Борис Дынин: Взгляды Д. Максвелла на науку и научное творчество

ВЗГЛЯДЫ Д. МАКСВЕЛЛА НА НАУКУ И НАУЧНОЕ ТВОРЧЕСТВО^[1]

Борис Дынин Теория электрического поля Фарадея и Максвелла… представляет, очевидно, наиболее глубокое превращение, которое основание физики претерпело со времени Ньютона. Это был новый шаг в конструктивном развитии теории, который увеличил расстояние между фундаментом теории и тем, что мы можем узнать нашими пятью чувствами. Альберт Эйнштейн [10, стр. 212]

На крутых поворотах развития физики обостряется анализ понятий, хотя и не принадлежащих собственно физическому знанию, но необходимых для его функционирования как теоретического знания (факт, теория, гипотеза, эксперимент, объяснение, понимание, аналогия и т.п.). Эти понятия при рефлексии над их содержанием в связи с собственно физическим знанием и методом его получения являются по существу философскими категориями и придают результатам науки познавательный статус, сколько бы иной раз физики ни игнорировали философию. Без них мы имели бы разрозненный набор экспериментальных операций, формальных структур и обыденных понятий. Собственно физическим творчеством является преобразование указанных элементов физического знания. Преобразование же его категориального аппарата, хотя достаточно часто обращает на себя внимание физиков, не является целью их профессиональной деятельности. Оно относится к компетенции философии. И все-таки мысли физиков, интересующихся познавательным статусом их деятельности и ее результатов, оказываются катализатором изменений и в философской рефлексии над наукой.

Исследователю, анализирующему развитие науки, интересно наблюдать, как меняется рефлексия над научным знанием у самих ученых, как происходит, так сказать, черная работа по преобразованию категориального аппарата науки. Хотя результаты этой работы выражаются в уже существующих философских категориях, в ней заключен стимул к развитию и самой философии, прежде всего эпистемологии.

В конце XIX в. трактовка проблем физического знания во многом была определена возникновением и развитием теории электромагнетизма. В работах Д. Максвелла новое осмысление категорий эпистемологии не выделяются специально. В его творчестве преобразование категориального аппарата физики составила органическую часть развития самой физической науки.

Прежде всего, рассмотрим, как понимались эти категории в физике домаксвелловского периода. Им предстояло быть переосмысленными со становлением теории, не сводимой к механике Ньютона.

Приведем несколько выдержек из трудов различных ученых, характеризующих их представления о процессе познания в физике (курсив мой).

А.-М. Ампер (1820-е годы):

«Начать с наблюдения фактов, изменять, по возможности, сопутствующие им условия, сопровождая эту первоначальную работу точными измерениями, чтобы вывести общие законы, основанные всецело на опыте, и в свою очередь вывести из этих законов, независимо от каких-либо предположений о природе сил, вызывающих эти явления, математическое выражение этих сил, т.е. вывести представляющих формулу — вот путь, которому следовал Ньютон» [1, стр. 10]

Ф. Араго (1860-е годы):

«Теории, вообще, суть более или менее счастливые формулы, приводящие к единству некоторое число уже известных явлений». [2, стр. 97].

М. Фарадей (1844 г.):

«Здравым и научным будет подход того, кто будет различать, поскольку в его силах, факт от теории» [3, стр. 393].

Р.Ю. Майер (1850 г.):

«Все спекулятивные построения даже самых блестящих умов, которые, не довольствуясь установлением фактов как таковых, стремились подняться над ними, приносили до сих пор только пустые плоды» [5, стр. 227].

Там же:

«Теперь (т.е. после открытия закона сохранения энергии. — Б.Д.), чтобы получить доступ в науку о движении, нам не надо подниматься на высоту математики; наоборот, природа сама предстает в своей простой красоте перед изумленным взором» [5, стр. 262].

И Гельмгольц заключает как нечто очевидное: «Законы природы не могут быть выдуманы нами путем расчета. Напротив, мы должны открывать их в фактах» [6, стр. 80].

