Д. Xолтон "Эйнштейн, Майкельсон и «решающий» эксперимент"
Книга четыреста сорок вторая
Д. Xолтон "Эйнштейн, Майкельсон и «решающий» эксперимент"
В книге "Эйнштейновский сборник 1972" М: Наука, 1974 г. 108 стр.
http://www.twirpx.com/file/177973/
и как приложение Р. Шэнкленд "Беседы с Альбертом Эйнштейном", журнал "Успехи Физических Наук", 1965, декабрь, Том 87, вып. 4 стр. 711-722
Большая статья, по сути небольшая книга по истории науки, точнее - физики. А еще точнее - историко-научное исследование, даже расследование происхождения специальной теории относительности. Все мы "знаем", что специальная теория относительности родилась из необъяснимого отрицательного результата эксперимента Майкельсона по измерению скорости движения Земли относительно мирового эфира. Так написано во всех учебниках физики и уж точно во всех научно-популярных книгах, по крайней мере в большинстве из них. Но я не случайно взял слово "знаем" в кавычки - автор этой работы задался вопросом, а действительно ли это так? И в этом исследовании он показывает, что нет, истоки теории относительности лежат не в эксперименте Майкельсона, про этот эксперимент если Эйнштейн и знал, но не его парадоксальный результат побудил мысль Эйнштейна к созданию его теории:
Как сказал Эйнштейн почти сорок лет спустя в своих «Автобиографических заметках», «специальная теория относительности обязана своим возникновением уравнениям Максвелла для электромагнитного поля. И обратно, только специальная теория относительности дает уравнениям Максвелла удовлетворительное формальное толкование»
с 149
«Влияние решающего [знаменитого] эксперимента Майкельсона - Морли на мои собственные усилия [размышления] было довольно косвенным. [...] К специальной теории относительности меня более или менее [опустить более или менее] привело убеждение, что электродвижущая сила, действующая на тело, перемещающееся в магнитном поле, есть не что иное, как электрическое поле. Но я руководствовался также результатами опытов Физо и явлением аберрации.
Конечно, нет логического пути, приводящего к созданию теории; существуют лишь осуществляемые на ощупь конструктивные попытки, контролируемые посредством тщательного анализа познанных фактов».
с 142-143
«Что привело меня более или менее непосредственно к специальной теории относительности, - это убеждение, что электромоторная сила, действующая на тело, движущееся в магнитном поле, есть не что иное, как электрическое поле»
с 150
...ни Майкельсон, ни Эйнштейн не считали знаменитый эксперимент для себя «решающим», чтобы не сказать «критическим».
с 141
Статья Холтона нацелена на две задачи: во-первых, доказать, что Эйнштейн не основывался на эксперименте Майкельсона, а во-вторых понять, как устроено мышление ученого и как и из чего возникают новые теоретические идеи.
Основной объем статьи относится к первой задаче - тут в ход идет изучение высказываний самого Эйнштейна о корнях и обстоятельствах возникновения специальной теории относительности, и характер эйнштейновой мысли в других его работах, в частности, в статьях по фотоэффекту; исследование приобретает характер расследования, когда автор изучает те книги, которые Эйнштейн мог читать до 1905 года (дата выхода первой статьи по СТО) или когда он сличает английские переводы высказываний Эйнштейна с немецкими оригиналами. Читается это как историко-научный детектив.
Вторая задача статьи - теоретическая - еще более интересна. Как рождаются научные гипотезы? Какие из них выживают? Что такое гипотезы ad hoc и все ли гипотезы - ad hoc? (вот этот анализ был для меня нов) И как устроено мышление ученого, по крайней мере в естественных науках?
Разумеется, первая задача решена более основательно, чем вторая - просто потому, что первая задача вообще может быть удовлетворительно решена. Что касается второй задачи, то это направление мысли в более разработанном и глубоком виде вошло в "Методологию исследовательских программ" Имре Лакатоса (я писал об этой книге два года назад). В той книге Лакатоса я встречал ссылку на эту работу Холтона, но узнал о ней я раньше - от flying_bear в одной жж-дискуссии о науке (судя по дате файла с книгой - сентябрь 2011 г, или у него в жж, или у И-П).
Собственно, краткое изложение "о чем эта книга" закончено, а дальше, как всегда, много интересных цитат (если кому сама тема интересна, разумеется).
Начинается эта работа с изложения истории эксперимента Майкельсона и истории специальной теории относительности - точнее, с истории восприятия этих вещей физиками того времени:
Если результат опыта Майкельсона представляется непостижимым на протяжении долгого времени (Свенсон показал, что он оставался неубедительным вплоть до 1920 года), то теория относительности для большинства физиков казалась еще более непостижимой при ее выдвижении в 1905 году и в течение некоторого времени спустя.
с 114
Дальновидный физик В. Вин заблаговременно опубликовал свое несогласие с теорией относительности, в справедливости которой он не был убежден вплоть до 1909 года; последующее же признание было связано не с каким-либо определенным экспериментальным доказательством, а скорее с эстетическими соображениями, выраженными в словах, которые Эйнштейн должен был оценить: «Однако, что больше всего говорит в пользу теории, так это внутренняя согласованность, которая позволяет заложить непротиворечивый фундамент, относящийся ко всей совокупности физических явлений, хотя при этом привычные представления испытывают трансформацию».
