ТЕОРИИ И НЕНАБЛЮДАЕМЫЕ (ВЕЛИЧИНЫ)

Одним из наиболее важных различий между двумя типами законов в науке является различие между тем, что может быть названо (не существует никакой общепринятой терминологии для них) эмпирическими законами и теоретическими законами. Эмпирические законы представляют собой законы, которые могут быть подтверждены непосредственно эмпирическими наблюде­ниями. Термин «наблюдаемое» часто употребляется для любых явлений, которые могут восприниматься непосредственно, поэто­му мы можем сказать, что эмпирические законы являются закона­ми о наблюдаемых.

Здесь следует сделать предостережение. Философы и естест­воиспытатели совершенно различным образом употребляют тер­мины «наблюдаемое» и «ненаблюдаемое». Для философа «наблю­даемое» имеет очень узкое значение. Оно применяется к таким свойствам, как «синий», «твердый», «горячий». Такие свойства непосредственно воспринимаются чувствами. Для физика «наблюдаемое» имеет более широкое значение. Оно относится ко всем количественным величинам, которые могут быть измерены сравнительно простым, непосредственным путем. Философ не бу­дет, вероятно, рассматривать температуру в 80° или вес в 93¹/₂ фунта как наблюдаемые величины, поскольку невозможно непо­средственное восприятие таких величин с помощью органов чувств. Для физика обе величины - наблюдаемые, потому что они могут быть измерены крайне простым путем. Тело может быть взвешено на весах. Температура измеряется термометром. Однако физик не скажет, что масса молекулы, не говоря уже о массе элект­рона, есть что-то наблюдаемое, потому что здесь процедура изме­рения является гораздо более сложной и косвенной. Но величины, которые могут быть найдены с помощью относительно простых процедур - длина с помощью линейки, время - часов, частота световых волн - спектроскопа, - называются наблю­даемыми.

Философ может возразить, что сила электрического тока фактически не наблюдается: наблюдается только положение стрелки прибора. Амперметр включают в цепь и замечают, что его стрелка показывает отметку 5,3. Разумеется, сама сила тока при этом не наблюдается. Она выводится на основе того, что наблюдалось.

Физик ответит, что все это довольно справедливо, но вывод здесь был не очень сложным. Сама процедура измерении на столько проста, так хорошо установлена, что не может быть сомнения в том, что амперметр обеспечит точное измерение силы тока. Следовательно, эта величина войдет в число тех, которые называются наблюдаемыми.

Здесь не может быть вопроса о том, какое употребление термина «наблюдаемое» является правильным или законным. Существует континуум, который начинается с непосредственных чувственных наблюдений и затем переходит к значительно более сложным, косвенным методам наблюдений. Очевидно, что в этом континууме нельзя провести никакой резкой разграничительной линии; все дело только в степени. Философ уверен в том, что он непосредственно воспринимает голос своей жены, находящейся в соседней комнате. Но допустим что он слушает ее по телефону. Воспринимает ли он ее голос непосредственно? Физик, конечно, будет говорить, что, когда он рассматривает что-либо через обычный микроскоп, он воспринимает это непосредственно. Относится ли что также к тому случаю, когда он рассматривает предмет через электронный микроскоп? Наблюдает ли он путь частицы, когда рассматривает треки ее в пузырьковой камере? В общем, физик говорит о наблюдаемых в очень широком смысле в сравнении с узким смыслом, который имеет в виду философ, но в обоих случаях линия, отделяющая наблюдаемое от ненаблюдаемого, в значительной мере произвольна. Это следует иметь в виду всякий раз, когда эти термины встречаются в книгах, написанных философом или естествоиспытателем. Отдельные авто­ры будут проводить эту границу там, где это наиболее удобно в зависимости от своей точки зрения, и не существует никаких оснований, почему они не должны иметь такой привилегии.