Процесс научного познания представлялся физикам как процесс приспособления разума человека к противостоящей ему эмпирической данности. На одной стороне познаваемый мир, на другой — отражающее его знание, с его неполнотой и ошибками. Средствами этого приспособления являются эмпирический опыт и размышление. Опыт является источником и критерием размышления, доставляя ему истинные факты. Размышление посредством индукции должно найти столь же истинные, обобщающие эти факты законы и из них дедуцировать истинные следствия. Теория формулируется при помощи математики, которая есть лишь средство описания, а не получения и обоснования истины. Обоснованность и математизация знания обусловливается его сведением к механике, уже математизированной и принимаемой в качестве фундаментальной теории. Хотя человек и не способен в силу своей субъективной ограниченности познать противостоящую ему природу во всех ее бесконечных проявлениях, он может постигать ее отдельные части. Результаты познания не должны содержать в себе ничего гипотетического. Если уж приходится использовать гипотезу, то она должна элиминироваться в ходе создания теории. Явления вызываются причинами, неизменными и независимыми от самих явлений.

Установление закона сохранения энергии, разработка электродинамики и кинетической теории материи потребовало переосмысления идей И. Ньютона. Еще до Д. Максвелла физики предчувствовали необходимость этого переосмысления. Р. Майер писал: «Для успешного развития науки основное условие — это правильный метод» [5, стр. 232]. А метод есть результат творчества ученых. М. Фарадей поставил вопрос, сама постановка которого была несовместима с эмпирической концепцией познания. Выработав понятие о физических силовых линиях, он пишет: «Я высказываюсь в пользу их существования — главным образом с целью поставить вопрос об этом существовании» [4, стр. 606]. Ответ на этот вопрос уже не есть просто фиксация эмпирической данности, но результат постановки вопроса. Грубо говоря, как поставишь вопрос, такой будет реальность, выраженная в теории. Но, конечно, необходимо, чтобы «опыт их ощутил» [4, стр. 723].

Максвелл делает решительный шаг вперед. Этот шаг оказался необходимым именно в связи с созданием качественно отличных от механики Ньютона теорий — термодинамики и электродинамики. То, что выявилось в творчестве Максвелла и что вело к изменению смыслов в категориальном аппарате физики, заключалось в обнаружении неабсолютности фактов опыта, в констатации того, что их познавательный статус не устанавливается до теории, описывающей и объясняющей их, а определяется в зависимости от теории. Не только свойства предмета познания, но и само его существование доказывается лишь благодаря теории. Атом и электромагнитное поле не есть факты сами по себе, и теория не является их прямым индуктивным обобщением. Первые оказываются конструктами мыслительной деятельности, вторая их системным описанием. Оба момента соединены методом.

Джеймс Кларк Максвелл

Если, например, Майер считал, что “естественные науки эмансипировались от философских систем и, опираясь на опыт, очень успешно продвигаются своим собственным путем», то Максвелл полагает, что «в наше время нет оснований опасаться прекращения обсуждений категорий бытия» [7, стр. 11]. «В нашей повседневной работе мы приходим к вопросам того же рода, что и метафизики» [7, стр. 11]. И в отличие от своих предшественников, уверовавших в то, что с механикой Ньютона они усвоили раз и навсегда правильный путь познания, он указывает: «Мы, которые дышим воздухом нашего века и знаем только характеристики современного мышления, — мы не можем предсказать общий тон науки будущего, так же как не можем предвидеть тех открытий, которые принесет это будущее. Физические исследования постоянно обнаруживают перед нами новые особенности процессов природы, и мы вынуждены находить новые формы мышления, соответствующие этим особенностям» [7, стр. 22-23]. Эти слова, сказанные полтора столетия назад, напоминают сегодняшние представления о смене парадигм научного познания.

Эйнштейн заметил:

«Максвелл и Герц в своем сознательном мышлении также считали механику надежной основой физики, хотя в исторической перспективе следует признать, что именно они и подорвали доверие к механике как основе основ всего физического мышления». [10, стр. 266]

Хотя Максвелл еще не вышел из ньютонианской парадигмы, однако даже там, где он придерживается устаревших позиций, его мысль становится новаторской. До конца жизни он надеялся «привести электрические явления к области динамики» [8, стр. 412], считая, что именно нахождение механического образа объясняет описываемое в теории явление и что он нужен, как «образ, способный вести к общим заключениям» [8, стр. 59]. Однако его усилия были направлены на выделение из механики той части, которую он называл чистой динамикой и в которой он как раз и надеялся обнаружить непреходящий фундамент описания и объяснения естественных явлений. Он не мог еще знать, что его общая динамика не может претендовать на абсолютность, и что история физики придет в творчестве М. Планка и А. Эйнштейна к необходимости пересмотра даже более фундаментальных принципов, нежели дальнодействие. Но Максвелл справедливо заметил: «История науки не ограничивается перечислением успешных исследований. Она должна сказать нам о безуспешных исследованиях и объяснить, почему некоторые из самых способных людей не могли найти ключа к знанию и как репутация других дала лишь большую опору ошибкам, в которые они впали» [8, стр. 69].

Максвелл фактически поворачивает к новому стилю мышления. Известно использование им метода физической аналогии или иллюстрации. Надо сказать, что на этом поприще у него были предшественники, например В. Томсон, написавший специальные работы об аналогии между формулами теорий теплоты и притяжений и механическом представлении электрических, магнитных и гальванических сил. Но Максвелл первый сознательно, разносторонне (как в теории электромагнетизма, так и в молекулярной теории газов) и эффективно использовал этот метод. «Истинно научный иллюстративный метод, — пишет Максвелл, — есть метод, который позволяет понять какое-либо представление или закон одной отрасли науки с помощью представления или закона, взятых из другой отрасли, и который, отвлекаясь вначале от различия физической природы реальных явлений, направляет мысль на овладение математической формой, общей соответствующим идеям в обеих науках» [7, стр. 141]. С иллюстративным методом связан метод изоморфного перенесения «терминологии знакомой нам науки в область науки, менее нам знакомой» [7, стр. 23]. «Данный метод является в этом случае истинно научным, т.е. он есть не только законный продукт науки, но в свою очередь может способствовать ее развитию» [7, стр. 23]. Не редукция одной теории физики к другой, но изоморфное сосуществование, выявляющее единство научного знания.

Эти взгляды неизбежно ведут к признанию существенного влияния языка на развитие науки. Максвелл подчеркивает, что необходимо «отделаться от всех тех паразитарных представлений, которые так легко связываются с каждым научным термином и придают ему ряд самых разнообразных истолкований за счет того прямого содержания, которое данным словом обозначается» [7, стр. 75]. В процессе освоения нового класса явлений и использования новых методов их изучения важно вырабатывать такую терминологию, чтобы, «когда наши воззрения сделаются более ясными, усвоенный нами язык должен быть для нас помощью, а не препятствием» [8, стр. 27].

Эти идеи нашли свое преломление и в положениях, относящихся к истории науки. Он говорит о пионерах науки: «Работая в неизвестной еще области, они в своем продвижении вперед зачастую отрывались (посредством аналогии. — Б.Д.) от системы связей с уже установленной научной базой (динамикой — Б.Д.), являющейся единственной гарантией для непрерывного развития науки» [7, cтp. 106]. «Но мы должны помнить, что научное или научно плодотворное значение усилий, которые сделаны, чтобы ответить на эти старые вопросы, должно измерять не надеждой получить окончательное решение, а тем, что они побуждают людей к тщательному изучению природы. Всякая постановка научных вопросов предполагает наличие научных познаний, и вопросы, которые занимают человеческий ум при современном состоянии науки, весьма вероятно, могут оказаться такими, что несколько большее развитие науки покажет нам, что ответ вообще невозможен» [7, стр. 170]. «Обычно рост человеческих знаний происходит путем накопления их вокруг ряда отдельных центров. Однако рано или поздно должно прийти время, когда два или более раздела науки не смогут более оставаться независимыми друг от друга и должны будут слиться в одно согласное целое. Но хотя явления природы все согласуются друг с другом, мы должны иметь дело не только с ними, но и с гипотезами, изобретенными для их систематизации; но отсюда не следует, что поскольку ряд исследователей работа, систематизируя одну группу явлений, созданные ими гипотезы будут согласны с гипотезами, которыми другие исследователи объясняют другую группу явлений. Каждая из наук может быть достаточно согласованной внутри себя, но прежде чем соединить их воедино, нужно очистить каждую от следов цемента, служившего для предварительного соединения ее частей. Поэтому операция слияния двух наук в одну обычно включает критику установленных методов и разрушение многих, считавшихся истинными теорий, которые долго бы еще сохраняли свою научную репутацию» [7, стр. 176-177].

