CC BY
22ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2012 Математика. Механика. Информатика
Вып. 4(12)
УДК 530; 168; 94
К периодизации истории физики
В. Л. Чечулин
Пермский государственный национальный исследовательский университет Россия, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 chechulinvl@mail.ru; (342) 2-396-424
На основании общегносеологических закономерностей описана 6-уровневая последовательность усложнения физических представлений. Показано, что на высших уровнях развитие физики связано с развитием математического аппарата описания физических явлений. Пе -риоды, выделенные в развитии физики, совпадают в целом с периодами развития иных наук (математики, химии и т. п.). В связи с тем что общегносеологическая закономерность усложнения уровня абстракции понятий наблюдается и в развитии отдельного человека, указано, что изучение физики в системе образования (по стадиям усложнения понятий) повторяет историческое развитие физики.
Ключевые слова: отражение действительности в сознании; иерархия уровней абстракции; история физики; периоды развития физики; экспериментальная наука; ценностное целеполагание научной деятельности.
Предисловие
При выделении общегносеологической закономерности усложнения понятий (достижения определенных уровней абстракции, обобщённости представлений о мире), обусловленной определённой 6-уровненвой структурой отражения действительности в сознании [49; 40; 50], ранее было описано развитие некоторых иных наук (математики, химии) с выделением периодов развития соответствующих достижению и развитию представлений на определённом уровне отражения (абстракции) [43; 44; 55]; также было описано развитие понимания причинности в истории науки [54]. Закономерности упомянутого развития едины и обусловлены структурой отражения действительности; описание развития физических представлений, следующее далее, использует те же общегносеологические основания [48; 49; 41].
1. Структура отражения и развитие понимания причинности
История физических представлений связана с историей изменения понимания причинности. Развитие понятия причинности в
© Чечулин В. Л., 2012
истории науки соответствует последовательности достижения определенных уровней отражения действительности в сознании человека. Линия развития "предпричинность - ближайшая причина - последовательность (круг причин) - произвольная причинность - массовая (социальная) причинность - самопричин-ность" иллюстрируется типичными примерами в соответствующих исторических периодах науки; историческое развитие причинности содержательно (поуровнево) совпадает с развитием представлений о причинности при взрослении человека (по психологическим возрастам).
Методологической особенностью историко-философского исследования является необходимость невнесения в исследуемый материал собственных представлений, т. е. достигнутый в определенный исторический период уровень развития науки требуется интерпретировать в пределах сложности, уровня абстракции, свойственного именно этому уровню; не привнося конструкций с более абстрактных уровней. При таком методологическом подходе к исследованию легко видеть относительное развитие представлений в течении истории, а также выявлять однородные периоды и свойственные началу новых перио-
дов новообразования. Ключевым аспектом для понимания последовательности этапов развития естественных наук (химии, физики и т. п.) является выявление последовательности этапов развития понимания причинности. Это отлично от исторического описания развития таких наук, как математики [44], языкознания1, оперирующих сразу абстрактными категориями, безотносительно выявления причинно-следственных связей, хотя влияние того или иного понимания причинности в различные периоды развития на содержание математических или лингвистических теорий несомненно заметно.
Ниже описана историческая последовательность этапов развития причинности с иллюстративными примерами, соответствующим определенным периодам [54].
Методологическим основанием для выделения последовательности этапов развития представлений о причинности в истории науки является: гносеологическая схема отражения действительности в сознании человека. Каждый уровень отражения есть и определенный уровень абстракции понятий и представления, так, например, первый уровень -именование материальных предметов внешнего мира, в котором имя есть обобщение множества единичных чувственных восприятий того или иного предмета или группы предметов. Так, например, слово "камень" обозначает множество чувственных восприятий одного и того же камня в разные моменты времени (при первоначальном обучении ребенка языку) или множество восприятий сходных предметов - камней. Далее название определенного цвета также обозначает множество сходных чувственных восприятий, и упомянутые понятия, как то имя предмета или наименование цвета, являются понятиями первого уровня абстракции, а вот понятие вообще "цвет" является обобщением восприятия отдельных цветов и могло бы относиться ко второму
1 Философия истории литературы отличается тем, что художественное литературное описание действительности напрямую связано с уровнем само-осознания человека [39]. Таким образом, онтологически имеются 3 особенных, но связанных между собой, исторических линии развития науки и культуры: а) литература и философия, связанные с непосредственным созерцанием и самооосознани-ем человека, б) математика и языкознание, оперирующие абстрактно-логическими категориями, в) физика, химия и т. п. науки, описывающие материально-вещественные процессы действительности.
уровню абстракции, но второй уровень абстракции по схеме отражения действительности и по логике развития представлений связан с наличием тех или иных качеств субъекта, связанных с понятием. Более подробно иерархия абстракций рассмотрена в работах [47; 41]. Развитие понятия причинности описывается как последовательность перехода от одного уровня абстракции к следующему, обобщающему на достигнутом уровне в новом качестве множество представлений предыдущего уровня.
12. В древности, в доантичный период не имеется явных представлений о причинности, т. е. в философских трактатах того времени не имеется явного определения причины и следствия, и явления описываются в их внешне видимом неразрывном единстве (такие представления в психологии называются синкретизмом, свойственным первому психологическому возрасту). Мифологический взгляд на мир также не имеет явных представлений о причинно-следственных связях. В эпической литературе причинно-следственные связи сюжета также не выделяются.
2. Начиная примерно с V в. до н. э., в культурах различных стран уже появляются представления о причинно-следственных связях, причем на этом этапе речь идет только о ближайшей причине, т. е. глубина прослеживания причинно-следственных связей равняется одному шагу. Показательны в этом смысле работы Аристотеля, где он подробно рассматривает соотношение причины и следствия, рассматривая только ближайшую причину3
2 Номер соответствует уровню развития.