Эмпирические законы, в моей терминологии, представляют собой законы, которые содержат либо непосредственно наблюдае­мые термины, либо измеряемые сравнительно простой техни­кой. Иногда такие законы называют эмпирическими обобще­ниями, когда вспоминают, что они получаются путем обобщения результатов, обнаруживаемых посредством наблюдении и измере­ний. Сюда относятся не только простые качественные законы (такие, как «все вороны - черные»), но также количественные законы, возникающие из простых измерении. Законы, связываю­щие давление, объем и температуру газов, принадлежат к этому типу. Закон Ома, связывающий разность электрических потен­циалов, сопротивление и силу тока, является другим знакомым примером. Ученый делает повторные измерения, находит некото­рые регулярности и выражает их в законе. Все эти законы явля­ются эмпирическими законами. Как указывалось в ранних главах, они используются для объяснения наблюдаемых фактов и пред­сказания будущих наблюдаемых событий.

Не имеется никакого общепринятого термина для второго вида законов, которые я называю теоретическими законами. Иногда их называют абстрактными или гипотетическими закона­ми. Термин «гипотетический», вероятно, не подходит сюда, пос­кольку он предполагает, что различие между двумя типами законов основывается на степени, с которой эти законы могут быть подтверждены. Но эмпирические законы, когда они являются рабочими гипотезами, подтверждаемыми только в незначительной степени, все же будут оставаться эмпирическими законами, хотя и можно будет сказать, что они имеют скорее гипотетический характер. Теоретические законы отличаются от эмпирических не тем, что недостаточно хорошо установлены, а тем, что содержат термины другого рода. Термины теоретических законов не относят­ся к наблюдаемым величинам даже тогда, когда принимается предложенное физиком широкое значение для того, что может быть наблюдаемо. Они являются законами о таких объектах, как молекулы, атомы, электроны, протоны, электромагнитные поля и другие, которые не могут быть измерены простым, непосредствен­ным способом.

Если существует статическое поле обширных размеров, кото­рое не изменяется от точки к точке, физик назовет его наблюдае­мым, потому что оно может быть измерено простым прибором. Но если поле изменяется от точки к точке на очень малых расстоя­ниях или же очень быстро во времени, может быть биллионы раз в секунду, тогда оно не может быть непосредственно измерено с помощью простой техники. Физик не назовет такое поле наблю­даемым. Иногда физик будет отличать наблюдаемое от ненаблю­даемого именно таким образом. Если величина остается той же самой в пределах достаточно большого расстояния или довольно большого интервала времени, так что для непосредственного изме­рения величины может быть применен прибор, тогда она называет­ся макрособытием. Если величина изменяется в границах таких крайне малых интервалов пространства и времени, что она не мо­жет быть непосредственно измерена прибором, тогда она будет называться микрособытием. (Прежние авторы употребляли тер­мины «микроскопический» и «макроскопический», но сейчас мно­гие авторы сокращают эти термины до «микро» и «макро».)

Микропроцесс представляет, собой просто: процесс, охваты­вающий крайне малые интервалы пространства и времени. На­пример, таким процессом является колебание электромагнитных волн видимого света. Никаким инструментом нельзя непосредст­венно измерить, как изменяется его интенсивность. Иногда проводится параллель между макро- и микропонятиями и наблюдаемыми и ненаблюдаемыми величинами. Хотя в точности это не то же самое, но приблизительно они совпадают. Теоретические законы относятся к ненаблюдаемым величинам, которые очень часто характеризуют микропроцессы. Если это имеет место, то законы иногда называют микрозаконами. Я употребляю термин «теоретический закон» в более широком смысле, чем упомянутый, чтобы охватить все те законы, которые содержат ненаблюдаемые величины независимо от того, являются ли они микро- или макропонятиями.

Верно, что понятия «наблюдаемое» и «ненаблюдаемое», как отмечалось раньше, нельзя точно ограничить, поскольку они расположены на континууме. Однако на практике это различие обычно достаточно четко выражено, поэтому, не вызовет спора. Все физики согласятся, что законы, связывающие давление, объем и температуру газа, являются эмпирическими законами. Здесь количество газа будет достаточно велико, чтобы величины, которые должны быть измерены, оставались постоянными в пределах достаточно большого объема пространства и периода времени. Это позволяет произвести простые измерения, которые впоследствии можно обобщить в законы. Все физики будут согласны в том, что законы о поведении отдельных молекул являются теоретическими. Такие законы относятся к микропроцессам, обобщения о которых не могут основываться на простых, непосредственных измерениях.

