В.Б.Губин

 

ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И РЕАЛЬНОСТЬ

ПРОБЛЕМА СОГЛАСОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
И МЕХАНИКИ

 

 

Алматы

1993


 

        ББК 22.3

 

        Физические модели и реальность. (Проблема согласования термодинамики и механики) / В.Б.Губин. - Алматы, 1993. -231 с., илл.

 

        Книга посвящена анализу отношения физических моделей к отражаемой ими реальности, проводимому в основном на примере задачи согласования статистической физики и термодинамики с механикой. Модели и структуры разных уровней возникают как обобщения результатов различного вида контроля над материалом со стороны наблюдателя. Определение энтропии как характеристики неточности контроля над системой в термодинамике снимает трудности согласования детерминизма механики и статистической вероятности, обратимости механики и термодинамической необратимости а также парадоксы Гиббса. Излагается схема общего механизма формирования объектов, в виде которых перед наблюдателем упpощенно предстает мир в процессе его деятельности в нем.
        Для студентов, аспирантов и специалистов в области физики, математики и философии.

 

 

 

ISBN 5-625-02505-3

© В.Б.Губин, 1993


 

 

 

ПОСВЯЩАЮ

кухаркам, давшим нам Ломоносова, Крылова, Кольцова, Шевченко, Репина, Горького, Есенина, Агапкина, Чапаева, Буденного, Шолохова, Николая Островского, Аркадия Гайдаpа, Новикова-Прибоя, Макаpенко, Исаковского, Пpокошину, Алейникова со товаpищи, Ушакова, Папанина, Стаханова, Евдокию и Марию Виногpадовых, Каpацюпу, Чкалова, Ильюшина, Кошкина, Жукова, Конева, Рокоссовского, молодогвардейцев, Ковпака, Кузнецова, Номоконова, Сафонова, Покpышкина, Кожедуба, Амет-хана Султана, Джалиля, Момыш-Улы, Драгунского, Фатьянова, Калашникова, Гагарина, Теpешкову, Илизаpова,
и светлой памяти Союза Советских Социалистических Республик, в котоpом только и могла быть написана эта книга.

 

 

 


 

ВВЕДЕНИЕ

От того, что известная истина о том, что нет ничего практичней хорошей теории, набила всем оскомину, она, с одной стороны, не перестала быть верной, но с другой - все же не стала энергичней применяться за последние десятки лет - не в последнюю очередь из-за плохой общей организации науки, никак не соответствовавшей нашим, теперь уже былым, возможностям.

В настоящее время научная философия и, в частности, ее раздел - теория познания - дискредитированы в глазах исследователей, работающих в конкретных областях общественных и естественных наук, так что даже в парадоксальных, проблемных ситуациях у многих и мысли не возникает посмотреть на свои затруднения с более общих позиций и обратиться к рецептам и рекомендациям методологии - которая, к сожалению, в свою очередь разрабатывалась весьма схоластически, в основном ограничиваясь простой описательностью и комментаторством и вместо конструктивного применения и дальнейшей разработки актуальных философских положений довольствуясь декларациями о преимуществах материалистической диалектики, напоминая этим тираду незабвенного Победоносикова о преимуществах советского трамвая или эпический рефрен: «Какой ты, Юра, умный!», - из известной графоманской апологии культурного слоя мещанской интеллигенции.

В последнее время, кажется, даже стали забывать, что практика без теории слепа, а теория без практики мертва. Двигаться вперед оптимальным образом можно лишь при конструктивном сотрудничестве и взаимообогащении теории и практики. Философия - это теория по отношению к конкретным наукам - практике. Неразработанная или неверная философия в конечном счете мстит исповедующим ее - даже если они вульгарно полагают, что не придерживаются никакой философии. А глубокие открытия в основных разделах конкретных наук неизбежно корректируют и более общие представления о мире, следовательно - философию.

В науках о неживой природе бесспорная царица и законодательница мод - физика. Без «физики» и философия не полна. Именно физика, по крайней мере наиболее явно, заставила поволноваться философию естествознания - и всю философию - в первой трети века. Авторитет, приобретенный физиками их революционными открытиями, имеющими и общеметодологическое значение, довел отношение к ним многих философов почти до подобострастия, лишившего их пресловутой «относительной самостоятельности». В такой обстановке методологи физики, призванные, между прочим, выявлять и указывать более рутинно работающим представителям конкретных наук нерешенные проблемы и противоречия в их исследованиях, оказались не в состоянии выполнять эту задачу (почему многие из них в последнее время переключились на модные и более благодарные на первый взгляд области: космологию, синергетику и биологию). К этому добавился переносимый на физику отвратительный страх перед мощью сил, которыми отчасти по ее милости стал манипулировать человек. Поэтому, а также, конечно, и по другим причинам, возможно, более случайным, физика у нас (а также у «них») оказалась предоставленной самой себе, в то время как, согласно Уилеру, «ј ни один подход к физике, имеющий дело только с физикой, не сможет когда-либо объяснить физику» /1/.

