Методологические проблемы синтеза научных теорий (в контексте максвелловского объединения оптики и электродинамики)
Нугаев Ринат Магдиевич - доктор философских наук, профессор. Поволжская государственная академия физической культуры, спорта и туризма.
Рассмотрены генезис и становление максвелловской электродинамики. Оспаривается тезис, согласно которому объединившая оптику, электричество и магнетизм максвелловская электродинамика явилась этапом развертывания фарадеевской научно-исследовательской программы, основанной на концепции близкодействия. Утверждается, что генезис максвелловской электродинамики может рассматриваться как закономерный результат согласования «старых» исследовательских программ, относившихся к домаксвелловской физике, - электродинамики Ампера-Вебера, волновой теории света Юнга-Френеля и программы Фарадея. Итогом взаимодействия встретившихся программ явилось создание целой иерархии гибридных объектов - от так называемого «тока смещения» до обычных гибридных теоретических схем. Только последовавшее вслед за конструированием тока смещения взаимопроникновение домаксвелловских исследовательских программ положило начало последовательному объединению теоретических схем оптики, электричества и магнетизма.
Программа Максвелла превзошла программу Ампера-Вебера потому, что ассимилировала ряд положений ее твердого ядра, сочетав их с рядом идей концепции Фарадея и оптики Юнга и Френеля. Утверждается, что одним из краеугольных камней максвелловской стратегии объединения явились идеи кантовской эпистемологии, рассмотренные сквозь призму философии шотландского Просвещения, представленного в работах учителя Максвелла У Г амильтона.
Проанализированы современные (проведенные в начале XXI в.) историко-научные исследования максвелловского синтеза оптики и теории электромагнетизма с целью определить, что нового они дают для ответа на следующие философские вопросы: 1) действительно ли природа настолько проста, чтобы допускать создание объединяющих разные явления теорий? 2) чем отличается действительный синтез нескольких теорий от их простой конъюнкции? 3) почему синтез теорий является эпистемологическим достоинством, а не недостатком?
Ключевые слова: Дж. Максвелл, синтез оптики и электромагнетизма, И. Кант, У Гамильтон
The methodological problems of theory unification (In the context of Maxwell's fusion of optics and electrodynamics)
Rinat Nugayev
DSc in Philosophy, professor. Department of social science and humanities. Volga Region State Academy of Physical Culture, Sport & Tourism
It is discerned what light can the recent historical reconstructions of maxwellian optics and electromagnetism unification on the following philosophical/methodological questions bring: 1) why should one believe that Nature is ultimately simple and that unified theories are more likely to be true? 2) what does it mean to say that a theory is unified? 3) why theory unification should be an epistemic virtue? To answer the questions posed genesis and development of Maxwellian electrodynamics are elucidated. It is enunciated that the Maxwellian Revolution is a far more complicated phenomenon than it may be seen in the light of Kuhnian and Lakatosian epistemological models. Correspondingly it is maintained that maxwellian electrodynamics was elaborated in the course of the old pre-maxwellian programmes' reconciliation: the electrodynamics of Ampere-Weber, the wave theory of Young-Fresnel and Faraday's programme. To compare the different theoretical schemes springing from the different language games James Maxwell had constructed a peculiar neutral language. Initially it had encompassed the incompressible fluid models; eventually - the vortices ones. The three programmes' encounter engendered the construction of the hybrid theory at first with an irregular set of theoretical schemes. However, step by step, on revealing and gradual eliminating the contradictions between the programmes involved, the hybrid set is “put into order” (Maxwell's term).A hierarchy of theoretical schemes starting from ingenious crossbreeds (the displacement current) and up to usual hybrids is set up. After the displacement current construction the interpenetration of the pre-maxwellian programmes begins that marks the commencement of theoretical schemes of optics, electricity and magnetism real unification. Maxwell's programme surpassed that of Ampere-Weber because it did absorb the ideas of the Ampere-Weber programme, as well as the presuppositions of the programmes of Young-Fresnel and Faraday properly co-ordinating them with each other. But the opposite statement is not true. The Ampere-Weber programme did not assimilate the propositions of the Maxwellian programme. Maxwell's victory over his rivals became possible because the gist of Maxwell's unification strategy was formed by Kantian epistemology looked in the light of William Whewell and such representatives of Scottish Enlightenment as Thomas Reid and Sir William Hamilton. Maxwell did put forward as basic synthetic principles the ideas that radically differed from that of Ampere-Weber approach by their open, flexible and contra-ontological, genuinely epistemological, Kantian character. For Maxwell, ether was not the ultimate building block of physical reality, from which all the charges and fields should be constructed. “Action at a distance”, “incompressible fluid”, “molecular vortices”, etc. were contrived analogies for Maxwell, capable only to direct the researcher at the “right” mathematical relations.
Keywords: J.C. Maxwell, unification of optics and electromagnetism, I. Kant, T Reid, W. Hamilton
Вплоть до сравнительно недавнего времени было принято считать, что объединившая оптику, электричество и магнетизм максвелловская электродинамика явилась этапом развертывания фарадеевской научно-исследовательской программы, основанной на концепции близкодействия. Последняя, обеспечив и предсказание, и опытное подтверждение существования радиоволн, наконец-то победила весьма успешно конкурировавшую с ней - на первых порах - исследовательскую программу Ампера-Вебера, основанную на альтернативной близкодействию концепции дальнодействия. Однако более пристальный взгляд на историю и методологию физики второй половины XIX в., ставший возможным благодаря ряду современных исследований1, позволяет поставить эту точку зрения под сомнение как слишком большое упрощение.
Во-первых, сам создатель максвелловской электродинамики неоднократно - с самой первой работы и до конца своих дней - подчеркивал, что ключевые идеи электродинамики Ампера-Вебера не столько альтернативны, сколько дополнительны по отношению к концепции полевого взаимодействия. Еще в начале своих исследований в области электродинамики, в мае 1855 г., аспирант Кембриджского университета, прилежный студент профессора математики Габриэля Стокса и ректора Тринити-колледжа философа науки кантианца Уильяма Уэвелла, постоянный корреспондент Вильяма Томсона сообщает отцу:
Я продолжаю работать над электричеством, стремясь проложить свой путь сквозь работы солидных (heavy) немецких авторов. Привести в порядок все их понятия потребует много времени, но я надеюсь выработать свой взгляд на этот предмет и придти в конце концов к чему-то интеллигибельному (intelligible) в виде теории Siegel D.M. Innovation in Maxwell's electromagnetic theory: molecular vortices, displacement current, and light. Cambridge, 1991; Morrison M. Unifying Scientific Theories: Physical Concepts and Mathematical Structures. Cambridge, 2000; Darrigol O. Electrodynamics from Ampere to Einstein. Oxford, 2002; Nugayev R.M. Communicative Rationality of the Maxwellian Revolution // Foundations of Science. 2015. Vol. 20. No. 4. P 447-478. Цит. по: CampbellL., Garnett W. The Life of James Clerk Maxwell. L., 1882. P 105..
Позже, описывая процесс создания своей системы уравнений, Максвелл отмечает:
Я отдавал себе отчет в том, что в то время полагали, что существует определенная разница между фарадеевским способом понимания явлений и способом понимания математиков, так что ни те, ни другой не были удовлетворены языками друг друга. Я был также убежден в том, что эти расхождения не были результатом того, что одна из партий ошибалась (курсив мой. - Р.Н.) Maxwell J. Treatise on Electricity and Magnetism. L., 1998. P 599..
Во-вторых, основное экспериментальное подтверждение максвелловской электродинамики было получено не сотрудниками созданной самим Максвеллом, долгое время возглавляемой им и прекрасно оборудованной кавендиш- ской лаборатории, не британскими учениками и последователями Максвелла, а учеником Германа Гельмгольца немецким физиком Генрихом Герцем (1888), который сторонником теории Максвелла себя не считал Darrigol O. Op. cit..
В-третьих, влияние идей Фарадея и на юного, и, особенно, на зрелого Максвелла сильно преувеличено, причем не в последнюю очередь самим создателем электромагнитной теории света (возможно, исходя из самых лучших - патриотических - побуждений). Вне всякого сомнения, влияние фарадеевских «Экспериментальных исследований» (1839-1855), опытов не только по электромагнитной индукции (1831), но и особенно по вращению плоскости поляризации света в магнитном поле (1845) на создание максвелловской теории трудно переоценить. Но и в этом случае следует разделять сами экспериментальные исследования и те философские идеи, которые стоят за их интерпретацией. Для Майкла Фарадея, самоучки, не имевшего не только высшего, но и полноценного среднего образования, сына деревенского кузнеца, зятя старосты «фундаменталистской» сандаманианской христианской общины, находившейся в весьма непростых отношениях с официозной англиканской церковью, который впоследствии сам эту общину и возглавил, была характерна твердая вера в целесообразность, необходимость и разумность устроения мира Творцом. Отвечая в 1844 г. на вопросы о своих религиозных взглядах, Фарадей отмечал:
Я принадлежу к очень маленькой и презираемой (despised) секте христиан, известной, если вообще известной кому-нибудь, как сандаманиане. И только в Христе вся наша надежда Цит. по: Jones B. Faraday's Life and Letters. Vol. 1, 2. Philadelphia, 1870. P. 192..
В 1846 г., выступая в своем Королевском Институте (Royal Institution) по вопросам электричества и магнетизма, Фарадей подчеркивал:
Наша слабая философия позволяет увидеть в каждой частице материи центр силы, действующей на бесконечные расстояния, связывающей вместе молекулы и ионы и твердой в своем постоянстве. Вокруг каждой частицы мы видим силы различных явлений природы... настолько гармоничную работу всех этих сил, что каждая молекула предстает как реализация могущественного замысла. И поэтому наша философия, по мере того, как она раскрывает нам эти вещи, неминуемо должна вести нас к Нему - к тому, кто все эти вещи отделал; ибо сказано авторитетом гораздо высшим, чем наш собственный: «невидимые вещи Его с начала сотворения мира ясно видны, будучи поняты посредством тех вещей, которые им сотворены, и даже Его всемогущество и божественность (курсив мой. - Р.Н. ) Ibid. P 229..
Но блестящему студенту Эдинбургского университета и выпускнику, а затем аспиранту Кембриджа, сыну преуспевающего юриста лорду Джеймсу Клерку Максвеллу был присущ глубокий скептицизм Юма, Беркли и Канта, который он впитал на лекциях сэра Уильяма Гамильтона по философии сознания, читавшихся (при полных аудиториях) в Эдинбургском университете. Эти лекции, «интересовавшие его чрезвычайно», не только оказали на лорда Максвелла «сильное впечатление», но и развили его «любовь к спекуляциям, к которым он в итоге оказался весьма склонен» CampbellL., Garnett W. Op. cit. P 64..
Именно сэр Гамильтон с его релятивизмом и глубокими сомнениями в возможностях познания сущностей вещей привил Максвеллу вкус к основам кантианской философии. Например, в одном из упражнений по курсу философии Максвелл отмечает, что утверждения, согласно которым длина, ширина и толщина принадлежат исключительно материи, «неверны, поскольку они принадлежат также к геометрическим фигурам, в свою очередь являющимся формами мысли» Ibid. P 65.. Уже после Эдинбурга, приступая к занятиям в Кембридже и радостно воображая «обычное изобилие планов на будущее», под пунктом 4 (метафизика) Максвелл намечает «прочтение кантовской “Критики чистого разума” на немецком с целью согласования ее с сэром У. Гамильтоном» CampbellL., Garnett W. Op. cit. P 74..
Об отношении к другому классику философии свидетельствует следующее замечание в одном из писем юного Максвелла к отцу, отправленное 25 марта 1854 г.:
Я читаю «Теорию зрительного восприятия» Беркли и чрезвычайно ею восхищен, равно как и другими его нематематическими работами; правда, я был весьма разочарован, когда обнаружил, что он в конце концов попал в капкан, который сам же своими парадоксами и расставил Ibid. P 108. Ibid..
В том же письме Максвелл отмечает, что «у Конта имеются хорошие идеи о научном методе, но никакого понятия о человеке»11. Наконец, в своем центральном философском произведении эссе «Существуют ли реальные аналогии в Природе?» (1856) Максвелл занимает по основополагающим вопросам подчеркнуто кантианскую позицию, отмечая:
Что касается пространства и времени, любой скажем вам, что общеизвестно и твердо установлено, что «они лишь изменения наших собственных сознаний»... Поскольку у нас нет ни одной причины верить на основе простой смены впечатлений, что разницы в положении, так же как в порядке появления, существуют среди самих причин этих ощущений Ibid. P 121..
Весьма либеральная религиозность Максвелла предполагала не только жесткое разграничение научного разума и веры, но и также характеризовалась следующим, не менее известным его утверждением:
Я полагаю, что те результаты, к которым человек приходит в своих попытках гармонизировать свою науку с христианством, не должны рассматриваться как имеющие какое-либо другое значение, кроме самого человека, да и для него только в течение определенного времени, но общество не должно накладывать на него свой отпечаток Ibid. P 465..
И, будучи «сыном своего времени», Максвелл никогда на протяжении длительного периода не принадлежал к какой-то церкви; он признавался: «Моя вера слишком глубока для того, чтобы находиться в оковах какого-либо одного множества мнений».
Объяснение принятия полевой концепции симпатией к близкодействию, как отмечает один из отечественных знатоков творчества Максвелла, на первый взгляд представляется весьма естественным и правдоподобным Shapiro I. On the History of the Discovery of the Maxwell equations // Soviet Physics Uspekhi.
1973. Vol. 15. No. 5. P 651-659.. Но, к сожалению, это объяснение не подтверждается анализом работ Максвелла. Из них следует, что относиться к полю как к физической реальности автор «Трактата об электричестве и магнетизме» начал довольно поздно: лишь после того, как вывел из своих уравнений существование (электро) магнитных волн, т. е. после введения тока смещения. До этого поле использовалось им с «откровенно иллюстративной» (И. Шапиро) целью - для построения наглядных образов весьма и весьма сложных векторных дифференциальных уравнений. Например, в одной и той же работе «О фарадеевых силовых линиях» для разъяснения разных аналитических соотношений Максвелл использует значительно отличающиеся друг от друга модели: