Фальсификация и методология научно-исследовательских программ: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

б) Фаулер дал приемлемое объяснение, почему гелий не должен приниматься в расчет при образовании этих серий. (187)

Однако результаты "авторитетных экспериментаторов" не произвели на Бора особого впечатления. Он не сомневался в "точности экспериментов" или "осуществимости их наблюдений": под сомнение была поставлена "наблюдательная теория". И, действительно, Бор предложил альтернативу. Вначале он разработал новую модель (M1) своей исследовательской программы: ионизованный атом гелия, ядро которого имело заряд равный удвоенному заряду протона, с единственным электроном на орбите. Эта модель предсказывал ультрафиолетовые серии в спектре ионизованного гелия, которые совпадали с сериями Пикеринга-Фаулера. Это уже была соперничающая теория. Затем он предложил "решающий эксперимент": он предсказал, что серии Фаулера могут быть получены - и даже с более сильными линиями - разрядной трубке со смесью хлора и гелия. Более того, Бор объяснил экспериментаторам, даже не взглянув на их приборы, каталитическую роль водорода в эксперименте Фаулера и хлора в предложенном им самим эксперименте. (188) И он был прав. (189) Таким образом первое очевидное поражение исследовательской программы Бора было превращено в славную победу.

Однако эта победа была вскоре оспорена. Фаулер признал, что его серии относились не к водороду, а к гелию. Но он заметил, что "укрощение монстра" (monster-adjustment) (190) нельзя признать действительным:

длины волн в сериях Фаулера значительно отличались от значений, предсказанных Mg Бора. Следовательно, эти серии, хотя не противоречили M1, опровергали М2, но так как Mi и Мз тесно связаны между собой, то это опровергает и M1. (191)

Бор отверг аргументы Фаулера: ну, разумеется, ведь он никогда не относился к М2 с полной серьезностью. Предсказанные им значения основывались на грубых подсчетах, в основу которых было положено вращение электрона вокруг неподвижного ядра; разумеется, на самом деле электрон вращается вокруг общего центра тяжести; разумеется, как всегда, когда решается проблема двух тел, нужно заменить редуцироанную массу:

me'=me/[l+ (me/mn)]. (192 )Это была уже модифицированная модель Бора - Мз. И Фаулер должен был признать, что Бор опять прав. (193)

Явное опроверждение M2 превратилось в победу Мз; стало ясно, что М2 и Мз могли быть разработаны в рамках исследовательской программы Бора, как и Мп или Мао, без каких бы то ни было стимулов со стороны наблюдения или эксперимента. Именно в это время Эйнштейн сказал о теории Бора: "Это одно из величайших открытий". (194)

Развитие исследовательской программы Бора затем шло как по заранее намеченному плану. Следующим шагом было вычисление эллиптических орбит. Это было сделано Зоммерфельдом в 1915 г. с тем (неожиданным) результатом, что возрастание числа стационарных (возможных) орбит не вело к увеличению числа возможных энергетических уровней, так что, по видимости, не было возможности решающего эксперимента, способного выбрать между эллиптической и круговой теориями. Однако электроны вращались вокруг ядра с очень высокой скоростью, следовательно, в соответствии с механикой Эйнштейна, их ускорение приводило к заметному изменению массы. Действительно, вычисляя такие релятивистские поправки, Зоммерфельд получил новый порядок энергетических уровней и "тонкую структуру" спектра.

Переключение на новую релятивистскую модель потребовало значительно большей математической изощренности и таланта, чем разработка нескольких первых моделей. Достижение Зоммерфельда носило главным образом математический характер.

По иронии судьбы, дублеты водородного спектра уже были открыты Майкельсоном в 1891 г. iss-i (96) Мозли сразу же после первой публикации Бора заметил, что "гипотеза Бора не может объяснить появление второй, более слабой линии, обнаруживаемой в каждом спектре". (197) Это также не огорчило Бора, он был убежден, что положительная эвристика его исследовательской программы должна рано или поздно объяснить и даже исправить наблюдения Майкельсона. (198) Так и произошло. Конечно, теория Зоммерфельда была несовместима с первыми моделями Бора; более тонкие эксперименты - с исправленными старыми наблюдениями - дали решающие доказательства в пользу боровской программы. Многие недостатки первых моделей Бора были превращены Зоммерфельдом и его мюнхенской школой в победы исследовательской программы Бора.

