Модель эволюции дисциплинарного знания как процесса междисциплинарного согласования

Буданов В.Г.

ИФ РАН

До недавнего времени в педагогической практике гуманитариев вопросы эволюции научных представлений обсуждались в курсах истории философии или философии науки, где по необходимости им уделено либо недостаточно места, либо недостаточна предметная база. В последнии годы введена обязательная дисциплина "Концепции современного естествознания" (автор является одним из разработчиков ее государственной программы), в которой освещение темы становится весьма органичным и эффективным, погружая предметные знания в культурно-исторический контекст. Предлагаемая ниже методология может быть использована также и в школьных курсах, и в обзорных лекциях для естественников профессионалов.

Рассмотрим причины возникновения и роста дерева частных дисциплин точного естествознания. Начало его формообразования связано в первую очередь с именем Исаака Ньютона, заложившего фундамент дисциплинарного здания науки Нового Времени, этажи которого мы и сегодня продолжаем надстраивать. Классическая наука рождалась из целостной натурфилософской картины мира, свойственной и Аристотелю, и ученым Возрождения. Ведь не случайно великий труд Ньютона все еще назывался "Начала натуральной философии", хотя уже нес новые методологические и мировоззренческие принципы, называемые сегодня научными. Так, для натурфилософии не были характерны ни идеи законов природы, ни нормы экспериментальной проверяемости гипотез или математической доказательности теорий; все это обретает ценность лишь в ХУ11-ХУ111 благодаря вкладу Ф.Бэкона, Р.Декарта, Г.Галилея и И.Ньютона.

КЛАССИКА. Комплексы ощущений и первичная дисциплинарная дифференцировка. Научное дисциплинарное знание возникает, как проекция научного метода на определенную сферу предметной деятельности, первоначально в области естествознания. Первичное дисциплинарное членение общенаучного поля натурфилософских представлений происходит по основанию комплексов человеческих ощущений (Мах, Планк), тех данных нам жизнью преддисциплин эмпирического опыта, что знакомы каждому с раннего детства. Следует сразу оговориться: из 5 чувств точное естествознание (физика) не использовало два --- обоняние и вкус: этот комплекс ощущений издревле является основой анализа, идентификации веществ и лежит в базисе химии, ставшей точной наукой довольно поздно.

В ньютоновских "Началах" мы находим три фундаментальных раздела: механика, оптика, теплота. Основным из которых, безусловно, является механика, использующая самый мощный комплекс ощущений: осязание, зрение, слух. Все они в различной степени позволяют ориентироваться в пространстве и воспринимать относительные перемещения тел (мышечное чувство, координация движений, направление на источник звука и света, бинокулярное зрение, стерео слух и т.д.). Видимо, это эволюционно самое значимое качество в животном мире, для надежности развивавшееся по нескольким каналам восприятия. Кроме того, осязающие барорецепторы позволяют оценивать величину воздействия тела при контакте с ним, что позволяет нам апеллировать к интуиции силовых воздействий. В оптике так же очевидна роль зрения, в том числе цветового; а в разделе теплота значима роль осязания, точнее терморецепторов, которые реагируют на поток тепла через них.

Ньютоновская тройка дисциплин есть база классической физики или физики макромира, т.е. мира доступного нашим органам чувств, или приборам, усиливающим, утончающим наши комплексы ощущений. В этом мире справедлива интуиция здравого смысла, а точнее здоровых чувственных восприятий. Эта физика видимо будет существовать всегда, т.к. за редким исключением, хорошо объясняет доступную нам область явлений.

Дисциплинарный рост, культурная и технологическая экспансия. Ньютоновская классическая парадигма, несмотря на сопротивление многих авторитетных ученых, в течение века полностью завоевала континент, в том числе благодаря культурному резонансу в гуманитарной сфере. Ярким проповедником новой механики в светских салонах был Вольтер, существовало общество ньютонианских дам, возник феномен социального физикализма --- метафорического переноса образов механических процессов в общественную сферу, стали популярны идеи социальной инженерии. Преподавание в университетах ньютоновской механики приняло повсеместный характер. Блистательная демонстрация познавательной мощи разума в сфере изучения природы была торжеством Века Просвещения, и сегодня мы понимаем, что простейшие формы законов физики почти единственно возможны и отражают естественный способ мышления, порождающие грамматики любого языка. Именно в этом кроется причина столь сильного влияния науки на культуру вообще.

