CC BY
95
ЭПИСТЕМОЛОГИЯ & ФИЛОСОФИЯ НАУКИ • 2014 • T. XLI • № 3
Ф
ЕНОМЕН ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ОПИСАНИИ И ПРОБЛЕМА ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАЛЬНОСТИ
Марина Сергеевна Чернакова - кандидат физико-математических наук. E-mail: chernakovams@mail.ru.
Статья посвящена философскому анализу феномена сосуществования эмпирически эквивалентных теорий в физическом познании. Выбор между ними является одной из наиболее трудных проблем, стоящих на пути достижения объективно-истинного знания об исследуемой области действительности. Рассматриваются три типа эквивалентных теорий. Два из них имеют отношение к временно эквивалентным теоретическим описаниям реальности, третий - к теориям, эквивалентность которых носит постоянный характер. Анализируются особенности решения проблемы выбора между конкурирующими описаниями для всех трех типов эмпирической эквивалентности теорий.
Ключевые слова: эмпирически эквивалентные теории, философия физики, научный реализм, научный антиреализм.
Te
IE PHENOMENON OF EQUIVALENT DESCRIPTIONS AND THE PROBLEM OF PHYSICAL REALITY
Marina Chernakova -
Candidate of physical and mathematical sciences.
The article is devoted to the philosophical analysis of the phenomenon of the coexistence of the empirically equivalent theories in physical knowledge. These theories are equally well describe the empirical data in the same subject area, but differ from each other by the mathematical apparatus and/or postulated ontology of the fundamental objects. The choice between them is one of the most difficult challenges in achieving the objectively true knowledge about the studied region of reality. The article considers three types equivalent theories. The first type are temporarily equivalent theories - the emergence of new experimental data allows to choose one of them as the true and reject a false theory. Equivalent theories of the second type in the course of development of science find that one theory is applicable only in a limited area of reality, while the other can be extended to a new, more wide area of physical reality. Equivalent theories of the third type can not be evaluated in the foreseeable future by means of experiment on the validity/falsity. The empirical equivalence of the first and second types is temporary, and the equivalence of the third type is constant. We analyze the characteristics of solving of the problem of choosing between competing descriptions for all three types of empirically equivalent theories. Solutions can be found by: 1) the search of non-empirical criteria of the truth of the theory, 2) revision ability of the scientific theories give us the real picture of the non-observed physical reality, 3) revise the structure of physical reality in non-observed field of phenomena.
Key words: empirically equivalent theories, philosophy of physics, scientific realism, scientific antirealism.
172 Case-studies - Science studies
Понятие эквивалентных описаний
Научная теория всегда опирается на экспериментальные данные. Из эксперимента ученые берут исходные данные для построения теории, в эксперименте проверяют ее следствия. Однако в физике нередко складывается ситуация, когда на основе одних и тех же экспериментальных данных может быть построено несколько различных теорий. Такие теории называются эмпирически эквивалентными. Если говорить более точно, то под эквивалентными описаниями понимают различные физические теории или их фрагменты, одинаково хорошо описывающие эмпирические данные в одной и той же предметной области. Эквивалентные описания могут отличаться друг от друга математическим аппаратом и/или постулируемой онтологией фундаментальных объектов. Приведем примеры эмпирически эквивалентных описаний.
Различные теории гравитации (общая теория относительности, нелинейная по кривизне теория, скалярно-тензорная теория и др.). Такие наблюдательные космологические данные, как ускоренное расширение Вселенной, форма кривых вращения галактик, могут быть одинаково хорошо описаны как в рамках эйнштейновской общей теории относительности при предположении существования в космосе темной материи и темной энергии, так и без введения дополнительных (темных) видов материи и энергии, но путем модификации самой теории гравитации. Последнее осуществляется посредством введения в лагранжиан гравитационного взаимодействия нелинейных по кривизне поправок или постулированием наличия у гравитационного поля не только тензорной, но и скалярной составляющей (т.е. скалярного поля). Указанные эмпирически эквивалент- © ные теории различаются как в математическом, так и в онтологическом смысле. В первой теории (в рамках общей теории относительности) наблюдаемые эффекты обусловлены наличием некоторых новых ф видов материи, во второй (в теории гравитации с нелинейным лагран- О жианом) - изменением самого характера гравитационного взаимо- ф действия между привычными для нас видами материи [Вайнберг, О 2013].
Различные интерпретации квантовой механики (копенгагенская, статистическая, многомировая и др.). Все эти интерпретации тожде- _© ственны математически, но постулируют разную онтологию. В частности, в них по-разному интерпретируются наборы квантовых состояний элементарных частиц [Садбери, 1989; Ферми, 2000]. Так, в
СО
«Я
копенгагенской интерпретации волновая функция характеризует рас- Ю пределение вероятностей различных состояний отдельной микрочастицы, которые могут быть обнаружены в эксперименте. При этом ес-
ли до процесса измерения частица находится сразу во всех этих состояниях, то после измерения - только в одном. В статистической интерпретации волновая функция характеризует распределение вероятностей того или иного состояния в ансамбле микрочастиц. Поэтому здесь все возможные состояния сосуществуют, будучи распределены по микрочастицам ансамбля. Разные (но тем не менее тождественные) частицы находятся в разных состояниях. В многомировой интерпретации волновая функция определяет относительное количество миров, в которых реализуется то или иное состояние микрочастицы. В этой интерпретации также сосуществуют все состояния, но ими уже обладают не различные микрочастицы ансамбля, а одна и та же микрочастица, имея в различных мирах разные состояния. Указанные различные интерпретации используют один и тот же математический аппарат, но постулируют различную онтологию фундаментальных объектов квантовой теории.