Интересно, что точно так же, как Эйнштейн на фоне впечатляющего прогресса квантовой физики в 1913 г. остановился в нерешительности, Бор притормозил в 1916 г.;

и также, как ранее Бор перехватил инициативу у Эйнштейна, теперь Зоммерфельд перехватил инициативу у самого Бора. Различие между атмосферой копенгагенской школы Бора и мюнхенской школы Зоммерфельда было очевидным: "В Мюнхене использовались более конкретные и потому более понятные формулировки: там были достигнуты большие успехи в систематизации спектров и в применении векторной модели. Но в Копенгагене полагали, что адекватный язык для новых явлений еще не найден, были сдержаны по отношению к слишком определенным формулировкам, выражались более осторожно и более общо поэтому их было гораздо труднее понять". (199)

Все это показывает, как наличие прогрессивного сдвига обеспечивает доверие-и рациональность - по отношению к исследовательской программе с противоречием в основаниях. М. Борн в статье, посвященной памяти М. Планка, дает убедительное описание этого процесса: "Разумеется, само по себе введение кванта действия еще не означало возникновения истинной квантовой теории... Трудности, вызываемые введением кванта действия в общепризнанную классическую теорию, были ясны с самого начала. Со временем они не уменьшались, а возрастали; хотя по ходу исследований кое-какие из них преодолевались, в теории все равно зияли бреши, которые не могли не тревожить самокритичных теоретиков. В основу теории Бора легла гипотеза, которая несомненно была. бы отвергнута любым физиком предшествующего поколения. С тем, что некоторые внутриатомные квантованные (т. е. выделенные квантовым принципом) орбиты играют особую роль, еще можно было смириться; труднее было согласиться с тем, что электроны, движущиеся с ускорением по криволинейным траекториям, не излучают энергию. Но допущение о том, что точно определенная частота излучаемого кванта световой энергии должна отличаться от частоты излучения электрона, в глазах теоретика, воспитанного в классической школе, выглядело невероятным монстром. Тем не менее, вычисления [а точнее сказать, прогрессивные сдвиги проблем} решают все, и столы начинают вертеться. Если вначале это выглядело как остроумный прием, с помощью которого новый и странный элемент с наименьшим трением подгонялся под существующую систему общепринятых представлений, то затем, захватчик, освоив чужую территорию, стал изгонять с нее прежних обитателей; теперь уже ясно, что старая система треснула по швам, и вопрос только в том, какие швы и в какой мере еще можно сохранить". (200)

Важным уроком анализа исследовательских программ является тот факт, что лишь немногие эксперименты имеют действительное значение для их развития. Проверки и "опровержения" обычно дают физику-теоретику столь тривиальные эвристические подсказки, что крупномасштабные проверки или слишком большая суета вокруг уже полученных данных часто бывают лишь потерей времени. Чтобы понять, что теория нуждается в замене, как правило, не нужны никакие опровержения; положительная эвристика сама ведет вперед, прокладывая себе дорогу. К тому же, прибегать к жестким "опровергающим интерпретациям", когда речь идет о совсем юной программе, - это опасная методологическая черствость. Первые варианты такой программы и применяться-то могут только к "идеальным", несуществующим объектам;

нужны десятилетия теоретической работы. чтобы получить первые новые факты, и еще больше времени, чтобы возникли такие варианты исследовательской программы, проверка которых могла бы дать действительно интересные результаты, когда опровержения уже не могут быть предсказаны самой же программой.

Диалектика исследовательских программ поэтому совсем не сводится к чередованию умозрительных догадок и эмпирических опровержений. Типы отношений между процессом развития программы и процессами эмпирических проверок могут быть самыми разнообразными; какой из них осуществляется вопрос конкретно-исторический. Укажем три наиболее типичных случая.

