Проявление материи I: Движение в пространстве

Физический и феноменологический миры

Жан Петито, Барри Смит

Краткое содержание: Наша работа ставит своей целью развенчать обычно присущее философии представление, что реальность описывается исключительно основополагающими положениями физической теории микромира, и что кроме подобной формы отражения реальности мы не владеем другим способом ее представления. Наши возражения мы аргументируем тем, что подобное предположение фактически противоречит существу подобных теорий. Это хорошо можно иллюстрировать тем, что макромир трехмерных тел и такие качественные структуры как цвет и звук находят свое научное определение исключительно в их обособленных системах понятий, свидетельствующих не только о психологической природе подобного понимания, но и, в равной мере, и онтологической. Мы будем защищать принципы нового результирующего подхода, плодами которого оказываются основания метода описания выделенного процессом восприятия макроскопического мира путем математических определений. Если взглянуть шире, подобное можно объяснить тем, что макроскопический мир существует в качестве определенных специфических типов шаблонов границ, принадлежащих тому полю, которое охватывают теории физического микромира.

Введение

Одна из важнейших проблем философии науки заключается в установлении удовлетворительных отношений между (1) феноменологическим и общесмысловым миром, познание которого достижимо посредством восприятия и описывается естественным языком и (2) тем миром, который отражает общепринятая физическая теория или такие фундаментальные теории микроструктуры материи или распространения волн как Ньютоновская механика, волновая теория Максвелла, специальная и общая теория относительности и квантовая механика. Развитие математической физики довольно долго многие понимали как категорическое требование устранения феноменологического мира - мира макроскопически организованных объектных категорий, пространственных форм, вторичных качеств и порядков взаимодействия - принадлежащих области по существу онтологического рассмотрения, для которого категорически важно обладание "психологичностью" феноменологической структуры. Отсюда естественно следует то привычное философам редукционистское предположение, что собственной структурой наделены одни лишь изменения, происходящие в физическом микромире (что мир сам по себе представлен существом "быстротекущих, сильно обособленных бесцветных частиц"). Но фактом, однако, явилось и то, что открытие атомов или кварков не устранило молекулы, макромолекулы или иные действительно макроскопические объекты, как наделенные физикой уже их собственными макроскопическими свойствами - все представляющие собой абсолютно четкие физические системы. Более того, недавнее развитие когнитивных наук и иных им подобных учений придало новое теоретическое значение феноменологическому или качественному уровню объективной действительности. Мы могли бы напомнить, например, идею "наивной физики", пропагандируемую Патриком Хайсом (1985), качественной физики Клера и Брауна (1984), кроме того ранних исследований, посвященных "чувственной категоричности" (perceptual salience), проделанных Д. Д. Гибсоном (1979). Однако основные научные работы по теме онтологического или качественного мира принадлежат направлению психологической философии. Наше представление, напротив, заключено в том, что существует объективная возможность адекватного теоретического представления данного мира как предмет объективных структур в том смысле, что мы более точно определим ниже.

Оглядываясь здесь назад на работы до-Галилеевских философов мы находим для себя некоторую идею того, как же следует строить общесмысловую теорию мира. Такой должна предстать, как мы предполагаем, та или иная форма онтологии Аристотеля, представляющая собой тот вариант онтологии, что определяет устойчивые сущности живой и мертвой природы как несовместимость формы и содержания, как обладателей чувственно распознаваемых и чувственно недоступных качеств и подверженных различного рода природным и неприродным изменениям. Вдобавок онтологии следует признать виды и роды (или "натуральные виды"), в которых подобные сущности, как материальные формы, так и их проявления, теряют постоянство, откуда должно следовать определение того, что предмет подобных видов замкнут в каждом случае в круг более или менее определенных или типичных предметов.

Для Галилея и его последователей, напротив, материальность и чувственные ("вторичные") качества устранялись из той области, где находится все то, что обладает автономным существованием, с чем уничтожается и весь сопутствующий аппарат представлений о натуральных видах, предметных прототипах и т.д., и все это в подобной перспективе как самые замечательные особенности недавно еще действовавших представлений наивной физики, что представляла собой фундаментальную Аристотелевскую парадигму, допускает следующий этап, что посредством того или иного процесса эти представления еще раз будут возрождены к жизни.

Ясно, однако, что феноменологическая или общесмысловая онтология (мы некоторое время будем употреблять подобные понятия как синонимы) могут иметь вид Аристотелианских только в широком смысле слова. Поскольку пространство подобной онтологии трехмерно и глобально по своей типологии, это условие противоречит идее чистого локального пространства, мыслимой Аристотелем. Материальности занимают объемы подобного пространства и постоянно перемещаются в нем; они наделены замкнутыми пространственными границами, которые размечают и разделяют их от прочих материальностей и т.д.