Эквивалентные описания стали появляться в теоретической физике сравнительно недавно. В философии науки начало обсуждения эквивалентных описаний было положено А. Пуанкаре, который утверждал возможность использования любой геометрии для описания пространственно-временных явлений (геохронометрический конвенционализм) [Пуанкаре, 1983]. Воззрения Пуанкаре сводятся к следующим утверждениям: 1) все геометрии равноправны в том смысле, что ни одна из них не может считаться более истинной, чем другая; 2) каковы бы ни были факты, мы можем сохранить любую геометрию, например геометрию Евклида, для описания физического мира. При этом Пуанкаре полагал, что евклидова геометрия, как самая простая, всегда будет наиболее удобной для физиков.
Впоследствии философские аспекты эквивалентных описаний неоднократно рассматривались советскими и зарубежными физиками и философами. Значительное развитие философское осмысление эквивалентных описаний получило в работах российских ученых ф Э.М. Чудинова [Чудинов, 1977] и С.И. Илларионова [Илларионов, 2007]. Чудинов ввел понятие дивергенции эквивалентных описаний, ф т.е. способов проявления неэквивалентности ранее эквивалентных О теорий. Им же была установлена важная эвристическая роль, которую играют эквивалентные описания в постоянно развивающейся Ф науке. Илларионов исследовал проблему локально и абсолютно эквивалентных описаний. Он показал, что многие из описаний, которые прежде рассматривались как абсолютно эквивалентные, обладают
■и лишь локальной эквивалентностью. ОТ
Ф Различные эквивалентные теории постулируют разную фунда-
Ю ментальную онтологию и поэтому несовместимы друг с другом, противоречат друг другу. Перед физикой и философией они ставят проблему выбора истинной теории из спектра эквивалентных.
(0
Причина существования эквивалентных описаний в теоретической науке
В чем же, в каких особенностях научного познания заключается причина появления и существования эквивалентных описаний в теоретической науке? Дело в том, что научное познание призвано не только описывать, но и объяснять окружающую действительность. Эмпирическая наука занимается сбором фактов, теоретическая - описанием и объяснением этих фактов из некоторых общих посылок. При этом в теоретической науке выделяют два типа законов - феноменологические и теоретические. Под феноменологическими понимают законы, которые только описывают (но не объясняют) фиксируемые в опыте явления (например, закон Бойля-Мариотта). Феноменологические законы физики выступают в качестве продуктов обработки (результатов индуктивных обобщений) опытных данных (например, закон Кулона был получен на основе обработки результатов опытов с крутильными весами). То есть феноменологический закон представляет собой просто математическую связь, существующую между наблюдаемыми характеристиками объектов. Теоретические законы объясняют стоящую за наблюдаемыми явлениями реальность. Их можно трактовать как то, на основе чего могут быть объяснены законы феноменологические. Поэтому феноменологические законы выступают промежуточным этапом на пути построения теоретических законов.
Таким образом, феноменологические законы описывают поведение тех объектов, которые ученые-физики видят в эксперименте. Теоретическое же объяснение наблюдаемых объектов всегда осуществляется посредством выведения законов их поведения из законов поведения более фундаментальных объектов. Однако когда дело касается теоретического объяснения наиболее фундаментальных из доступных наблюдению объектов, приходится вводить в ф рассмотрение еще более фундаментальные, но уже ненаблюдае- О мые объекты. Поэтому особенностью фундаментальных физиче- ф ских теорий (теорий, претендующих на описание самых фундамен- О тальных из известных физических объектов) является то, что в них ^ с неизбежностью содержатся ненаблюдаемые сущности. То есть ^ теория говорит о том, что недоступно наблюдению в эксперимен-
®
те. А это означает, что такие теории обгоняют возможности экспериментальной науки.
Например, свойства различных материалов выводятся из ф свойств составляющих их атомов и молекул. Еще совсем недавно ^ экспериментальные средства не позволяли наблюдать отдельные атомы, поэтому велись споры об их реальном существовании. Се-
Ф
(А
годня благодаря созданию электронного микроскопа атомы являются наблюдаемыми в эксперименте структурами. Свойства атомов определяются свойствами элементарных частиц, из которых они состоят. Элементарные частицы также доступны экспериментальному наблюдению. Однако у фундаментальных элементарных частиц (кварки, лептоны, бозоны) не удалось в эксперименте обнаружить какую-либо внутреннюю структуру, составные элементы, которые бы позволили объяснить свойства и поведение фундаментальных элементарных частиц. В данной ситуации существует два пути развития теории. Во-первых, можно предположить существование преонов - гипотетических элементарных частиц, составляющих кварки и лептоны. И хотя пока нет никаких экспериментальных указаний на неточечность кварков и лептонов, ряд фактов (наличие трех поколений фермионов, наличие трех цветов кварков, симметрия между кварками и лептонами) косвенно указывает на то, что они могут быть составными частицами. Такой путь введения ненаблюдаемых объектов является структурным. Во-вторых, можно искать общий способ происхождения фундаментальных частиц. Этот подход используется, например, в теории струн, в которой полагается, что различные элементарные частицы возникают в результате определенного поведения гипотетических одномерных объектов - струн. Фактически различные элементарные частицы здесь являются различными модами колебаний струн. Этот способ введения ненаблюдаемых объектов можно назвать генетическим.
