излучения . Интересно, что в письме к К. Габихту (май 1905) Эйнштейн назвал статьи об излучении революционными, а статью о СТО грубым наброском: «Эта статья посвящена излучению и энергетическим свойствам света и является очень революционной, как ты убедишься, если сначала пришлешь свою работу первым. <...> Четвертая статья существует пока в виде грубого наброска, посвященного электродинамике движущихся тел и содержащего модификацию теории пространства и времени; чисто кинематическая часть этой статьи тебя определенно заинтересует» . Ясно, что статья о СТО написана последней в этом цикле статей и составляет часть этого цикла.
Статьи Эйнштейна по фотоэффекту, флуоресценции, фотоэлектричеству и фотоионизации были движимы осознанием важности механики и электродинамики Максвелла. «Между теоретическими представлениями физиков о газах и других весомых телах и максвелловской теорией электромагнитных процессов в так называемом пустом пространстве существует глубокое формальное противоречие» \ — отмечает он в статье о фотоэффекте. Это противоречие он усматривает в противоположности между определением состояния тела в терминах положения и скорости конечного количества атомов и электронов и определением состояния электромагнитного поля с помощью непрерывных пространственных функций.
По его словам, наблюдения излучения черного тела, фотолюминесценции, образования катодных лучей и других явлений могут быть лучше объяснены исходя из предположения, согласно которому энергия света прерывно распределена в пространстве. Используя мысленные эксперименты статистической механики, классической термодинамики и электродинамики, Эйнштейн приходит к выводу, что совместное применение моделей и принципов этих теорий влечет за собой парадоксальное утверждение: чем больше интервал частот резонаторов, тем больше становится энергия излучения в простран-стве, а в пределе — она бесконечна. Этот парадокс был назван П. Эренфестом «ультрафиолетовой катастрофой».Каковы же пути выхода их этого парадокса? Казалось бы, таким путем может быть выделение какой-либо теории в качестве фундаментальной, а все модели и принципы остальных теорий являются лишь частными случаями этой фундаментальной теории. Этот путь Нугаев называет редукционистским способом решения парадокса и приведения всего аппарата теорий в соответствие с аппаратом фундаментальной теории .
Этот путь был неприемлем для Эйнштейна, который показал, во-первых, границы применимости классической термодинамики (в статье о броуновском движении), во-вторых, осознанием ограниченности статистической механики. Электродинамика Максвелла, мыслившаяся в работах Вина в качестве фундамента всей физики, оказалась недостаточной в определении электромагнитной массы электрона.
Электродинамика рассматривает электромагнитное поле как особое состояние гипотетической среды — эфира и находится в явном противоречии с теорией истечения Ньютона, в которой свет состоит из частиц и распространяется в пустом пространстве. Необходимо отказаться от гипотезы эфира и исходить из того, что абсолютной системы отсчета не существует. В этом суть принципа относительности.
Для утверждения СТО важен и другой принцип — принцип постоянства скорости света. Для этого было необходимо отказаться от принципа сложения скоростей классической механики, что и было сделано Эйнштейном в статье «К электродинамике движущихся тел»: «..
.теория относительности изменяет наши взгляды на природу света в том отношении, что свет выступает в ней не в связи с гипотетической средой, но как нечто существующее самостоятельно, подобное веществу. Далее, эта теория, как и корпускулярная теория света, отличается тем, что она признает перенос массы от излучающего тела к поглощающему»Квантовая теория света долгое время (вплоть до «эффекта Комптона», открытого в 1923 г.) не получала каких-либо экспериментальных подтверждений. В статьях по СТО Эйнштейн использовал не понятие «квант света», а термин «световой комплекс». Он стремился не раскрывать связь работ по СТО с работами по квантам света, поскольку квантовая теория света не встретила понимания у физиков. Поэтому постулаты СТО были встречены физиками как гипотезы ad hoc, в частности А. Пуанкаре, хотя сравнение программы Лоренца и релятивистской программы Эйнштейна показывает, что для последней программы характерно уменьшение числа постулатов.