Положение усугубляется довольно распространенным среди физиков снобизмом по отношению к другим наукам, шутливо заявленным в физфаковской (МГУ) «Дубинушке»: «Только в физике соль, остальное все - нольј » Но, как говорится, если нет чувства юмора, то должно быть чувство, что его нет. Впрочем, полезное для здоровья чувство превосходства, по-видимому, больше (было?) характерно для МФТИ и МИФИ, где число окончивших первый курс с умилительной уверенностью в приобщении ко все знающей, все понимающей и вполне респектабельной науке явно чрезмерно велико. Сосредоточив свои интересы на развитии и применениях все сокрушающего формального аппарата, подобные физики не внемлют предостережению Фейнмана: «Ни понимание природы зла, добра и надежды, ни понимание основных законов в отдельности не могут обеспечить глубокое понимание мира. Поэтому неразумно, когда те, кто изучает мир на одном конце иерархической лестницы (уровней сложности. - В.Г.) без должного уважения относятся к тем, кто делает это на другом конце.» (/2/, стр. 135-136).

В связи с указанным почтением философов к «школьной» физике, к ведущим физическим группам, выступления Я.П.Терлецкого /3/ в пятидесятых годах против распространившегося у нас (и у «них») поверия, что открытые к тому времени немногие элементарные частицы - действительно элементарны, не были, как это ни странно, поддержаны нашими философами, которым сам их диалектический бог повелевал это сделать. Так мы получили первые работающие модели составных частиц из зарубежья, причем инициатор первой из них, Саката, популярное изложение модели и пути к ней завершил словами /4/: «Нужно помнить, что, по-видимому, нейтрино так же неисчерпаем, как и атом.» Физфаковский фольклор на такие случаи пpипас сентенцию: «Левая, правая где сторона? Жизнь человека сарказма полна!»

В результате той же самой общей подавленности и плохой информированности, а также из-за стандартного дежурного оптимизма методологи просмотрели еще одну важнейшую нерешенную старую проблему: проблему обоснования статистической физики и термодинамики, - поверив на слово прикладникам, что в статистике уже давно существуют практически только вычислительные трудности. Тут, правда, можно было бы усомниться как в силе методологической критики, так и в ее полезности: что можно сказать о статистике помимо того, что говорят о ней работающие с ней специалисты? Однако общие соображения, если они уместно и умело применены, всегда очень сильны. А обращены они не обязательно должны быть к тем же самым специалистам, кроме них есть еще входящая в науку молодежь: «Всход наук не в нашей власти, мы их зерна только сеем.» /5/. И площадь посева должна быть как можно более велика, чтобы можно было предостеречь начинающих исследователей от флюса узкой специализации и ограниченностей групповщины.

Видимо, именно проблема обоснования статистической механики, и именно классической, является наиболее интересной с точки зрения уточнения связей физики с реальностью. Дело в том, что все ее основные моменты, в отличие от более современных и, возможно, более сенсационных задач, связанных с новыми экспериментальными открытиями, например, в области элементарных частиц, могут быть четко поставлены и проанализированы, так как трудности обоснования относятся только к принципам, имеют характер логических парадоксов, вполне могут быть изложены на бумаге и, соответственно, должны разрешаться в сфере модельной реальности почти без апелляций к сомнительным, всегда неполным реальным экспериментам (такой же чистой является более простая задача перехода квантовой механики в классическую). В подтверждение этого можно сослаться на то, что все исследования оснований статистики практически не обращаются к реальным экспериментам. А если уж задача поставлена в замкнутом виде, то для ее решения требуется лишь достаточное упорство, правда, степень достаточности может быть определена только после достижения удовлетворительного ответа. При этом, разумеется, немедленно возникает вопрос о том, какой ответ должен считаться удовлетворительным. Хотя исчерпывающих формальных оценок дать нельзя, три условия должны быть соблюдены: решение не должно быть противоречивым; ответ должен содержать нечто существенно новое; в результате верного решения общая картина проблемы должна резко проясниться, в частности, должны стать понятными причины предыдущих затруднений.