с 115
Окончательно специальная теория относительности была принята во всем ученом мире как фундаментальная часть физики благодаря событиям, вышедшим далеко за рамки самой статьи Эйнштейна 1905 года. Прежде всего среди этих событий были такие экспериментальные достижения, как экспедиция по исследованию затмения в 1919 году, приведшая к успешной проверке предсказаний общей теории относительности, применение релятивистских расчетов для объяснения, тонкой структуры спектральных линий, эффекта Комптона и т. д. Тем временем для интересующейся публики и для многих физиков результат Майкельсона оставался той опорой, которая поддерживала теорию относительности, особенно перед лицом ее вызывающих парадоксов и иконоборствующих требований.
с 116
Если это так, если СТО поначалу выглядела еще более парадоксально, чем отрицательный результат опыта, то почему же родилась легенда о "решающем эксперименте"? Тут Холтон обращает внимание на то, что логика научного знания совсем не совпадает с логикой возникновения этого знания - это просто разные вещи.
Можно это проиллюстрировать на примере школьной задачки: "Решить уравнение 2x = 3-x". Решить ее явно логарифмированием или иными преобразованиями не получится. Но можно заметить, что слева стоит возрастающая функция, а справа - убывающая. Т.е. решение существует и ровно одно. И потом уже перебором находим, что x=1. Заметили, где здесь логика математики и где логика поиска? Логика математики - в изложении результата: "x=1 является решением (21 = 3-1) и это решение единственно"; логика поиска содержится в словах "перебором находим", и эта логика основывается отнюдь не только на математических посылках - в частности, она включает в себя соображение, что задача школьная, т.е. перебирать надо не слишком мудреные значения. Могла эта логика поиска нас подвести? - Да запросто, уравнение 2x = 2-x уже так не решается.
Но вернемся к статье Холтона. Он обращает внимание, что изложение в учебниках следует логике результата, логике того, как устроено готовое знание. И, в частности, тому, как, с философской точки зрения, это знание вообще должно бы возникать. Рубеж XIX-XX веков, позитивизм, "экспериментизм" - наследники индуктивного учения Френсиса Бэкона о том, что результаты наблюдений и экспериментов индуцируют теорию:
...при отсутствии ясного обоснования того или иного пути a priori велика вероятность того, что в педагогическом изложении любого предмета науки будет внушаться мысль о наличии генетической связи, ведущей от эксперимента к теории. Почти каждый учебник по необходимости придает большое значение ясной, недвусмысленной индуктивной аргументации. Если бы учебник иногда допускал возможность корректных обобщений и без опоры на такое однозначное экспериментальное обоснование, то вся система преподавания была бы поставлена под угрозу.
с 119
Поэтому в учебниках мало говорится о временами драматической борьбе, которая иногда требовалась для постепенного принятия новой теории. Этот недостаток хорошо согласуется с другой, моральной функцией учебников, которая заключается в том, чтобы умышленно ослабить роль личных побуждений и борьбы при выполнении ученым его научной работы; это помогает подвести студента к тому, что автор учебника, возможно, бессознательно, обычно понимает под общепринятыми нормами профессионального поведения.
Авторы учебников, вероятно, не могут и определенно не хотят иметь дела с личным аспектом в развитии науки, аспектом, который может сильно различаться от одного ученого к другому и который в любом случае очень далек от полного понимания. Оказывается проще иметь дело с общественным аспектом науки, относительно которого существует некоторое (хотя, возможно, и ложное) согласие.
с 120
Далее Холтон переходит к рассмотрению того, как было устроено научное сознание Эйнштейна. Его высказывания о возникновении СТО как ответа на задачу уравнять все инерциальные системы отсчета с точки зрения электродинамики я привел выше; но он высказывался и непосредственно о том, как устроено (его) научное познание:
«Замечательный характер имеет взаимосвязь, существующая между наукой и теорией познания. Они зависят друг от друга. Теория познания без соприкосновения с наукой вырождается в пустую схему. Наука без теории познания (насколько это вообще мыслимо) становится примитивной и путаной. Однако, если философу, занимающемуся поисками стройной системы, удается разработать такую систему, он тотчас же начинает интерпретировать содержание науки в духе своей системы и отвергать все, что выходит за рамки этой системы. Ученый же не может позволить себе зайти столь далеко в своем стремлении к теоретико-познавательной систематике. Он с благодарностью принимает гносеологический анализ понятий, но внешние условия, поставленные перед ним опытными фактами, не позволяют ему чрезмерно ограничивать себя принадлежностью к некоторой философской системе при построении понятий. Поэтому в глазах последовательно мыслящего философа он предстает как оппортунист, бросающийся из одной крайности в другую. Как человек, пытающийся описать мир, не зависящий от актов восприятия, он кажется реалистом. Как человек, считающий понятия и теории свободными (не выводимыми логическим путем из эмпирических данных) творениями человеческого разума, он кажется идеалистом. Как человек, считающий свои понятия и теории обосноваными лишь в той степени, в какой они позволяют логически интерпретировать соотношения между чувственными восприятиями, он является позитивистом. Он может казаться точно так же и платонистом и пифагорейцем, ибо он считает логическую простоту непреложным и эффективным средством своих исследований»
с 133
«Не существует логического пути к открытию этих элементарных законов. Есть только путь интуиции», основанный на проникновении в суть опыта.