1) Пусть каждый из следующих друг за другом вариантов H1, H2, Н3 успешно предсказывают одни факты и не могут предсказать другие, иначе говоря, каждый из этих вариантов имеет как подкрепления, так и опровержения. Затем предлагается Н4, который предсказывает некоторые новые факты, но при этом выдерживает самые суровые проверки. Мы имеем прогрессивный сдвиг проблем и к тому же благообразное чередование догадок и опровержений в духе Поппера. (201 )Можно умиляться этим классическим примером, когда теоретическая и экспериментальная работы шествуют рядышком, рука об руку.

2) Во втором случае мы имеем дело с каким-нибудь одиноким Бором (может быть, даже без предшествующего ему Бальмера), который последовательно разрабатывает H1, Н2, Н3, Н4, но так самокритичен, что публикует только Н4. Затем Н4 подвергается проверке, и данные оказываются подкрепляющими для Н4 - первой (и единственной) опубликованной гипотезы. Тогда теоретик, имеющий дело только с доской и бумагой, оказывается, повидимости, идущим далеко впереди экспериментатора - перед нами период относительной автономии теоретического прогресса.

3) Теперь представим, что все эмпирические данные, о которых шла речь, уже известны в то время, когда выдвигаются H1, H2, Н3 и Н4. Тогда вся эта последовательность теоретических моделей не выступает как прогрессивный сдвиг проблем, и поэтому, хотя все данные подкрепляют его теории, ученый должен работать над новыми гипотезами, чтобы доказать научную значимость своей программы. (202) Так может получиться либо из-за того, что более ранняя исследовательская программа (вызов которой брошен той программой, которая реализуется в последовательности Hi, ..., Н4), уже произвела все эти факты, либо из-за того, что правительство отпустило слишком много денег на эксперименты по коллекционированию спектральных линий и все рабочие лошади науки пашут именно это поле. Правда, второй случай крайне маловероятен, ибо, как сказал бы Каллен, "число ложных фактов, заполоняющих мир, бесконечно превышает число ложных теорий" (203); в большинстве случаев, когда исследовательская программа вступает в конфликт с известными фактами, теоретики будут видеть причину этого в "экспериментальной технике", считать несовершенными "наблюдательные теории", которые лежат в ее основе, исправлять данные, полученные экспериментаторами, получая таким образом новые факты. (204)

После этого методологического отступления, вернемся снова к программе Бора. Когда была впервые сформулирована ее положительная эвристика, не все направления развития этой программы можно было предвидеть и планировать. Когда появились некоторые неожиданные трещины в остроумных моделях Зоммерфельда (не были получены некоторые предсказанные спектральные линии), Паули предложил глубокую вспомогательную гипотезу ("принцип исключения"), с помощью которой не только были закрыты бреши теории, но придан новый вид периодической системе элементов и предсказаны ранее неизвестные факты.

В мои намерения не входит развернутое изложение того, как развивалась программа

Бора. Но тщательный анализ ее истории - поистине золотое дно для методологии: ее изумительно быстрый прогресс - на противоречивых основаниях! - потрясает, ее красота, оригинальность и эмпирический успех ее вспомогательных гипотез, выдвигавшихся блестящими и даже гениальными учеными, беспрецедентны в истории физики. (205) Иногда очередной вариант программы требовал только незначительного усовершенствования (например, замены массы на уменьшающуюся массу). Иногда, однако, для получения очередного варианта требовалась новая утонченная математика (например, математический аппарат, применяемый при решении задач со многими телами) либо новые остроумные физические вспомогательные гипотезы. Добавочная математика или физика черпались либо из наличного знания (например, из теории относительности), либо изобретались заново (например, принцип запрета Паули). В последнем случае имел место "креативный сдвиг" в положительной эвристике.

Но даже эта великая программа подошла к точке, в которой ее эвристическая сила иссякла. Гипотезы ad hoc множились и не сменялись объяснениями, увеличивающими содержание. Например, боровская теория молекулярного (совместного) спектра предсказывала формулу для двухатомных молекул, но эта формула была опровергнута. Приверженцы теории заменили т (2) на т (т+1), это помогло объяснить факты, но было явным приемом ad hoc.