Эксперимент пока не позволяет сделать выводы относительно того, какая теория справедлива - преонов или струн. Более того, экспериментальная проверка данных теорий лежит пока далеко за пределами технических возможностей человечества. В данном случае имеет место ситуация, когда теория обгоняет эксперимент.
Аналогично в рассмотренном выше примере теорий гравитации ф на основе экспериментальных данных пока невозможно сказать, чем обусловлено ускоренное расширение Вселенной - темной энергией ф как новым видом материи или иным, неэйнштейновским законом гра-О витационного притяжения между известным веществом. Как темная энергия, так и неэйнштейновские компоненты гравитационного поля Ф являются пока ненаблюдаемыми объектами теорий - они недоступны экспериментальному изучению.
Таким образом, необходимость не просто описывать наблюдаемые явления, но и объяснять их внутреннюю сущность неизбежно ве-Ф дет к тому, что теория опережает эксперимент, оперируя объектами, Ю ненаблюдаемыми в эксперименте. Разрыв между теорией и экспериментом делает возможным построение различных эквивалентных теорий, по-разному (с помощью совершенно различных ненаблюдае-
(0
мых объектов) объясняющих одну и ту же область физической реальности.
Историческое развитие научной мысли приводит к тому, что указанный разрыв становится все более значительным, а также к тому, что теории начинают строиться на основе все более ограниченного набора эмпирических данных или даже вовсе перестают опираться на эксперимент. При этом чем сильнее теория опережает эксперимент и чем меньше набор экспериментальных данных, на которых она основывается, тем труднее ее подтвердить или опровергнуть. А значит, труднее выбрать истинную теорию из спектра эквивалентных.
Факт существования эмпирически эквивалентных теорий привел к выдвижению тезиса о недоопределенности теории опытом. Суть тезиса состоит в том, что над одной и той же совокупностью эмпирических данных всегда можно построить несколько эквивалентных теорий, одинаково хорошо объясняющих и описывающих эти данные. Эксперимент ничего не может сказать о том, какая из теорий истинная, а какая - ложная.
Типы эквивалентных описаний
В истории физической науки можно проследить возникновение трех типов эквивалентных описаний, различающихся между собой тем, как разрешается проблема выбора истинной теории. Возникновение каждого нового типа связано с новым этапом в историческом развитии теоретической науки, характеризующимся все большим отделением последней от эмпирического знания. Отметим, что новые типы эквивалентных описаний не сменяют предыдущие в ходе исторического развития науки, а добавляются к ним. Сейчас сосуществуют все три типа эквивалентных описаний. ®
Ф
(А
На первом этапе, когда теоретическая наука не слишком С сильно опережала экспериментальную, проблема эквивалентных описаний решалась тем, что их существование рассматривалось <0 лишь как временное, преходящее явление, довольно быстро исчезающее в ходе естественного развития физической науки. На этом ф этапе всегда оказывалось возможным выбрать истинную теорию из "О спектра эквивалентных благодаря довольно скорому появлению новых экспериментальных данных, подтверждающих одни теории и опровергающих другие. Таким образом, новые эксперименты по- Й зволяли выбрать лишь одну теорию, остальные же признавались ошибочными и не использовались в дальнейшем. Такие «временно»
(О Ф
эквивалентные теории будем называть эквивалентными описаниями первого типа.
Приведем примеры из истории науки, иллюстрирующие это. Создание специальной теории относительности. Отрицательный результат опытов Майкельсона по поиску эфирного ветра мог быть одинаково хорошо описан следующими четырьмя эквивалентными способами:
0 гипотезой увлекаемого эфира: если эфир увлекается Землей, то, естественно, никакого эффекта не будет; 0 гипотезой В. Ритца о том, что скорость света складывается со скоростью источника светящегося тела, зеркала и проч.; 0 гипотезой Лоренца, согласно которой все тела при движении через
эфир сокращаются (лоренцево сокращение); 0 в рамках специальной теории относительности, вообще исключающей эфир и предполагающей изменение пространственно-временных интервалов в движущихся системах отсчета.
На основании одного лишь эксперимента Майкельсона во времена становления специальной теории относительности нельзя было отдать предпочтение какой-либо одной из этих гипотез. Однако появление других экспериментальных данных позволило это сделать. Так, экспериментально обнаруженное явление звездной аберрации оказалось в противоречии с гипотезой увлекаемого эфира. Данное обстоятельство позволило отбросить первую гипотезу как ошибочную. Гипотеза Ритца успешно объясняла и отсутствие эфирного ветра, и звездную аберрацию, но она противоречила наблюдениям за движением звезд в двойных звездных системах: из гипотезы Ритца следует, что в движении звезд по орбитам в таких системах должны наблюдаться определенные аномалии, которые не были об-¡5 наружены в астрономических наблюдениях. Соответственно гипо-^ теза Ритца также была отброшена. Гипотеза Лоренца давала пра-" вильное объяснение отсутствию эфирного ветра, звездной аберра-® ции и движению звезд в двойных системах, однако она ^ предсказывала, что должна наблюдаться определенная анизотропия масс в движущейся лаборатории. Суть этой анизотропии состоит в СО том, что объекты (например, электрон или какая-либо другая эле-^ ментарная частица), движущиеся вдоль направления движения ла-ф боратории и в противоположном направлении, должны иметь раз-"О ную массу. В экспериментах не удалось обнаружить этого различия.