«На опыте можно проверить теорию, но нет пути от опыта к построению теории»
«Слова или язык в том виде, как они пишутся или произносятся, вряд ли играют какую-нибудь роль в механизме моего мышления. Психические сущности, которые, по-видимому, служат элементами мышления, - это некоторые знаки и более или менее ясные образы, которые можно «произвольно» воспроизводить и сочетать друг с другом»
с 145-146
И теперь Холтон кратко формулирует эйнштейнову эпистемологию:
Небольшое число упоминаемых «фактов» и экспериментов соответствует изречению Эйнштейна о том, что составляет «внешнее оправдание»: дело не в том, что теория может быть построена на несомненно очевидных опытных фактах, не в том, что теория может быть подтверждена постановкой решающих экспериментов, а скорее дело в том, что «теория не должна противоречить опытным фактам». Этот критерий даже связывается с предупреждением против стремления обеспечить «приспособление теории к фактам при помощи более или менее искусственных дополнительных предположений», которые «часто, если не всегда, возможны».
с 158-159
Каждая из этих статей начинается с констатации формальной асимметрии или других несоответствий, преимущественно эстетического характера... далее предлагается принцип (предпочтительно общий, скажем, второй закон термодинамики, если привести пример Эйнштейна), одним из следствий которого является устранение асимметрии, и в заключение выдвигается одно из нескольких предсказаний, допускающих экспериментальную проверку.
с 160-161
Впрочем, далее он обобщает ее не только на Эйнштейна:
Осознание того, что представлявшиеся ранее в виде разрозненных процессы, явления, структуры теперь оказываются взаимосвязанными, всегда было в науке квазиэстетическим, наиболее ценимым доказательством. Следует вспомнить о торжествующей гордости Коперника в его «De revolutionibus» за то, что из его гелиоцентрической системы «не только следуют все их [планет] явления, но что эта корреляция столь тесно связывает вместе порядок и размеры планет и их сфер, или орбитальных кругов, и сами небеса, что ничто не может быть смещено в какой-либо их части без нарушения остальных частей и вселенной в целом».
с 171
Заметим, что flying_bear, как работающий физик, неоднократно высказывал ровно те же мысли.
Отдельный и весьма интересный анализ в статье - что такое гипотезы ad hoc. Значение латинского выражения "ad hoc" - "к случаю, специально для этого". Так называются гипотезы, призванные объяснить конкретно эту ситуацию. В частности, для объяснения отрицательного результата эксперимента Майкельсона Лоренцем была выдвинута "контракционная гипотеза" о сжатии всей экспериментальной установки по направлению движения. Гипотезы такого рода, кстати, являются ответом на попперово понятие фальсификации - ни один эксперимент сам по себе не может опровергнуть теорию (подробнее см. у Лакатоса, ссылку я дал выше).
Но что же такое сама по себе гипотеза ad hoc, как ее отличить - не по обстоятельствам возникновения - от более подходящей гипотезы? Если немного подумать, то выясняется, что вопрос весьма нетривиальный (именно это явилось для меня открытием):
Мы нашли в научной литературе следующие характеристики для принятия гипотезы ad hoc; «не невозможная», «разумная», «правдоподобная», «фундаментальная», «естественная», «привлекательная», «изящная», «подходящая», «априори допустимая для получения желательных результатов», «вспомогательная», или «работающая гипотеза». С другой стороны, когда гипотеза ad hoc отклоняется, мы находим следующее ее описание: «искусственная», «сложная», «надуманная», «неправдоподобная», «беспокойная», «неразумная», «невероятная», «непривлекательная», «не необходимая», «вздорная». Иногда само «ad hoc» употребляется в уничижительном смысле и тогда ad hoc получает такие значения.
с 179-180
Усовершенствование понятия ad hoc [...] мы не должны отвлекать внимание от того, что действительно является важным, а именно, от ощущения ученого, что гипотезе присущ характер ad hoc, независимо от того, идет ли речь о своей собственной гипотезе или нет, - например, отвращение к контракционной гипотезе выражали Эйнштейн, Пуанкаре, Майкельсон и даже сам Лоренц. Понять, что чувствует почти каждый ученый, когда он оценивает гипотезу, оказывается делом трудным для тех, кто фактически не вовлечен в творческую научную работу. Отсюда следует, что будет полезно развивать область, которую безусловно можно назвать эстетикой науки. Потому что эти вопросы по-прежнему практически решаются на той же, внешне неопределимой и все же правильной основе, из которой исходил и Коперник, и которая, возможно, привела его к решению не признавать «планетарную теорию Птолемея и большинства других астрономов, несмотря на ее совместимость с числовыми данными»: одно из его главных возражений состояло в том, что он нашел этот род системы «недостаточно привлекательным для разума».
c 177-178
Существенное различие между тем, как применяет гипотезу ad hoc ученый и как применяет ее логик, состоит в том, что первый рассматривает ее в значительной степени как вопрос, касающийся науки в личном плане или науки в процессе ее созидания.
с 178
Все ли гипотезы являются гипотезами ad hoc? Краткий ответ - нет. [...] Существенный момент состоит здесь в том, что «ad hoc» является не абсолютным, а относительным понятием. О постулатах 1 и 2 можно сказать, что они были введены ad hoc в отношении теории относительности 1905 года в целом; Эйнштейн мало ссылался на обоснование даже Vermutung [предположения] постулата 1 и фактически не приводил ничего в обоснование Vermutung постулата 2. Но оба эти принципа не были ad hoc в отношении к опыту Майкельсона, ибо они не были специально «сформулированы для того, чтобы объяснить» его результат.