В этой книге отношение физики к реальности и изучается в первую очередь на основе анализа и разрешения некоторых трудностей согласования особенностей классической статистики и механики.

В первой главе приводится краткий обзор известных проблем в области обоснования статистики и термодинамики. Во второй предлагаются решения трех наиболее принципиальных задач из этой области в их простейшем виде, тем не менее достаточном для получения нетривиального вывода о том, что объекты, параметры («наблюдаемые») и законы статистики и термодинамики не есть порождения только составляющих систему элементов, но строятся на этом материале специфическим обращением с ним, так что получение статистических и термодинамических свойств на базе только свойств частиц системы и обстоятельств их движения - невозможное дело, чем и были вызваны неудачи в работах по согласованию статистики и термодинамики с механикой (исключая работы Смолуховского). Макросостояние возникает как специфическое обобщение результатов особой работы (деятельности) с материалом, не использующей всех возможностей, предоставляемых механикой (т.е. «точными» законами природы), а именно такой работы, при которой действия с системой, направленные на получение некоторых результатов, плохо учитывают точное состояние системы частиц, в силу чего и результаты оказываются не слишком хорошими (нестопроцентный КПД). Энтропия, первоначально введенная в феноменологической термодинамике для описания работы тепловой машины как параметр самой природы, чисто объективной реальности, при более глубоком рассмотрении оказывается характеристикой некоторого способа контроля над системой со стороны преследующего свои цели субъекта: это первый четкий пример физической величины, которая не существует без субъекта, без нас, а есть параметр связи субъекта с объектом его деятельности. Подчеркнем принципиальное ее отличие от обычных физических величин, которые, как полагают все физики, в каком-то смысле более или менее приближенно отражают некоторые собственные черты изучаемых состояний внешнего мира. Она вообще никак не отражает, не описывает эти состояния, ни точно, ни приближенно, а отражает и описывает качество, точность наших воздействий на систему, предпринимаемых с целью получения некоторых полезных для нас результатов. Выражаясь в терминах фазового пространства, она не указывает с какой-либо точностью положения системы в нем и в этом смысле вовсе не отображает систему, а специфическим образом оценивает лишь величину неопределенности, с которой воздействия контролируют систему в этом пространстве (т.е. попросту координаты и импульсы частиц системы). Полезное ее значение заключается в том, что она, будучи использована вместе с характеристиками реального состояния, может дать оценку качества результатов, получаемых при таких воздействиях. В рамках же классической феноменологической термодинамики, порожденной особыми действиями с системами, результаты оказываются вполне определенными в том смысле, что для их оценки уже не требуется специально анализировать качество действий, поскольку другие, более точные действия, возможность которых видна из микроскопического рассмотрения, полностью отсутствуют, ненаблюдаемы. В этом плане как бы возникает полный и замкнутый мир (а в действительности усеченный), в котором результаты действий имеют особый характер, без вариантов определяемый состояниями этого мира. В связи с этим и энтропия в этом мире становится характеристикой (функцией) его состояний - характеристикой модельной «термодинамической объективной реальности» самой по себе.

В третьей главе в развитие методологических выводов второй главы и по аналогии с ними показывается несостоятельность редукционизма - представления о сводимости объекта к составляющим его элементам - в естественных науках. Делается общее заключение о механизме выделения наблюдаемых физических объектов: объекты и структуры порождаются двумя факторами: 1) материалом, с которым производится работа и 2) целью, способом и средствами работы с ним. В редукционистском (и родственном ему объективистском) подходе второй аспект совершенно игнорируется, т.е. реальная ситуация отражается в этом подходе неверно.

Здесь же анализируется позиция Фейерабенда по вопросам совместимости, согласованности и преемственности естественнонаучных теорий. Он пришел к заключению о несвязности различных теорий и равноправии «альтернатив» на том основании, что их невозможно с помощью редукции поставить в какое-либо соответствие и, следовательно, сравнить. Мнение Фейерабенда о несвязности (и непроверяемости) теорий в редукционистской схеме справедливо, однако эту схему он считает естественной и единственно допустимой без достаточных оснований, и правильный учет роли наблюдателя, не замечаемой в редукционистском подходе, позволяет с успехом сравнивать разные теории. Приводятся примеры установления соответствия ряда пар теорий.

В четвертой главе излагается простейшая схема общего механизма формирования объектов, в виде которых перед субъектом предстает мир в процессе его деятельности в нем. Очевидная относительная устойчивость ощущений живого объекта выделяет его как целое из всей среды, в какой-то степени противопоставляет его остальному миру. Некоторое обязательно присутствующее (возможно, выбираемое) безразличие к частностям, подробностям обеспечивает возможность выделения в деятельности с не слишком различающимися материалами однородных объектов, которые, таким образом, являются обобщениями, существенно определяемыми не только материалом, но и характером деятельности. Субъект с относительно устойчивыми ощущениями не может отразить реальную ситуацию полностью и точно, поэтому объекты, которые он обнаруживает (видит) в своей деятельности со средой, никогда не являются точными копиями внешней реальности и не могут быть редуцированы непосредственно к материалу, на котором они построены субъектом. При разной деятельности с одним и тем же материалом выделяются разные объекты, которые, соответственно, также не могут быть сведены одни к другим, минуя существенную переработку субъектом. Хотя оперирование объектами, не абсолютно точно отражающими действительность, в реальности (а не в формальной схеме, скажем, в математике) никогда не может приводить совершенно точно к бесконечно строго поставленной цели, оно, тем не менее, может давать приемлемые результаты ввиду конечной точности требований субъекта с относительной устойчивостью ощущений. Сама возможность существования научных теорий, предназначение которых - предсказывать результаты, базируется, между прочим, и на допустимости не совсем точного ответа. Объективистский взгляд на природу объектов и теорий несостоятелен.

К настоящему времени накопилось уже достаточно много проблем, в решении которых должен быть успешным деятельностный подход. Кроме того, он способен открыть и поставить новые важные задачи. Крупнейшим и единственным его недостатком пока что является необходимость достаточно уверенной ориентировки в конкретных вопросах, анализируемых с его помощью.

К сожалению, по многим предлагавшимся дpугими автоpами вариантам решений приходится делать одни и те же по сути замечания, ибо источник дефектов практически один - объективизм. Изложение а также возможности понимания затруднены еще тем, что, как это типично для проблемных вопросов физики, решение не получается как прямое, тем более поэтапное следствие первоначально поставленных условий и требований, а становится достаточно понятным, лишь будучи в какой-то мере освоено в целом. Основная трудность заключается в необходимости перехода к представлению, резко отличающемуся от привычного объективистского. Если все же несмотря на эти тяжелые обстоятельства предлагаемая интерпретация может быть понята, даже если не принята, то это будет контрпримером, на практике разрушающим теорию о несоизмеримости парадигм, и, соответственно, объективизм и редукционизм, поскольку доказательства несоизмеримости основаны на них.

Помимо неполноты и не лучшего изложения следует признать и довольно-таки заметный вклад излишне все упрощающего механицизма, связанный как с исходной обычной физической точкой зрения, для которой на данном этапе (а может быть еще и надолго) он неизбежен, так и со специфическими особенностями рефлектирующего субъекта. Об истине, которую ищет физик вместе с многочисленными другими исследователями, не только трудно говорить, но и вообще трудно сколько-нибудь продвинуться в ее понимании - уж очень глубоким она обладает логосом.

Автор благодарен Л.А.Блюменфельду, Б.В.Гнеденко, А.Ф.Зотову, В.Я.Перминову и А.П.Руденко, прочитавшим рукопись, за многочисленные полезные замечания, способствовавшие улучшению книги.

Вероятно, мало кому пришло бы в голову так долго заниматься подобными «неконкретными» материями только лишь ради удовлетворения собственной любознательности, даже если к ней прибавить стремление, как говорили пару-тройку лет назад, к самовыражению. И здесь надо отдать должное как прежней настойчивой пропаганде научной методологии, так и науке, преподанной Болоховкой и Липками Тульской области, которые когда-то, в незабываемые сороковые и пятидесятые, опекая нас - дошкольников и школьников - по мере возможностей, требовали большего от тех, кому благоприятствовал еще и случай.

Книга в основном написана еще в пеpвую эпоху социализма. Последующие бедствия лишний раз подтвеpдили доказываемые в ней неосновательность, поверхностность, эклектичность метафизики, котоpой в простоте душевной pуководствовались многие бывшие пpивеpженцы безбpежной демокpатии и котоpую без зазрения совести эксплуатировали и продолжают эксплуатировать демагоги. По этой пpичине пеpед автоpом, несмотря на то, что некоторые его методологические рекомендации теперь повисли в воздухе, не возникло необходимости что-либо существенно коppектиpовать, исключая замены в нескольких местах «есть» на «были».


[ Следующий раздел ] [ На оглавление книги ] [ На главную страницу сайта ]