3 Аристотель "Физика" (кн. 2, гл. 3, 194Ь16-195а5): "Установив всё это, мы должны рассмотреть причины -каковы они и сколько их по числу. Так как наше иссле -дование предпринято ради знания, а знаем мы <Аристотель>, по нашему убеждению, каждую [вещь] только тогда, когда понимаем, "почему [она]", (а это значит понять первую <ближайшую> причину),... зная их начала мы могли попытаться свести к ним каждую исследуемую вещь. В одном значении причиной называется то, "из чего",... например медь - причина этой статуи . В другом значении [причиной будут] форма и образец... (например, для октавы отношение двух к единице и вообще число). Далее [причиной называется то], откуда первое начало изменения или покоя; например давший совет есть причина, для ребенка причина - отец. Наконец, [причина] как цель, т. е. "ради чего"; например причина прогулки — здоровье. почему он гуляет? Мы скажеми: "чтобы быть здоровым" - и, сказав так, полагаем, что указали причину. Итак, [слово] "причина" употребляется приблизительно в
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2012 Математика. Механика. Информатика
Вып. 4(12)
Рис. 1. Схема отражения мира в самоoсознании;
* самоописание субъекта в самоописательной части описания мира
(замечания о "перводвигателе" являются позднейшей средневековой вставкой в текст Аристотеля, см. [3, с. 7]). Такое представлении о причинности (ближайшей причине) господствовало в философских сочинениях до первых веков нашей эры.
3. Уже у неоплатоников (Плотин, Прокл и др.) имеются представления о бесконечном ряде причин, имеющим своим началом первопричину [30, с. 494, §97]. У Боэция в трактате “Каким образом субстанции могут быть благими в силу того, что они существуют, не будучи благами субстанциальными” имеются аналогичные рассуждения, говорящие о том, что бытие вещей проистекает из первого бытия (блага) как из первопричины [6]. Далее развитие этих взглядов на причинность происходит в арабских странах, унаследовавших и сохранивших философскую традицию в Римской империи. Например, в сочинениях Ибн-Сины также упоминается ряд причин, восходящих к первопричине [15]. Аналогичны этому взгляды Омара Хайама (XII в.) [26]. И далее, когда арабская традиция была открыта средневековой Европой эти же взгляды име-
лись и у средневековых европейских философов; так, например, Николай Кузанский (XV в.) [17] в своих философских сочинениях также высказывал аналогичные представления
о бесконечном ряде причин, восходящем к первопричине.
4. Примерно с XVI в. возникает представление о произвольной причинности, т. е. о том, что причиной наблюдаемых явлений может быть и воля человека. Такие представления являются основой для развития экспериментальной науки. Эксперименты Галилея [9; 10] и других естествоиспытателей основаны на таком понимании причинности, что человек произвольно повторяет начальные условия опыта и наблюдает закономерности, следующие из этих начальных условий, т. е. как бы параллельно существует внешняя по отношению к человеку причинность явлений (естественный ход событий) и внутренняя по отношению к человеку причинность, позволяющая произвольно ставить эксперименты, формулировать законы окружающего мира и использовать их в своей произвольной деятельности.
5. Если предыдущему этапу развития
стольких значениях" [3, с. 87-88].
причинности было свойственно то, что естественно-научные закономерности описывались некоторыми функциями (были в достаточной мере детерминированы), то следующий этап в развитии представления о причинности начинается с представлений о недетерминированных массовых событиях. Причем представление о таких массовых событиях имелись не только в естественных науках (статистической механике и др.), но и в науках, описывающих человека и общество, а также в художественнойи литературе. Описание таких представлений в истории литературы изложено отдельно [39]. Кратко же общее место гуманитарных наук, использующих это понимание, причинности резюмируется словами поэта: И вот общественное мнение, так вот на чем вертится мир" (А.С.Пушкин). Развитие этих представлений в гуманитарных науках привело к тому, что состояние сознания отдельного человека пытались представить как результат влияния на него со стороны общества (отрицательные результаты экспериментов Шибутани в 60-е гг. XX в., по определению детерминированности сознания отдельного человека общественным сознанием, показали недостатки такого взгляда на причинность [57]).
В естественных науках развитие такого взгляда на причинность дало свои плоды, но имело и ограничения, следующие из ограничений математических методов описания материальной действительности; так например, имеются строгие утверждения, показывающие
Рис. 2. Онтологическая иерархия
необходимость эксперимента (то есть необходимость присутствия самого человека) для описания химических закономерностей. В математической же науке была показана неразрешимость ряда массовых проблем, а также неалгоритмизуемость процесса познания, также требующего непосредственного присутствия человека [38; 42].
6. Следующий уровень развития понятия о причинности, соответствующий гносеологической схеме отражения, содержит представление о самопричинности, не сводимой ни к одному из предыдущих видов причинности. Низлежащие типы причинности имели предикативный характер, в них причина и следствие были отделены друг от друга, даже при произвольной причинности человек манипулировал чем-то внешним по отношению к нему. В непредикативной же самопричинно-сти причина и следствие имеют общую часть. В естественных науках, в частности в физике, это выражается в так называемых самосогласованных теориях, имеющих логический круг самообоснования. В гуманитарных науках пример самопричинности — это высвобождение общественно необходимого времени в экономике [53].
Таким образом, развитие понятия причинности в истории описано в соответствии с методологическими основаниями, вытекающими из гносеологической схемы отражения действительности в сознании (см. рис. 1). Развитие представлений о причинности по мере взросления человека проходит те же самые стадии, в связи с тем, что обусловлено той же самой гносеологической структурой отражения действительности в сознании [37].