Таким образом, какое-либо положение может быть ad hoc относительно одного контекста, но не быть ad hoc относительно другого.
c 183-184
Как можно решить, является ли гипотеза гипотезой ad hoc или нет? И более того, является ли она отвергающей гипотезой ad hoc или же утверждающей? И тут мы находим связь с эйнштейновским критерием «внутреннего совершенства» теории. Этот критерий есть ощущение «естественности» или «логической простоты» предпосылок. И мы снова вспоминаем, что Эйнштейн отмечает непосредственно два пункта: один - это то, что эта точка зрения «всегда играла большую роль при выборе между теориями и при их оценке», и второй, - что «точная формулировка его представляет большие трудности», потому что «речь идет здесь не просто о каком-то перечислении логически независимых предпосылок (если таковое вообще возможно однозначным образом), а о своего рода взвешивании и сравнении несоизмеримых качеств».
c 185
...полезность (неполного) определения гипотезы ad hoc, которое заключается в весьма свободомыслящем четвертом правиле умозаключения Ньютона: гипотеза принимается «за строго или почти строго истинную, несмотря на то, что могут быть предположены некоторые противоположные ей гипотезы», до тех пор, пока мы не получим некоторые дополнительные данные, благодаря которым эта гипотеза может быть пересмотрена или сформулирована более точно.
c 187
Гипотеза ad hoc, в особенности малоплодотворная [a poor one], создает впечатление, что процессы природы сокращаются или ограничиваются произвольным вмешательством человека. С другой стороны, огромные масштабы обобщения вызывают ощущение, что она расширяет область применения и показывает, где лежат «естественные» границы: например, первый принцип теории относительности распространяет равенство инерциальных систем с механики на всю физику. Точно так же и другие успехи науки характеризовались утверждением гипотез, которые обобщают предельные ситуации; таковы: ньютоновское предложение о всеобщем тяготении; галилеевское распространение земной физики на небесные явления; максвелловское обобщение, которое уничтожает границы между электрическими, магнитными и оптическими явлениями, а также и другие гипотезы, которые легко можно дополнить из работ Гельмгольца, Дарвина и Фрейда.
c 188
Собственно, вот. И, под занавес, еще раз о различии логики исследования, логики поиска, и логики результата, логики обоснования:
Я полагаю, что задача эпистемолога является трудной потому, что самый характер его работы отличается от эпистемологии работающего ученого, по необходимости более неопределенного. [...] Ганс Рейхенбах благоразумно признавал эту опасность, когда он писал: «Физик, который надеется на новое открытие, не должен быть слишком критическим; в начальной стадии он зависит от отгадываниями он найдет свой путь, если будет придерживаться определенной веры, которая направляет его догадки. Когда я по определенному поводу спросил Эйнштейна, как он обосновал свою теорию относительности, он ответил, что он обосновал ее потому, что был сильно убежден в гармонии Вселенной. Нет сомнения в том, что его теория дает очень удачную демонстрацию полезности такого убеждения. Но убеждение еще не философия; оно называется так только при упрощенном толковании этого термина. Философ науки не очень интересуется процессами мышления, которые приводят к научным открытиям; он обращает внимание на логический анализ завершенной теории, включая соотношения, устанавливающие ее ценность. Иначе говоря, он заинтересован не в том, какая ситуация привела к открытию, а в том, какие взаимосвязи оправдывают его».
c 188-189
---------------------------------
В статье Холтона встретил ссылки на "Беседы с Альбертом Эйнштейном" Шэнкленда, которые были напечатаны в УФН. Полный архив журнала есть в сети, так что скачал, прочел. Пара цитат, подтверждающих выкладки Холтона:
Я спросил Эйнштейна, как долго он трудился над специальной теорией относительности до 1905 года. Он ответил, что начал в 16 лет и работал в течение десяти лет. Вначале, будучи студентом, он мог, разумеется, уделять этой проблеме только часть своего времени, но проблема всегда была с ним. Он произвел много безуспешных попыток, «пока, наконец, мне не стало ясно, что дело во времени».
Затем он поделился своими мыслями о том, как следует писать историю науки. «Почти все историки науки были литераторами и не представляли, какие задачи ставили себе физики и каких умственных усилий стоило им решение задачи. Даже большая часть исследований, посвященных Галилею, сделана плохо. Нужно найти такой способ изложения, который показал бы процесс мышления, который привел к открытию. Физики могут помочь в этом очень мало, так как большинство из них лишено "исторического чутья"».
И все же, может ли эксперимент быть источником теории? Эйнштейн прямо утверждал обратное и даже предостерегал от увлечения экспериментами и сложными приборами:
Затруднения в квантовой теории усиливаются в теории ядра, которую Эйнштейн считает безнадежной в ее теперешнем состоянии [1952 г]. Он чувствует, что простое увеличение фактов и экспериментальных данных в ядерной физике не способни ни разъяснить ситуацию, ни привести к правильной окончательной теории. Это сильно противоречит господствующей точке зрения, что экспериментальные факты позволят обнаружить закономерности и тем самым дадут нить, которая приведет к теоретическому решению проблемы. Он полностью несогласен с такой точкой зрения и опять подчеркивает, даже в атомных проблемах описание, которое дает квантовая механика, не является удовлетворительным. Мы говорили о больших машинах, используемых в ядерной физике. Он высказал опасение, что они создают реальную опасность для научного метода. Они делают нас "рабами метода", а при этом новые идеи могут быть потеряны или никогда не обнаружены.
Здесь в статье есть подстрочное примечание Шэнкленда: "Следует помнить, что это было десять лет назад!"
Тут Эйнштейн оказался неправ - ускорители ("большие машины") существенно продвинули теоретическую физику уже в следующем десятилетии. Такое получилось подтверждение первого закона Кларка: Если заслуженный, но престарелый учёный говорит, что нечто возможно, он почти наверняка прав. Если же он говорит, что нечто невозможно, он почти определённо ошибается.
