Модели в науке

Мы видели, что в науке нет прямых путей логического анализа, непосредственно ведущих от данных к теории. Теории возникают в результате актов творческого воображения, в которых модели зачастую играют значительную роль. Мы говорим здесь о концептуальных или теоретических моделях, а не об экспериментальных или подобных, которые разрабатываются в лабораториях, и не о логических и математических, представляющих собой абстрактные и чисто формальные соотношения. Теоретические модели обычно принимают форму воображаемых механизмов или процессов, которые постулируются в новых сферах по аналогии с уже известными механизмами или процессами.

В теоретических моделях можно отметить три основных характеристики194:

1. Модели основаны на аналогиях. Ученый, работающий в новой области, может постулировать объект, некоторые свойства которого сходны с уже известными объектами (положительная аналогия), а другие свойства, напротив, отличаются от свойств известных объектов (отрицательная аналогия). Предложенная Бором модель атома, в которой «планетарные» электроны вращаются по орбитам вокруг центрального ядра, напоминает в некоторых динамических характеристиках хорошо знакомую Солнечную систему, однако ее ключевое допущение о возможности лишь определенных орбит (квантование) не имеет классических аналогов. Эта модель способствовала формулировке математических уравнений для теоретических построений (например, уравнения для уровней энергии электронов) и предположила также, каким образом теоретические характеристики объектов, которые невозможно наблюдать непосредственно, могут соотноситься с наблюдаемыми переменными (например, как переход электрона с одной орбиты на другую может быть связан с частотой испускаемого света).

2. Модели влияют на расширение теорий. Некоторые склонны считать модели лишь временной психологической поддержкой, которую можно отбросить, как только сформулированы уравнения теории. Однако при таком подходе упускается тот факт, что часто именно модели, а не теории, применимы к новым явлениям или новым областям. Так, модель бильярдного шара позволила применить кинетическую теорию газов к газовой диффузии, вязкости и теплопроводности. Кроме того, эта модель сыграла решающую роль в усовершенствовании теории. Поведение газов под высоким давлением заметно отличается от закона Бойля. Для их описания можно было применить видоизмененную модель (эластичные сферы конечного объема, связанные силами притяжения), которая отличается от простой бильярдной, но которая никому бы не пришла в голову, если бы не существовала эта модель, более ранняя. Модели, в силу того, что они наводят на размышления и могут видоизменяться, служат непрерывным источником возможного приложения, расширения и усовершенствования теорий.

3. Модели воспринимаются как целое. Модели создают умозрительную картину, единство которой легче понять, чем единство группы абстрактных уравнений. Модель может быть схвачена в целом, как яркое выражение сложных взаимоотношений, полезное для расширения и применения теории, равно как и для обучения теории. Образы, и в естественных, и в гуманитарных науках, служат творческим выражением воображения. Выводы из теории, которая основывается на модели, должны быть тщательно проверены, и порой предложенная модель в результате улучшается или отбрасывается. Модели используются для создания многообещающих теорий, которые должны быть проверены на основании различных критериев, о которых говорилось выше.

Квантовая теория, заменившая модель Бора, отбросила механические, да и другие, модели, которые удается зримо представить, в ней можно использовать весьма ограниченно. Тем не менее, две основные модели, волновая и корпускулярная, лежат в основе формул квантовой теории и предлагают способы соотнесения теории и эксперимента. Эти две основные модели невозможно удовлетворительно объединить (корпускулярно-волновой парадокс), несмотря на то, что абстрактная теория способна предложить единый набор уравнений. Исходя из теории, мы можем предсказать лишь вероятность определенного результата измерения в атомном и субатомном мире, но не в состоянии предсказать точный результат. Модели представляют собой не просто временный прием, поскольку они продолжают вносить свой вклад в интерпретацию математических формул, в усовершенствование теории и в ее распространение на новые области.

Некоторые новые характеристики квантовой физики мы рассмотрим позднее. Здесь отметим лишь, что дополнительные модели находят применение, несмотря на то, что с ними связано немало проблем. Бор сформулировал принцип дополнительности, признав, однако, что «полное объяснение одного и того же объекта может потребовать различных точек зрения, которые не поддаются единому описанию». Он признавал взаимодействие между субъектом и объектом и важность определенного построения эксперимента. Но Бор указывал и на концептуальные ограничения человеческого понимания. Мы должны выбирать между причинно-следственным и простран­ственно-временным описанием, между волновой и корпускулярной моделью, между точным знанием импульса и положения. Наши сменяющие друг друга и неполные точки зрения не могут быть связаны в единую сеть.

Такие модели и теории, конечно, нельзя признавать буквальным описанием объектов в мире, как предполагает классический реализм. С другой стороны, инструментализм считает модели и теории лишь вычислительными устройствами, единственная функция которых состоит в том, чтобы позволить нам соотносить и предсказывать результаты наблюдений. Инструментализм рассматривает их как полезные интеллектуальные инструменты для организации исследований и управления миром. Согласно инструменталистам, модели и теории не описывают реальные объекты мира и не имеют к ним отношения.