Теоретические законы являются, конечно, более общими, чем эмпирические. Важно понять, однако, что к теоретическим законам нельзя прийти, если просто взять эмпирические законы, а затем обобщить их на несколько ступеней дальше. Как физик приходит к эмпирическому закону? Он наблюдает некоторые события в природе, подмечает определенную регулярность в их протекании, описывает эту регулярность с помощью индуктивного обобщения. Можно предположить, что он сможет теперь собрать эмпирические законы в одну группу, заметить некоторого рода схему, сделать более широкое индуктивное обобщение и прийти к теоретическому закону. Но это происходит не так.

Чтобы разъяснить это, предположим, наблюдают, что железный брусок расширяется, когда он нагревается. После того как эксперимент повторяется многократно и всегда с тем же самым результатом, эта регулярность обобщается с помощью утверждения, что это брусок расширяется, когда он нагревается. На основе этого устанавливается эмпирический закон, хотя он имеет узкую область применения и относится только к одному определенному бруску железа. Затем проводятся испытания с другими железными предметами, и впоследствии обнаруживается, что каждый раз, когда железный предмет нагревается, он расширяется. Это позволяет сформулировать более общий закон, а именно: все железные тела расширяются, когда они нагреваются. Подобным же образом устанавливаются еще более более общие законы: «Все металлы...», затем: «Все твердые тела...». Все они являют­ся простыми обобщениями, каждый последующий имеет несколь­ко более общий характер, чем предыдущий, но все представляют эмпирические законы. Почему? Потому что в каждом случае объекты, с которыми имеют дело, являются наблюдаемыми (железо, медь, металл, твердые тела). В каждом случае увеличение тем­пературы и длины измеряется непосредственно, простой про­цедурой.

В противоположность этому теоретический закон, относящийся к такому процессу, будет касаться поведения молекул в железном бруске. Каким образом движение молекул связывается с расширением бруска, когда он нагревается? Вы видите сразу же, что мы говорим теперь о ненаблюдаемом. Мы должны ввести теорию - атомную теорию материи - и тотчас же перейти к атом­ным законам, содержащим понятия, радикально отличающиеся от тех, с которыми мы имели дело раньше. Верно, что эти теоре­тические понятия отличаются от понятий длины и температуры только по степени, с которой они прямо или косвенно наблюда­ются, но различие это настолько значительно, что у нас не воз­никает сомнения в коренном отличии характера теоретических законов, которые должны быть сформулированы.

Теоретические законы относятся к эмпирическим законам в ка­кой-то мере аналогично тому, как эмпирические законы относят­ся к отдельным фактам. Эмпирический закон помогает объяснить факт, который уже наблюдался, и предсказать факт, который еще не наблюдался. Подобным же образом теоретический закон помо­гает объяснить уже сформулированные эмпирические законы и позволяет вывести новые эмпирические законы. Так же как от­дельные, единичные факты должны занять свое место в упоря­доченной схеме, когда они обобщаются в эмпирический закон, так и единичные и обособленные эмпирические законы приспосабли­ваются к упорядоченной схеме теоретического закона. Это выдви­гает одну из основных проблем методологии пауки. Как может быть получено то знание, которое служит для обоснования теоре­тического закона? Эмпирический закон может быть обоснован посредством наблюдения отдельных фактов. Но для обоснования теоретического закона соответствующие наблюдения не могут быть сделаны, потому что объекты, относящиеся к таким законам, являются не наблюдаемыми...