2. Онтологические основания структуры отражения
Основанием для гносеологической структуры отражения действительности являются онтологические представления (см. рис. 2), тогда легко видеть, что посредством отражения действительности на первых ступенях описывается материально-веще-ст-венный мир, на средних ступенях - процессные явления, включающие в описание время, на верхних ступенях - рефлексивные конструкции, включающие в описание действительности и самого описывающего её человека4. Тогда предварительно видно, что
4 Эта последовательность ступеней в обратной по-
2012 Вып. 4(12)
в Античности открыты законы рычага (закон Архимеда и т. п.) - законы механические, не требующие для их описания представлений о времени. В Средние века и в Новое время описываются закономерности, учитывающие время. С XIX в. - закономерности и теории, обобщающие множество явлений, протекающих во времени, и уже отвлекающихся от времени - к более общим абстракциям (закон сохранения энергии и т. п.). Ниже эта последовательность открытий и новообразований прослежена более подробно, по уровням абстракции.
3. Периоды развития физических
представлений
Периоды развития физических представлений соответствуют уровням обобщения (абстракции) понятий, соответствующим определённым уровням отражения действительности в сознании (см. рис. 1). Далее эти периоды развития проиллюстрированы по письменным источникам некоторыми характерными для них примерами мышления в предметной области физических представлений5.
16. (Древность) Конкретные представления (древность). Первая стадия обобщения (первый уровень отражения, абстракции) - это обобщение множества чувственных восприятий, выражающееся наименованием окружающих предметов. "Данные археологии и этнографии подтверждают, что мышление людей на ранних стадиях развития было очень конкретным... У лапландцев есть 20 названий для льда, 11 - для холода, 41 - для снега , 26 для заморозков и оттепели... Но вместе с такой исключительной наблюдательностью к окружающему бросается в глаза скудость абстрактных обобщающих терминов. Так, пользуясь особыми обозначениями для разновидностей попугаев, южноамериканские бакири не имеют общего наименования попугая. То же относится и к пальмам. Отсутствуют также общие, родовые понятия: «животное», «минерал» и т. п." [14, с.12]. Таково же по содержа-
следовательности соответствует этапам постижения истины [31].
5 Иные описания истории физики [28; 32; 33; 5] и др. фактографически перечисляли достижения физической науки, не пытаясь выделить однородные периоды ее развития.
6 Номер соответствует периоду развития физики.
Математика. Механика. Информатика
нию представление о конкретных числах в математике [16, т.1], названиях веществ в химии [55]; при этом представления о причинности отсутствуют, явления наблюдаются неотрывно одно от другого, синкретически, говоря термином возрастной психологии [8], [29], описывающей этот уровень абстракции (1-й психологический возраст). Как выражение этого уровня развития возникает представление о неделимых объектах восприятия (неделимых чувственно-воспринимаемых обра-зах)7.
2. (С IV в до н. э.) На следующем уровне развития наблюдается осознание отличия чувственного восприятия от мышления (Аристотель, "О душе"). И познание в физической области сводится к познанию ближайшей причины (см. пункт 2 описания развития представлений о причинности).
Аристотель (IV в. до н. э.) так пишет о познании (Физика кн. 1, гл. 1, 184а10-25):
"Так как знание и научное познание возникает при всех исследованиях, которые простираются на начала, причины и элементы, путём их уяснения (ведь мы <Аристотель> тогда уверены, что знаем ту или иную вещь, когда уясняем ее первые причины, первые начала и разлагаем её вплоть до элементов), то ясно, что и в науке о природе надо попытаться определить прежде всего то, что относится к началам... Поэтому надо идти от вещей [воспринимаемых] в общем к их составным частям: ведь целое скорее уясняется чувством, а общее есть нечто целое, так как общее охватывает многое наподобие частей" [3, т. 3, с. 61].
Такое познание первой (ближайшей причины) далеко не доходит до экспериментальной науки, появляющейся на 4-м уровне развития8.
7 "Атомы" у Демокрита - это лишь чувственные образы, - "видики" по словам Лосева: "Обычное наименование атомов у Демокрита как раз и есть "фигуры" (shemata), или "видики" (eidola). <...> Это маленькие, далее уже неделимые "видики", статуэтки, картинки, портретики бытия" [19, с. 499-500] (Демокрит указывал, что "может быть атом размером с весь мир" [22], Аэций I, 12, 6: "Демокрит утверждает. что может существовать и атом, величиной равный всему нашему миру" [2, с. 119]). Атомы здесь - это образы восприятия, а не материально-вещественные объекты.
8 "... есть целая пропасть между древним естествознанием и естествознанием нашего времени. Стоит
Как указывали иные историки науки: "Под опытным познанием, в котором по Аристотелю начало всего нашего знания, философ <Аристотель> разумеет ежедневное, обыкновенное чувственное наблюдение окружающих вещей, дополняемое, впрочем, по отношению к естественным предметам любознательным их собиранием и рассмотрением" [21, т. 1 с. 18-19].
Этот опыт позволяет делать некоторые наблюдения над свойствами тел, например, объяснять испарение воды тем, что она состоит из мельчайших частиц (Тит Лукреций Кар,
I в. до н. э.) 9.
прочесть несколько страниц какого-либо древнего произведения, трактующего о явлениях природы, -особенно Аристотеля, главного представителя древнего знания, истолкованием сочинений которого жила средневековая наука,- чтобы убедиться, что эти произведения - плод совсем иного научного приёма, иного мировоззрения, чем трактаты нового времени <4-го уровня развития>. В многочисленных сочинениях, излагающих историю древней философии и науки, есть много отдельных указаний на различие и в началах, и в характере исследований древних ученых, сравнительно с учёными Нового времени. Но сжатого и точного ответа на вопрос, в чем существенное различие древней науки от науки нового времени, трактаты эти не
дают... Усмотрению коренного различия мешает
еще то, что историки философии мало сведущи в естествознании" [21, т. 1 с. 15-16].