Как, в таком случае, мы можем определить отношение между общесмысловой онтологией и стандартной физической парадигмой? Современная эпистемология, в частности, сосредотачивает свое внимание на редукционистских ответах на подобные вопросы. Вариантом подобных решений, свойственных одной экстремальной физикалистской тенденции, представляются, в частности, идеи, принадлежащие некоторых членам Венского кружка, устраняющие любой элемент того, что могло бы каким-то образом быть названо принадлежащим феноменологической области. Образцами другого рода радикальных решений можно назвать ряд опытов, начатых Махом, проводившихся ранним Карнапом и поздним Гуссерлем, реконструировавших уже саму физику теперь на чувственном или феноменологическом основании. Для нас, напротив, цель должна состоять в том, чтобы пролить новый свет на отношения физики и феноменологической реальности посредством тщательного анализа понятийной практики каждой участвующей в этих отношениях стороны. Плоды подобного подхода должны обнаружить свою совместимость с физическими представлениями, хотя они определенно и не будут адекватны какому угодно распространенному физикалистскому редукционизму. Это более взвешенное решение чем то, посредством которого обычно определяется реальность, допускающая ее фиксацию физической теорией.

Проявление материи I: Движение в пространстве

Современная физика, если дать ей грубое определение, представляет собой науку о материальном. Она работает с довольно ограниченным числом средств, позволяющих материи проявлять себя в феноменологической реальности (прежде всего, конечно, в рассматриваемых ею контекстах лабораторного эксперимента). Более того, она определяет эти условия не как привычные рамки феноменологического мира, но так, как они могут проявляться в идеальных формах, как количество или величина: качественные характеристики учитываются в физике только посредством математических алгоритмов и зависимостей. Это заставляет пользоваться математическими средствами для объяснения имеющихся проявлений посредством демонстрации именно того факта, что они оказываются последствиями действия определенных формальных законов или правил. Феноменологическая реальность таким образом полностью рафинируется посредством наложения на нее структур формального или количественного рода. Окончательные физические модели фиксируют только ограниченный список признаков феноменологической реальности и множество качественных и морфологических структур феноменологических проявлений теряются из виду как таковые. Подобное не может быть, как, пожалуй, поначалу можно было бы думать, явлением некоторой тривиальности решения, напротив, признак избирательного представления выражает собой характеристику всякой науки. Скорее, как мы можем увидеть, сами объекты, те, с которыми работает физика, применением некоторых точных средств оформляются и выделяются в тот предмет, с чем, собственно говоря, физик и оперирует.

Классическая механика, возьмем такой очевидный пример, стремится давать объяснения как в математической форме, так она и ограничивает себя простым и унифицированным перечнем принципов, где все многообразные выражения того очевидного свойства материи, которое носит имя движения в пространстве, представленного всеми возможными видами - движением маятников, орбитами планет, вихревыми течениями жидкостей и феноменом тепловых движений (которые известны и как тепловая диффузия), учитывается именно средствами статистической физики. Подобного рода движения любая из теорий механики представит либо как векторы (в случае скоростей, градиентов, ускорений и т.д.) или как тензоры (угловые моменты, деформации непрерывных сред и т.д.) или как дифференцирующие формы (течения, процессы перемешивания, вихри и т.д.). Векторы, тензоры и дифференцирующие формы все представляют собой математические сущности, что обладают присущей им геометрической значимостью в том смысле, что они не зависимы от той системы координат, что мы используем при их описании. В подобных случаях допустимость изменения системы координат определяет лишь требование совместимости уровня подобной структуры с обстоятельствами определяемого случая. Подобные порядки определяют те группы симметрии, что характерны каждому структурному уровню системы координат. Например, векторному представлению соответствует линейная группа (или ортогональная группа, если случай допускает определение метрических свойств). В инерциальных системах отсчета Галилеевской кинематики это называется Галилеевской группой. Для дифференцирующих форм это называется группой диффеоморфизмов и т.д.

Последствием подобного положения дел оказалось то, что, если движение описано методами классической механики, то его следует понимать выведенным из зависимости от выбора некоей конкретной системы координат, использование которой допускает подобная характеристическая группа. Подобное условие следует назвать априорной, (то есть, собственно говоря, до-физической) посылкой самой используемой теории. Таким образом в Галилеевской кинематике все те разнообразные описываемые ею объекты должны удовлетворять требованиям специфической математической посылки, требующей от них быть ковариантными в согласии с условиями Галилеевской группы относительности. Или иными словами: поскольку никакой момент времени физически не отличим от всякого другого момента, физически невозможным является и определение абсолютного начала координат времени: с подобным фактом теория связывает сам принцип относительности для подгруппы временного сдвига. Подобным же образом невозможно физическое определение абсолютного начала пространственных координат или некоего абсолютного направления вращения. Также физически невозможно выбрать и некую абсолютную инерциальную структуру; именно с подобным кинематическим принципом связана группа преобразований Лоренца и т.д.