Эти соображения по поводу истории науки, противоречащие представлениям о принципиальной, хотя и не в частностях, завершенности механического объяснения мира, связаны именно с новым отношением к методу познания — к гипотезе, математике, языку, факту и т.п.

Уже в приведенной характеристике иллюстративного метода подчеркивается новая роль математики в физике. Никто более Д. Максвелла не содействовал столь успешно развитию математической формы физики. Но он сознательно противопоставил свой стиль работы тем, кто развивал теорию электромагнитного поля чисто аналитическими средствами, следуя предшествующей схеме: от фактов к математическому выражению обобщающего их знания с элиминацией гипотезы. Максвелл боролся за то, чтобы при использовании физиком математических соотношений ему было ясно, какие «в природе действительно существуют величины (физические. — Б.Д.), удовлетворяющие этим соотношениям» [7, стр. 14].

Именно потому он так ценил работы Фарадея, что видел в их результатах определение подобных величин. Оценивая метод Фарадея как математический [8, стр. 349], Максвелл начинает видеть в математике не просто средство обобщения фактов, но также и способ превращения эмпирических данных в факты теории, их существования как объекта теории. Факт перестает быть чем-то чисто эмпирическим феноменом, он предполагает возможность его конструирования посредством теории. «Цель точных наук состоит в том, чтобы свести проблемы естествознания к определению величин при помощи действий над числами» [8, стр. 12]. При этом Максвелл считает, что необходимо «найти такой метод исследований, который на каждом шагу основывался бы на ясных физических представлениях, не связывая нас в то же время какой-нибудь теорией,’ из которой заимствованы эти представления, благодаря чему мы не будем отвлечены от предмета преследованием аналитических тонкостей и не отклонимся от истины из-за излюбленной гипотезы» [8, стр. 12].

Максвелл преобразует само понятие гипотезы. Она уже не является просто психологическим средством перехода от факта к теории. Говоря о фарадеевской гипотезе электротонического состояния, он пишет:

«Такая догадка ученого, столь глубоко освоившегося с природой, может иногда иметь большее значение, чем наилучшим образом обоснованный экспериментальный закон, и хотя существование рассматриваемого состояния мы не можем принимать за точно установленную физическую картину, тем не менее, мы должны высоко ценить значение этой новой идеи, способной иллюстрировать наши математические понятия» [8, стр. 58].

Максвелл переосмысляет понятие факта. Его точка зрения выясняется, например, следующим замечанием: «Предложенная на предыдущих страницах теория, очевидно, носит предварительный характер, оставаясь на почве неподтвержденных еще гипотез, относящихся к природе молекулярных вихрей и характера того воздействия, которому они подвергаются благодаря смещению среды. Следовательно, всякое совпадение с наблюдаемыми фактами мы должны рассматривать, как имеющие значительно меньшее научное значение в теории магнитного вращения плоскости поляризации, чем в электромагнитной теории света, которая, хотя и включает гипотезы относительно электрических свойств среды, отнюдь не основывается на соображениях, касающихся структуры ее молекул» [8, стр. 601]. То есть, ни о какой абсолютности факта, требующего лишь своего обобщения, уже речи быть не может. Теория сама формирует из данных эксперимента соответствующий ей факт. «Зрелая теория, в которой физические факты будут физически объяснены, будет построена теми, кто, вопрошая самое природу, сумеет найти единственно верное решение вопросов, поставленных математической теорией» [8, стр. 17].

Позиция Максвелла позволила ему сформулировать статистический метод теоретического описания атомного уровня физических явлений. Он замечает, что этот метод «включает отказ от чисто динамических принципов», и считает, что «благодаря применению этих пока еще мало известных и непривычных для нашего сознания методов будут достигнуты значительные результаты. Если бы действительная история науки была иной и если бы научными доктринами, наиболее привычными и знакомыми для нас, были доктрины, выраженные этими указанными методами, то, вероятно, мы принимали бы существование определенного рода случайности за самоочевидную истину и считали бы философское учение о необходимости чистым софизмом» [7, стр. 41].

Вместе с тем, Максвелл пытается сохранить принципы динамики.

«Молекулы имеют свои собственные законы; мы избираем некоторые из них как наиболее нам понятные и как наиболее доступные для вычисления. По этим частичным данным мы строим теорию и приписываем всякое отклонение действительных явлений от теории возмущающим причинам. В то же время мы признаем, что называем «возмущающими причинами», просто ту область действительных условий, которую мы не знаем или которой пренебрегли, и обещаем учитывать ее в будущем. Таким образом, мы признаем, что так называемое возмущение — простая фикция нашего ума, а вовсе не природный факт (курсив мой — Б.Д.) и что в действиях природы нет никаких возмущений» [8, стр. 25].

Необходимость преобразования понятий «факт», «гипотеза», отношения к математике и т.д. к 1870-м годам возникает во многих отраслях физики. Максвелл получает, используя новые методы, замечательные результаты в динамической теории газов, неожиданные, но подтвержденные экспериментом. И поэтому его своеобразное использование принципов динамики в статистической физике, так же как создание теории электромагнитного поля, настоятельно требует обсуждения оснований физического знания, ценности его результатов, короче, отношения знания к действительности. То или иное понимание этого отношения лежит в основе любой концепции науки. То что, так сказать, варится на кухне ученого, оформляется в философские рецепты научного познания.

Мировоззрение физиков XIX в. характеризуется прежде всего тем или иным отношением к механике Ньютона, парадигмой механицизма. Но переосмысление смысла категориального аппарата физики вело Максвелла и других физиков к признанию, что теоретическое знание описывает не некую реальность саму по себе, но ее модель, сконструированная самой теорией. Теория подтверждается экспериментом, но теперь выясняется, что его данные предстают перед ней как ее факты лишь в связи с конституирующей их в этом статусе ролью самой теории. Каким образом можно выйти к реальности? Положение усугубляется тем, что, по Максвеллу, теоретическое объяснение физических фактов предполагает математизированные гипотетические иллюстрации. В первый период создания своей теории он предпочитал трактовать их именно «как иллюстрированные, а не как объясняющие» [8, стр. 300]. Но в дальнейшем под влиянием успехов теории он все больше склонялся к признанию того, что его механические аналогии имеют и объясняющую силу. Однако надежда на полное объяснение новых областей физического исследования, равнозначное для Максвелла их полному описанию в терминах динамики, так как «представляемые ими идеи настолько элементарны, что их нельзя объяснить ничем другим» [7, стр. 104], не осуществилась. А если и осуществлялась в термодинамике, то неприемлемым образом для физиков ньютонианской школы.

Даже эмпирики уже отказывались видеть в ощущениях критерий истинности знания. Говоря об основаниях своего закона, уже Р. Майер писал:

«Двусмысленные и все же подкупающие свидетельства первых чувственных впечатлений, а отнюдь не явления природы впадают в противоречия с установленными положениями. Борясь против чувственных впечатлений, мы апеллируем к истории науки» [5, стр. 130].

Но обращение к истории науки не разрешает проблему отношения исходного для эмпирика материала познания, т.е. ощущений, к явлениям природы, как они описаны теорией. Поэтому внутри естествознания к 1870-м годам начинает развиваться исследование специфических механизмов взаимодействия человека с природой, опосредствующих отношение знания к изучаемой наукой природе.

Так в результате физиологических исследований Гельмгольц пришел к выводу, что «наши ощущения по своему качеству суть только знаки внешних объектов, а отнюдь не воспроизведения их с тою или другою степенью сходства… Кроме одновременности их появления нет никакого другого сходства» [6, стр. 96-97]. Характеристика познавательного статуса ощущений не может быть дана только исходя из данных физиологии, она нуждается в философском осмыслении характера и роли эмпирического материала, как он образует базу теоретического знания и преобразуется внутри последнего. Это и составляло суть размышлений Максвелла о научной работе.