Таким образом, гипотеза Лоренца также оказалась неверной. Лишь Ф специальная теория относительности смогла описать все указанные (О выше экспериментальные данные. Таким образом, новые экспери-ф) менты позволили выбрать эту теорию как истинную среди нескольких эквивалентных теорий.
Построение электродинамики Максвелла. Еще одним примером является эмпирическая эквивалентность электродинамики Максвелла (основанной на близкодействии) и электродинамики Вебера (основанной на дальнодействии), существовавшая до экспериментов Г. Герца 1888 г. по обнаружению электромагнитных волн. Две указанные теории постулировали различную онтологию физических взаимодействий. При этом из электродинамики Вебера не следовало существования электромагнитных волн, однако она так же хорошо, как и теория Максвелла, согласовывалась с основными экспериментальными результатами, например с открытым в 1820 г. Г. Эрстедом отклонением магнитной стрелки в присутствии проводника с током. Поэтому до экспериментального обнаружения электромагнитных волн эти две теории были эмпирически эквивалентны. Эксперименты Герца доказали справедливость теории Максвелла и ошибочность теории Вебера.
На втором этапе развития теоретической физики появились эквивалентные теории, которые при появлении новых эмпирических данных и переходе к более общей теории обнаруживали уже не столько свою истинность или ложность, сколько свою приложимость к различным уровням и различным сторонам изучаемых явлений. Будучи эквивалентными в одной какой-то области явлений, они обнаруживали свою неэквивалентность при их распространении на новые области. Даже если какая-то из эквивалентных теорий оказывалась более глубокой и содержательной, альтернативные ей теории уже не отбрасывались как ошибочные, ограничивалась лишь область их применимости. Это - эквивалентные описания второго типа.
Примером таких описаний могут служить две формулировки классического гравитационного закона: ньютоновский закон всемирного тяготения Г = О т1т2 / Я2, (где Г -сила гравитационного притяжения, О - гравитационная постоянная, т1 и т2 - масса одного и второго тела, Я -расстояние между точечными массами); Ф уравнение Пуассона Дф = 4лОр (где ф - гравитационный потенциал, О р - плотность вещества).
Этим формулировкам соответствуют различные онтологии. О Пуассоновская формулировка предполагает полевую концепцию |
гравитации, т.е. вводит представление о гравитации как о физиче- ф ском поле, через которое осуществляется гравитационное действие одного материального тела на другое. Иными словами, в «пуас-соновском мире» выполняется принцип близкодействия. Ньюто- ^ новский закон не предполагает полевого характера гравитации. Он ф базируется на понятии абсолютного пространства, в котором гра- Й витационное действие передается мгновенно в соответствии с принципом дальнодействия.
Преимущества понятия поля обнаруживаются при переходе в релятивистскую область - к общей теории относительности. Именно пуассоновская формулировка классического гравитационного закона явилась исходным пунктом обобщения, которое приводит к уравнениям общей теории относительности. Ньютоновская формулировка классического гравитационного закона, естественно, не могла послужить таким исходным пунктом, так как в ней не было понятия поля и идеи связи физических характеристик поля с материальными массами. Сам факт создания общей теории относительности выглядит скорее как отказ от постулатов, лежащих в основе ньютоновской теории, нежели как их углубление и дальнейшее развитие. Уравнения общей теории относительности в нерелятивистском приближении переходят непосредственно не в ньютоновский гравитационный закон, а в уравнение Пуассона. Именно уравнение Пуассона является классическим предельным случаем общей теории относительности.
Здесь раскрывается весьма любопытный аспект эквивалентных описаний второго типа. Если два эквивалентных описания второго типа рассматривать статически, то трудно решить, какое из них более фундаментально. Они могут выглядеть как совершенно равноценные в информативном плане и различаться только степенью практического удобства и простоты. Однако если рассматривать их в развитии, то сразу обнаружится преимущество одного из них. Таким образом, различия между такими эквивалентными описаниями могут быть в полной мере выявлены лишь в развивающемся знании.
В связи с этим Э.М. Чудинов [Чудинов, 1977] даже сформулировал положение о том, что наличие спектра эквивалентных описаний подготавливает основу для дальнейшего движения познания, являясь показателем зрелости теории, ее подготовленности к дальнейшим обобщениям. Таким образом, эквивалентные описания выполняют Ф эвристическую функцию в науке. Отсюда следует, что проблема эквивалентных описаний не всегда выступает как проблема выбора од-ф ного описания из многих, имеющихся в наличии. В ряде ситуаций О возникает обратная задача, заключающаяся не в сужении, а, наоборот, в расширении числа эквивалентных описаний. Иногда целесооб-Ф разно найти для той формулировки теории, которая принята в качестве стандартной, серию эквивалентных ей формулировок. Ибо продуцирование новых эквивалентных описаний является важным творческим методом научного познания, способом выявления и по-Ф знания новых сторон материального мира, формой поиска путей для ^ обобщения данной теории и перехода к новой, более общей и фундаментальной теории. При этом выявляется специфическая форма дополнительности эквивалентных описаний второго типа. Одно из них
(0
может оказаться практически удобным и эффективным в рамках данной теории, но непригодным в качестве основы при переходе к новой, более фундаментальной теории. В то же время другое описание оказывается практически менее эффективным в рамках данной теории, но обладает преимуществом перед первым в качестве основы для теоретического обобщения и создания новой теории. В итоге оба эти описания дополняют друг друга.