Галилеевская группа представляет собой группу симметрий пространства и времени: это определяет тот предмет, который получил название "однородности" структуры, в пределах которой каждая точка пространства и времени неотличима от другой. В общем, условие симметрий устанавливает для количеств, используемых в описаниях физических систем, разделение на две разновидности. Один объединяет те количественные параметры, которые не находятся в зависимости (не инвариантные) от происходящего изменения, специфически отличающего подобную физическую систему. (Если, например, мы определяем некую частицу как самодостаточную физическую систему, то здесь ее масса служит именно такого рода величиной.) В другую часть следует объединить количества, которые скорее уже зависят от выбора системы координат: примерами подобных служат, например, установленный нами нуль отсчета времени, нулевая позиция наших координат, структура геометрических координат и действующий в данном представлении принцип инерциальности. Механическую систему, в таком случае, полностью описывает некоторая определенная функция, носящая имя Функции Лагранжа, которая объясняет "действие" подобной системы. Одна из самых важных теорем классической механики, называемая теорема Нетера (предмет которой позволяет обобщить множество иных физических теорий), говорит о том, что если Функция Лагранжа безразлична к данной группе координатных видоизменений, тогда определяемые ею некоторые физические количества равным же образом соотносятся, сохраняясь в каждом следующем движении системы. Подобные сохраняющиеся количественные отличия получили название первых интегралов системы. Они обладают фундаментальным значением для решения уравнений Эйлера-Лагранжа (другое имя - Гамильтониан), которые удовлетворяют условиям подобной системы, и решения которых являются темпоральной траекторией системы.

Теорема Нетера говорит нам (более точно), что для каждой монопараметрической группы симметрий, описываемой Функцией Лагранжа существует соответствующий закон сохранения физического количества. Монопараметрическая группа симметрий представляет собой группу симметрий одного измерения, например группу пространственных сдвигов в некотором выбранном направлении перемещения. Если Функция Лангранжа симметрична относительно этой группы, то компонент кинетического импульса подобного движения остается постоянным. Сдвиг по времени соотносится подобным же образом с законом сохранения энергии. Вращательные движения соотносятся с законом сохранения момента импульса. Благодаря подобного рода соответствиям, при надлежащем их применении, мы способны получать научные предсказания, наделенные глубоким физическим смыслом, соответствующим представлениям множества физиков о том, что в целом принципы классической механики определяются подобными законами сохранения. Знаменитый закон Эйнштейна о связи энергии и массы представляет собой прямое последствие теоремы Нетера, что в разработках группы Пуанкаре получило имя принципа четырехмерной конструкции пространство-время Минковского, так теорема Нетера играет гораздо более важную роль для современной физики, и не только механики, но и, что более существенно, квантовой теории электромагнитного поля.

Для математического выражения физических законов необходима такая вещь как условия пределов подобного соответствия. Но эти ограничения сами собой представляют уже до-физические посылки; в той степени, в которой они являются существом сделанных уже нами ограничений, они не отражают никаких объективных особенностей собственно действительности. Хотя, таким образом, ради достижения объективности описанию и необходимо использовать систему координат, подобные координаты представляют собой устраняемое условие в том смысле, что они порождают ковариантные описания и в случае допустимой замены систем координат. Однако высказанное нами замечание более существенно в том смысле, что подобный факт имеет определенные физические последствия, то есть последствия связанные с тем, что объекты представляют собой (определенные условием соблюдения законов сохранения) тот предмет, с которым работает теория. В подобном контексте мы начинаем понимать что имел в виду Клиффорд, когда он сказал, что "физика это геометрия" и Эйнштейн, когда он сказал, что "объективность это ковариантность". Для явления физики, как для классической, так и для современной, наиболее характерно построение описаний, использующих геометрические концепции. В конечных моделях это находит свое выражение в том, что физически важные количества оказываются в точности теми, что допускают инвариантность в тех преобразованиях, о которых мы уже сказали выше; такие количества действуют на положении встроенных элементов физических представлений. Когда теоретические представления обобщаются, например тогда, когда классические представления сменяет теория относительности, размер группы совместимых преобразований возрастает. Степень обобщенности получаемого описания увеличивается и количественные пропорции, до того понимавшиеся несвязанными, обнаруживают теперь закономерную связь друг с другом.

Физика здесь требует большего парадигмального насыщения в сравнении с тем, что ей просто могут дать геометрические структуры. Например, в классической Ньютоновской механике понятие силы наделяется действительным (не относительного уровня) физическим содержанием (поскольку ускорение представляло собой инвариант, относящийся к предмету Галилеевых преобразований). В общей теории относительности сила становится, напротив, относительной количественной мерой, связанной с величиной скорости. Такая связь наблюдается потому, что в понимании теории относительности пределы существенности расширяются до рамок огромной группы диффеоморфизмов пространство-время. Принцип ковариантности нужно представлять себе как уровень большей ограниченности в сравнении с инвариантностью, обеспечивающей расширение рамок группы взаимоувязанных преобразований.