9 Тит Лукреций Кар в поэме "О природе вещей" (кн. I, ст. 304-328) обосновывает то, что тела состоят из мельчайших частиц, ближайшей причиной, вот фрагмент этих рассуждений [20]:
"И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны,
Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет;
Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает, Да и не видно того, как она исчезает от зноя. Значит, дробится вода на такие мельчайшие части, Что недоступны они совершенно для нашего глаза. Так и кольцо изнутри, что долгое время на пальце Носится, из году в год становится тоньше и тоньше; Капля за каплей долбит, упадая, скалу; искривленный Плуга железный сошник незаметно стирается в почве;
И мостовую дорог, мощенную камнями, видим Стертой ногами толпы; и правые руки у статуй Бронзовых возле ворот городских постепенно худеют
От припадания к ним проходящего мимо народа.
Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше,
Но отделение тел, из неё каждый миг уходящих, Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво.
В этот же период происходит открытие простейших механических законов [11], описанных в трактатах Архимеда (III в. до н. э.) [4] "О равновесии плоских фигур" (закон рычага), "О плавающих телах" (закон Архимеда). Эти законы являются чисто механическими — не содержат в своём описании понятия времени.
Работы Архимеда описывали механические закономерности, в трактате "О равновесии." рассмотрены свойства рычага, в трактате о плавающих телах описывается то, что сейчас называется законом Архимеда, при этом методологически те и другие закономерности этого периода связаны с описанием ближайшей причины (равновесие описывается как равная нагруженность рычагов весов; плавание тел, как свойство отношения их объёма к их весу); законов, описывающих изменение свойств во времени, в этот период еще не было открыто.
Понятие времени при описании свойств равновесия рычага появляется в физике на следующем уровне развития.
3. (С первых веков н. э.) Открытые ранее, на предыдущем этапе развития механические законы в следующем периоде развития истолковывались с применением представлений о времени.
Трактат III в. "Механические проблемы" о приложении принципа рычага отличается от античной науки, предыдущего периода развития физики [14, с. 54-62], [13], в нем равновесие рассматривается при воображаемом движении неравноплечного рычага (появляется параметр времени в рассуждениях, 3-й уровень абстракции). Также в трудах Герона Александрийского (нач. н. э.) при рассмотрении равновесия используется понятие скорости [11, с. 59], [5, с. 101-102] - рассуждения о скорости не свойственны всей античной науке.
Далее физические представления используют понятие времени в астрономических наблюдениях, развивавшихся на Арабском Востоке [16]. Понятие времени с этого периода уже неотъемлемо имеется в физических
Также в вещах, что хиреть начинают от старости дряхлой,
Как и в приморских камнях, изъеденных едкою со -лью,
Ты не усмотришь того, что из них каждый миг убывает.
Так при посредстве невидимых тел управляет природа."
2012 Вып. 4(12)
представлениях и в течении периода, в связи с описанием движения, конкретизируется [12]. В этом периоде в описании физических явлений имеется ряд последовательных причин, а также повторяющиеся явления (астрономические наблюдения). Произвольный эксперимент появляется на следующей, 4-й, стадии развития (см. описание развития причинности [54] и выше в этой статье).
4. (С XVI в.) Опытная физическая наука возникает с появлением понятия о произвольной причинности, о том, что человеческая воля произвольно может создавать аналоги природных явлений — в простейшем случае падения, движения тел и т. п..
Галилей (нач. XVI в.) в трактате "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки" писал ("День третий"): "Мы <Галилей> создаём совершенно новую науку о предмете чрезвычайно старом. В природе нет ничего древнее движения и о нём философы написали немало томов и немалых. Однако я <Галилей> излагаю многие присущие ему и достойные изучения свойства, которые до сих пор не были замечены, либо не были доказаны" [10, с. 233]. Далее Галилей рассматривал равномерно ускоренное движение и фактически вывел законы движения: зависимости пройденного пути и скорости свободно падающего тела от времени и др... Его выводы подкреплялись описанием проводимых им экспериментов: скатывания шара с наклонной плоскости и т. п. Описанные им законы обобщали некоторые множества проведённых экспериментов. Этот принцип эксперимента и развивался в течении 4-го этапа развития физики.
Ньютон (XVII в.), также как Галилей описывая законы движения, в предисловии к "Математическим началам." писал: "Вся
трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления. Для этой цели предназначены общие предложения <законы Ньютона>..." [25, с. 3].
Закон выводился и подтверждался множеством опытов: "Лучшая и вернейшая метода изучения природы, пишет Ньютон в своём ответе Пардису (Phil. Trans., 1672 г.), по поводу опытов с призмой, - состоит, полагаю, в том, чтобы прежде всего тщательно исследовать свойства вещей, узнавая эти свойства по-мощию опытов, а потом весьма осторожно
Математика. Механика. Информатика
переходить к гипотезам для их объяснения, ибо гипотезы пригодны только для объяснения свойств вещей, но не ими должны указываться эти свойства, разве только в смысле побуждения к опытам. Ибо если бы гипотетическую возможность стали признавать за истину и действительность, то я не нахожу, какая достоверность могла бы быть достигнута в науке" [21, т. 3, с.342]10.
Ньютоново 4-е правило умозаключений в физике таково: "В экспериментальной философии положения, выведенные путём индукции из явлений, должны быть, не смотря на противополагаемые гипотезы, почитаемы за вполне верные, или чрезвычайно близкие к таковым, пока новые явления или ещё более подтвердят их, или покажут, что они подлежат исключениям. Там должно быть, дабы доказательства, добытые путём индукции, не отвергались на основании гипотез" [21, т.3, с.341], см. также [25, с.504]11.
Таким образом, физика на этом этапе развития открывала законы, выражающиеся в виде функциональных зависимостей и проверяемые множеством опытов, подтверждающих согласие наблюдаемых явлений с их теоретическим (функциональным) описанием12.
10 "Свойства тела, говорит он <Ньютон>, познаются только помощию опыта и мы должны признавать только те из них, кои находятся в постоянном согласии с опытами и не могут быть ни увеличены, ни отняты. Надлежит, очевидно, не составлять снов, противных течению опытов, и не удаляться от аналогии природы, ибо природа обычно проста и согласна с собою" [21, т. 3, с. 339]; см. также [25, с. 503].
11 Аналогичные приемы мышления использовались и Коперником (XVI в.) [7, с. 270].
12 В этот 4-й период развития физики были открыты такие законы:
Принцип относительности (Г алилей),
Закон упругой деформации (Гук), Всемирного тяготения закон (Ньютон),
Закон сохранения импульса,
Законы Ньютона,
Закон Авогадро (1811),
Закон Бойля-Мариотта,
Закон Гей-Люссака,
Закон Дальтона,
Закон Паскаля,
Закон Шарля,
1-й и 2-й законы термодинамики,
Закон Ампера,
Закон Кулона,
Закон Ома,
орган ткань
органоид макромолекула
функциональная группа атом
организм клетка молекула нуклон кварк
электромагнитное? слабое? гравитационное взаимодействие? целое особенное
суперструны?
?
сильное?
клетка 1-й период
молекула 2-й период
нуклон 3-й период
? 4-й период
гравитационное ?
однородное
5-й период ?-й период
единичное (целое предыдущего периода)
Рис. 3. Схема периодичности в усложнении последовательных, иерархических материальных структур [46] материальных структур [46]
Однако на этом этапе законы ещё не объединяются обобщающей их теорией, - теории появляются на следующем этапе развития.
5. (С середины XIX в.) Наиболее показательный пример построения теории, обобщившей ряд законов, - это пример теории электромагнетизма, обобщившей ряд законов, отрытых на предыдущем этапе. Аналогично законам механики, открытым в XVI-XVIII вв. (закон Гука, Законы Ньютона и т. п.), Фарадеем были экспериментально открыт и описан ряд законов, относящихся к электромагнетизму (закон электромагнитной индукции и т. п.) [34; 35]. Каждый из этих законов (электромагнетизма) был в отдельности хорошо исследован и описан. Далее следовало новообразование в виде теории электромагнетизма, обобщающей это множество известных законов, посредством более общего математического аппарата, использованного Максвеллом.
Максвелл (2-я пол. XIX в.) в трактате "О фарадеевых силовых линиях" писал о физической теории электромагнетизма: "Современная теория электричества и магнетизма, охватывающая все относящиеся сюда явления, не только должная уяснить связь между покоящимся электричеством и электричеством текущим, но также между притяжением и индуктивными действиями в обоих состояниях. Такая теория должна полностью удовлетворять законам, математическое выражение которых уже известно <! переход на 5-й уровень обобщения, авт.>, и, кроме того, давать средства для теоретического вычисления случаев, когда известные формулы непримени-
мы" [23, с. 11]13.
В трактате "Динамическая теория электромагнитного поля" Максвелл писал следующее:
"Чтобы ввести эти результаты в сферу символического исчисления, я <Максвелл> выражаю их в форме общих уравнений электромагнитного поля" [23, с. 261].
Объединяющим для законов теории принципом явился принцип сохранения, в работах Максвелла - принцип сохранения энергии ("Трактат об электричестве", т. 2, гл. 23, §856):
"... если принять принцип сохранения энергии, то явления индукции, открытые Фарадеем, следуют с необходимостью" [24, т. 2 с. 375]14. (Принцип сохранения энергии - это общий принцип для множества законов, открытых на 4-м уровне обобщения.)
Аналогично теории электромагнетизма, обобщающей законы одной предметной области были построены и другие теории, в иных предметных областях, разросшиеся до целых разделов физической науки, например: молекулярно-кинетическая теория газов, теория относительности, статистическая физика, квантовая физика, физика твёрдого тела, физика полупроводников, ядерная физика и т. д.15
Законы Фарадея,
Закон электромагнитной индукции (Фарадей), и др.
Общая картина такова, что приближённо первыми были открыты законы, касающиеся движения, затем — законы, относящиеся к свойствам газов, затем — относящиеся к электромагнитным явлениям.
13 "Из моего <Максвелл> изложения, надеюсь, будет ясно видно, что я <Максвелл> не задаюсь целью установить какую-нибудь физическую теорию в той области науки, в которой я не произвёл почти ни одного опыта, а имею намерение только показать, каким образом непосредственно применением идей и методов Фарадея лучше всего могут быть выяснены взаимные отношения различных классов открытых явлений" [23, с. 15].
14 Несовместимые с принципом сохранения энергии формулы были отброшены Максвеллом [24, т. 2, с. 375].
15 Метод, который применялся при построении этих теорий - предикативно-аксиоматический, как писал Эйнштейн (1921 г.): "математика является тем, что даёт точным наукам известную меру уве-
2012 Вып. 4(12)
Результаты этих теорий получили практическое применение.
Наряду с принципами сохранения16 (заряда, четности и т. п.) рассматривались и принципы несохранения, нарушения симметрии [27]; появились понятия самосогласованных констант, самосогласованного поля, самосогласованных теорий (см., напр. [18]).
Однако переход на следующий уровень развития науки, на высший уровень отражения действительности в сознании, связан уже с тем, что развитие науки подчинено воспроизводству непредикативной (самоссылоч-ной) системы ценностей - с обеспечением продолжения существования человечества в
17
неограниченно продолжающемся времени17.
6. (С кон. XX в.) Поскольку физика как основа технологий направлена на удовлетворение потребностей человека, то определяющим в её развитии является непредикативная система ценностей [53], выражающаяся в системе потребностей человека. В этом смысле развитие физики подчиняется потребностям сохранения существования человечества в неограниченно продолжающемся времени.