Я всегда отстаивал промежуточную позицию критического реализма, представляющего модели и теории абстрактными символическими системами, которые не вполне адекватно и достаточно избирательно описывают отдельные аспекты мира для научных целей. Такая точка зрения поддерживает реалистические устремления ученых, хотя и признает модели и теории воображаемыми человеческими конструкциями. Модели при подобной точке зрения надо рассматривать весьма серьезно, но не буквально. Они не счита­ются ни точными картинами, ни полезным вымыслом, но позволяют ограниченным и не вполне адекватным способом представить то, что невозможно познать с помощью наблюдения. Мы имеем дело лишь с предварительными онтологическими предположениями, что в мире существуют объекты, сходные с теми, которые постулируют эти модели.

Противники реализма утверждают, что предлагаемые одна за другой научные теории не сближаются друг с другом, не накапливаются и не ведут к прогрессу. Новые теории часто приводят к радикальным переменам в концептуальной структуре, а не к усовершенствованию, сохранению и дополнению прежних концепций. История науки, по их мнению, полна теорий, которые в свое время были успешными и плодотворными, но позднее их полностью отвергли, а не усовершенствовали. Сюда можно отнести птолемееву астрономию, химию флогистона, геологию катастроф, ламаркианскую эволюцию, тепловую теорию и теорию эфира в физике.

Однако в настоящее время мы наблюдаем возрождение интереса к реализму. В последние несколько лет появилось много книг и статей на эту тему. Например, некоторые авторы указывают, что новые теории демонстрируют как преемственность, так и разрыв с теми теориями, на смену которым они приходят. Обычно отдельные концепции старой теории и множество данных, собранных для ее подтверждения, вписываются в новый контекст. Иногда законы старой теории, по сути, включаются в новую теорию как частные случаи. Так, законы классической механики остаются частным случаем теории относительности, применимым для низких скоростей, хотя фундаментальные концепции были радикально изменены. Более поздние теории обычно лучше соответствуют эмпирическим данным и распространяются на более широкие области, поэтому, если исходить из перечисленных выше критериев, то вполне можно говорить об определенном прогрессе.

Нам легче поверить в существование теоретического объекта, например, электрона, если он связан с различными типами явлений, поддающихся экспериментальному исследованию. С появлением новой теории ученые начинают считать, что теперь они лучше понимают устройство мира, а не просто обладают более точной формулой для корректировки наблюдений. Теоретические концепции предварительны и поддаются исправлению, однако предполагается, что они описывают мир и соотносятся с ним. Если теория не является истинной хотя бы отчасти, то как мы можем рассчитывать на то, что она может успешно предсказывать абсолютно новые явления, способ наблюдения которых радикально отличается от того, который привел к появлению теории? Короче говоря, наука - это и процесс открытия, и смелое предприятие человеческого воображения.

Основное допущение реализма заключается в том, что существование первично по отношению к теоретизированию. Наши теоретические построения ограничены существующими в природе структурами и взаимоотношениями. Научные открытия зачастую бывают довольно неожиданны. Смирение перед тем, что нам дано, вполне обоснованно, так как мы должны учиться у природы, чтобы устанавливать ограничения для нашего воображения. Хотя история науки не сводится к простому уточнению теорий или «последовательному приближению», тем не менее, известно много хорошо обоснованных теорий и данных, к большинству из которых следует относиться с доверием, даже если определенная их часть может изменяться. Например, есть ли у кого-то сомнения в том, что сегодня мы знаем о человеческом теле больше, чем пятьсот лет назад, несмотря на то, что многого мы еще не знаем, а некоторые нынешние идеи вполне могут быть отброшены в будущем?

Эрнан Макмуллин защищает критически-реалистический взгляд на модели, особенно на те, которые постулируют скрытые структуры. Он считает, что «хорошая модель дает нам понимание реальных структур, и что долговременный успех теории, в большинстве случаев, предоставляет большие основания для уверенности в существовании объектов, по меньшей мере, сходных с теоретическими допущениями данной теории»199. Макмуллин полагает, что хорошая модель - это не просто искусственное временное допущение, а плодотворный открытый источник идей для возможного расширения и изменения. Подобно поэтической метафоре, опадает предварительные пред­положения для исследования новых областей. По мнению Макмуллина, структурная модель может изменяться с развитием исследования, однако она также демонстрирует преемственность с первоначальной моделью. В качестве примера он приводит модель дрейфа континентов, которая оказалась несовместимой с геологическими данными, но привела к созданию модели литосферных плит, поддержанной недавними свидетельствами, касающимися срединно-океанических хребтов и зон тектонической активности.

Большинство ученых - неисправимые реалисты, однако их представления о статусе моделей и теоретических объектов отличаются в различных областях и в разные исторические периоды. Модели большего масштаба и более знакомые виды структур обычно рассматривают с более реалистических позиций. Геолог вряд ли будет сомневаться в существовании литосферных плит или доисторических динозавров, хотя ни те, ни другие нельзя наблюдать непосредственно. В 1866 г. Мендель постулировал гипотетические «единицы передачи наследственной информации», которые позднее были отождествлены с генами, входящими в хромосомы, а затем - с длинными сегментами ДНК. При отходе от знакомых объектов, инструменты значительно расширяют наши возможности прямых и косвенных наблюдений.

Когда мы обращаемся к субатомному миру, то увидеть, что там происходит, мы уже не в состоянии. Поведение кварков непохоже ни на какие известные нам процессы, а их квантовые числа (условно называемые странностью, очарованием, верхом, низом и цветом) определяют абстрактные правила, по которым они сочетаются и взаимодействуют. Но даже здесь, как я покажу далее, наши теории являются попыткой представить действительность, несмотря на то, что микромир не похож на повседневный мир, а обычный язык не подходит для его описания.