Механика Ньютона (по сути механика материальных точек) очень скоро обрастает корпусом прикладных и теоретических разделов, происходит ее внутренняя дифференцировка по основанию различных формальных методов и технологических сфер приложения. Возникают: механика теоретическая (гамильтонова и лагранжева), небесная механика, механика абсолютно твердого тела, механика сплошных сред (гидро- и аэро-), механика машин и механизмов, строительная механика, сопротивление материалов и т.д.. Все это поддерживало и стимулировало машинную технологическую революцию, основу развития мануфактурного производства раннего капитализма, и по сей день составляет львиную долю инженерных знаний.

Наука о тепловых явлениях преодолевает представление о теплоте, как некой жидкости-теплороде (флогистоне), передаваемой от одного тела к другому. Она объединяет механическую работу и тепловую энергию единым законом сохранения --- первым началом термодинамики. Это тут же позволяет описать взаимопревращения механической и тепловой энергии, заложив тем самым основы паровой технологической революции в промышленности и на транспорте. Тепловые машины-двигатели можно устанавливать теперь, где угодно, например, вблизи источников сырья, но поставлять топливо. Век водяных и ветряных двигателей проходит. Открытие второго и третьего законов термодинамики превращают науку о теплоте, называемую теперь термодинамикой, в одну из самых изящных и самодостаточных теорий. Оптика так же обнаруживает единство природы с кругом электромагнитных явлений, интенсивно изучаемых в Х1Х веке, и оказывается частным разделом электромагнетизма Максвелла. Следует отметить, что для восприятия электромагнитного поля (за исключением световых частот) мы уже не имеем органов чувств, поэтому концепция электромагнитного поля наиболее сложна для понимания, и фактически окажется окном в мир неклассической физики.

Теория электричества заложила третью технологическую революцию: электрическую энергию можно передавать по проводам от тепловых электростанций и затем преобразовывать вновь в механическую или тепловую энергию. Возникают новые информационные технологии: проволочный и беспроволочный телеграф, телефон и радио. Все это необыкновенно ускоряет средства коммуникации, создает на рубеже нашего века динамичную техногенную цивилизацию.

Итак, дисциплинарный треугольник классической физики, приведенный на рис.1, неплохо обслуживает многие инженерные дисциплины и объясняет наши чувственные образы внешнего мира, подкрепляя интуицию здравого смысла. При этом на протяжении всей истории классической науки основными будут образы механических процессов и объектов: частиц, волн в средах и телах, силовых полей. В теплоте сначала применяли гидродинамический образ жидкости-теплорода, затем корпускул-молекул. Свет считали то потоком частиц, отражающихся от поверхности зеркала по законам упругого удара как мячики от стенки, то волной механических колебаний некой среды (эфира). Словом, ньютоновская механика была истоком и идеалом классической науки, явно или неявно переводила на свой язык все другие разделы физики так называемый механистический редукционизм. Однако в нашем веке ситуация коренным образом изменилась.

                   Электромагнетизм
                       (Оптика)
                        зрение
                           !
                           |
                      Натур.филос.
                         /   \                            
                        /     \                            
                       /       \                            
    осязание, зрение, слух     осязание                   
     (механика мат. точ.)      (теплота)                    
   Теорет. и прикл. механика   Термодинамика               
			 

Рис.1 Треугольник классической научной парадигмы. Дисциплинарная дифференцировка натурфилософских представлений по комплексам ощущений и развитие классической физики.

НЕКЛАССИКА. Пределы дисциплинарного роста, как границы междисциплинарного согласования. В конце Х1Х века возникает ощущение триумфа классической физики, гарантирующей прогресс человечества на долгие времена. Но ситуацию омрачали немногочисленные проблемы в областях перекрытия дисциплин, которые, казалось, вот-вот будут решены.

Совместное использование понятийного аппарата и методов двух дисциплин при описании комплексных феноменов требует их непротиворечивости. Так в любой многодисциплинарной науке рано или поздно возникает процедура междисциплинарного согласования, иногда ассоциируемая с синтезом дисциплин (биофизика, физическая химия и т.д.). Согласование может завершиться констатацией отсутствия противоречий, если найден удачный язык перевода, либо попыткой редуцировать понятия одной дисциплины к понятиям другой (к чему всегда тяготело механистическое видение мира). Отметим, что в математике, подобным образом определяют гладкое многообразие: окрестности-карты его соседних точек должны иметь правила согласования своих координат в областях перекрытия, лишь тогда удается создать единый атлас многообразия, картографировать его.