Д. Xолтон "Эйнштейн, Майкельсон и «решающий» эксперимент"
В книге "Эйнштейновский сборник 1972" М: Наука, 1974 г. 108 стр.
http://www.twirpx.com/file/177973/
и как приложение Р. Шэнкленд "Беседы с Альбертом Эйнштейном", журнал "Успехи Физических Наук", 1965, декабрь, Том 87, вып. 4 стр. 711-722
Большая статья, по сути небольшая книга по истории науки, точнее - физики. А еще точнее - историко-научное исследование, даже расследование происхождения специальной теории относительности. Все мы "знаем", что специальная теория относительности родилась из необъяснимого отрицательного результата эксперимента Майкельсона по измерению скорости движения Земли относительно мирового эфира. Так написано во всех учебниках физики и уж точно во всех научно-популярных книгах, по крайней мере в большинстве из них. Но я не случайно взял слово "знаем" в кавычки - автор этой работы задался вопросом, а действительно ли это так? И в этом исследовании он показывает, что нет, истоки теории относительности лежат не в эксперименте Майкельсона, про этот эксперимент если Эйнштейн и знал, но не его парадоксальный результат побудил мысль Эйнштейна к созданию его теории:
Как сказал Эйнштейн почти сорок лет спустя в своих «Автобиографических заметках», «специальная теория относительности обязана своим возникновением уравнениям Максвелла для электромагнитного поля. И обратно, только специальная теория относительности дает уравнениям Максвелла удовлетворительное формальное толкование»
с 149
«Влияние решающего [знаменитого] эксперимента Майкельсона - Морли на мои собственные усилия [размышления] было довольно косвенным. [...] К специальной теории относительности меня более или менее [опустить более или менее] привело убеждение, что электродвижущая сила, действующая на тело, перемещающееся в магнитном поле, есть не что иное, как электрическое поле. Но я руководствовался также результатами опытов Физо и явлением аберрации.
Конечно, нет логического пути, приводящего к созданию теории; существуют лишь осуществляемые на ощупь конструктивные попытки, контролируемые посредством тщательного анализа познанных фактов».
с 142-143
«Что привело меня более или менее непосредственно к специальной теории относительности, - это убеждение, что электромоторная сила, действующая на тело, движущееся в магнитном поле, есть не что иное, как электрическое поле»
с 150
...ни Майкельсон, ни Эйнштейн не считали знаменитый эксперимент для себя «решающим», чтобы не сказать «критическим».
с 141
Статья Холтона нацелена на две задачи: во-первых, доказать, что Эйнштейн не основывался на эксперименте Майкельсона, а во-вторых понять, как устроено мышление ученого и как и из чего возникают новые теоретические идеи.
Основной объем статьи относится к первой задаче - тут в ход идет изучение высказываний самого Эйнштейна о корнях и обстоятельствах возникновения специальной теории относительности, и характер эйнштейновой мысли в других его работах, в частности, в статьях по фотоэффекту; исследование приобретает характер расследования, когда автор изучает те книги, которые Эйнштейн мог читать до 1905 года (дата выхода первой статьи по СТО) или когда он сличает английские переводы высказываний Эйнштейна с немецкими оригиналами. Читается это как историко-научный детектив.
Вторая задача статьи - теоретическая - еще более интересна. Как рождаются научные гипотезы? Какие из них выживают? Что такое гипотезы ad hoc и все ли гипотезы - ad hoc? (вот этот анализ был для меня нов) И как устроено мышление ученого, по крайней мере в естественных науках?
Разумеется, первая задача решена более основательно, чем вторая - просто потому, что первая задача вообще может быть удовлетворительно решена. Что касается второй задачи, то это направление мысли в более разработанном и глубоком виде вошло в "Методологию исследовательских программ" Имре Лакатоса (я писал об этой книге два года назад). В той книге Лакатоса я встречал ссылку на эту работу Холтона, но узнал о ней я раньше - от flying_bear в одной жж-дискуссии о науке (судя по дате файла с книгой - сентябрь 2011 г, или у него в жж, или у И-П).
Собственно, краткое изложение "о чем эта книга" закончено, а дальше, как всегда, много интересных цитат (если кому сама тема интересна, разумеется).
Начинается эта работа с изложения истории эксперимента Майкельсона и истории специальной теории относительности - точнее, с истории восприятия этих вещей физиками того времени:
Если результат опыта Майкельсона представляется непостижимым на протяжении долгого времени (Свенсон показал, что он оставался неубедительным вплоть до 1920 года), то теория относительности для большинства физиков казалась еще более непостижимой при ее выдвижении в 1905 году и в течение некоторого времени спустя.
с 114
Дальновидный физик В. Вин заблаговременно опубликовал свое несогласие с теорией относительности, в справедливости которой он не был убежден вплоть до 1909 года; последующее же признание было связано не с каким-либо определенным экспериментальным доказательством, а скорее с эстетическими соображениями, выраженными в словах, которые Эйнштейн должен был оценить: «Однако, что больше всего говорит в пользу теории, так это внутренняя согласованность, которая позволяет заложить непротиворечивый фундамент, относящийся ко всей совокупности физических явлений, хотя при этом привычные представления испытывают трансформацию».