Таким образом, на этом этапе развития физика достигает наивысшего (6-го) непредикативного уровня, хотя все закономерности и теории предыдущих уровней продолжают уточняться и совершенствоваться в их описа-
ренности; без математики они не могли бы ее достичь. . Полной ясности в этом вопросе, как мне <Эйнштейну> кажется, можно достичь лишь с помощью того направления в математике, которое называется "аксиоматика"" [58, с. 83]. Ограничения аксиоматического метода, выраженные в теоремах Гёделя, связанные с нереализуемостью в предикативных формальных системах непредикативных (самоссылочных) конструкций, ограничивают и физические теории, см. [52].
ЕшХ одни непредикативные физические представления о нелокальности массы (о том, что имеется одна единственная масса, распределенная с плотностью гравитационного потенциала, масса, гравитационно взаимодействующая сама с собой и структурированная иными взаимодействиями, см. рис. 3), объясняющие мгновенное действие гравитации, требуют отдельного описания.
16 Был открыт принцип сохранения в замкнутой системе (без внешних воздействий) суммы мер информации и энтропии, известный как теорема Але-сковского, I + S = 1 [1].
17 В прикладном плане - использование солнечной
энергии для сохранения биосферного равновесия -уже практически достижимо [36].
Математика. Механика. Информатика
нии. Развитие физики запаздывает по отношению к самоосознанию и математике, этот этап в настоящее время является открытым для продолжения развития.
4. Дополнение: о самоописательности
Высший уровень отражения действительности в сознании человека (см. рис. 1) связан с наличием "самописательности субъекта в самоописательной части описания действительности", - действительно, в современных физических описания действительности имеется некоторая самоописательность, которая онтологически выражается (см. п. 2): а) в самоо-писательности материальной составляющей субъекта, б) в самоописательности некоторых информационных структур, в) непредикативные же конструкции, относящиеся к личности самого человека, - неформализуемы.
Более подробно эти пункты а)-в) таковы.
а) Самоописательность материальной составляющей субъекта наблюдается при описании периодичности в строении материи [48; 46] - см. рис. 3, - строение человеческого организма вписывается в общую периодичность материальных структур.
б) Самоописательность информационных структур (среднего онтологического звена, в отличие от нижнего звена - материи, и верхнего - сознания) выражена в постулировании наблюдателя в физических теориях [51]. Классическая физика описывала внешний материальный мир. С усложнением физических теорий к XX в., описываемыми в терминах физических теорий стали и некоторые информационные процессы. В физических теориях с конца XIX в., кроме материальной действительности постулируется наличие наблюдателя. Но наблюдатель - это, естественно, не живой человек, непосредственно присутствующий в точке наблюдения, а только лишь известная некоторым образом информация о физической системе. Наличие такой информации об описываемой системе является необходимым для её описания. То есть наблюдатель, постулируемый в физических теориях, выступает лишь как наличие информации о состоянии физической системы, но не как живой человек.
в) Сознание (самоосознание) человека, обладающего свободой, очевидно, неформализу-емо в терминах научных теорий18.
18 При описании действительности человек строит образ этой действительности в своём сознании, при
Заключение
Исторические периоды развития физики сведены в таблицу, в ней указано основное содержание этих периодов. Периодизация развития физических представлений примерно совпадает с периодизацией развития математических понятий [43] и периодизацией развития химии [55].
Развитие физики следует общегносеологическим закономерностям последовательного усложнения понятий, достижению следующих уровней абстракции и обобщения, обусловленных структурой отражения действительности в сознании человека.
Содержательно этапы исторического развития научного знания совпадают с возрастными этапами формирования соответствующих понятий (ввиду единства гносеологических оснований схемы отражений действительности в сознании человека [45]), поэтому показанная в таблице схема периодов развития физики в истории соответствует развитию и усвоению физических представлений в системе образования. 4-й этап соответствует появлению гипотетических рассуждений [56], необходимых для экспери-
этом описываемая действительность включает в себя как самого человека, так и описание, находящееся в его сознании (подробно структуры процесса отражения действительности в сознании описаны отдельно, см. рис. 1); однако при этом восприятие самого себя дано человеку и непосредственно - изнутри сознания; таким образом, описание действительности содержит самоописательную часть (непосредственно созерцаемую), описывающую самого человека. Очевидно, что физические теории, описывающие внешний мир, не обладают такой мерой самоописательности, потому выяснение границ корректности физического описания действительности (в которой находится и сам описывающий ее субъект) подлежит уточнению.
Представим мысленный эксперимент. Предположим, что получена полная физическая теория, описывающая всю Вселенную, - говоря простым языком "уравнение всего". Тогда из этого уравнения, описывающего и возникновение Вселенной, должно следовать и описание возникновения человека, в том числе и самих авторов этой теории. То есть из рукописных формул должно следовать появление нерукотворённого человека. Это противоречие показывает ограниченность физических теорий в описании реальности.
И физические теории, очевидно, описывают материальную составляющую реальности, и отчасти - информационную (в виде постулируемого наблюдателя), не описывая однако сознание человека, собственно живого свободного человека.
Периоды развития физики
№ уров- ня Содержание периода развития Исторический период
1 "Конкретные" названия предметов, первоначальные навыки механики Древность
2 Ближайшая причина и механические законы (рычаг, закон Архимеда и т. п.) С IV в. до н. э.
3 Появление понятия времени в законах, последовательность причин, наблюдения за движением небесных тел, распределённые во времени С первых веков н. э.
4 Количественно-функциональные закономерности, появление определений понятий (силы, веса, количества движения и т. п.), открытие законов С кон. XVI в. н. э.
5 Физические теории, обобщающие множества физических законов, - теория электромагнетизма, молекулярно-кинетическая теория и т. п. С серед. XIX в.
6 Описание основ физической науки, широкая непредикативная (самоссылочная) практика применения физики для удовлетворения потребностей человека С кон. XX в.