Как могут быть открыты теоретические законы? Мы можем сказать: «Будем собирать все больше и больше данных, затем обобщим их за пределы эмпирических законов, пока не придем к теоретическим законам». Однако никакой теоретический закон не был когда-либо основан таким образом. Мы наблюдаем камни, и деревья, и цветы, замечаем различные регулярности и описываем их с помощью эмпирических законов. Но независимо от того, как долго и тщательно мы наблюдаем такие вещи, мы никогда не достигнем пункта, когда мы сможем наблюдать молекулу. Термин «молекула» никогда не возникнет как результат наблюдений. По этой причине никакое количество обобщений из наблюдений не может дать теории молекулярных процессов. Такая теория должна возникнуть иным путем. Она выдвигается не в ка­честве обобщения фактов, а как гипотеза. Затем эта гипотеза проверяется методами, в определенной мере аналогичными ме­тодам проверки эмпирических законов. Из гипотезы выводятся некоторые эмпирические законы, и эти законы, в свою очередь, проверяются путем наблюдения фактов. Возможно, что эмпири­ческие законы выводятся из теории, уже известной и хорошо подтвержденной (такие законы могут даже побудить сформулиро­вать теоретические законы). Независимо от того, являются ли выводные эмпирические законы известными и подтвержденными или же новыми законами, подтвержденными новыми наблюдения­ми, подтверждение таких выводных законов обеспечивает косвен­ное подтверждение теоретическому закону.

Здесь должно быть разъяснено следующее. Ученый не начинает с одного эмпирического закона, скажем с закона Бойля для газов, и затем ищет теорию о молекулах, из которой этот закон может быть выведен. Он пытается сформулировать значительно более общую теорию, из которой можно будет вывести множество разно­образных эмпирических законов. Чем больше будет таких законов, чем более разнообразными и неочевидно связанными друг с дру­гом они будут, тем эффективнее теория, которая будет объяснять их. Некоторые из этих выводных законов могли быть известными раньше, но теория может также сделать возможным выведение новых эмпирических законов, которые могут быть подтверждены с помощью новых проверок. Если это имеет место, тогда можно будет сказать, что теория обеспечивает возможность предска­зания новых эмпирических законов. Предсказание понимается в гипотетическом смысле. Если теория действительна, тогда будут действительными также определенные эмпирические законы. Предсказанный эмпирический закон говорит об отношениях между наблюдаемыми величинами, так что возникает новая возможность производить эксперименты и убедиться, что эмпирический закон соблюдается. Если эмпирический закон подтверждается, то он обеспечивает косвенное подтверждение закона, эмпирического или теоретического, является, конечно, только частным, но никогда не полным и абсолютным. Но в случае эмпирических законов такое подтверждение является более непосредственным. Подтвержде­ние теоретического закона происходит косвенным образом, потому что оно имеет место только через подтверждение эмпирических законов, выведенных из теории.

Самое важное значение новой теории состоит в ее возмож­ности предсказывать новые эмпирические законы. Верно также, что теория имеет значение и для объяснения известных эмпири­ческих законов, но это представляет меньшую ценность. Если ученый выдвигает новую теоретическую систему, из которой не мо­гут быть выведены новые законы, тогда она логически эквивалент­на совокупности всех известных эмпирических законов. Теория может иметь известную элегантность и в известной степени упрос­тить совокупность всех известных законов, хотя, вероятно, это не будет существенным упрощением. С другой стороны, каждая новая теория в физике, приводящая к значительному скачку впе­ред, будет теорией, из которой могут быть выведены новые эмпири­ческие законы. Если бы Эйнштейн сделал не больше, чем выдвинул свою теорию относительности как изящную новую теорию в физи­ке, которая охватила бы некоторые известные законы (возможно, также и упростила бы их до некоторой степени), тогда его теория не имела бы такого революционного воздействия.

Все было, конечно, совершенно иначе. Теория относительно­сти привела к новым эмпирическим законам, которые впервые объяснили такие явления, как движение перигелия Меркурия и отклонение светового луча вблизи Солнца. Эти предсказания по­казали, что теория относительности представляет собой нечто большее, чем только новый способ выражения старых законов. Действительно, эта теория обладает огромной предсказательной силой. Следствия, которые могут быть выведены из теории Эйн­штейна, еще далеко не исчерпаны. Существуют такие ее следствия, которые не могут быть выведены из прежних теорий. Обычно теория такой силы обладает изяществом и объединяющим воз­действием на известные законы. Она проще, чем вся полная сово­купность известных законов. Но громадное значение теории со­стоит в ее силе предлагать новые законы, которые можно будет подтвердить эмпирическими средствами.

Карнап Р.

Философские основания фи­зики.

Введение в философию науки.

М.. 1971. С. 39—58,

84—93, 301— 309

Поиск по сайту: