Интертеоретические отношения в физике

Основная цель данной главы состоит в обеспечении понимания студентом интертеоретических отношений в физике. В результате изучения материала данной главы студент должен:

знать

• • концепты проблемного и интерпретационного ряда физических теорий;
• • принцип актуальности зрелого знания;
• • основные исторические вехи развития физики;

уметь

• • давать адекватную характеристику принципу соответствия;
• • выстраивать теории в проблемный ряд;

владеть

• • способами упорядочения физических теорий;
• • способами критики эклектики при сочетании физических теорий.

Ключевые слова: проблемный ряд теорий, интерпретационный ряд теорий, редукция теорий, принцип соответствия, принцип актуальности научного знания.

Проблемный и интерпретационный ряды физических теорий, редукция и принцип соответствия

В предыдущем тексте шесть глав было посвящено анализу непосредственно физических теорий. Разумеется, этот анализ можно было бы продолжить на многие другие главы. Но есть резон прервать его постольку, поскольку накоплен достаточный материал для крайне актуальных метанаучных выводов. Следует раскрыть в этой связи маленькую тайну. Зная, что физическое знание чрезвычайно безбрежное, автор стремился при его рассмотрении руководствоваться некоторыми экономными средствами. В этой связи особое внимание обращалось на те разделы физики, которые по традиции называются механиками. Это: 1) классическая; 2) релятивистская; 3) квантовая и 4) квантовополевая механика. Сама механика интерпретируется в качестве некоторой, как принято выражаться, общей физической теории. Например, релятивистская механика относится не только к электромагнитным, но и к другим типам взаимодействий. Механический подход позволил обобщать значительные объемы физического знания, которые в противном случае пришлось бы анализировать последовательно один за другим.

Строго говоря, характеристика механики в качестве общей физической теории не является точной. Общность предполагает тождественность того, что принадлежит разным объектам. Но в случае механики такой общности нет. Второй закон Ньютона актуален как для классической электродинамики, так и для классической теории тяготения. Но в первом случае он соотносится с зарядами, а во втором — с массами. С учетом этого обстоятельства резонно считать, что механическая теория выражает не общие черты различных теорий, а их известный тип эквивалентности. Эквивалентность и общность — это не одно и то же.

Акцент на теориях механики позволил обходиться экономными средствами для концептуального воспроизведения различных типов взаимодействий. Но при этом автор неизменно руководствовался динамическим принципом, согласно которому динамика актуальнее кинематики, ибо конституирует ее. Именно поэтому автор старался в полной мере представить концептуальное содержание всех типов взаимодействий.

Выше названы только четыре механики. В указанный ряд автор не включил релятивистскую теорию тяготения (общую теорию относительности) и теорию струн. Теория тяготения не является механикой, ибо ее выводы относятся исключительно к одному типу взаимодействий, а именно к гравитационным явлениям. Избежать рассмотрения релятивистской теории тяготения автор не мог: гравитационным взаимодействиям следовало уделить должное внимание. К тому же такое рассмотрение было использовано для прояснения многих актуальных концептов, например, пространства и времени.

Что касается теории струн, то она рассматривалась автором как разновидность механики. Но в приведенный выше ряд автор не включил теорию струн в силу ее недоопределенности, полагая, что в дальнейших выводах целесообразнее ссылаться на физические теории, которым нельзя выдвинуть упрек в недоопределенности.

Что же осталось за бортом авторского исследования? Это в основном физика конденсированных сред, в частности физика твердого тела. Используемый прием научного исследования автор посчитал уместным постольку, поскольку физика конденсированных сред прошла в своем развитии как раз те четыре механические стадии, которые были выделены выше. И в физике конденсированных сред в концептуальном отношении возобладал, в конечном счете, квантово-полевой подход, который позволил, в частности, объяснить явления сверхтекучести и сверхпроводимости.

В центре ранее проведенного анализа неизменно находилось концептуальное устройство физических теорией. Редкая страница предыдущего текста обходилась без сопоставления различных концептов, каждый из которых рассматривался в составе той или иной структуры, т. е. теории. Внутреннее для теории — это дедуктивные, ад дуктивные, абдуктивные и индуктивные рассуждения. Пора обратить пристальное внимание на концептуальные переходы между физическими теориями, т. е. на интертеоретические отношения. В этой связи, как выяснится в дальнейшем, решающее значение приобретает проблемный (8.1) и интерпретационный (8.2) ряды, каждый из которых содержит классическую, релятивистскую, квантовую и квантово-полевую механику:

(8.1).

(8.2)

где - классическая теория, - релятивистская теория, - квантовая теория, - квантово-полевая теория.

Запись ряда (8.1) указывает на снятие последующей теорией проблем своей предшественницы. Запись ряда (8.2) фиксирует другое обстоятельство, а именно, что предыдущая теория позволяет интерпретировать содержание последующей теории.

Анализ как философской, так и физической литературы показывает, что чаще всего обсуждается возможность редукции частично устаревшей теории к новой и соответствие новой теории своей предшественнице. Именно эти вопросы рассматривает обзорная статья Р. Батермена, посвященная интертеоретическим отношениям в физике^[1]. Рассмотрим обе темы в контексте рядов (8.1) и (8.2).

Обратимся для начала к теме редукции. По определению теория редуцировна к теории если все ее концепты выводятся из теории . Рассматриваемая ситуация существенно прояснится, если ввести представление о продуктивных и непродуктивных концептах. Можно вспомнить, например, концепцию дальнодействия из классической механики. Ее из релятивистской концепции близкодействия вывести, разумеется, невозможно. Но все концепты редуцируемой теории взаимосвязаны между собой. Следовательно, если некоторые концепты не редуцируемы, то не редуцируемы и все остальные. Таким образом, строго говоря, редуцировать одну теорию к другой в принципе невозможно. Из этого заключения нельзя извлечь вывод, что частично устаревшая и, следовательно, недоразвитая теория ущербна. Об этом свидетельствуют ее достижения как в прошлом, так и в настоящем.

Именно внимание к успехам недоразвитой теории подвигло Н. Бора к формулировке принципа соответствия, согласно которому новая теория должна соответствовать достижениям частично устаревшей теории^[2]. Речь идет о соотношении новой и старой теории. Но это соотношение можно представить двояко:

(8.3).

(8.4).

где - старая теория; - новая теория.

В принципе соответствия акцент делается на соотношении (8.4). Достижения старой теории должны воспроизводиться в новой теории. Принцип соответствия был выдвинут Бором далеко не случайно. Подобно другим творцам квантовой механики ему предстояло не просто выдвинуть отдельно взятое теоретическое положение, но создать многочленную концептуальную систему. Акцент на достижениях классической физики служил одним из ориентиров в деле создания квантовой физики. Новая теория должна была не только преодолевать проблемы старой^[3] теории, но и ориентироваться на ее достижения. Такая установка предполагала обоснование правомерности обращения к старой теории. Его нельзя было добиться иначе, как задействовав отношение (8.3). При этом «палочкой-выручалочкой» стал переход вида:

(8.5).

Интерпретация (8.5) понимается как предельный переход. Общее правило гласит: новая теория соответствует старой теории, если при устремлении к определенной величине некоторого характеристического параметра новой теории ее формулы переходят в формулы старой теории.

Формулы релятивистской механики переходят в формулы классической механики при (v — скорость движения тел, с — скорость света в вакууме).

Формулы квантовой механики переходят в формулы классической механики при устремлении к нулю постоянной Планка или безразмерной величины ?/L, где? — де-бройлевская длина волны, a L — характерный размер системы.

Формулы квантовой теории поля переходят в формулы квантовой механики при приравнивании к нулю операторов рождения и уничтожения частиц.

Акцент на предельном переходе позволяет считать старую теорию предельным случаем новой теории. Нередко предельный случай переделывают в частный случай. При этом явно продуцируется некоторая несуразица. Устремление к нулю приводившихся выше характеристических параметров равносильно отрицанию специфики тех теорий, которую они выражают. Достижение крайней точки предельного перехода равносильно утверждению, что старая теория не является частным случаем новой теории, а тождественна сама себе. Если же предельный переход не доводится до крайней его точки, то можно констатировать приемлемость количественных выводов старой теории в некотором доверительном интервале. Однако и в этом случае характеристика старой теории является всего лишь формальной, а не концептуально содержательной. Таким образом, полноценная интерпретация соотношения новой и старой теории не сводится к предельному переходу. Именно поэтому принцип соответствия нуждается в дополнении.

Выводы

• 1. Проблемный и интерпретационный ряды механических теорий выражают плюрализм, органично присущий современной физике.
• 2. Частично устаревшая теория не может быть редуцирована к новой теории.
• 3. Принцип соответствия выражает связь новой теории со своей предшественницей.

• [1] Batterman R. Intertheory relations in physics // URL: plato.stanford.edu/entries/physics-interrelate/.
• [2] Бор H. Вступительная речь // Бор Н. Избранные научные труды: в 2 т. М.: Наука, 1971. Т. 2. С. 15.
• [3] Под старой теорией везде понимается частично устаревшая теория. (Прим. авт.)