с 115
Окончательно специальная теория относительности была принята во всем ученом мире как фундаментальная часть физики благодаря событиям, вышедшим далеко за рамки самой статьи Эйнштейна 1905 года. Прежде всего среди этих событий были такие экспериментальные достижения, как экспедиция по исследованию затмения в 1919 году, приведшая к успешной проверке предсказаний общей теории относительности, применение релятивистских расчетов для объяснения, тонкой структуры спектральных линий, эффекта Комптона и т. д. Тем временем для интересующейся публики и для многих физиков результат Майкельсона оставался той опорой, которая поддерживала теорию относительности, особенно перед лицом ее вызывающих парадоксов и иконоборствующих требований.
с 116
Если это так, если СТО поначалу выглядела еще более парадоксально, чем отрицательный результат опыта, то почему же родилась легенда о "решающем эксперименте"? Тут Холтон обращает внимание на то, что логика научного знания совсем не совпадает с логикой возникновения этого знания - это просто разные вещи.
Можно это проиллюстрировать на примере школьной задачки: "Решить уравнение 2x = 3-x". Решить ее явно логарифмированием или иными преобразованиями не получится. Но можно заметить, что слева стоит возрастающая функция, а справа - убывающая. Т.е. решение существует и ровно одно. И потом уже перебором находим, что x=1. Заметили, где здесь логика математики и где логика поиска? Логика математики - в изложении результата: "x=1 является решением (21 = 3-1) и это решение единственно"; логика поиска содержится в словах "перебором находим", и эта логика основывается отнюдь не только на математических посылках - в частности, она включает в себя соображение, что задача школьная, т.е. перебирать надо не слишком мудреные значения. Могла эта логика поиска нас подвести? - Да запросто, уравнение 2x = 2-x уже так не решается.
Но вернемся к статье Холтона. Он обращает внимание, что изложение в учебниках следует логике результата, логике того, как устроено готовое знание. И, в частности, тому, как, с философской точки зрения, это знание вообще должно бы возникать. Рубеж XIX-XX веков, позитивизм, "экспериментизм" - наследники индуктивного учения Френсиса Бэкона о том, что результаты наблюдений и экспериментов индуцируют теорию:
...при отсутствии ясного обоснования того или иного пути a priori велика вероятность того, что в педагогическом изложении любого предмета науки будет внушаться мысль о наличии генетической связи, ведущей от эксперимента к теории. Почти каждый учебник по необходимости придает большое значение ясной, недвусмысленной индуктивной аргументации. Если бы учебник иногда допускал возможность корректных обобщений и без опоры на такое однозначное экспериментальное обоснование, то вся система преподавания была бы поставлена под угрозу.
с 119
Поэтому в учебниках мало говорится о временами драматической борьбе, которая иногда требовалась для постепенного принятия новой теории. Этот недостаток хорошо согласуется с другой, моральной функцией учебников, которая заключается в том, чтобы умышленно ослабить роль личных побуждений и борьбы при выполнении ученым его научной работы; это помогает подвести студента к тому, что автор учебника, возможно, бессознательно, обычно понимает под общепринятыми нормами профессионального поведения.
Авторы учебников, вероятно, не могут и определенно не хотят иметь дела с личным аспектом в развитии науки, аспектом, который может сильно различаться от одного ученого к другому и который в любом случае очень далек от полного понимания. Оказывается проще иметь дело с общественным аспектом науки, относительно которого существует некоторое (хотя, возможно, и ложное) согласие.
с 120
Далее Холтон переходит к рассмотрению того, как было устроено научное сознание Эйнштейна. Его высказывания о возникновении СТО как ответа на задачу уравнять все инерциальные системы отсчета с точки зрения электродинамики я привел выше; но он высказывался и непосредственно о том, как устроено (его) научное познание:
«Замечательный характер имеет взаимосвязь, существующая между наукой и теорией познания. Они зависят друг от друга. Теория познания без соприкосновения с наукой вырождается в пустую схему. Наука без теории познания (насколько это вообще мыслимо) становится примитивной и путаной. Однако, если философу, занимающемуся поисками стройной системы, удается разработать такую систему, он тотчас же начинает интерпретировать содержание науки в духе своей системы и отвергать все, что выходит за рамки этой системы. Ученый же не может позволить себе зайти столь далеко в своем стремлении к теоретико-познавательной систематике. Он с благодарностью принимает гносеологический анализ понятий, но внешние условия, поставленные перед ним опытными фактами, не позволяют ему чрезмерно ограничивать себя принадлежностью к некоторой философской системе при построении понятий. Поэтому в глазах последовательно мыслящего философа он предстает как оппортунист, бросающийся из одной крайности в другую. Как человек, пытающийся описать мир, не зависящий от актов восприятия, он кажется реалистом. Как человек, считающий понятия и теории свободными (не выводимыми логическим путем из эмпирических данных) творениями человеческого разума, он кажется идеалистом. Как человек, считающий свои понятия и теории обосноваными лишь в той степени, в какой они позволяют логически интерпретировать соотношения между чувственными восприятиями, он является позитивистом. Он может казаться точно так же и платонистом и пифагорейцем, ибо он считает логическую простоту непреложным и эффективным средством своих исследований»
с 133
«Не существует логического пути к открытию этих элементарных законов. Есть только путь интуиции», основанный на проникновении в суть опыта.
