Kitabı oku: «Порядок в хаосе»

Памяти жены:

Мордашева (Холопова) Вера Васильевна

(1933–2003)

малолетний узник фашизма (угнана до Польши без родителей), впервые в школу в 12 лет, образование сплошь вечернее, МТИПП (1961), кандидат биологических наук (1979), ликвидатор (орден Мужества, 1986) и жертва аварии на ЧАЭС («горячая частица» в кишечнике – онкология), не выездная.

Ее праведность, терпение, оптимизм и мужество были мне опорой и маяком.

ВМЕСТО ПРОЛОГА

Если я не могу это изобразить, то я не могу этого и понять

А. Эйнштейн

Одним из препятствий на пути познания Мира являются трудности визуализации многомерных данных об этом Мире и их закономерностей. В этом эссе – размышления, как преодолевать их.

АРИСТОТЕЛЬ

Древнегреческие философы считали, что главное средство познания Природы – размышление, помощник – наблюдение. Первый, кто попытался привести в порядок мысли человека, наблюдавшего окружающие его явления природы, был Аристотель (384–322 до н. э.).

По Аристотелю, познание начинается с удивления, а истина есть соответствие знания действительности. Аристотель набросал начала индуктивного и дедуктивного методов,

Рассматривая индуктивный метод, в котором от частного переходят к общему, Аристотель делал вывод о несовершенстве такого метода, полагая, что дедуктивный метод, в котором частное выводят из общего, обеспечивает более достоверное знание.

ЭМПИРИЗМ И РАЦИОНАЛИЗМ

В первой половине 17 века философия получения знаний разделилась на две ветви: эмпиризм и рационализм, появившиеся почти одновременно (по историческим меркам).

ЭМПИРИЗМ

Объектом познания, по Бэкону, выступает природа. Истинное знание – это знание причин. Основа познания – опыт. Познавательный процесс, исходя из метода Бэкона, в первую очередь должен признать «реальное существование отдельных, чувственно воспринимаемых вещей. Отдельная вещь – это сложная вещь. Для того, чтобы ее познать, ее надо разложить на простейшие элементы (свойства) и от познания этих простых элементов идти в познанию вещи в целом. Такой метод познания предcтавляет собой индукцию, восхождение от простого к сложному. Причем индукция включает в себя анализ (разложение на части) и синтез (объединение частей в целое)». Таким образом, главным методом развития науки Ф. Бэкон считал индукцию, опирающуюся на опыт, полученный в результате наблюдения, сравнения, эксперимента и анализа.

ОСНОВНОЙ ИНФОРМАЦИОННЫЙ КАНАЛ – ЗРЕНИЕ

Мы – существа зрительные, а наш мозг всегда дорисовывает то, что мы видим. Мозг не только дорисовывает, но и домысливает и обобщает. Основную информацию о внешнем мире мы получаем через зрение (около 90 %), около 9 % – через слух, на остальные органы чувств приходится всего 1 %. Зрение же позволяет видеть только трехмерные объекты. Следовательно, воспринимать визуально графическое отображение опытных данных и описывать их зависимости геометрически мы можем только тогда, когда они зависят не более, чем от двух переменных факторов.

Для описания наблюдений используется аппроксимация – метод, состоящий в замене одних объектов другими, в каком-то смысле близкими к исходным, но более простыми. Основная задача аппроксимации, в классической ее постановке, формулируется следующим образом [1]: «На некотором точечном множестве M в пространстве произвольного числа измерений заданы две функции: φ(P) (например, экспериментальные данные) и F(P; A₁, А₂, …, A_n) (например, гипотеза) от точки P принадлежащей множеству M, из которых вторая зависит еще от некоторого числа параметров A₁, A₂, …, A_n; эти параметры требуется определить так, чтобы уклонение в M функции F(P; A₁, А₂, …, A_n) от функции φ(P) было наименьшим. При этом, конечно, должно быть указано, что понимается под уклонением F от φ». Критерием приемлемости аппроксимации служит полученное уклонение (чаще всего стандартная – среднеквадратичная ошибка).

Современные вычислительные методы и ЭВМ позволяют почти всегда решать эту задачу аппроксимации при практически произвольных наборе исходных данных (значений φ(P)) и мере уклонения F от φ. Хотя здесь и могут встречаться свои сложности, связанные со сходимостью и единственностью решения.

Для описания эмпирических закономерностей гипотеза F должна быть получена, как правило, из зрительного наблюдения эмпирических данных. Именно поэтому эмпирические закономерности ограничиваются трехмерными – зависимостями не более, чем от двух независимых переменных (автору четырех-мерные эмпирические законы неизвестны). А то, что может быть и считаются эмпирическими – на самом деле теоретические модели, подогнанные под эмпирические данные, а не навеянные ими. Природа – многомерна! Поэтому победил Декарт, а опыт, эксперимент теперь служат, как правило, лишь для проверки теоретических гипотез. Так недостаток человеческого чувствования стал пеградой для научного познания через эмпиризм.

