В заметке рассмотрена книга историка Питера Деара ‘Мир как мы его знаем: От натурфилософии к современной науке‘. Деар говорит, что развитие современных естественных наук началось с синтеза созерцательной натурфилософии с практическими исследованиями и развитием новых технологий. Это обстоятельство хорошо показывает появление физико-теологии в конце 17-го века. В то же время по мере развития естественных наук изменение научных теорий приводило к смене картины мира. Это приводит к обсуждению о несоизмеримости разных научных теории и тем самым к вопросу о росте научного знания в ходе развития науки. Предлагается позиция экспериментальной науки, которая позволяет совместить рост научного знания со сменой исследовательских программ.
- Введение
- Исаак Ньютон и физико-теология
- Научная картина мира и смена исследовательских программ
- История исследовательских программ в физике и химии
- Исследовательская программа и уровень экспериментальной науки
Введение
Книга историка Питера Деара ‘Мир как мы его знаем: От натурфилософии к современной науке‘ содержит обзор развития естественных наук (физика, химия и биология) от Ньютона до конца 19-го века. Деар полагает, что этот период развития наиболее важен в становлении современных естественных наук, и поэтому в книге науке 20-го века посвящена только одна последняя глава. Ниже предлагается обзор книги в рамках позиции экспериментальной естественной науки. Ранее я изложил эту позицию на примере термодинамики и статистической механики, а книга Деара позволяет расширить рассмотрение этого вопроса.
Деар считает, что развитие современной науки обусловлено соединением созерцательной натурфилософии с практическими исследованиями и развитием новых технологий. Деар связывает такой переход с работами Франсиса Бэкона, и эта тема более подробно обсуждалась в предыдущих работах Деара (см. Истоки идеологии современной науки). Приведу одну цитату из введения книги Деара:
‘Прежде всего, проекты и идеи великого английского государственного деятеля начала XVII века, Фрэнсиса Бэкона, представляли собой попытку реформировать натурфилософию в самых её основаниях, утвердив в качестве критерия истинности не просто возможный полезный побочный результат, а именно операциональную эффективность (operational efficacy). Эта позиция Бэкона впоследствии была перенята Лондонским королевским обществом, а также натурфилософами по всей Европе (особенно теми, кто не был связан с университетами); она ознаменовала собой существенный сдвиг в сфере деятельности, посвященной познанию природы. … С этого времени в европейских познавательных практиках на первый план вышел взаимообосновывающий гибрид натурфилософии и инструментальных методов …, который и получил название «Наука».’
Я согласен с такой интерпретацией становления современной науки, но в ней есть определенные противоречия — обоснование натурфилософской позиции путем ссылки на экспериментальные исследования неустойчиво. Например, Деар рассматривает в первой главе физико-теологию. Под этим понимается использование учеными того времени достижений Ньютона для обоснования правильности христианского мировоззрения. В конце книги кратко обсуждается современная научная картина мира и Деар отмечает аналогичные проблемы, только со стороны другого мировоззрения.
Я использую это обсуждение и материал книги для описания своей позиции. По ходу истории научные достижения использовались разными сторонами для обоснования правильности разных натурфилософских позиций. В то же время в естественных науках можно выделить инварианты, связанные с уровнем экспериментальной науки.
Исаак Ньютон и физико-теология
В первой главе ‘Исаак Ньютон и физико-теология‘ содержится информация, подтверждающая взгляд на развитие науки в духе цитаты выше. 18-й век справедливо называют веком Ньютона, при этом влияние взглядов Ньютона вышло за рамки физики и стало частью общественной жизни. Практически все натурфилософы считали за долг подчеркнуть свою принадлежность к ньютонианству, хотя нередко позиции разных ньютонианцев отличались друг от друга.
В Англии в распространении взглядов Ньютона в обществе большую роль сыграла англиканская церковь, которая взяла механику Ньютона как доказательство справедливости христианских доктрин. Сам Ньютон активно участвовал в этой программе, а термин физико-теология вошел в общественную английскую жизнь.