Но и в дальнейшем это теоретическое преимущество гипотезы Эйнштейна не фиксировалось ни самим Эйнштейном, ни научным сообществом физиков вплоть до создания общей теории относительности (ОТО). Создание ОТО вначале мыслилось как допущение эфира, т. е. физических свойств пространства. «Общая теория относительности также не знает предпочтительного состояния движения в точке, которое можно было бы интерпретировать как скорость эфира. Однако в то время как в специальной теории относительности область пространства без материи и без электрического поля представляется совершенно пустой, т. е. ее нельзя охарактеризовать никакими физическими величинами, в общей теории относительности даже пустое в этом смысле пространство имеет физические свойства. Последние характеризуются компонентами гравитационного потенциала, которые определяют как гравитационное поле, так и метрические свойства этой области пространства. Это положение удобно понимать в том смысле, что речь идет о некотором эфире, состояние которого непрерывно изменяется от точки к точке.
Нужно только остерегаться приписывать этому "эфиру" материальные свойства (например, определенную скорость в каждой точке)» . Эйнштейн отрицает существование скорости эфира. В этом отношении гипотеза Эйнштейна не отличалась принципиальным образом от гипотезы Лоренца. Поэтому долгое время в сознании физиков они фигурировали как электронная теория Лоренца-Эйнштейна и как принцип относительности Лоренца-Эйнштейна.Потребовалось более 10 лет для того, чтобы гипотеза световых квантов утвердилась в сознании физиков, победила волновую теорию излучения и концепцию эфира. В этом отношении показательна статья Дж. Льюиса «Пересмотр фундаментальных законов материи и энергии» \ в которой он проводит мысль о том, что масса тела зависит от его скорости и становится бесконечной при достижении телом скорости света. Он даже вывел уравнение Е = тс .
Однако существуют принципиальные расхождения между позицией Льюиса и позицией Эйнштейна. Если Лоренц отдавал приоритет гипотезе эфира, то Эйнштейн всегда отдавал приоритет геометрии, подчеркивая фундаментальную значимость метрики, а в своих работах по квантовой теории дал физическую интерпретацию квантования энергии, создав все возможности для отказа как от волновой теории излучения, так и от концепции эфира, лежащей в основе вол-новой теории. Неудовлетворенность введением эфира в состав физики была осознана благодаря открытиям квантовой природы излучения и принятием принципа относительности как фундамента электромагнитной теории. ОТО получила экспериментальное подтверждение в объяснении перигелия Меркурия2. Эти принципиальные расхождения между принципом относительности Лоренца и Эйнштейна стали источником для их полной дивергенции.
В работах Лоренца и Пуанкаре были найдены преобразования пространственно-временных координат, которые обеспечивают ковариантность законов механики и электродинамики. По словам Эйнштейна, гипотеза Лоренца была «искусственным средством спасения теории» . Как заметил В. С. Степин, «главное в том, что Лоренц рассматривал свои преобразования как математическую форму, которая не требует радикального изменения классических представлений о пространстве и времени, а сохраняет их»4.
Степин разработал дифференцированные процедуры исследования генезиса научных теорий, который включает в себя абстрактные объекты теории, теоретические схемы, в том числе фундаментальные, математический формальный аппарат, участвующий в создании абстрактных объектов, научную картину мира и соответствующие стратегии научного исследования. Предложенные им концептуальные средства позволяют осмыслить не только генезис классических и неклассических теорий (что им уже осуществлено), но и приложить их к пониманию интертеоретических отношений. Весьма эвристичным является его понятие «фундаментальная теоретическая схема», которая является посредником между математическим формализмом и экспериментально фиксируемыми свойствами физических объектов. Она образует ядро теоретического знания, вокруг которого формируются многообразные теоретические конструкты. Рассмотрев функции теоретических схем в классической науке, Степин подробно анализирует генезис неклассических теорий (в том числе возникшие в квантовой электродинамике парадоксы и способы их решения). Существенно и то, что этот концептуальный аппарат стал методом анализа научных революций, как внутридисциплинарных, так и междисциплинарных.