В том же случае, когда основания дисциплин вступают в противоречие, возникает граница согласования, принципиальный разлом целостности научного описания. Негладкость, сингулярность многообразия. Его преодоление возможно за счет создания новой дисциплинарной картины, обладающей большей размерностью (что позволяет пройти над разломом), но совпадающей с прежней эмпирической реальностью в областях ранее объяснимых--- так называемый принцип соответствия. Так рождается новая парадигма, так произошло и рождение неклассической физики на попарных противоречиях трех базовых разделов классической парадигмы, т.к. классический синтез не состоялся.

Тупики классического синтеза. Рождение дисциплин неклассической науки. Постулаты и понятия неклассической науки зачастую лежат за границами обыденных представлений и чувственного опыта, тем самым, скорее противоречат привычному здравому смыслу и больше не опираются на комплексы ощущений. Она рождается из потребностей преодоления противоречий между разделами классической физики, на феноменах, требующих междисциплинарного рассмотрения. Принято считать, что неклассическая наука есть физика микро- и мега- мира, физика огромных скоростей, масс, расстояний; либо, напротив, микро масштабов атомных и субатомных явлений. Однако это лишь половина правды, существуют множество макро явлений, доступных непосредственному наблюдению, которые объяснимы лишь с помощью неклассической физики. Например: химические и агрегатный превращения веществ, излучение света звездой и лампочкой накаливания, причина многообразия красок этого мира и отклонение перигелия Меркурия, … . Именно макрофеномены спровоцировали рождение новой парадигмы, хотя корни этих явлений действительно следует искать в микро и мега мире.

Теория относительности --- релятивизм, возникает из попытки примирить механику и оптику, точнее электромагнетизм, на классе явлений, где существенны движения зарядов либо сред, в которых распространяются электромагнитные поля. Впервые за двести лет Ньютоновская механика должна быть изменена, а с нею и классические представления о пространстве и времени. Поразительно, что для обоснования теории относительности Эйнштейну потребовалось лишь два простых постулата: постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета (принцип инвариантности) и неизменность всех законов природы при наблюдении относительно разных инерциальных систем отсчета (принцип относительности). И по сей день это самая красивая теория, подтверждаемая всеми экспериментами (в пустом пространстве).

Для современников его теория долгое время была символом непостижимости новой науки, за ее сюжеты взялись писатели-фантасты и философствующие журналисты, возвещающие век относительности всего на свете, и было от чего. Столь радикальный подход исключает допущение, абсолютности пространства и времени Ньютона. Он делает относительными к выбору систем отсчета понятия длин и интервалов, понятия одновременности, которые ранее были инвариантны. Ее следствия зачастую формулируются как парадоксы, например излюбленный фантастами парадокс --- астронавт возвращается из звездного путешествия на Землю, на которой в его отсутствие прошли века. И именно эти факты разрушения инвариантов в первую очередь ассоциировались в общественном мнении с теорией относительности, часто называемой просто релятивизмом.

Однако в теории относительности не меньшую роль играют и понятия инвариантности, постоянства свойств при смене систем отсчета, например релятивистский интервал --- длина четырехмерного вектора в пространстве Минковского разбивает все пары событий по критерию возможности причинно-следственных связей, т.е. теория относительности не разрушает причинно-следственную ткань нашего мира, а рождает интуицию единого, относительного к средствам наблюдения четырехмерного пространства-времени. Все это почти не осознавалось общественным мнением, и теория относительности надолго создала комплекс неполноценности у обывателей, обрела ореол науки для избранных, что так же, в конечном счете, способствовало расколу культуры. Релятивистская энергия тела определяется теперь не с точностью до константы, как в механике Ньютона, но для неподвижного тела равна его энергии покоя, пропорциональной массе . Это позволяет наблюдать удивительные переходы части энергии покоя ядер и субъядерных частиц в кинетическую энергию их движения и наоборот, рождение и аннигиляцию материи (массы), рождение новых частиц микромира. В этом принцип работы ядерного реактора и ядерного оружия, основа самой великой и драматичной атомной технологической революции ХХ века.

