Структура оснований раздела физики

Результат этих методологических революций можно представить в виде изображенной на схеме 9.2.1 структуры, которая в случае А = ПИОj выступает как структура ОРФj, а в случае А = ВИО – как структура теоретического описания соответствующего процесса (эмпирического явления).

Схема 9.2.1. Структура теоретического описания физического процесса и оснований раздела физики (при А = ПИО)

В этой структуре выделены, во-первых, теоретическая (описание поведения ИО) и операциональная ("материализация" ИО) части. Во-вторых, в теоретической части выделены математический и модельный слои. Модельная часть содержит два главных понятия: физической системы (объекта) А (ПИО или ВИО) и ее состояний в момент времени t (SA(t)). С их помощью осуществляется теоретическое описание обобщенного движения (процесса) как перехода физической системы из одного состояния в другое. Связь между состояниями задается с помощью математического слоя (в этом его смысл и функция), в котором уравнение движения (УД) – центральный элемент. Уравнение движения содержит, в том или ином виде, математические образы физической системы f(А) и ее состояний f(SA), а также внешнего воздействия f[F(t)]^[1] (математические образы – это определенные типы математических структур – векторы, тензоры, операторы и т.п.). Таким образом, время в динамике играет особую роль – оно нумерует состояния (в некоторых разделах физики, например равновесной термодинамике, эту роль играют другие измеримые величины).

Набор возможных состояний является важнейшей характеристикой физической системы. Состояние – это понятие, описывающее изменение (движение) системы и дающее полную возможную информацию о системе в данный момент времени, а посредством уравнения движения – и в другие моменты времени. Это определяет понятие состояния физической системы, которое тесно связано с другими элементами структуры, изображенной на схеме 9.2.1.

Кроме указанных элементов теоретической части, физическая система ПИО и ее исходное состояние должны иметь материальную эмпирическую реализацию, а измеримые величины (расстояние, скорость, масса и т.п.), которые входят в физическую модель системы и ее состояний, должны иметь соответствующие эталоны и операции сравнения с эталоном. Это обеспечивают указанные выше операции приготовления (или выбора) и измерения, составляющие "операциональную" часть, которая непосредственно

связана с модельным слоем теоретической части (а через него опосредованно – с математическим слоем). Отметим, что даже в случае, когда явление существует только в сложной лабораторной установке (например, сверхпроводимость), речь идет о приготовлении системы в некотором состоянии, которая далее ведет себя "естественно" (в технике приготовляется весь процесс, суть машины – в осуществлении определенного процесса, этим процесс, обеспеченный шестеренчатыми передачами, отличается от падения тела).

При этом имеются в виду идеальные проекты приготовления и измерения, которые реализуются в рамках конкретных материалов и технических возможностей с определенной точностью (речь идет о различии между, скажем, идеальным амперметром или термометром и реальными приборами, обеспечивающими определенную точность).

Введение вместо расплывчатых позитивистских "наблюдаемых" четких понятий "приготовляемой системы" в определенном состоянии (электрон "ненаблюдаем", но "приготовляем") и "измеримой величины" (величина заряда "ненаблюдаема", но "измеряема") снимает трудности с включением в описание эксперимента приборов. Предложенная схема может быть развита для описания сколь угодно сложного эксперимента с применением сложных приборов, использующих сложные теории. Пример такого описания дан в параграфе 10.2, для эксперимента на ускорителе элементарных частиц.

Очень важно различение между теоретической и операциональной частями, фиксация границы между ними. Вторая принадлежит сфере технических действий, первая – сфере умозрения о природе. Например, приготовление гладкой наклонной плоскости или измерение длины линейкой относятся к техническим действиям, а не природным явлениям, хотя они могут включать приборы, имеющие в своем составе "теоретически нагруженные" элементы (части), т.е. элементы, которые можно описывать как ВИО. Но прибор, наряду с этим, обязательно содержит техническую часть типа сравнения с эталоном, которая не является предметом естественной науки (к этому вопросу мы еще вернемся в параграфе 15.4).

В случае А = ПИО схема 9.2.1 превращается в схему ОРФ, схему, описывающую систему постулатов, определяющих базовые понятия раздела физики, включая ПИО и операции по их "материализации". Изображенная на схеме (9.2.1) структура имеет место для всех разделов физики. От раздела к разделу меняется лишь содержательное наполнение указанных на ней элементов.

Опираясь на схему 9.2.1, можно указать систему постулатов, которые составляют ОРФ (когда система А – это ПИО) и с помощью неявного типа определения задают базовые понятия [21].

Общими для всех разделов физики являются представление о движении как смене состояний физической системы (объекта) (9.1.3)^[2] и пространство и время как вместилище объектов и событий (см. гл. 14). Содержательное наполнение остальных пунктов для разных разделов физики может отличаться.

Особого обсуждения требует вопрос о том, как выделяются физические явления и как для них ищется ВИО-модель. При построении ВИО-модели используется базовая "физическая картина мира" в виде набора {ПИОj}^[3]. При этом и выделение явления (того, что требует объяснения), и построение для него ВИО-модели требуют определенных навыков, которые вырабатываются в процессе обучения в ходе решения многочисленных учебных задач, участия в исследованиях с более опытными коллегами. Полезным здесь является и знание исторических примеров. Последние дают представление и о ПИО-типе работы. Из истории науки можно понять, откуда и как появляются новые ПИО. Из нее очевидно, что в XVII–XVIII вв. они берутся из частных задач. Некоторые из них возникают из эмпирических явлений (с этого, по-видимому, начиналась гидродинамика у Бернулли). Сюда же, наверное, следует отнести механику и теорию тяготения Ньютона, строившиеся для вывода эмпирических законов Кеплера, опиравшихся на наблюдения за движением планет Тихо Браге.

Другие ПИО возникают в ходе решения теоретических проблем, типа теоретического описания брошенного (падающего) тела, проблемы, доставшейся Галилею по наследству от Аристотеля. В XIX в., на примере создания электродинамики, видно, что создание оснований нового раздела физики со своими ПИО связано с наведением порядка среди множества эмпирических законов. В XX в. характерной чертой является фаза формулирования теоретического противоречия, разрешение которого приводит к новому разделу физики. Так возникли специальная теория относительности (СТО) и общая теория относительности (ОТО), а также квантовая механика, которая как раздел физики создается в 1925–1927 гг. во многом как решение парадокса корпускулярно-волнового поведения, зафиксированного гипотезой де Бройля в 1924 г. (ей предшествует старая квантовая теория, которая решала проблемы спектра черного тела, атома водорода и фотоэффекта, тоже сформулированные в форме противоречия).