Возникает вопрос: почему прагматически удобное описание оказывается неэффективным при переходе к новой теории и наоборот? Это связано с тем обстоятельством, что формулировка, являющаяся базовой для перехода к новой, более общей теории проникает в более глубокие слои описываемого явления. Однако эта черта, которая может расцениваться как достоинство при теоретическом обобщении, оборачивается недостатком при решении стандартных задач, с которыми сталкивается данная теория. Избыточность фундаментальности приводит к практическому неудобству. Здесь вполне уместна аналогия с точностью измерений. Точность измерений имеет важное значение для науки и техники. Однако степень точности всегда определяется рамками поставленной задачи. Излишняя точность приводит к ненужным издержкам и даже практическим неудобствам.
Так, ньютоновская формулировка гравитационного закона обладает прагматическими преимуществами в классической теории. Однако пуассоновская формулировка, будучи менее удобной, но более глубокой и фундаментальной, служит основой для перехода к общей теории относительности. Преимущество пуассоновской формулировки состоит в том, что она вводит в качестве особого элемента реальности поле. Для классической теории гравитации поле не имело существенного значения, поскольку данная теория имела дело лишь со слабыми гравитационными полями. Основное внимание здесь обращалось на выявление сил гравитационного взаимодействия между материальными массами. Поэтому в рамках классической теории ф можно было абстрагироваться от поля как вида реальности, оперировать понятием дальнодействия и пользоваться законом обратных ф квадратов. О
Аналогичные рассуждения относятся и к эквивалентности, например, лагранжева и гамильтонова формализма, которые одинаково ф хорошо работают в классической механике, но оказываются неэквивалентными при их обобщении на область квантовых явлений. Такое обобщение оказывается возможным лишь на основе гамильтонова, ^ но не лагранжева, формализма. Таким образом, формализм Гамиль- ф тона оказался более глубоким. Тем не менее как классическая меха- Й ника, так и многие другие области теоретической физики продолжают использовать формализм Лагранжа. Часто предпочтение того или
Ф
иного формализма основано лишь на соображениях удобства при решении конкретной физической задачи. Однако в некоторых областях, например, в общей теории относительности, лагранжев формализм является пока единственно применимым (высказываются даже предположения, что формализм Гамильтона принципиально неприменим в общей теории относительности).
На третьем этапе теоретическое знание стало настолько сильно опережать эмпирическое, что экспериментальное подтверждение теорий стало все менее возможным. Поэтому особенностью эквивалентных описаний третьего типа является невозможность в обозримом будущем на основе эксперимента определить их истинность/ ложность или ограничить область их приложения. Например, для своей проверки теория струн требует энергии на 15 порядков больше той, которая достижима в современных ускорителях.
Таким образом, появление эквивалентных описаний обусловлено изменением характера взаимосвязи между теорией и экспериментом. Многие разделы теоретической физики постепенно переходят в состояние так называемой экспериментальной невесомости [Павленко, 1998], означающее невозможность непосредственной эмпирической проверки теории. Теории, разрабатываемые в состоянии экспериментальной невесомости, не имеют непосредственных и имеют крайне мало опосредованных эмпирических подтверждений. Изучаемая такими теориями область физической реальности (и соответственно населяющие ее физические объекты) недоступна для нашего наблюдения. Исторически главным подобным разделом физики являлась космология (ранняя Вселенная недоступна непосредственному наблюдению). Во второй половине XX в. в состояние экспериментальной невесомости стала переходить физика элементар-С ных частиц (для экспериментальной проверки она требует 5 недоступных нам энергий).
^ Тенденция развития теоретической науки указывает на то, что в
О будущем данная ситуация еще более усугубится и фундаменталь-Ф ные физические теории станут принципиально непроверяемыми в О эксперименте. Таким образом, в настоящее время и в обозримом будущем эксперимент не только не может ни опровергнуть, ни подтвердить теорию, но даже сама принципиальная возможность экспе-Ф риментальной проверки некоторых теорий начинает ставиться под сомнение.
+» Если у эквивалентных теорий первого и второго типов со време-
Ф нем обнаруживалась их полная или частичная неэквивалентность и И тем самым полная эквивалентность носила лишь временный характер, то в случае эквивалентных описаний третьего типа их эквивалентность носит постоянный характер.
(Л
«Я
Подходы к решению проблемы эквивалентных описаний в философии науки
Проблема, связанная с эквивалентными описаниями третьего типа, состоит в том, что уже сам факт их существования содержит в себе противоречие: поскольку эквивалентные описания описывают одну и ту же область физической реальности различными, несовместимыми друг с другом способами, то как они могут считаться истинными одновременно? Физическая наука неспособна пролить свет на этот вопрос, поэтому данная проблема является философской. Перед философией науки встают следующие вопросы. Возможно ли в принципе в случае эквивалентных описаний третьего типа выбрать истинную теорию из спектра эквивалентных? Если такой выбор принципиально невозможен, то означает ли это необходимость пересмотреть либо способность научного познания дать нам истину, либо само представление о физической реальности?
Решение проблемы эквивалентных описаний можно искать в трех направлениях:
попытаться найти новые (помимо эксперимента) критерии истинности теории, которые позволили бы выбрать одну истинную теорию среди эквивалентных или развести области применимости разных теорий;
пересмотреть способность научной теории дать нам истинное представление о ненаблюдаемой области физической реальности (это означает и пересмотр критериев принятия теории в качестве истинной);
пересмотреть наши привычные представления о физической реальности.