Большую роль сыграло завещание Роберта Бойля, который незадолго до смерти в 1691 году оставил деньги на ежегодные лекции, посвященные неразрывной связи науки и религии. Первая лекция была сделана Ричардом Бентли в 1692 году. Бентли находился в тесной связи с Ньютоном, например, в письме к Бентли Ньютон писал о своей работе таким образом:
‘Когда я писал свой труд о системе мира, я направлял свое внимание на такие принципы, которые могут вызвать у мыслящего человека веру в божественное существо, и ничто не доставляет мне такой радости, как видеть себя полезным в этом отношении.’
Деар отмечает, что такая картина мира использовалась англиканской церковью в том числе в политических целях, чтобы подчеркнуть законность установившегося в Англии порядка. Так, Сэмюел Кларк, близкий подвижник Ньютона в области теологии, в двух бойлевских лекциях в 1704 и 1705 гг. подчеркивал, что Бог установил законы как для природы, так и для людей:
‘Всё неодушевленное и лишенные разума существа в силу своей природы неизменно подчиняются законам, установленным при их сотворении, и неуклонно стремятся к тем целям, для которых были предназначены. Сколь же чудовищно, что разумные создания лишь потому, что не связаны необходимостью, злоупотребляют этим славным даром свободы, возвышающим их достоинство над всем остальным творением Божьим, и превращают себя в единственную неразумную и бесчинную часть мироздания!’
С другой стороны, распространение взглядов Ньютона во Франции связано с Вольтером, который использовал ньютоновскую механику как доказательство детерминизма и тем самым деизма. В такой картине мира Бог сотворил мир, но далее мир развивался по детерминированным законам без участия Бога. Вольтер использовал такой взгляд для борьбы с католической церковью. Таким образом, точно также научные взгляды использовались для построения картины мира, которая далее использовалась в том числе в политических целях.
Правда, предлагаемая картина мира Вольтером существенно отличалась от физико-теологии в Англии. Это отличие подчеркивает основную проблему перехода от результатов естественных наук к натурфилософии — из одних и тех же результатов выводились и выводятся достаточно разные картины мира.
Научная картина мира и смена исследовательских программ
Деар возвращается к этой темы в заключении книги при рассмотрении науки как метода понимания окружающего нас мира. Деар подчеркивает, что желание узнать, как выглядит мир на самом деле, принадлежит натурфилософской традиции. Он снова обсуждает взаимодействие двух частей естественных наук:
‘«чистый» взгляд на науку, как на натурфилософию, представляет собой ошибочную идеологию, искажающую реальность. Однако и альтернативное, марксистское понимание науки [ссылка на ‘Социально-экономические корни механики Ньютона‘ Б. М. Гессена] как явления по своей сути утилитарного, порожденного становлением капитализма и его стремлением подчинить себе материальный мир, в том же смысле является не менее идеологическим, поскольку также систематически искажает действительность. На науку можно смотреть сквозь призму любой из этих двух идеологий; и, вне всякого сомнения, в ней всегда присутствовала доля и того, и другого; в зависимости от того, какие параллели проводились в каждом конкретном случае. … Мир в том виде, в каком мы его знаем, преломляется сквозь призму этих различных моделей; пытаясь вырваться из объятий одной из них, мы неизбежно оказываемся в плену у другой. Наши современные научные картины мира суть результат этого непрекращающегося процесса.’
Два озвученных взгляда в современной философии науки соответствуют позициям научного реализма и антиреализма, но Деар не углубляется в обсуждение философских проблем. Он просто говорит ‘о мире, как мы его знаем’, подчеркивая, что научные знания получены людьми, как представлено в его книге. Мне нравится такое выражение, поскольку это упрощает обсуждение двух сторон развития науки. Ниже я остановлюсь только на развитии физики и химии, поэтому значение термина наука в последующем рассмотрении будет относиться к этим дисциплинам.