«На опыте можно проверить теорию, но нет пути от опыта к построению теории»
«Слова или язык в том виде, как они пишутся или произносятся, вряд ли играют какую-нибудь роль в механизме моего мышления. Психические сущности, которые, по-видимому, служат элементами мышления, - это некоторые знаки и более или менее ясные образы, которые можно «произвольно» воспроизводить и сочетать друг с другом»
с 145-146
И теперь Холтон кратко формулирует эйнштейнову эпистемологию:
Небольшое число упоминаемых «фактов» и экспериментов соответствует изречению Эйнштейна о том, что составляет «внешнее оправдание»: дело не в том, что теория может быть построена на несомненно очевидных опытных фактах, не в том, что теория может быть подтверждена постановкой решающих экспериментов, а скорее дело в том, что «теория не должна противоречить опытным фактам». Этот критерий даже связывается с предупреждением против стремления обеспечить «приспособление теории к фактам при помощи более или менее искусственных дополнительных предположений», которые «часто, если не всегда, возможны».
с 158-159
Каждая из этих статей начинается с констатации формальной асимметрии или других несоответствий, преимущественно эстетического характера... далее предлагается принцип (предпочтительно общий, скажем, второй закон термодинамики, если привести пример Эйнштейна), одним из следствий которого является устранение асимметрии, и в заключение выдвигается одно из нескольких предсказаний, допускающих экспериментальную проверку.
с 160-161
Впрочем, далее он обобщает ее не только на Эйнштейна:
Осознание того, что представлявшиеся ранее в виде разрозненных процессы, явления, структуры теперь оказываются взаимосвязанными, всегда было в науке квазиэстетическим, наиболее ценимым доказательством. Следует вспомнить о торжествующей гордости Коперника в его «De revolutionibus» за то, что из его гелиоцентрической системы «не только следуют все их [планет] явления, но что эта корреляция столь тесно связывает вместе порядок и размеры планет и их сфер, или орбитальных кругов, и сами небеса, что ничто не может быть смещено в какой-либо их части без нарушения остальных частей и вселенной в целом».
с 171
Заметим, что flying_bear, как работающий физик, неоднократно высказывал ровно те же мысли.
Отдельный и весьма интересный анализ в статье - что такое гипотезы ad hoc. Значение латинского выражения "ad hoc" - "к случаю, специально для этого". Так называются гипотезы, призванные объяснить конкретно эту ситуацию. В частности, для объяснения отрицательного результата эксперимента Майкельсона Лоренцем была выдвинута "контракционная гипотеза" о сжатии всей экспериментальной установки по направлению движения. Гипотезы такого рода, кстати, являются ответом на попперово понятие фальсификации - ни один эксперимент сам по себе не может опровергнуть теорию (подробнее см. у Лакатоса, ссылку я дал выше).
Но что же такое сама по себе гипотеза ad hoc, как ее отличить - не по обстоятельствам возникновения - от более подходящей гипотезы? Если немного подумать, то выясняется, что вопрос весьма нетривиальный (именно это явилось для меня открытием):
Мы нашли в научной литературе следующие характеристики для принятия гипотезы ad hoc; «не невозможная», «разумная», «правдоподобная», «фундаментальная», «естественная», «привлекательная», «изящная», «подходящая», «априори допустимая для получения желательных результатов», «вспомогательная», или «работающая гипотеза». С другой стороны, когда гипотеза ad hoc отклоняется, мы находим следующее ее описание: «искусственная», «сложная», «надуманная», «неправдоподобная», «беспокойная», «неразумная», «невероятная», «непривлекательная», «не необходимая», «вздорная». Иногда само «ad hoc» употребляется в уничижительном смысле и тогда ad hoc получает такие значения.
с 179-180
Усовершенствование понятия ad hoc [...] мы не должны отвлекать внимание от того, что действительно является важным, а именно, от ощущения ученого, что гипотезе присущ характер ad hoc, независимо от того, идет ли речь о своей собственной гипотезе или нет, - например, отвращение к контракционной гипотезе выражали Эйнштейн, Пуанкаре, Майкельсон и даже сам Лоренц. Понять, что чувствует почти каждый ученый, когда он оценивает гипотезу, оказывается делом трудным для тех, кто фактически не вовлечен в творческую научную работу. Отсюда следует, что будет полезно развивать область, которую безусловно можно назвать эстетикой науки. Потому что эти вопросы по-прежнему практически решаются на той же, внешне неопределимой и все же правильной основе, из которой исходил и Коперник, и которая, возможно, привела его к решению не признавать «планетарную теорию Птолемея и большинства других астрономов, несмотря на ее совместимость с числовыми данными»: одно из его главных возражений состояло в том, что он нашел этот род системы «недостаточно привлекательным для разума».
c 177-178
Существенное различие между тем, как применяет гипотезу ad hoc ученый и как применяет ее логик, состоит в том, что первый рассматривает ее в значительной степени как вопрос, касающийся науки в личном плане или науки в процессе ее созидания.
с 178
Все ли гипотезы являются гипотезами ad hoc? Краткий ответ - нет. [...] Существенный момент состоит здесь в том, что «ad hoc» является не абсолютным, а относительным понятием. О постулатах 1 и 2 можно сказать, что они были введены ad hoc в отношении теории относительности 1905 года в целом; Эйнштейн мало ссылался на обоснование даже Vermutung [предположения] постулата 1 и фактически не приводил ничего в обоснование Vermutung постулата 2. Но оба эти принципа не были ad hoc в отношении к опыту Майкельсона, ибо они не были специально «сформулированы для того, чтобы объяснить» его результат.
