Введение
"Ценность науки" – книга французского математика, физика и философа Анри Пуанкаре. Она была опубликована в 1904 году. В книге рассматриваются вопросы философии науки и более подробно раскрываются темы, затронутые в предыдущей книге Пуанкаре "Наука и гипотеза" (1902).
Математическая физика
Во второй части своей книги Пуанкаре изучает связи между физикой и математикой. Его подход, одновременно исторический и технический, иллюстрирует предыдущие общие идеи. Хотя он редко проводил эксперименты, Пуанкаре признает и отстаивает важность эксперимента, который должен оставаться столпом научного метода. По его мнению, математике не обязательно включать в себя физику, но она должна развиваться как самостоятельная ценность. Эта ценность прежде всего является инструментом: по словам Пуанкаре, математика – это «единственный язык, на котором [физики] могли бы говорить» друг с другом, чтобы понимать и быть понятыми. Этот язык чисел, кажется, раскрывает некое единство, скрытое в естественном мире, хотя применительно к теоретической физике может существовать лишь часть математики. Основная цель математической физики – не изобретение или открытие, а переформулировка. Это синтетическая деятельность, позволяющая обеспечить согласованность существующих теорий. Пуанкаре признал невозможность систематизировать всю физику определенного периода времени в единую аксиоматическую теорию. Его идеи о трехмерном пространстве приобретают значение в этом контексте. Пуанкаре утверждает, что математика (анализ) и физика проникнуты одним духом, что обе дисциплины преследуют общую эстетическую цель и что обе способны освободить человечество от его первобытного состояния. В более прагматичном смысле, взаимозависимость физики и математики аналогична предложенному им соотношению между интуицией и анализом. Язык математики позволяет не только выражать научные достижения, но и отстраниться, чтобы постичь более широкий мир природы. Математика демонстрирует масштаб конкретных и ограниченных открытий, сделанных физиками. С другой стороны, физика играет ключевую, созидательную роль для математика, поскольку представляет нетипичные проблемы, укорененные в реальности. Кроме того, физика предлагает решения и обоснования – так, развитие дифференциального и интегрального исчисления Исааком Ньютоном было осуществлено в рамках ньютоновской механики. Научные истоки математической физики лежат в изучении небесной механики. Изначально это было консолидацией нескольких областей физики, доминировавших в XVIII веке и способствовавших прогрессу как в теоретической, так и в экспериментальной сферах. Однако, в сочетании с развитием термодинамики (которая в то время была предметом споров), физики начали разрабатывать физику, основанную на энергии. И в своей математической структуре, и в своих фундаментальных идеях эта новая физика, казалось, противоречила ньютоновской концепции взаимодействия частиц. Пуанкаре называет это первым кризисом математической физики.
Второй кризис
В течение всего XIX века в лабораториях и за их пределами совершались важные открытия. Многие из этих открытий подкрепляли важные теории. Другие открытия не могли быть удовлетворительно объяснены – либо они наблюдались лишь изредка, либо противоречили новым и развивающимся теориям. В начале XX века основополагающие принципы были поставлены под вопрос. Поанкаре объясняет некоторые из наиболее важных принципов и связанные с ними трудности: принцип сохранения энергии (который он называл принципом Майера) – открытие радия и радиоактивности поставило вопрос о непрерывной (и, казалось бы, неисчерпаемой) эмиссии энергии радиоактивными веществами. Принцип энтропии (который он называл принципом Карно) – броуновское движение, казалось, противоречило второму закону термодинамики. Третий закон Ньютона (который он называл принципом Ньютона) – этот закон, казалось, вступал в конфликт с законами электродинамики, предложенными Максвеллом, и с предложенной им теорией эфира для их объяснения. Принцип сохранения массы (который он называл принципом Лавуазье) – рассмотрение движений со скоростью, близкой к скорости света, создавало проблему для этого принципа; это вновь электродинамическая проблема: масса тела в таком состоянии движения не является постоянной. Наконец, он добавил принцип наименьшего действия. В начале двадцатого века большинство ученых говорили о «диагнозе» Поанкаре относительно кризиса физических принципов. Фактически, поступить иначе было сложно: они обнаружили экспериментальные факты, которые принципы не могли объяснить, и которые они явно не могли игнорировать. Сам Поанкаре оставался относительно оптимистичным в отношении эволюции физики в связи с этими серьезными экспериментальными трудностями. Он не был уверен в природе принципов: они были сконструированы физиками, поскольку они учитывают и объясняют