Связь картины мира с научными успехами (слоган: если работает, значит правильно) отличает натурфилософию Нового времени от предыдущих эпох. Однако прогресс в развитии естественных наук по-прежнему оставляет разрыв между собственно научным знанием и картиной мира. Деар в целом прав, когда он представляет науку как объединение величественной картины мира, предлагаемой физиками и химиками, и практических результатов, которые используются при обосновании такой картины мира.
Основная проблема связана со своеобразием взаимоотношений между научными теориями и экспериментальными исследованиями. В программе позитивизма предполагалось ограничить научное знание практическими результатами, но так не получается, поскольку в развитии науки большую роль играют именно используемые теории. Невозможно представить появление и развитие теорий в рамках индуктивной логики как простое обобщение экспериментальных данных. Развитие теории связано с проводимыми исследованиями, в этом отношении Бэкон прав, но в то же время развитие теории следует своей внутренней логике и определенной интеллектуальной традиции.
Обратная сторона этой проблемы связана с обсуждением роста научного знания. Позитивисты хотели представить рост научного знания кумулятивным, но смена научных теорий приводит к существенным изменениям в картине мира. В философии науки Томас Кун ввел смену научных парадигм, а ниже будет использован более удачный термин исследовательская программа, введённый позднее Имре Лакатосом.
Исследовательская программа объединяет ученых, которые согласны с базовыми идеями научной теории. Ученые проводят экспериментальные исследования, при этом теория придает смысл проводимым экспериментам и направляет развитие исследовательской программы. По ходу истории исследовательские программы меняются, поскольку по разным причинам возникают новые теории. Поскольку смена научной теории изменяет картину мира, то в философии науки возникает обсуждение о несоизмеримости разных научных теорий.
История исследовательских программ в физике и химии
Деар связывает с работами Ньютона две разные линии развития науки. Одна связана с механикой, когда теория неразрывна связана с использованием математики. Вторая связана с качественным обсуждением идей атомизма в Оптике, в особенности в вопросе 31 (См. раздел ‘Ньютон: вопрос 31 в Оптике‘ в Сцепление. История изучения межмолекулярных сил).
Вторая линия развития показана в книге Деара на двух примерах из истории науки 18-го века: исследование электростатических явлений в главе ‘Инвенторизация электричества‘ и становление химии в главе ‘Чистка химии: Классификация веществ‘. Атомизм Ньютона был в центре внимания ньютонианцев, но атомизм не помог в создании исследовательских программ. В обоих случаях развитие исследований определялось проведением опытов и последующей систематизацией и классификацией наблюдаемых явлений. Таким образом, теория состояла из набора правил, которые способствовали организации и постановке экспериментов и которые были далеки от обсуждения собственно атомизма.
Движущей силой развития исследований было проведение опытов и создание устройств. Так, при изучении электростатических явлений ключевым событиям стало объединение машин для электризации с лейденской банкой. Это привело к созданию эффектных опытов с участием людей, поиску объяснений и в том числе к созданию громоотвода.
В химии теория флогистона явилась первой попыткой классификации превращений веществ, а дальнейшая исследовательская программа появилась после кислородной теории горения Лавуазье и формирования понятий химического элемента и чистого вещества. Деар даже подчеркивает важность ухода от обсуждений атомизма, поскольку на этом этапе развития требовалась создание теории, приближенной к лабораторной химической практике.
Дальнейшее развитие химии в 19-м веке обсуждается в главе ‘Использование атомов в химии‘, в которой также подчеркивается основная роль систематизации и классификации при развитии химии. Идеи атомизма играли в этом развитии ограниченную роль, поскольку было невозможно напрямую связать атомизм с практикой проведения химических экспериментов.
Ключевая линия развития физики принадлежала механике Ньютона. В этой исследовательской программе в первую очередь развивалась математика, необходимая для развития механики. Деар отмечает, что в те времена развитие шло в рамках смешанной математики (mixed mathematics). Этот термин означает создание необходимой математики для решения определенных задач, и он хорошо характеризует создание привычной нам классической механики точечных масс в 18-м веке.
В главе ‘Небесный порядок и всемирное тяготение‘ Деар интересно рассказывает об обсуждении вопроса, есть ли притяжение между звездами. Этим вопросом задался сам Ньютон, который считал, что такой эффект обязан быть в силу универсальности закона всемирного тяготения. Однако в то время отсутствовали возможности доказательства этого явления на основе проводимых наблюдений в астрономии. Это хороший пример, как теория направляла поиск эмпирических доказательств, и в итоге оказалось возможным показать справедливость исходного теоретического положения.
Лаплас решил вернуться к атомизму Ньютона в начале 19-го века, когда математической формализм классической механики был полностью разработан. В главе ‘Лаплас, революционный порядок и изобретение математической физики‘ Деар представляет программу молекулярной механики Лапласа, которая оказала влияние на развитие физики в 19-м веке. В книге Деара уделяется внимание появлению измерений и он обсуждает идеи Лапласа при изучении преломления света. В то же время Деар пропустил определенную иронию судьбы. Лаплас хотел перевести атомистические идеи Ньютона на математический язык, но по ряду причин по ходу времени молекулярная механика Лапласа превратилась в механику сплошных сред (см. описание книги Сцепление. История изучения межмолекулярных сил).
В главе ‘Электромагнетизм, действие на расстоянии и эфир‘ Деар описывает путь к теории электромагнитного поля Максвелла. Все началось с электрической батареи, созданной Александром Вольта, и обнаружению влияния прохождения тока на стрелку компаса. Последующие опыты Фарадея привели к принципам работы электромагнитных генераторов и оказали большое влияние на Максвелла. В то же время невозможно рассматривать теорию Максвелла как обобщение проведенных экспериментов. Это хороший пример для обсуждения взаимосвязи теории и экспериментальных исследований. Кстати, при создании теории электромагнитного поля Максвелл использовал механические модели из механики сплошных сред.
Также интересно отметить взгляды Людвига Больцмана на электромагнитную теорию Максвелла из доклада в 1899 году на Собрании естествоиспытателей в Мюнхене ‘О развитии методов теоретической физики в новейшее время‘ (не отражено в книге Деара). Больцман характеризовал теорию электромагнитного поля как феноменологическую теорию и как отказ от устремлений предыдущих поколений физиков познания ‘истинной природы вещей’. Такой взгляд Больцмана придает другое звучание главе Деара про термодинамику ‘Термодинамика и современная физика‘.
Две главы книги ‘Смешанная математика и вероятность‘ и ‘Случай и детерминизм: Новые модели науки‘ посвящены вхождению в науку теории вероятности. Все началось поиском рационального поведения в азартных играх, но далее при проведении измерений потребовалось теория и метод наименьших квадратов для обработки неустранимых ошибок воспроизводимости. Также статистика начала использоваться в демографии и страховании, а затем вероятностные методы пришли в молекулярно-кинетическую теорию.
Исследовательская программа и уровень экспериментальной науки
Теперь можно вернуться к вопросу о совместимости роста научного знания со сменой исследовательских программ и картин мира по ходу развития науки от Ньютона до настоящего времени. Современная научная картина разительно отличается от физико-теологии Ньютона, а также от разных представлений об устройстве мира в 19-м веке. С современной точки зрения можно увидеть определенную логику развития, представленную в предыдущем разделе. Однако история науки показывает проблематичность выбора правильного пути развития науки в определенный момент времени. Другими словами, логика развития обнаруживается только апостериори задним умом.
В любом случае следует признать трудности в однозначном переводе одной картины мира в другую, и в этом смысле я признаю правоту Куна. Проводимые эксперименты связаны с теорией, и поэтому изменение теории изменяет смысл проведенных экспериментов. Тем самым, после смены исследовательской программы предыдущие исследования предстают совершенно в новом свете.
С другой стороны, эксперименты связаны с человеческой деятельностью и это обстоятельство позволяет при рассмотрении исследовательской программы ввести уровень экспериментальной науки. Зависимость экспериментов от теории остается — без теории теряется смысл выполненных исследований. В то же время проведенные эксперименты задают область применимости теории и тем самым они позволяют охарактеризовать изученные границы применимости теории.