ментального мышления, и появлению представлений о произвольной причинности и правилосо-образности - 4-му психологическому возрасту (12-17 лет), что соответствует обоснованному началу изучения физики в средней школе (с 7 класса - не ранее, чем с началом этого 4-го возраста, но и не позднее). Последовательность изучения физики от законов (4-й уровень) - к теориям (5-й) - к описанию их оснований и к приложениям в технологиях (6-й) - содержательно совпадает с историей развития физического зна-
19
ния.
Таким образом, периоды развития физики содержательно определены и соответствуют аналогичным периодам исторического раз-
20
вития иных наук20.
19 Отличие заключается в том, что достижения высших уровней (закон сохранения энергии и т. п.), обладающие свойством экономного описания действительности (минимум объема и максиму содержания, - "максимум плотности информации", вносящий порядок в последующее обучение) в образовании предлагаются сразу как известные абстракции, а конкретные закономерности и т. п. формируются от простого - к сложному.
20 В системе образования также имеется необходимый содержательный параллелизм изучения других наук.
2012 Вып. 4(12)
1992-2012
Список литературы
1. Алесковский В. Б. Путь разработки техноло-
гии, не вредящей природе // Журнал прикладной химии. 2002. Т. 75, №. 5. С. 706-713.
2. Антология мировой философии: Античность.
Минск: Харвест; М.: Аст, 2001. 960 с.
3. Аристотель. Собрание сочинений: в 4 т. Т.3 /
ред. и вступ. статья И.Д.Рожанский. М.: Мысль, 1981. 616 с.
4. Архимед. Сочинения / пер., вступ.ст. и ком-
мент. И. Н. Веселовского; пер. араб. текстов Б.А.Розенфельда. М.: Физматгиз, 1962. 640 с.
5. Ахутин А. В. История принципов физического
эксперимента (от Античности до XVII в.). М.: Наука, 1976. 292 с.
6. Боэций. Каким образом субстанции могут быть благими. // "Утешение философией" и другие трактаты. М.: Наука, 1990. С. 161-166.
7. Веселовский И. Н., Белый Ю. А. Николай Ко-
перник. М.: Наука, 1974. 456 с.
8. Выготский Л. С. Вопросы детской психологии // Психология развития ребенка. М.: Смысл: Эксмо, 2003. С. 51-99.
9. Галилей Г. Диалог о двух главнейших систе-
мах мира // Избр. труды: в 2 т. Т.1 / пер. с лат. А.И.Долгова. М.: Наука, 1964.
10. Галилей Г. Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки // Избр. труды: в 2 т. Т.2. / пер. с лат. А.И.Долгова. М.: Наука, 1964.
11. Дорфман Я. Г. Всемирная история физики (с др. времен до кон. XVIII века). М.: Наука, 1974. 352 с.
12. Зубов В. П. Пространство и время у парижских номиналистов XIV в. (К истории понятия относительного движения) // Из истории французской науки. М., 1960. С. 3-53.
13. Зубов В. П. У истоков механики // Григорьян А.Т., Зубов В.П. Очерки развития основных понятий механики. М., 1962. С. 122-142.
14. Зубов В. П. Физические идеи древности // Очерки развития основных физических идей. М.: АН СССР. 1959. С. 11-80.
15. Ибн Сина. Даниш-намэ. Книга знания. Ста-линабад, 1957.
16. История математики: в 3 т. М.: Наука, 19701972.
17. Кузанский. Николай. Сочинения: в 2 т. М., Т.1. 1979. Т. 2. 1980.
18. Куземский А. Л. Самосогласованная теория электронной корреляции в модели Хаббарда // Теоретическая и математическая физика. 1978. Т. 36, № 2. С. 206-223.
19. Лосев А. Ф. История античной эстетики (ран-
Математика. Механика. Информатика
няя классика). М.: Высшая школа, 1963. 584 с.
20. Лукреций К. Т. О природе вещей: в 2 т.,
М.;Л., 1946-1947. См. также: URL:
http : //nsu.ru/classics/bibliotheca/lucretius . htm # (дата обращения 10.01.2012).
21. Любимов Н. А. История физики: в 3 т. Б/м. 1892-1896.
22. Маковельский А. О. Древнегреческие атомисты. Баку, 1946.
23. Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля / пер. З.А.-Цейтлина, под ред. П.С.Кудрявцева. М.: ГИЗ ТТЛ, 1952. 688 с.
24. Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве: в
2 т. М.: Наука, 1989.
25. Ньютон И. Математические начала натуральной философии / пер. и коммент. А.Н.-Крылова. М.: Наука, 1989.
26. Хайям Омар. Трактаты / gер. А.П.Юшкевича; ct и коммент. Б.А.Розенфельда и А.П.Юшкевича. М.: Изд-во. dост. лит. 1961.
27. Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1988. 272 с.
28. Очерки развития основных физических идей. М.: АН СССР,1959.
29. Пиаже Ж. Избранные психологические труды. М., 1994.
30. Прокл. Первоосновы теорлогии // Лосев А.Ф. История античной эстетики (высокая классика). М.: Искусство, 1974. С. 458-536.
31. Подосетник В.М. К вопросу о ступенях процесса познания истины // Вопросы философии. 1954. №5. С. 77-81.
32. Спасский Б.И. История физики: в 2 ч. М.: Высшая школа, 1977. 320+309 с.
33. Тредер Г. Ю. Эволюция основных физических идей / пер. с нем. Л.Г.Мищенко; ред. Д.Л.Иваненко. Киев: Наукова думка, 1989. 366 с.
34. Фарадей М. Избранные работы по электричеству / пер. З.А.Цейтлина. М.;Л.: ГОНТИ, 1939. 304 с.
35. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству: в 3 т. / пер. с англ. М.,: АН СССР, 1947-1959.
