Просто удивительно, что почти при массовом гипнозе, даже пожалуй зомбировании, физиков-теоретиков философскими интерпретациями специальной теории относительности в варианте Эйнштейна (есть еще и теория относительности Лоренца), всегда находились люди, имевшие четкий, не мистический взгляд на проблемы физики и этот предмет. Причину путаницы в понятиях по этой части они во много видели в некорректном использовании не только обычного, но и научного языков. В этом, в части путаницы, изрядную долю внесли разного рода популяризаторы, скажем так, экстравагантных философических идей Эйнштейна, а также предшественниками и последователями этого мыслителя.
Передо мной книга Карнапа Р. "Философские основания физики. Введение в философию науки", написанная в 1966 г., в которой обсуждаются и проблемы физики, а также проблемы используемого этой наукой языка.
Физик вводит силы, которые никто не может наблюдать, — силы, подобные магнетизму и электричеству, чтобы объяснить некоторые явления. Аналогичным образом, вводятся все законы Ньютона, например тяготения, причины которых тоже никто не может наблюдать. Уравнение Шредингера тоже не выведено, а лишь угадано, и т.д. Все это создает изрядную возможность для некритических измышлений в той части, где за пределами внешних признаков явлений мы ничего не можем наблюдать. Это я пока говорю о проблемах физики в основном от себя, а не от Карнапа и философические интерпретации Эйнштейна при этом тоже имею в виду.
Однако и проблема корректного использования языка не остается в стороне. Согласно Карнапу, различие между качественным и количественным является не различием в природе, а различием в нашей концептуальной системе, мы можем сказать, в языке, если под языком подразумевать систему понятий.
Например, вы поднимаете тяжелый камень, вы сравниваете его с другим камнем, значительно более легким. Если вы исследуете оба камня, вы не придете к каким-либо числам или же не найдете каких-либо дискретных единиц, которые можно было бы сосчитать. Сами явления не содержат ничего численного, только ваши личные ощущения веса. Именно мы приписываем числа природе, говорит Карнап.
Здесь я полностью согласен с Карнапом в том плане, что, в моем понимании, мы не воспринимаем, а моделируем внешний мир, используя для этого язык с его проблемами, которые мы же создаем. Введение в наш язык количественных отношений – это лишь один из многих и, в данном случае, эффективных наших инструментариев, помогающих нам моделировать сей бренный мир.
Но количественные понятия в действительности развиваются из процесса измерения. В этом и проблема становления физики как науки. До тех пор пока не были изобретены термометры, понятию температуры не могло быть придано точного значения. Эйнштейн подчеркивает этот пункт в дискуссиях, ведущихся по теории относительности. Он касается преимущественно измерения пространства и времени. Он обращает внимание на то, что мы не можем точно знать, что мы имеем в виду под такими понятиями, как «одинаковая продолжительность», «равенство расстояний (в пространстве)», «одновременность двух событий в разных местах» и т. п., пока мы не определим средства и правила, посредством которых такие понятия измеряются.
Здравое суждение Эйнштейна, если его брать в качестве исходного положения. Но, вот, реализация этого положения уже может быть разной. Например, такой, что реальность должна отвечать надуманной схеме, а критерием "реальности" должен быть принцип экономии мышления (принцип простоты), в общем-то совершенно идеалистический принцип, если опираться преимущественно только на него. Отсюда, по Эйнштейну, одновременные события могут быть вместе с этим не одновременными – чушь такая, мол это такова есть реальность, а не проблема не корректного использования языка.
Я, конечно, мог бы более обстоятельно поговорить насчет проблем употребления понятий научного языка, но после недавнего обновления сайта посетителей по этой теме почти ноль, а тот, кто случайно появляется, явно ищет не то, о чем я веду речь. Так что пока не хочется особо сотрясать воздух, благо есть Карнап, которые уже высказал многие мысли, похожие на те, что есть в моей голове.