большое количество законов. Их объективная ценность заключается в формировании научной конвенции, иными словами, в обеспечении прочного основания, на котором отделяется истина от ложи (в научном смысле этих слов). Но если эти принципы являются конвенциями, они не полностью оторваны от экспериментальных фактов. Напротив, если принципы больше не могут адекватно поддерживать законы в соответствии с экспериментальными наблюдениями, они теряют свою полезность и отвергаются, даже не будучи опровергнутыми. Провал законов влечет за собой провал принципов, поскольку они должны объяснять результаты экспериментов. Отменить эти принципы, являющиеся продуктом научной мысли многих столетий, не найдя нового объяснения, которое бы их охватывало (подобно тому, как «физика принципов» охватывает «физику центральных сил»), – значит утверждать, что вся прошлая физика лишена интеллектуальной ценности. Следовательно, Поанкаре был уверен, что принципы можно спасти. Он утверждал, что математическая физика несет ответственность за восстановление этих принципов или поиск им замены (причем более высокая цель – вернуть единство в этой области), учитывая, что именно она сыграла главную роль в их оспаривании, предварительно укрепив их. Более того, ценность математической физики (с точки зрения научного метода) также подверглась критике из-за краха определенных теорий. Таким образом, одновременно существовали две физики: физика Галилея и Ньютона и физика Максвелла; но ни одна из них не могла объяснить все экспериментальные наблюдения, полученные благодаря техническому прогрессу.
The principle of conservation of energy (which he called Mayer's principle) the discovery of radium and radioactivity posed the problem of the continuous (and seemingly inexhaustible) energy emission of radioactive substances. The principle of entropy (which he called Carnot's principle) Brownian motion seemed to be in opposition to the second law of thermodynamics. Newton's Third Law (which he called Newton's principle) — This law seemed to conflict with the laws of electrodynamics proposed by Maxwell, and with the ether theory he had proposed to explain them. The principle of conservation of mass (which he called Lavoisier's principle) — the consideration of movements at a speed close to that of light posed a problem for this principle; this is again an electrodynamic problem : the mass of a body in such a state of motion is not constant. the principle of relativity Finally, he added the principle of least action. At the beginning of the twentieth century, the majority of scientists spoke of Poincaré's "diagnosis" concerning the crisis of the physical principles. In fact, it was difficult to do otherwise: they had discovered experimental facts which the principles could not account for, and which they evidently could not ignore. Poincaré himself remained relatively optimistic regarding the evolution of physics with respect to these severe experimental difficulties. He had little confidence in the nature of principles: they were constructed by physicists because they accommodate and take into account a large number of laws. Their objective value consists in forming a scientific convention, in other words in providing a firm foundation to the basis on which truth and falsehood (in the scientific meaning of the words) are separated. But if these principles are conventions, they are not therefore totally dissociated from experimental fact. On the contrary, if the principles can no longer sustain laws adequately, in accordance with experimental observation, they lose their utility and are rejected, without even having been contradicted. The failure of the laws entails the failure of the principles, because they must account for the results of experiment. To abolish these principles, products of the scientific thought of several centuries, without finding a new explanation that encompasses them (in the same manner that the "Physics of principles" encompasses the "Physics of central forces"), is to claim that all of past physics has no intellectual value. Consequently, Poincaré had great confidence that the principles were salvageable. He said that it was the responsibility of mathematical physics to reconstitute those principles, or to find a replacement for them (the greater goal being to return the field to unity), given that it had played the main role in questioning them only after consolidating them to begin with. Moreover, it was the value of mathematical physics (in terms of the scientific method) which itself saw criticism, due to the implosion of certain theories. Two physics thus existed at the same time: the physics of Galileo and Newton, and the physics of Maxwell; but neither one was able to explain all the experimental observations that technical advances had produced.