Ф
Поиск новых критериев истинности теории. Если эксперимен- 3 тальные данные в случае эквивалентных описаний третьего типа не (О могут служить в качестве критериев истинности, то можно попытать- Ф ся использовать другие критерии, например методологические прин- ц ципы (принцип простоты, красоты и т.д.). Так, в качестве аргумента в пользу истинности теории струн часто выдвигают математическую А? красоту теории. Однако пока не удалось найти такие методологические принципы, которые позволили бы сделать однозначный выбор, щ ибо можно построить множество эквивалентных теорий, которые будут удовлетворять всем известным методологическим принципам. В лучшем случае эти принципы могут помочь отсеять некоторые из эквивалентных теорий, но в настоящее время они не способны ре- ф шить проблему. Й
Отметим, что роль методологических принципов довольно зна-чительнауже при рассмотрении эквивалентных описаний первого ти-
(Л
«Я Ф
7» 3
(А
па, поскольку даже получив в опыте факты, противоречащие теории, в последнюю в принципе всегда можно добавить дополнительные члены, которые нивелируют это противоречие. Однако если добавлять все новые и новые члены, то теория невероятно усложнится. Такая ad hoc подгонка теории под факты противоречит принципу простоты.
Пересмотр способности научной теории давать истинное знание о ненаблюдаемой области реальности. Этот пересмотр был начат в XX в., еще до появления эквивалентных описаний третьего типа. Необходимость такого пересмотра вытекала из несколько других соображений - главным образом из факта научных революций, при которых на смену старой теории приходит новая, постулирующая новую онтологию, несовместимую с прежней. Тем самым научные революции противоречили принятой континуальной (или кумулятивной) модели развития науки. В результате анализа этого и других явлений в философии науки сформировалась новая концепция - научный антиреализм, противостоящий господствовавшему прежде научному реализму. Главный вопрос, по которому расходятся реалисты и антиреалисты, - способно ли теоретическое познание пролить свет на устройство реальности?
Концепция реализма основывается на следующих двух положениях (тезисах) [Поппер, 2002].
Эпистемический тезис (тезис о теориях): теоретическая наука способна дать истинное знание о ненаблюдаемых областях реальности. Поэтому научные теории могут и должны проверяться на истинность/ложность в смысле соответствия/несоответствия их утверждений устройству реальности. Успешные теории являются истинными/приблизительно истинными. Научное знание в ходе своего ¡5 исторического развития постепенно приближается к абсолютной 5 истине. Отметим, что под успешностью теории реалисты понимают " возрастающую со временем способность научных теорий давать Л точные и экспериментально подтверждающиеся предсказания и предоставлять удовлетворительные объяснения всех нуждающихся в объяснении явлений. СО Семантический тезис (тезис о теоретических терминах): основ-
^ ные теоретические термины успешных теорий требуют реалистиче-ф ской интерпретации, т.е. обозначают объекты и их свойства, обла-"О дающие независимым от теории и от нашей познавательной активности существованием, а не просто выполняют функцию Ф компактной записи результатов экспериментов. Другими словами, у
W основных терминов этих теорий есть референты, являющиеся физи-18
ф) ческими сущностями, даже если последние недоступны для нашего наблюдения.
Ф О
Тезисы антиреализма противоположны реалистическим. Согласно антиреалистам, эпистемический и семантический тезисы реалистов должны быть заменены на следующие положения: теоретическая наука не может дать истинное знание о ненаблюдаемых областях реальности. Научные теории - лишь инструменты, позволяющие описывать и предсказывать наблюдаемые явления; они ничего не говорят о том, как устроен мир за пределами своей наблюдаемости. Задача науки - лишь описывать данные эксперимента, но не объяснять их;
ненаблюдаемые теоретические объекты, входящие в физические теории, не соответствуют чему-либо реально существующему. Они являются лишь нашими интеллектуальными конструктами, созданными для удобства описания и объяснения эмпирических данных, и не существуют вне нашего сознания. Реально же существующие ненаблюдаемые объекты недоступны для научного познания.
Согласно антиреализму, различные теории и постулируемые ими ненаблюдаемые объекты - это просто различные инструменты, которыми мы пользуемся для объяснения наблюдаемой реальности. Поэтому среди этих теорий не может быть истинных или ложных - различные теории могут быть лишь более или менее удобными. При выборе той или иной теории следует опираться исключительно на соображения практического удобства. При этом для разных конкретных задач могут быть удобны разные теории.
Какое же решение проблема эквивалентных описаний получила в реалистической и антиреалистической концепциях?
Как несложно понять, факт существования эквивалентных описаний третьего типа не вписывается в реалистическую концепцию научного знания, так как противоречит тезисам реализма. Невозможность выбрать из спектра эквивалентных теорий истинную и проверить эти теории на истинность/ложность противоречит перво- ф му тезису. Постулирование различными эквивалентными теориями О разных ненаблюдаемых фундаментальных объектов противоречит ф второму тезису, ибо эти объекты, обладая несовместимыми, проти- О воречащими друг другу свойствами, не могут быть одновременно ^ признаны реально существующими. Таким образом, проблема экви- ^ валентных описаний третьего типа не получила своего решения в реализме. Отметим, что эквивалентные описания первого и второго типов, напротив, вполне вписываются в рамки реалистических представлений. Ф
Зато существование эквивалентных теорий хорошо согласуется Й с антиреалистическими представлениями. Так, согласно неопозитивизму, поскольку эквивалентные теоретические описания одинако-
во хорошо описывают данные опыта и приводят к одним и тем же наблюдательным следствиям, они не отражают каких-либо различных онтологий и потому являются не просто эквивалентными, а тождественными. Эквивалентные описания, согласно неопозитивизму, служат лишь для формального упорядочивания массива эмпирических данных. Таким образом, научный антиреализм по сути лишает проблему эквивалентных теорий содержательного значения, превращает ее в псевдопроблему.
Хотя антиреалистическая концепция позволяет снять противоречие с факта существования эквивалентных теорий, сама она не может считаться адекватной, ибо антиреализм противоречит некоторым признанным в философии науки положениям. Существует ряд аргументов против антиреализма, наиболее сильным из которых является так называемый No miracle argument, предложенный реалистами. Согласно этому аргументу, если принять антиреалистическую позицию, то успех науки будет выглядеть как чудо.
Во второй половине XX в. под давлением антиреалистов, а также в ходе естественного внутреннего развития реалистической концепции были разработаны так называемые минимизированные версии реализма. Последние в действительности представляют собой нечто среднее между реализмом и антиреализмом. В минимизированных версиях реализма сделана некоторая уступка антиреализму путем либо отказа от семантического и/или эпистемического тезисов реализма, либо их ослабления.
Основными минимизированными версиями реализма являются различные варианты структурного реализма (эпистемический структурный реализм, онтический структурный реализм, конструктивный структурный реализм). В отличие от реализма, который утверждал полную познаваемость ненаблюдаемой реальности, и от антиреализма, который утверждал полную непознаваемость ненаблюдаемой ре-JH альности, во всех минимизированных версиях реализма утверждает-ф ся частичная познаваемость этой сферы реальности. Однако различные минимизированные версии реализма по-разному отвечают на
О
ф вопрос о том, что именно доступно нашему познанию (и что, следова-О тельно, может быть зафиксировано в теоретических терминах научных теорий), а также о том, каковы критерии принятия той или иной Ф теории в качестве истинной.
Эпистемический структурный реализм (Дж. Уоррелл) отказывается от семантического тезиса реализма. Хотя Уоррелл признает реальное существование ненаблюдаемых физических объектов и нали-Ф чие у них свойств, он утверждает, что точное знание этих объектов и Ю свойств недоступно нашему познанию. То, что может быть познано и зафиксировано в теориях, - это знание структурных аспектов реальности, знание существующих между непознаваемыми объектами от-
ношений. Последние отражаются в основных математических уравнениях теорий, причем их структура сохраняется в ходе исторического развития науки, в том числе в ходе научных революций. Более того, основные уравнения одинаковы в разных эквивалентных теориях. При этом не важно, как интерпретируются данные уравнения, т.е. онтология, стоящая за математическими формулировками, не имеет никакого значения. Если с помощью одних и тех же ненаблюдаемых физических объектов теории могут быть получены структурно одни и те же математические уравнения, то существование эквивалентных теорий получает свое объяснение. Ибо, согласно эпистемическому реализму, различные и несовместимые онтологии ненаблюдаемой реальности, постулируемые в разных эквивалентных теориях, не имеют сколько-нибудь существенного значения, так как фундаментальная онтология мира недоступна нашему познанию. Следовательно, различные эквивалентные теории не противоречат друг другу, что снимает запрет на их совместное сосуществование в теоретической физике.
Точка зрения онтического структурного реализма (Дж. Лэди-ман, С. Френч) на то, что может быть познано и зафиксировано в теоретических терминах научной теории, очень сходна с приведенной выше точкой зрения эпистемического структурного реализма: теория, ее уравнения говорят лишь о структурах и отношениях. Отличие данной формы реализма от эпистемического реализма состоит в том, что онтический реализм признает в качестве существующих на фундаментальном ненаблюдаемом уровне физической реальности не объекты и их свойства, а сами структуры и отношения. В онтическом структурном реализме предлагается замена онтологии объектов на онтологию структур и отношений. Таким образом, реальными физическими референтами обладают не теоретические термины, а их структура и отношения между ними. Хотя разные эквивалентные теории постулируют различные ненаблюдаемые объекты, однако струк-
Ф
(А
турные отношения между ними оказываются одними и теми же. ф А значит, все эквивалентные теории можно считать одинаково истинными, не вступая при этом в противоречие с требованием единствен- ф
ности истины. О
(О
Две другие минимизированные версии реализма - конструктивный структурный реализм (Т. Цао) и экспериментальный ф реализм (Я. Хакинг, Н. Картрайт) - сходны в том, что признают существование ненаблюдаемых физических объектов и их свойств, а также наличие референтов у теоретических терминов ^ [Хакинг, 1998; Цао, 2008]. Однако теоретические термины лишь ф частично, а не полностью (как в реализме) соответствуют своим Й физическим референтам, ибо научные теории неспособны исчерпывающим и точным образом зафиксировать характеристики по-
следних. При этом две указанные концепции расходятся в представлениях о том, какие именно из характеристик ненаблюдаемых физических объектов могут быть зафиксированы в эксперименте. Согласно экспериментальному реализму, в эксперименте фиксируются некоторые из тех свойств, которыми обладают реальные объекты, а согласно конструктивному структурному реализму, эксперимент способен зафиксировать лишь структурные характеристики ненаблюдаемой реальности. Однако в обеих концепциях утверждается, что науке доступно не точное, а лишь частичное знание онтологии мира. Поэтому постулируемая теориями онтология в ходе исторического развития науки подвергается пересмотру, постепенно приближаясь к истинной. Отсюда следует, что разные эквивалентные теории, постулируя разную онтологию, отличаются степенью своей близости к истине. Следовательно, в данных концепциях факт одновременного сосуществования эквивалентных теорий не находит удовлетворительного ответа, поскольку по-прежнему встает проблема выбора более истинной среди эквивалентных теорий.