РАЦИОНАЛИЗМ

Рационализм Декарта в его рафинированном виде привел его к утверждениям: «Не имеет значения соответствие исходных положений науки с какой-либо реальностью», которые, например, привели в ужас Ньютона (1642–1727): «Мало смысла имеет сравнивать с экспериментом выводы наших теорий» и «Чтобы математика стала наукой, надо, прежде всего, изгнать из неё чертежи (т. е. эксперимент и воображение)».

По мнению В. И. Арнольда (1937–2010) этим принципам сегодня следуют и ученые Франции (главный из них: «все общее и абстрактное важнее частного, конкретного»). Преподавая во Франции, он много сил прилагал в борьбе против этих принципов (где и погиб от перитонита), в частности, борясь с «бурбакизмом» (Бурбаки – коллективный псевдоним группы французских математиков, созданной в 1935 году): «…для Бурбаки все общие понятия важнее их частных случаев, поэтому все нестрогие неравенства являются фундаментальными, а строгие – маловажными специальными случаями, примерами… Это способствует невежеству читателей. …Вот почему бурбакистская мафия, заменяющая понимание науки формальными манипуляциями с непонятными „коммутативными“ объектами, так сильна во Франции, и вот что угрожает и нам в России». По В. И. Арнольду: «И математика, и физика – экспериментальные науки, разница лишь в том, что в физике эксперименты стоят миллиарды долларов, а в математике – единицы рублей» [2].

Концепции Бэкона и Декарта противоречивые и, казалось бы, несовместимые, и определяют сегодня развитие наук. Развитие можно представить такой логической цепочкой:

Исследователи, наблюдая экспериментальные данные, подбирали для них эмпирические описания закономерностей, которые могли стать основой (аксиоматикой) теорий, или создавали аксиомы и теории на основании некоторых общих соображений.

Таким образом, существует некая теория (аксиоматика и дедуктивные рассуждения), объясняющая интересующий нас процесс. Но выявляются опытные данные (или то, что может быть эквивалентно им), противоречащие этой теории или необъясняемые ею. Возникает (по Аристотелю) удивление – ситуация, отмеченная Козьмой Прутковым: «Многие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы; но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий». Значит нужно найти (создать) новые понятия и включить их в наши. По теореме К. Гёделя (1906–1978) это возможно: «Если формальная арифметика непротиворечива, то в ней существует не выводимая и неопровержимая формула (система неполна)». Теоремы Гёделя, в частности, положили конец замыслу Давида Гильберта (1862–1943) создать полную и непротиворечивую систему оснований математики.

Примеров такой логической цепочки множество. Кеплер (1571–1630) из наблюдений Тихо Браге (1546–1601) получил эмпирические законы, в том числе: «Каждая планета солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов – Солнце». Из-за необъяснимости эмпирических законов Кеплера их не признавал и Галилей (1564–1642). И только И. Ньютон через 75 лет открыл всеобщий закон всемирного тяготения, объяснивший законы Кеплера.

В геометрии Эвклида (около 300 лет до н. э.) существует постулат: «Через точку, не лежащую на данной прямой, проходит только одна параллельная прямая, которая лежит в одной плоскости с прямой». Если в этом постулате слова «одна параллельная прямая» заменить на «несколько прямых», получим геометрию Лобачевского (1792–1856). Если таких параллельных прямых не существует, то получим геометрию Римана (1826–1866).

Бойль (1627–1691) и независимо Мариотт (1620–1684) обнаружили эмпирическую закономерность взаимозависимости давления и объема газа при постоянной температуре, Шарль (1746–1823) – давления и температуры при постоянном объеме, Гей-Люссак (1778–1850) – объема и температуры при постоянном давлении. Клапейрон (1799–1864) объединил эти законы в один эмпирический. Авогадро (1776–1856), основатель молекулярной теории, открыл закон: «Одинаковые объемы любых газов при одинаковых давлении и температуре, содержат одинаковое количество молекул». Менделеев (1834–1907), использовав, как постулат закон Авогадро, получил теоретический закон идеального газа.

Эйнштейн (1879–1955), добавив к постулату классической механики Галилея-Ньютона постулат (принцип постоянства скорости света): «Скорость света в вакууме во всех инерциальных системах отсчета одинакова и не зависит от скорости источника и приемника света», получил специальную теорию относительности.

Планетарная модель атома, модель Резерфорда (1871–1937), противоречит законам классической физики (электрон должен упасть на ядро!) – появляется квантовая механика.

Непрерывный спектр энергий при β-распаде противоречит квантовой механике – Паули (1900–1958) и Ферми (1901–1954) вводят нейтрино.