Привет, Хабр! Сегодня в академической среде преобладает негласное мнение, что истина, как конечное знание о законах Природы, существует, и задача науки — найти её. При этом считается, что в некоторых областях физики это знание уже достигнуто (в пример обычно приводят специальную и общую теории относительностей, квантовую механику или квантовую электродинамику), что делает эти теории «неприкасаемыми» для любой критики. Анализ вопроса о существовании истины и истинных теорий начнем с того, что сначала определим, что такое физическая теория. Если открыть классический «Физический энциклопедический словарь» (под ред. А. М. Прохорова), то обнаружится, что это фундаментальное понятие там явно не определено. Множество же других вариантов, встречающихся в открытых источниках, носят сугубо описательный характер. Поэтому за основу возьмем следующее определение:
Физическая теория — это способ описания окружающего мира, в котором свойства объектов и их взаимосвязи отображены посредством физических величин, в форме составленных из них математических соотношений.
Важнейшей составляющей любой физической теории являются постулаты. Сегодня постулат физики и аксиому математики зачастую ошибочно отождествляют. Чтобы показать их отличие, сначала определим, что такое аксиома. В математике истинность того или иного утверждения считается доказанной, если показано, что оно не противоречит аксиомам или ранее доказанным теоремам. Но, поскольку теорема — это одно из доказанных утверждений, все замыкается на аксиоме. Классическое определение аксиомы — «утверждение, принимаемое без доказательств» — ничего не определяет, поскольку позволяет объявить аксиомой любое, в т. ч. и бессмысленное утверждение. Чтобы выйти из этого логического тупика, сначала определим, что утверждение является истинным, если оно очевидно, либо сводится к совокупности очевидных утверждений. Тогда аксиому можно определить так:
Аксиома — это элементарное, то есть не сводимое к более простым, утверждение, истинность которого не нуждается в доказательстве в силу своей очевидности.
То есть аксиома, как и построенная на ней аксиоматическая теория, опирается на очевидность. Очевидность, это достаточно неопределенное понятие, но иных критериев истины в математике нет. Постулат физической теории принципиально отличается от аксиомы тем, что он опирается на опыт. По своему смыслу постулат — это всегда интерпретация какого‑то опыта, она разъясняет причины явления, которое наблюдается в этом опыте. Классический пример тому — история возникновения термодинамики. В XVIII веке физики не могли описать тепловые явления потому, что понятий ньютоновской механики (масса, длина, время) для этого было недостаточно. То есть тепловые явления были известны давно, но количественно описать их было невозможно. В 1789 году Антуан Лавуазье предложил решить эту задачу путем введения новой сущности — теплорода (calorique). Тогда известные тепловые явления можно было интерпретировать и количественно описать в рамках следующих свойств этой сущности:
• Теплород — это невесомая, без цвета, вкуса и запаха жидкость, содержание которой в теле определяет степень его нагретости, то есть его температуру.
• Теплород самопроизвольно перетекает от нагретых тел к холодным тем быстрее, чем больше разность их температур, площадь контакта и его теплопроводность.
Формально эти два утверждения выражаются следующими математическими соотношениями: Q=T⋅m⋅c; q=(T1−T2)⋅S⋅α, Эти соотношения образуют базис классической термодинамики, поскольку любое её соотношение может быть сведено к этим двум уравнениям.
Таким образом, задача любой новой физической теории — это описание явлений, которые в рамках прежних теорий описать невозможно. Для решения этой задачи автор теории использует новые сущности, которые позволяют объяснить суть этих явлений. Эти сущности в новой теории постулируются, то есть принимаются без доказательства, поскольку они соответствуют опыту по определению. Поэтому любую постулированную физическую теорию, по принципу ее построения, можно определить так:
Постулированная физическая теория — это математическое описание группы физических явлений, суть которых автор теории формулирует в виде её постулатов.
Зачастую постулаты теории могут быть явно не выражены. Например, если запросить постулаты квантовой механики, то в учебниках можно найти от четырех до семи тезисов математического толка (аксиоматика фон Неймана — Дирака: пространства Гильберта, эрмитовы операторы). Однако как физическая теория квантовая механика опирается всего на два постулата:
Корпускулярно‑волновой дуализм (гипотеза Луи де Бройля, 1924 г.): материальные объекты одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами, при этом волновые становятся превалирующими по мере уменьшения массы тела. Например, играя в бильярд, мы рассчитываем траекторию движения шара, используя его размеры и положение на столе. Если же шары уменьшить до размера электрона, то у них станут преобладать волновые свойства и перечисленные выше параметры станут неопределенными.
Квантование действия и неопределенность (принцип Вернера Гейзенберга, 1927 г.): состояние физической системы не может быть изменено или измерено без неустранимого воздействия, минимальная величина которого определена квантом действия — постоянной Планка h. Из этого следует, что сопряженные физические величины, например, координата x и импульс микрообъекта p не могут одновременно иметь точные значения: Δx⋅Δp≥2ℏ. Что касается тезисов, которые сейчас заявляют в качестве постулатов квантовой механики, то они определяют математическое устройство этой теории, но не суть явлений, для описания которых эта тория была создана.
Свойства физических теорий
Поскольку постулаты физической теории формулируются из опыта, полученные из них новые соотношения будут заведомо соответствовать опыту. Отсюда вытекает главное свойство постулированной теории:
Постулированная теория является внутренне непротиворечивой конструкцией.