В повседневной жизни, отмечает Карнап, мы делаем различные наблюдения природы. Эти наблюдения мы описываем в качественных терминах, таких, как «длинный», «короткий», «горячий», «холодный», и в таких сравнительных терминах, как «длиннее», «короче», «горячее», «холоднее». Этот язык наблюдения связан с теоретическим языком посредством некоторых операциональных правил. В теоретический язык мы вводим количественные понятия, такие, как длина и масса, но мы не должны считать такие понятия определенными явным образом. Скорее операциональные правила вместе со всеми постулатами теоретической физики служат для того, чтобы дать частичные определения или, лучше, частичные интерпретации количественных понятий. Таковы по Карнапу проблемы языка. Мы знаем, что эти частичные интерпретации не являются окончательными, полными определениями, потому что физика постоянно пополняется новыми законами и операциональными правилами – физика пока еще далека от законченного развития системы процедур.
Проблема также в том, что, по Карнапу, не существует единственного способа построения языка науки. Имеются сотни различных путей. Различные процедуры измерения не должны пониматься как окончательные определения величин. Они представляют просто особые случаи того, что Карнап называет «правилами соответствия» (correspondence rules). Они служат для связи терминов языка наблюдения с терминами теоретического языка.
Язык наблюдения, если говорить о нем коротко, то это в общем-то язык, на котором обычные граждане общаются между собой. Теоретический язык – это уже более специфический язык, но он, в моем понимании, должен иметь четкие соотнесения с обычным языком. Это важно не только с точки зрения проблемы правильного языка, но и корректности построения физики как науки. Мы можем понятным образом говорить об измерениях, полученных в таких-то физических опытах, мы можем понятным образом говорить о результатах обработки измерений, можем говорить о том, что для этой обработки использовались определенные математические конструкции и т.п. Говорить же о том, что "структура реальности" – совсем не то, что мы можем представить, – это уже, как говорится, от лукавого.
Когда мы смотрим на поверхности внутри нашего пространства, такие, как поверхности, по которым ползают муравьи, имеет смысл спросить, является ли поверхность плоскостью, или частью сферы, или поверхностью другого рода. С другой стороны, если мы имеем дело с пространством нашего мира, то это пространство мы не можем наблюдать как нечто включенное в пространство более высокого измерения, поэтому бессмысленно спрашивать, является ли пространство неевклидовым или должны ли быть наши законы изменены, чтобы сохранить евклидову геометрию. Две теории, опирающиеся на евклидову и не евклидову геометрию, являются, по Карнапу, просто двумя описаниями тех же самых фактов. Это и проблема современной физики, как строящейся науки, и проблема используемого при этом языка. Мы можем назвать их эквивалентными описаниями, потому что делаем те же самые предсказания о наблюдаемых событиях в обеих теориях. Возможно, выражение «эквивалентны с точки зрения наблюдения» было бы более подходящей фразой. Теории могут значительно отличаться по их логической структуре, но, если их формулы и законы всегда приводят к одним и тем же предсказаниям наблюдаемых событий, тогда мы можем сказать, что они являются эквивалентными теориями. Но, добавлю от себя, эквивалентными в плане предсказаний, но не объяснения наблюдаемых событий, потому что строители современных теорий не ставят целью объяснять реальность такой, какова она в действительности есть.
Проблема физики состоит, по Карнапу, также в том, что иногда не так-то легко осуществить эксперимент, который бы показал, что две конкурирующие теории являются неравнозначными. Классическим примером являются теории тяготения Ньютона и Эйнштейна. Различия в предсказаниях этих двух теорий настолько малы, что, прежде чем решить, какая теория обеспечивает наилучшие предсказания, должен быть проведен искусный эксперимент и сделаны тщательные измерения. Когда Эйнштейн позже предложил свою единую теорию поля, то заявил, что он не в состоянии придумать какой-либо решающий эксперимент в пользу этой или других теорий. Он объяснил, что его теория не эквивалентна какой-либо предшествующей теории, но она так абстрактна, что он не был в состоянии вывести какие-либо следствия, которые можно было наблюдать при нынешней точности наилучших наших инструментов.