36. Чечулин В. Л. К обеспечению долгосрочного биосферного равновесия // Экологический вестник России. 2007. №4. С. 47-48.
37. Чечулин В. Л. О последовательности уровней абстрактного мышления в ее развитии // Актуальные проблемы психологии развития: субъект, личность, индивидуальность. Перм. гос. ун-т. Пермь, 2009. С. 121-125.
38. Чечулин В. Л.. Ясницкий Л. Н. Некоторые ограничения алгоритмически реализуемых
нейронных сетей // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2010. №12. С. 3-6.
39. Чечулин В. Л. О развитии самопознания в истории литературы // Психология познания: актуальные проблемы: матер. Междунар. науч.-практ. конф. при ПГУ. Пермь, 2008, С.152-155.
40. Чечулин В. Л. К описанию исторического формирования психосоциальной структуры самоосознания // Ментальность, общество, экономика: проблемы развития России: матер. Междунар. науч.-практ. конф. при ОрГ-ТУ (Россия). Орел, 2007. С. 198-202.
41. Чечулин В. Л. О гносеолого-психологических основаниях философии права // Философия права. 2010. №1. С. 101-106.
42. Чечулин В. Л. О кратком варианте доказа-
тельства теоремы Нагорного об условиях удвоения слов в конечном алфавите // Университетские исследования, 2010 (раздел: математика). URL: http://www.uresearch.psu.
ги/й^/а111с^/258_9971^0с (дата обращения 10.01.2012).
43. Чечулин В. Л. Иерархия 6-ти уровней основ-
ных математических понятий // Университетские исследования, 2010 (раздел: математика). П^: http://www.uresearch.psu.ru/
А^/а111с^/191_31748^ос (дата обращения 10.01.2012).
44. Чечулин В. Л., О последовательности 6 исторических этапов появления основных математических понятий // Вестник Пермского университета. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2010. Вып. 2 (2). С. 115-124.
45. Чечулин В. Л. Структурирование системы об-
разования // Университет в системе непрерывного образования: матер. Междунар.
науч.-метод. конф. при ПГУ. Пермь, 2008. С. 59-60.
46. Чечулин В. Л. О периодичности в строении материи // Актуальные проблемы философии, социологии, политологии и психологии; матер. 12-й Междунар. аспирантской конф. при ПГУ. Пермь, 2009. С. 107-109.
47. Чечулин В. Л. Связь моделей эмоциональных характеристик с общей теорией психологии личности // Гипотезы и алгоритмы математической теории исчисления эмоций / под. общ. ред. О.Г.Пенского. Пермь, 2009. С.143-146.
48. Чечулин В. Л. Периодичность в строении ма-
терии и ее отличие от иных структурных закономерностей // Университетские исследования, 2009 (раздел: философия).
иЯЬ: http://www.uresearch.psu.ru/files/artide s/48_51145.doc (дата обращения
10.01.2012).
49. Чечулин В. Л. Теорема об одном свойстве гносеологического отражения // Университетские исследования, 2010 (раздел: мате-
2012 Вып. 4(12)
матика). URL: http://www.uresearch.psu.ru/ files/articles/59_28971 .doc (дата обращения
10.01.2012).
50. Чечулин В. Л. Об основаниях системы кри-
зисов развития личности и структурировании отклоняющегося поведения // Университетские исследования, 2010 (раздел: пси-хология).URL: http://www.uresearch.
psu.ru/files/articles/189_87481.doc (дата обращения 10.01.2012).
51. Чечулин В. Л. Сандакова О. В. Об ограниченности описания реальности в физических теориях // Философия физики: матер. конф. при МГУ. М., 2010.
52. Чечулин В. Л. Теория множеств с само-
принадлежностью (основания и некоторые приложения) / Перм. гос. ун-т. Пермь,2010. 100 с. URL: http ://elibrary. ru/item. asp ?
id=15267103 (дата обращения 10.01.2012).
53. Чечулин В. Л. Модели безынфляционного состояния экономики и их приложения /
Математика. Механика. Информатика
Перм. гос. ун-т. Пермь, 2011. 112 с.
иЯТ: http: //www . psu. ш^^/Ше s/0444/chech ulin_modeli_ekonomiki.pdf (дата обращения
10.01.2012).
54. Чечулин В. Л. Развитие понятия причинности в истории науки // Актуальные проблемы Росс. философии: сб. тр. Всерос. конф. Пермь,2011. С. 213-216.
55. Чечулин В. Л. К философии истории химии
// Вестник Пермского университета. Сер.. Философия. Психология. Социология.
2011. Вып. 4 (8). С. 38-43.
56. Чудинова Е. В. Работа с гипотезами детей
в системе обучения Эльконина-
Давыдова // Вопросы психологии. 1998. №5. С. 85-89.
57. Шибутани Т. Социальная психология. Ростов н/Д: Феникс, 2002.
58. Эйнштейн А. Геометрия и опыт // Собрание научных трудов: в 4 т. Т. 2. М.: Наука, 1966,
С. 83-94.
For the periodisation of the history of phisics
V. L. Chechulin
Perm State University, Russia, 614990, Perm, Bukirev st., 15 chechulinvl@mail.ru; (342) 2-396-424
On the basis of epistemological patterns described by six-layer sequence complexity of physical concepts. It is shown that at higher levels of development of the physics associated with the development of the mathematical formalism describing physical phenomena. Periods allocated to the development of physics are the same as a whole with the periods of other sciences (mathematics, chemistry, etc.). Due to the fact that the pattern of epistemological sophistication level of abstraction of the concepts seen in the development of an individual, stated that the study of physics in the education system (by stage of complexity of concepts) follows the historical development of physics.
Key words: reflection of reality in the minds of the hierarchy of levels of abstraction; the history of physics; the periods of development ofphysics; experimental science; the value of goal-setting research.