Таким образом, какое-либо положение может быть ad hoc относительно одного контекста, но не быть ad hoc относительно другого.
c 183-184
Как можно решить, является ли гипотеза гипотезой ad hoc или нет? И более того, является ли она отвергающей гипотезой ad hoc или же утверждающей? И тут мы находим связь с эйнштейновским критерием «внутреннего совершенства» теории. Этот критерий есть ощущение «естественности» или «логической простоты» предпосылок. И мы снова вспоминаем, что Эйнштейн отмечает непосредственно два пункта: один - это то, что эта точка зрения «всегда играла большую роль при выборе между теориями и при их оценке», и второй, - что «точная формулировка его представляет большие трудности», потому что «речь идет здесь не просто о каком-то перечислении логически независимых предпосылок (если таковое вообще возможно однозначным образом), а о своего рода взвешивании и сравнении несоизмеримых качеств».
c 185
...полезность (неполного) определения гипотезы ad hoc, которое заключается в весьма свободомыслящем четвертом правиле умозаключения Ньютона: гипотеза принимается «за строго или почти строго истинную, несмотря на то, что могут быть предположены некоторые противоположные ей гипотезы», до тех пор, пока мы не получим некоторые дополнительные данные, благодаря которым эта гипотеза может быть пересмотрена или сформулирована более точно.
c 187
Гипотеза ad hoc, в особенности малоплодотворная [a poor one], создает впечатление, что процессы природы сокращаются или ограничиваются произвольным вмешательством человека. С другой стороны, огромные масштабы обобщения вызывают ощущение, что она расширяет область применения и показывает, где лежат «естественные» границы: например, первый принцип теории относительности распространяет равенство инерциальных систем с механики на всю физику. Точно так же и другие успехи науки характеризовались утверждением гипотез, которые обобщают предельные ситуации; таковы: ньютоновское предложение о всеобщем тяготении; галилеевское распространение земной физики на небесные явления; максвелловское обобщение, которое уничтожает границы между электрическими, магнитными и оптическими явлениями, а также и другие гипотезы, которые легко можно дополнить из работ Гельмгольца, Дарвина и Фрейда.
c 188
Собственно, вот. И, под занавес, еще раз о различии логики исследования, логики поиска, и логики результата, логики обоснования:
Я полагаю, что задача эпистемолога является трудной потому, что самый характер его работы отличается от эпистемологии работающего ученого, по необходимости более неопределенного. [...] Ганс Рейхенбах благоразумно признавал эту опасность, когда он писал: «Физик, который надеется на новое открытие, не должен быть слишком критическим; в начальной стадии он зависит от отгадываниями он найдет свой путь, если будет придерживаться определенной веры, которая направляет его догадки. Когда я по определенному поводу спросил Эйнштейна, как он обосновал свою теорию относительности, он ответил, что он обосновал ее потому, что был сильно убежден в гармонии Вселенной. Нет сомнения в том, что его теория дает очень удачную демонстрацию полезности такого убеждения. Но убеждение еще не философия; оно называется так только при упрощенном толковании этого термина. Философ науки не очень интересуется процессами мышления, которые приводят к научным открытиям; он обращает внимание на логический анализ завершенной теории, включая соотношения, устанавливающие ее ценность. Иначе говоря, он заинтересован не в том, какая ситуация привела к открытию, а в том, какие взаимосвязи оправдывают его».
c 188-189
---------------------------------
В статье Холтона встретил ссылки на "Беседы с Альбертом Эйнштейном" Шэнкленда, которые были напечатаны в УФН. Полный архив журнала есть в сети, так что скачал, прочел. Пара цитат, подтверждающих выкладки Холтона:
Я спросил Эйнштейна, как долго он трудился над специальной теорией относительности до 1905 года. Он ответил, что начал в 16 лет и работал в течение десяти лет. Вначале, будучи студентом, он мог, разумеется, уделять этой проблеме только часть своего времени, но проблема всегда была с ним. Он произвел много безуспешных попыток, «пока, наконец, мне не стало ясно, что дело во времени».
Затем он поделился своими мыслями о том, как следует писать историю науки. «Почти все историки науки были литераторами и не представляли, какие задачи ставили себе физики и каких умственных усилий стоило им решение задачи. Даже большая часть исследований, посвященных Галилею, сделана плохо. Нужно найти такой способ изложения, который показал бы процесс мышления, который привел к открытию. Физики могут помочь в этом очень мало, так как большинство из них лишено "исторического чутья"».
И все же, может ли эксперимент быть источником теории? Эйнштейн прямо утверждал обратное и даже предостерегал от увлечения экспериментами и сложными приборами:
Затруднения в квантовой теории усиливаются в теории ядра, которую Эйнштейн считает безнадежной в ее теперешнем состоянии [1952 г]. Он чувствует, что простое увеличение фактов и экспериментальных данных в ядерной физике не способни ни разъяснить ситуацию, ни привести к правильной окончательной теории. Это сильно противоречит господствующей точке зрения, что экспериментальные факты позволят обнаружить закономерности и тем самым дадут нить, которая приведет к теоретическому решению проблемы. Он полностью несогласен с такой точкой зрения и опять подчеркивает, даже в атомных проблемах описание, которое дает квантовая механика, не является удовлетворительным. Мы говорили о больших машинах, используемых в ядерной физике. Он высказал опасение, что они создают реальную опасность для научного метода. Они делают нас "рабами метода", а при этом новые идеи могут быть потеряны или никогда не обнаружены.
Здесь в статье есть подстрочное примечание Шэнкленда: "Следует помнить, что это было десять лет назад!"
Тут Эйнштейн оказался неправ - ускорители ("большие машины") существенно продвинули теоретическую физику уже в следующем десятилетии. Такое получилось подтверждение первого закона Кларка: Если заслуженный, но престарелый учёный говорит, что нечто возможно, он почти наверняка прав. Если же он говорит, что нечто невозможно, он почти определённо ошибается.