Электродинамика движущихся тел
Массив проблем, с которыми столкнулись исследователи, был сосредоточен на электродинамике движущихся тел. Пуанкаре быстро предложил идею о том, что это эфир, модифицирующий себя, а не тела, приобретающие массу, что противоречило более ранним теориям (основанным на концепции абсолютно неподвижного эфира). В целом, Пуанкаре прояснил природу эффекта Зеемана, вызванного дискретными излучениями электронов. Проблема дискретности материи потребовала формулировки минимально дестабилизирующей модели атома. В 1913 году Нильс Бор представил свою атомную модель, основанную на концепции электронных орбит, которая объясняла как спектроскопию, так и стабильность атома. Однако в 1905 году проблема всех попыток описать поведение микроскопического мира заключалась в том, что никто не знал, следует ли применять модель, аналогичную известной для макроскопических объектов (модель классической механики), или же необходимо разработать совершенно новую модель, способную объяснить новые факты. Последний подход, реализованный в квантовой теории, также означал окончательный отказ от единства, уже достигнутого в предшествующих теориях механики.
Будущее математической физики
Поанкаре утверждал, что для развития физических наук необходимо учитывать новый вид детерминизма, предоставляя случайности новое место. И действительно, история физики двадцатого века отмечена парадигмой, в которой господствует вероятность. В книге «Ценность науки» Пуанкаре пишет и неоднократно выражает свой энтузиазм по поводу двух направлений исследований: статистических законов (заменяющих дифференциальные законы) и релятивистской механики (заменяющей ньютоновскую механику). Тем не менее, он не принял во внимание идеи Планка. Последний в 1900 году опубликовал спектральные законы, управляющие излучением абсолютно черного тела, которые стали основой квантовой механики. В 1905 году, в тот же год, когда была опубликована «Ценность науки», Альберт Эйнштейн опубликовал основополагающую статью о фотоэлектрическом эффекте, основанную на работах Планка. Несмотря на сомнения Пуанкаре, которые, несомненно, были связаны с его представлением о физике как об аппроксимации реальности (в отличие от точности математики), вероятностные правила квантовой механики стали явным ответом на второй кризис математической физики конца девятнадцатого века. (Стоит отметить, что в 1902 году Пуанкаре разработал релятивистскую физику, которая в своем теоретическом развитии тесно соответствовала той, что несколько лет спустя была разработана и предложена Эйнштейном.)
Объективная ценность науки
"Какова цель науки?" – вопрос, который неоднократно задается в книге Пуанкаре. В ответ на эту телеологическую проблему Пуанкаре занимает позицию, противоположную позиции Эдуарда Ле Руа, философа и математика, который в статье 1905 года (Sur la logique de l'invention, «О логике изобретения») утверждал, что наука по своей сути антиинтеллектуальна (в смысле Анри Бергсона) и номиналистична. В отличие от Ле Руа, Пуанкаре придерживается взглядов Пьера Дюэма. Он объясняет, что представление об антиинтеллектуальности науки самопротиворечиво, а обвинение в номинализме подвергается серьезной критике, поскольку основано на путанице в мыслях и определениях. Он защищает идею о базовых принципах и о том, что научная деятельность – это не просто набор условных соглашений, произвольно выстроенных вокруг непосредственных экспериментальных наблюдений. Он стремится показать, что объективность в науке проистекает именно из того, что ученый не делает ничего больше, чем переводит необработанные факты на определенный язык: «(…) tout ce que crée le savant dans un fait, c'est le langage dans lequel il l'énonce». Единственным вкладом науки является развитие все более математизированного языка – последовательного, поскольку он предлагает полезные, хотя и не абсолютные предсказания, которые всегда подлежат проверке реальными наблюдениями и остаются потенциально ошибочными.
Другие взносы
Профессор Ричард Фейнман внёс вклад в вопрос о ценности науки в статье 1955 года.