Затем пришла очередь проблемы необъяснимых дублетов в спектре щелочи. Ланде объяснил их в 1924 г., введя ad hoc "релятивистское правило расщепления", Гаудсмит и Уленбек - в 1925 г. с помощью спина электрона. Объяснение Ланде было ad hoc, а объяснение Гаудсмита и Уленбека, кроме того, было еще и несовместимо со специальной теорией относительности; "периферическая скорость" электрона во много раз превышала скорость света, а сам электрон заполнял весь объема атома. (205) Нужна была безумная смелость для такого предположения (Крониг пришел к этой идее раньше, но воздержался от ее публикации, считая гипотезу невероятной и неприемлемой). (206)

Но безрассудная смелость, проявлявшаяся в выдвижении диких и необузданных фантазий в качестве научных гипотез, не приносила ощутимых плодов. Программа запаздывала за открытиями "фактов". Неукротимые аномалии заполонили поле исследования. Накапливая бесплодные противоречия и умножая число гипотез ad hoc, программа вступила в регрессивную фазу: она начала, по любимому выражению Поппера "терять свой эмпирический характер". (207) Кроме того, многие проблемы, подобные тем, какие возникали в теории возмущений, по-видимому, даже не могли ожидать своего решения в ее рамках. Вскоре возникла соперничающая исследовательская программа - волновая механика. Эта новая программа не только объяснила квантовые условия Планка и Бора уже в своем первом варианте (де Бройль, 1924 г.), она вела к будоражащим открытиям новых фактов (эксперименты Дэвиссона и Джермера). В последующих, более утонченных вариантах она предложила решения проблем, бывших недосягаемыми для исследовательской программы Бора, а также объяснила все те факты, ради которых в боровской программе (в ее позднейших вариантах) выдвигались гипотезы ad hoc, и сделала это с помощью теорий, удовлетворяющих самым высоким методологическим критериям. Волновая механика вскоре обогнала, подчинила себе и затем вытеснила программу Бора.

Статья де Бройля вышла в то время, когда программа Бора уже регрессировала. Но это было простым совпадением. Задумаемся:

что произошло бы, если бы де Бройль написал и опубликовал свою статью в 1914 г., а не в 1924 г.?

(г) Новый взгляд на решающие эксперименты: конец скороспелой рациональности

Мы сделали бы ошибку, предположив, что ученый обязан оставаться сторонником некой исследовательской программы до тех пор, пока она не исчерпает весь запас своей эвристической силы, что он не может предложить иную соперничающую программу до того, как уже всем станет ясно, что прежняя программа достигла точки, с которой начинается регрессия; (Хотя, конечно, можно понять раздражение физика, когда, работая в самом разгаре прогрессивной фазы исследовательской программы, он наблюдает размножение неясных метафизических теорий, не дающих ничего для эмпирического прогресса (208)). Ученый не должен соглашаться с тем, что исследовательская программа превращается в Weltan-schau u ng,* некое воплощение научной строгости, претендующее на роль всезнающего арбитра, определяющего что можно и что нельзя считать научным объяснением, подобно тому, как, ссылаясь на математическую строгость, пытаются решать, что можно, а что нельзя считать математическим доказательством. К сожалению, именно на такой позиции стоит Т. Кун: то, что он называет нормальной наукой", на самом деле есть не что иное, как исследовательская программа, захватившая монополию. В действительности же исследовательские программы пользуются полной монополией очень редко, к тому же очень недолго, какие бы усилия не предпринимали картезианцы ли, ньютонианцы ли, сторонники ли Бора. История науки была и будет историей соперничества исследовательских программ, (или, если угодно, "парадигм"), но она не была и не должна быть чередованием периодов нормальной науки: чем быстрее начинается соперничество, тем лучше для прогресса. "Теоретический плюрализм" лучше, чем "теоретический монизм":

здесь я согласен с Поппером и Фейерабендом и не согласен с Куном. (209)