В рамках исследовательской программы теории придается универсальность; это принадлежит обычной практике развития науки. Универсальность теории в свою очередь ведет к натурфилософской картине мира, которая обосновывается полученными результатами проведенных экспериментов. Предлагаемый термин экстраполяционизм хорошо отражает факт построения картины мира на основе ограниченного количества экспериментов, выполненных в ограниченной области изменяемых параметров.
Экстраполяционизм принадлежит обычной научной практике и развитие экспериментальных исследований состоит в попытках расширения изученной области путем создания новых условия для проведения экспериментов. Теория направляет это развитие, поскольку только в рамках существующих теорий можно попытаться представить, что должно произойти при выходе из изученной области. Таким образом, экстраполяционизм способствует постановке новых экспериментов.
Тем не менее, можно провести границу между разумным и радикальным экстраполяционизмом. Радикальный экстраполяционизм соответствует натурфилософской картине мира, когда теории придается неограниченная универсальность. Разумный экстраполяционизм, с другой стороны, связан с развитием экспериментальных исследований. Правда, такое отличие можно провести только апостериори и его нельзя использовать для решения вопроса, что следует сделать в текущий момент времени.
В этом заключается основное отличие от программы позитивизма, в которой предполагалось, что можно из общих соображений найти предписания, каким образом должна развиваться наука. В предлагаемой терминологии отличие между радикальным и разумным экстраполяционизмом относительно, и оно меняется во времени. Идея, однако, в том, что после прошествия определенного периода времени можно рассмотреть вопрос, способствуют ли те или иные теоретические идеи развитию экспериментальных исследований. Если за это время в экспериментальных исследованиях не произошло расширения области применимости теории, то это является неявным признаком, что достигнута граница применимости теории.
Переход к новой исследовательской программе придает новый смысл проведенным ранее экспериментам, однако не видно проблем с переводом предыдущих экспериментов на новый язык. Важно обратить внимание, что речь не идет об эквивалентном переводе языка одной картины мира в другую. Обсуждение несоизмеримости теорий на уровне картины мира остается отдельным вопросом. Речь идет про то, что эксперимент является частью человеческой деятельности и можно переосмыслить проведение эксперимента с этой точки зрения.
В предыдущей статье ‘Горение свечи и уровни организации‘ сохранение экспериментальных данных при смене исследовательской программы обсуждалось на примере термодинамики и статистической механики. Книга Деара показывает, что аналогичным образом экспериментальные результаты не пропадали по ходу развития физики и химии.
В заключение отмечу, что магистральная линия развития физики оказалась связанной со смешанной математикой в классической механике. Правда, в конце 19-го века математика отделилась от физики, но, с другой стороны, все теории физики к этому времени были математизированы. Физические теории также пришли в химию: физическая химия сложилась к концу 19-го века, а квантовая механика дала удовлетворительное объяснение химической связи. Тем не менее, в химии по-прежнему играет большую роль систематизация и классификация веществ.
Информация
Peter Dear, The World as We Know It: From Natural Philosophy to Modern Science, 2025.
Горение свечи и уровни организации, 2026, PREPRINTS.RU. doi:10.24108/preprints-3114581
Дополнительная информация
Истоки идеологии современной науки: Информация из статьи: Питер Деар ‘Историей чего является история науки?‘ Истоки идеологии современной науки в раннее Новое время. Cоединение Бэконом созерцательной философии с успехами технологий.
Сцепление. История изучения межмолекулярных сил: Анализ книги Роулинсона — развитие идей атомизма. Ньютон: вопрос 31 в Оптике. Общий анализ. 18-ый век. Лаплас. Ван-дер-Ваальс. Математика, физика и мир.
Больцман, Эйнштейн и Гейзенберг о феноменологической термодинамике: Приведены цитаты из статей. Видение феноменологической теории по ходу развития теории физики. Так, Больцман считал теорию электромагнитного поля феноменологической. Вопрос понимания энтропии.