Таким образом, наиболее приемлемое решение проблема эквивалентных описаний ненаблюдаемой области реальности находит в эпистемическом и онтическом структурном реализме. Эти формы структурного реализма признают полную непознаваемость онтологии физической реальности. Конструктивный структурный реализм и экспериментальный реализм в силу признания частичной познаваемости онтологии не способны удовлетворительно решить проблему эквивалентных описаний.
Пересмотр привычных представлений о физической реальности. В макромире мы наблюдаем предметы и их свойства, трех™ мерное пространство и одномерное время; все тела в макромире 3 движутся по определенным траекториям и т.п. Но есть эксперименте тальные данные, говорящие о том, что существуют области физиче-ф ской реальности, где она качественно отлична от привычной нам |> макрореальности. Например, элементарная частица может сочетать шФ в себе одновременно кажущиеся нам противоречащими друг другу ^ свойства - частицы и волны. Таким образом, физическая онтология I в недоступной наблюдению области явлений может сильно отли-Ф чаться от той, которую мы ожидаем увидеть в научных теориях, претендующих на истинность.
Пересмотр представлений о физической реальности за пределами доступной наблюдению области, представлений об онтологии Ф бытия был предпринят уже в онтическом структурном реализме. Ю В этой концепции предложен переход от реалистической интерпре-ф) тации онтологии объектов и свойств к реалистической интерпретации онтологии структур и отношений, задаваемых теоретическими
конструктами науки. То есть структурный реализм предложил реляционную онтологию, фиксируемую в основных математических уравнениях физической теории. Как уже было показано выше, подход онтического структурного реализма не может решить проблему эквивалентных описаний. Онтология по-прежнему остается од-ной-единственной и полагается доступной теоретическому познанию, поэтому необходимость выбора истинной из эквивалентных теорий сохраняется.
Возможно, более верным является подход, согласно которому реальность, лежащая за пределами эмпирических возможностей человека, на самом деле является значительно более сложной и разнообразной, чем та, что может быть выражена на языке науки. Тогда эквивалентные теории представляют собой различные «проекции» этой реальности. Подобно тому как волна и частица могут рассматриваться в качестве различных способов описания элементарной частицы, непонятным образом сочетающей в себе противоречивые свойства, ненаблюдаемая физическая реальность может иметь свойства, кажущиеся нам противоречивыми.
Представляется, что хотя и можно пытаться решить проблему эквивалентных описаний путем поисков новых методологических принципов или отказа теориям в способности дать знание об онтологии мира (как это сделано в эпистемическом структурном реализме), наиболее интересным и плодотворным (по крайней мере для эквивалентных описаний третьего типа) явится пересмотр традиционных представлений о физической реальности и ее онтологии. Но рассмотрение этого вопроса уже выходит за рамки данной статьи.
Библиографический список
ф
(А
Ф
Бройль, 1963 - Бройль Л. де. Революция в физике. М., 1963. q
Ф
Вайнберг, 2013 -Вайнберг С. Космология. М., 2013.
Владимиров, 2002 - Владимиров Ю.С. Метафизика. М., 2002. __
Дюгем, 2001 - Дюгем П. Физическая теория. Ее цель и строение. М., до
2001. I
Илларионов, 2007 - Илларионов С.В. Теория познания и философия нау- щ
ки. М., 2007. Ф
Максвелл, 2005 - Максвелл Г. Онтологический статус теоретических
сущностей // Философия науки. 2005. № 1 (24). С. 20-48. 3
Павленко, 1998 - Павленко А.Н. Стадия эмпирической невесомости тео- W
рии и ad hoc аргументация // Философия науки. 1998. Вып. 4. ®
Поппер, 2002 - Поппер К. Объективное знание: эволюционный подход. щ
М., 2002. (®) Пуанкаре, 1983 - Пуанкаре А. О науке. М., 1983.
(О ф
о
с
ф
О СО
«Я Ф
(О ф
(О
л
®
Садбери, 1989 - Садбери А. Квантовая механика и физика элементарных частиц. М., 1989.
Ферми, 2000 - Ферми Э. Лекции по квантовой механике. Ижевск, 2000.
Фурсов, 2009 - Фурсов А.А. Эволюция научного реализма // Вестник Воронежского университета. Сер. Философия. 2009. № 1. С. 109-129.
Хакинг, 1998 - Хакинг Я. Представление и вмешательство. Начальные вопросы философии естественных наук. М., 1998.
Цао, 2008 - Цао Т.Ю. Структурный реализм и концептуальные вопросы квантовой хромодинамики // Эпистемология и философия науки. 2008. Т. VII, №3. С. 143-156.
Чудинов, 1977 - Чудинов Э.МПрирода научной истины. М., 1977.
David, 2007 - David R. Scientific Realism in the Age of String Theory // Physics and Philosophy. 2007. Vol. 11. P. 1-35.
French, 2003 - French S., Ladyman /.Remodelling Structural Realism: Quantum Physics and the Metaphysics of Structure // Synthese. 2003. Vol. 136. P. 31-56.