P.S. Исходная версия этой статьи была написана тогда, когда мне не была доступна замечательная биография Максвелла, написанная людьми, знавшими его при жизни [9]. Перед нами предстает глубоко религиозный человек. К сожалению, его план написать на тему: «Reason and Faith» не был реализован. Но характер его мыслей на эту тему довольно ясен:

Максвелл всю жизнь следовал совету матери: “Вглядывайся в природу, чтобы найти ее Творца». (Look up through Nature to Nature’s God.)

Он утверждал автономию науки от политики:

«Я думаю, что люди науки, как и другие люди, должны учиться у Христа, и я думаю, что христиане, кто расположен к научным занятиям, обязаны изучать науку, чтобы их взгляд на славу Бога мог стать настолько обширным, насколько их существо способно. Но я думаю, что результаты, которые каждый человек достигает в своих попытках привести свои научные взгляды в соответствие со своим христианством, не должны рассматриваться как имеющие какое-либо значение, кроме самого человека и только для него, и не должны получать штамп одобрения общества».

Интересно отметить, как религиозные взгляды Максвелла помогали ему в научной работе. Так разработка кинетической теории газов была основана на представлении о теплоте как роде движения частичек газа (атомов или молекул). Придет время и атом предстанет как сложная система элементарных частиц, но разработка кинетической теории газов не могла начаться с такого представления. Атом, само существование которого тогда было под вопросом, должен был видеться элементарным строительным блоком материи. И Максвелл говорит:

«Хотя на протяжении веков происходили и могут произойти катастрофы на небесах, хотя древние системы могли распасться и новые системы развиться из их руин, молекулы, из которых построены эти системы, остаются фундаментом материальной вселенной, целыми и невредимыми. И по сей день они таковы, какими были созданы, совершенными по числу, размеру и весу, и из неизгладимого характера, запечатленному на них, мы можем узнать, что стремление к точности измерений и к справедливости в действиях, которые воспринимаются нами как наши самые благородные качества, действительно, наши, поскольку они являются важными составляющими образа Того, кто в начале сотворил не только небо и землю, но и материалы, из которых состоят небо и земля».

Но при этом наука не должна зависеть от печати метафизики, ибо

«Наука не способна рассуждать о создании материи из ничего. Мы достигаем пределов наших мыслительных способностей, когда признаем, что, поскольку материя не может быть вечной и самосуществующей, она должна быть создана. Только когда мы размышляем не о материи самой по себе, а о формах, в которых она существует, наш разум находит то, на чем он может держаться».

Я думаю, Максвелл повторил бы эти слова, познакомившись с современной нам наукой.

Библиография

А. М. Ампер. Электродинамика. М., 1954.
Ф. Араго. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров, т. 2 СПб., 1869. (цитируется по переизданию 2000 г. доступном онлайн).
М. Фарадей. Экспериментальные исследования по электричеству и магнетизму, т. 2. М., 1951.
М. Фарадей. Сочинения, т. 3. М.
Р. Ю. Майер. Закон сохранения и превращения энергии. М.-Л., 1937.
Г. Гельмгольц. Популярные речи. Ч. I. СПб., 1898.
Д. К. Максвелл. Речи и статьи. М.-Л., 1940.
Д.К. Максвелл. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1954.
The Life of James Clerk Maxwell with a Selection from His Correspondence and Occasional Writings and a Sketch of His Contributions to Science by Lewis Campbell, M.A., LLD. and William Garnett, M.A., London, Macmillan and Co., 1882. (Доступна онлайн. Благодарю Геннадия Горелика за указание на эту биографию Максвелла. Дополнительный материал о взглядах ученого можно найти в книге Г. Горелика «Кто изобрел современную физику?» (2013 г.), гл. 5: «Первая и единая теория поля»).
Альберт Эйнштейн, Собрание научных трудов в четырех томах. т.4, М., 1967