Внутренняя непротиворечивость теории означает, что получить в ее рамках соотношения, которые будут противоречить опыту, невозможно. Поэтому постулированная теория в рамках своих полномочий не поддается фальсификации по принципу Карла Поппера.
Объективность постулированных сущностей
Соответствие выводов теории опыту не означает, что постулированные ею сущности существуют в объективной реальности. Например, теплород как предмет исследования классической термодинамики в природе не существует. Доказать объективный характер любой физической сущности можно только в независимом опыте, то есть в опыте, отличном от тех, на основе которых сущность вводится как понятие. Поэтому такие категории, как искривленное пространство‑время или силовые линии полей, нельзя считать объективными физическими объектами. Опытов, доказывающих их существование отдельно от явлений, на основании которых они вводились, нет.
Ограниченность физической теории.
Постулированная физическая теория описывает только то, что заложено в её постулатах.
Что касается предсказательной способности теории, то это всего лишь выводы, которые явно не следуют и ее постулатов. Всё, что выходит за рамки постулатов, теория не может описать в принципе. Например, классическая термодинамика не способна описать диффузию или броуновское движение, так как в её постулатах у вещества нет структуры. Эти и другие подобные явления описывает современная термодинамика. Эта теория опирается на два постулата, первый из которых утверждает, что вещество состоит из мельчайших частиц. Согласно второму постулату, тепло — это обобщенная характеристика их непрерывного и беспорядочного движения.
Сила этих постулатов заключается не только в их наглядности (пример тому — броуновское движение). Эти постулаты позволяют просто и последовательно доказать, что тепло — это один из видов энергии. Поэтому становится очевидным принцип работы тепловых двигателей, преобразующих тепло в механическую энергию.
Критерий истинности теории
Тепловые явления сейчас описывают две теории, которые опираются на принципиально разные представления (постулаты) о тепле. В связи с этим возникает вопрос, какая из этих теорий истинная. Можно было бы заявить, что классическая термодинамика — это ложная теория, поскольку теплород в природе не существует. Но здесь есть проблема. Все выводы классической термодинамики безупречно подтверждаются не только опытом, но и практикой: инженеры‑теплотехники по сей день рассчитывают тепловые сети и турбины по её уравнениям, а квитанции за отопление выписываются в единицах измерения теплорода (гигакалориях). То есть, не только опыт, но и практика подтверждают правильность классической термодинамики. Отсюда следует фундаментальный вывод:
Опыт не является критерием истинности физической теории.
Реальный критерий истинности в науке, и в физике в частности, формирует консенсус научного сообщества. История показывает, что мнение этого сообщества нередко ставилось выше данных прямого эксперимента. Например, советский химик Б. П. Белоусов открыл колебательные химические реакции, но отечественные журналы отказывались публиковать его открытие, утверждая, что периодические реакции противоречат второму началу термодинамики. Второй случай — падение метеоритов (1772 г.). Парижская академия наук официально отвергала сообщения о падении камней с неба, мотивируя это тем, что «в небе нет камней».
Отсутствие объективного критерия истинности физической теории приводит к двум фундаментальным вопросам: в чем цель науки, и какова цель образования. Чтобы ответить на эти вопросы, следует вспомнить, что с древнейших времен то, что сейчас называется наукой, было способом изучения свойств окружающих тел для их использования в строительстве, металлургии и иных видов деятельности человека. И именно эти знания, которые сейчас называются технологиями, обеспечивали развитие человеческого общества. Поэтому то, что мы сейчас называем физикой, всегда изучало мир с практической точки зрения. Отсюда цель этой науки можно определить так:
Научное описание мира — это способ его подготовки к преобразованию в среду обитания человека инженерными методами.
Инженеры строят свои машины и технологии, используя математический аппарат и количественные знания свойств окружающего мира. Поэтому с момента возникновения и по сей день, задача физики сводится к описанию окружающего нас мира в форме, которая понятна для инженеров. Такая цель физики позволяет заменить несуществующий критерий «истинности» физической теории на критерий ее эффективности:
Из двух теорий более эффективной является та, которая меньшим числом постулированных утверждений позволяет описать большее число природных явлений.
Например, современная термодинамика заменила классическую не потому, что она «истиннее» предшественницы, а потому, что при том же числе постулатов она описывает более широкий спектр явлений, полезных для инженеров. К этому можно добавить, что физическая теория — это более эффективный инструмент поиска новых свойств материального мира, чем, например, метод «экспериментального тыка». Когда этот инструмент несовершенен, прогресс останавливается. Например, отсутствие теории высокотемпературной сверхпроводимости не позволяет получить сверхпроводящие материалы, пригодные для использования в энергетике. Неполнота теории атомного ядра приводит к тому, что на протяжении почти ста лет инженерам не удается создать устойчивые условия для управляемого термоядерного синтеза.
В заключение — о цели образования. У образования этих целей две. Первая — это воспроизведение научных кадров, задача которых описана выше. Вторая цель — это просвещение общества в целом. Это крайне важно потому, что позволяет сосредоточить усилия и ресурсы общества на достижении реальных целей и игнорировать нереальные. Например, представление общества о плоской Земле приводило к совершенно нереальной цели достичь края Земли, а кругосветное плавание делало совершенно нереальной целью. Такие «плоские Земли» в общественном сознании всегда есть, и цель науки — их вытеснение из общественного сознания.
Вывод: Абсолютной истины в физике не существует, а вера в нее ведет к догматизму. Настоящая цель этой науки — создание всё более эффективных теорий‑инструментов, позволяющих инженерам преобразовывать окружающий мир на благо человека.