В популярных книгах, написанных о теории относительности, а также в других книгах, где обсуждается этот предмет, иногда встречаются утверждения, вводящие читателя в заблуждение. На одной странице может говориться о том, что теория Эйнштейна утверждает, что структура пространства в гравитационном поле является неевклидовой. А на другой странице или, возможно, даже на той же самой странице утверждается, что в гравитационном поле, согласно теории относительности, стержни сокращаются. (Имеется в виду не тот вид сокращения, иногда называемый сокращением Лоренца, которое связано с движущимися стержнями, но сокращение покоящихся стержней в гравитационном поле.) Следует совершенно четко уяснить, что два этих утверждения не соответствуют друг другу. Нельзя сказать, что одно из них ложно. Автор может быть прав как на одной странице, так и на другой. Но эти утверждения не должны встречаться на двух страницах той же самой главы. Они принадлежат к различным языкам, и автор должен решить эту проблему: хочет ли он говорить о теории относительности на том или другом языке. Если он хочет использовать евклидов язык, то будет совершенно правильным говорить о сокращении стержня в гравитационном поле. Но тогда он не может говорить о неевклидовой структуре пространства. С другой стороны, он может выбрать неевклидов язык, но тогда не может говорить о сокращениях тел. Чтобы говорить о гравитационном поле, законно использовать каждый из этих языков, но смешение языков в той же самой главе крайне запутывает читателя.
Ситуация относительно искривления световых лучей гравитационным полем – это также проблема физики и используемого в физике языка. Проблема похожа на ситуацию с кажущимся сокращением физических тел. Здесь опять мы должны сделать выбор между двумя теориями, чтобы объяснить эмпирические результаты. Если в выбранной теории мы придерживаемся евклидовой геометрии, то тогда мы должны ввести новые оптические законы, которые будут описывать искривление светового луча в гравитационных полях. В другой теории мы принимаем неевклидову геометрию и сохраняем классическую гипотезу, что в пустом пространстве свет не искривляется гравитационными полями.
В настоящее время, хотя неевклидова геометрия считается общепризнанной для теории относительности, не существует никакой модели Вселенной, с которой согласились бы все астрономы и физики. Здесь также проблема выбора модели и описательного языка. Как мы видели, физики могут сохранить евклидову геометрию и могут объяснить новые наблюдения путем введения новых поправочных множителей в законы механики и оптики. Вместо этого они вслед за Эйнштейном отказываются от евклидовой геометрии. На каком основании принимается такое решение? Служит ли таким основанием простота? И если так, то какая простота имеется в виду? Евклидов подход связан с более простой геометрией, но более сложным описанием физических законов. Неевклидов подход имеет значительно более сложную геометрию, но гораздо более простые описания физических законов. Какому из двух подходов, каждый из которых проще другого в некотором отношении, мы должны отдать предпочтение?
На каком основании тогда Эйнштейн и его последователи выбирают более сложную, неевклидову геометрию? Объяснение этой проблемы заключается в том, что они делают такой выбор не на основе простоты того или иного частного аспекта ситуации, а скорее простоты всей системы физики, возникающей в результате такого выбора.
Более общее возражение, скорее с точки зрения философской проблемы, состояло в том, что неевклидову геометрию нельзя принять потому, что ее невозможно вообразить. Она противоречит нашему образу мышления и нашей интуиции. Это возражение иногда выражается кантианским, иногда феноменологическим способом (терминология различается), но общим для них является утверждение о том, что наш разум работает таким образом, что мы не можем отчетливо представить себе какую-либо неевклидову пространственную структуру.
Построение физической теории не ограничивается возможностью ее представления человеком, что создает проблемы понимания физики и проблемы описательного языка. Фактически современная физика постоянно отходит от того, что может быть непосредственно наблюдаемо и вообразимо. Даже если бы теория относительности значительно больше противоречила нашей интуиции и сама наша интуиция пространства постоянно и неизменно склонялась бы к евклидовой точке зрения, мы все же могли бы использовать в физике любые геометрические структуры, которые нам желательны.
От полной системы физики больше не требуется, чтобы все части ее структуры могли быть ясно представлены наглядно.
Вот так, если коротко, Карнап представляет некоторые проблемы физики (в частности теории относительности) и использования языка. Да, еще раз повторюсь, и законы Ньютона никто не объясняет – они отображены математически и они есть данность Природы. Точно также и более сложные законы, открываемые современной физикой, можно отобразить математически, подбором более или менее удачных исходных постулатов в их математической форме. Можно совмещать их с разного рода геометриями и прочими достижениями математической практики и мысли. Можно говорить о необходимости полета фантазии и перебора всевозможных, даже невообразимых, комбинаций в процессе поиска и построения удачных математических конструкций. Но не обязательно всем этим построениям придавать при их интерпретации мистический смысл.