Квантовая теория возникает при попытке объяснить законы излучения нагретых тел (излучение абсолютно черного тела). Это область совместного проявления явлений теплоты и электромагнетизма, теперь на их пересечении возникло неразрешимое для классики противоречие. Однако теоретическое рассмотрение редуцирует эту задачу на микроскопическом уровне к проблеме излучения атомов. Макс Планк в 1900 году вводит понятие кванта, что блестяще решает проблему абсолютно черного тела. Эйнштейн, при объяснении явлений фотоэффекта, в 1905 году вводит понятие о фотонах --- частицах света, а Бор в 1913 году выдвигает постулаты квантования орбит электронов в атомах. Тем самым, в конечном счете, все квантовые явления должны быть основаны на новой механике микрочастиц, отличной от классической механики Ньютона. Квантовая механика еще более непривычна для нас чем теория относительности: энергия микросистем меняется скачками; понятие траектории движения микрочастицы не существует, а сама она проявляет то волновые, то корпускулярные свойства; нельзя одновременно сколь угодно точно измерять некоторые физические величины и т.д..

Квантовая механика содержит в себе классическую --- подчиняется принципу соответствия, т. е. в своем предельном случае (постоянная Планка стремится к нулю) переходит в классическую, тем самым законы нашего мира это огрубленные законы микромира --- так называемый принцип соответствия. Квантовый мир нельзя понять в том смысле, что его нельзя представить в обычных образах, в него надо поверить, а затем привыкнуть, как постепенно привыкают студенты физики к старшим курсам. Макс Планк, имея в виду это свойство физики микромира, говорил, что научные оппоненты не переубеждаются, а вымирают, после чего новая парадигма без труда усваивается последующими поколениями студентов.

Именно квантовая физика объяснила строение атома и обосновала таблицу Менделеева, сделав химию точной наукой, объяснила спектры излучения атомов и молекул, механизмы радиоактивного распада ядер и химической связи. С квантовой теорией, так или иначе, связаны все технологические революции и высокие технологии ХХ века.

Статистическая физика рождается при разрешении противоречия между механикой и теплотой. Дело в том, что механические законы обратимы во времени, достаточно лишь обратить на противоположные скорости всех частиц, и мы будем наблюдать столь же реальный процесс (обратное кино). В замкнутых системах это приводит к закону сохранения энергии. Для тепловых явлений теплопроводности и, вообще, явлений переноса --- диффузии, вязкости процессы оказываются необратимы. Невозможно увидеть самопроизвольного нагревания остывшего утюга, самопроизвольного разгона застрявшего в болоте тела или собирания во флакон испарившихся духов. Эта проблема разрешается на микроскопическом уровне при введении описания тепловых процессов, как процессов очень большого числа частиц --- атомов и молекул вещества. При этом макро система состоит из огромного количества микрочастиц и на языке обычной механики содержит фантастический объем избыточной, ненаблюдаемой информации. Привычные наблюдаемые макропараметры (давление, температура, плотность) есть лишь усредненные значения микро характеристик частиц. Идеи применения теории вероятности для сведения тепловых процессов к механическим легли в основу молекулярно-кинетической теории Максвелла- Больцмана в конце Х1Х и обобщены Гиббсом в статистической физике в начале нашего века.

Статистическая физика заложила фундамент понимания молекулярных процессов классических жидкостей и газов, технической термодинамики, легла в основу химических технологий нашего века, ее методы широко применяются в смежных дисциплинах.

Междисциплинарное согласование в неклассической физики. Можно ли считать физику наукой завершенной? Конечно же нет. Процесс согласования дисциплин неклассической физики постоянно продолжается, он очень продуктивен и именно он задает передний край фундаментальной науки и поставляет ультрасовременные технологии. Идея дальнейшей классификации нам уже знакома --- попарное пересечение дисциплинарных областей. Их снова три. Итак:

1.Квантовая релятивистская теория (квантовые поля и элементарные частицы). Возникает при попытке проникнуть в глубины микромира. Чем меньше размер квантовой системы, тем согласно принципу неопределенности больше возможные энергии и скорости ее компонент. Поэтому, начиная с ядерных и меньших пространственных масштабов, релятивистские скорости частиц микромира становятся типичными и необходимо согласовать квантовый и релятивистский формализм. Это делает квантовая теория поля --- самая сложная, фундаментальная (поскольку занята основами мироздания) и незавершенная часть современной физики. Ее методы математически изощренны, а эксперименты сверхдороги, и сегодня физика элементарных частиц подходит к границам сегодняшних познавательных возможностей нашей цивилизации. Пока нет поводов пересматривать основы неклассической парадигмы на этом поле ее приложений.

2.Квантовая статистическая физика рассматривает проблемы большого числа квантовых частиц, где востребованы методы статистической и квантовой физики. В первую очередь это физика твердого тела, квантовых жидкостей и газов. Идеи статистики без труда обобщаются на квантовый случай, а методы квантовой теории поля переносятся на задачи многих частиц. Это сегодня самый плодотворный в прикладном плане раздел физики, основа новых информационных технологий и технологий ХХ1 века, достаточно сказать, что с ним связана все полупроводниковые технологии, квантовые макроэффекты -- - лазер, сверхпроводимость, сверхтекучесть и многое другое. В области квантовой статистики так же не ожидается переворота представлений фундаментальной физики.

3.Релятивистская статистическая физика --- релятивистские газы, раздел на стыке теории относительности и статистической физики. В чистом виде встречается в области астрофизических явлений, например, при релятивистском движении звездного вещества вблизи черных дыр. В земных условиях приложений практически не имеет и фундаментальных трудностей описания не представляет.

Итак мы завершили рассмотрение еше одного пояса согласования принципов современной физики, на котором происходит и современная технологическая революция -- - информационная. Однако этот процесс следует продолжить. Релятивистская квантовая статистическая физика --- теория всего. При попытке назвать дисциплины следующего пояса согласования на попарных областях пересечения мы обнаруживаем, что все их следует назвать "релятивистская квантовая статистическая физика" (быть может в различном порядке произнося слова). Это вершина и итог современной физики, и если удастся провести ее непротиворечивое описание, мы достигнем окончательного понимания неживой природы (рис.2). Основная проблема здесь в неизбежном объединении при огромных энергиях, микрорасстояниях, сверхбольших плотностях вакуумных флуктуаций всех взаимодействий, включая гравитацию на стадии рождения Вселенной.

Рис.2 Модель эволюция точного естествознания, как процесс попарного междисциплинарного согласования. Пунктиром показана граница несостоявшегося классического синтеза.

Модель дисциплинарной эволюции точного естествознания на рис.2 указывает на финальность стадии современного неклассического синтеза, в итоге которого появляется не просто наблюдатель, но человек (антропный принцип), которого, казалось, исключили еще в начале становления науки Нового Времени. Однако сегодня наука все больше внимания обращает на сверхсложные системы, живые, человекомерные, социальные, поскольку фундаментальный уровень субъядерного мира уходит за горизонт экспериментальной проверяемости гипотез, просто не хватает энергии ускорителей, и наука вынуждена менять свое поприще, переключаться в области высоких технологий, медицины и генной инженерии, информационных технологий и экономики. Все более насущны комплексные задачи преодоления кризисов развития биоценозов, биосферы, общества. Все это предмет следующего уровня развития науки --- постнеклассической науки или синергетики.

Может возникнуть вопрос, где же место постнеклассики на схеме эволюции дисциплинарного знания? Ее нет, точнее это и есть сама схема, сами механизмы междисциплинарных взаимодействий, законы коммуникации. По большому счету область приложения постнеклассики много шире точного естествознания и призвана синтезировать науки о неживом--- живом --- разумном, воссоединяя гуманитарную и естественногаучную культуры, подробнее(1-4).

1. Степин В.С. Философская антропология и философия науки. М. Высшая школа. 1992
2. Буданов В.Г. "Синергетические стратегии в образовании". Философские проблемы образования. Москва. РАГС. 1996.
3. Буданов В.Г. Междициплинарность и синергетика. Категории. Философский журнал. Москва. 1997 . N 2, стр.15-21
4. Буданов В.Г. Принципы синергетики для пешеходов. Математика, компьютер, образование. Труды международной конференции Дубна -98. М. "Прогресс -традиция". т 5. часть 1. 1998., с.128-137

7.02.2010

Интересное по этой теме: