Применение метода математической гипотезы в развитии физических теорий

Содержание

 

 

    Введение

 

1. Основные принципы построения математической гипотезы

 

2. Применение метода математической гипотезы в развитии физических теорий

 

 

    Заключение

 

    Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

       Современная теоретическая физика в своих исследованиях пользуется широким набором методов, реализующих все общечеловеческие способы познания через систему специфических приёмов, характерных именно для теоретического уровня исследования.

        Знания современной теоретической физики могут быть рассмотрены как математический аппарат, получающий интерпретацию на объектах реальности. Она состоит как бы из двух частей. Первую часть составляют высказывания, образующие интерпретацию физических величин. Вторая часть–образующие математический аппарат теории. Причём при изменении математического аппарата изменяется и смысл физических величин, а, применяя правила связи физических величин с эмпирической реальностью, можно придать им такой новый смысл, которой будет противоречить их прежним математическим связям в уравнениях, и, чтобы сохранить математику, придётся искать другие уравнения. Классическая физика вначале создавала первую часть физической теории (интерпретацию), а только затем–математический аппарат. Поэтому смысл физических величин был ясен с самого начала, основные усилия исследователей в этом случае направлялись на то, чтобы отыскать математические формы, связывающие эти величины.

          В современной физике применяется другой путь, когда исследователь вначале стремится отыскать математический аппарат, оперирует с величинами, о смысле которых заранее ничего не знает, подмечает в исследуемых явлениях некоторые сходные с другими явлениями черты, для которых уравнения уже построены, стремится перебросить эти уравнения на новую область изучаемой действительности. Затем исследователь ищет интерпретацию уравнений, устанавливая связи между объектами новой области. В этом и состоит суть метода математической гипотезы.

         Целью данного реферата является изучение данного метода, отыскание его достоинств и недостатков, выявление его роли в развитии физики на различных этапах её развития.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные принципы построения математической гипотезы

 

       Пути построения теоретических знаний в современной физике отличны от принятых в классическую эпоху ее эволюции. Одно из главных отличий состоит в широком применении на современном этапе метода математической гипотезы. Общая характеристика этого метода заключается в следующем. Для отыскания законов новой области берут математические выражения законов из близлежащей области, которые затем трансформируют и обобщают так, чтобы получить новые соотношения между физическими величинами. Полученные выражения рассматривают в качестве гипотетических уравнений, описывающих новые физические процессы. Указанные уравнения после соответствующей опытной проверки либо приобретают статус теоретических законов, либо отвергаются, как несоответствующие опыту. Регулятивные принципы формирования математической гипотезы могут быть разделены на нефизические и физические. Учёный предпочитает выбирать среди возможных форм гипотетических уравнений такие, которые бы удовлетворяли требованиям простоты, логической строгости и развёртывались бы с применением уже принятых и апробированных наукой логических средств; он использует уравнения, описывающие явления, имеющие черты сходства с изучаемым им процессом. При этом он использует фундаментальные физические законы: законы сохранения (энергии, импульса, чётности и т. д. ), которые не должны нарушаться в новой теоретической схеме; принцип соответствия (новые уравнения в предельном случае должны переходить в уравнения классической теории); принцип причинности; принцип инвариантности (уравнения должны сохранять свою структуру при переходе в другие системы отсчёта); принцип симметрии. В этих принципах отображаются некоторые общие закономерности физической реальности и методов её познания. Так, принцип причинности и законы сохранения отражают общие свойства природы, принцип соответствия выражает преемственность теорий; инвариантность означает, во-первых, независимость содержания знания от субъекта и, во-вторых, свойство закономерных связей действительности выступать как некое устойчивое начало. При этом возникает ряд специфических проблем, связанных с процессом формирования математических гипотез и процедурами их обоснования. Первый аспект этих проблем связан с поиском исходных оснований для выдвижения гипотезы. В классической физике основную роль в процессе выдвижения гипотезы играла картина мира. По мере формирования теорий она получала опытное обоснование не только напрямую через эксперимент, но и через накопление знаний в теории. Этот процесс всегда был основан на допущениях, в которых выражались как свойства объекта, так и обобщённая схема освоения объекта.   В физике эта схема деятельности проявлялась в представлениях о том, что следует учитывать в измерениях и какими взаимодействиями измеряемых объектов с приборами можно пренебречь. Например, в представлении Ньютона о природе как о системе материальных корпускул с мгновенно распространяющимися взаимодействиями неявно присутствовала следующая схема измерения. Во-первых, предполагался лапласовский детерминизм движения и возможность одновременного точного измерения координат и импульсов тела. Во-вторых, постулировалась абсолютность пространства и времени. Эта концепция основывалась на предположении, что при измерении характеристики объекта не изменяются и не зависят от относительного движения лаборатории. А за природу в ньютоновской картине мира принималась та реальность, которая соответствовала данной схеме измерений.

       В современной физике приняты более сложные схемы измерения, поэтому появляются и более сложные предметы научных теорий.

       При столкновении с новым типом объектов, не входящих в принятую картину мира, познание изменяло эту картину, в классической физике–путём введения новых онтологических представлений, заново подвергая новую картину мира экспериментальной проверке. В современной физике картина физической реальности строится, эксплицируя саму схему измерения в форме выдвижения принципов, фиксирующих особенности метода исследования объекта (принцип относительности, дополнительности). Полученная картина мира может на первых порах не иметь законченной формы, но она определяет (вместе с принципами, фиксирующими операционную сторону) поиск математических гипотез. Такая стратегия теоретического поиска смещает и акценты в философской регуляции процесса научного открытия. В классике выдвижение физической картины мира было ориентировано философской онтологией, а в современной физике центр тяжести перенесён на гносеологическую проблематику. Поэтому в регулятивных принципах отыскания математической гипотезы явно представлены положения теоретико-познавательного характера (принцип простоты, соответствия). Вторая особенность метода математической гипотезы касается специфики процедур построения теоретической схемы и её обоснования. В ходе математической экстраполяции исследователь создаёт новый аппарат путём перестройки некоторых уже известных уравнений. Величины, входящие в эти уравнения, переносятся в новый аппарат, получают новые связи и определения. С величинами переносятся и связанные с ними абстрактные объекты, а из них уже создаётся гипотетическая модель, которая в качестве интерпретации нового математического аппарата присутствует в теории. Такая модель, как правило, содержит неконструктивные элементы, а это может привести к противоречиям в теории и рассогласованию с опытом даже перспективных математических аппаратов. Таким образом, специфика современных исследований состоит не в том, что математический аппарат сначала вводится без интерпретации (неинтерпретированный аппарат есть исчисление, математический формализм, принадлежащий математике). Специфика заключается в том, что математическая гипотеза формирует неадекватную интерпретацию создаваемого аппарата, что усложняет процедуру эмпирической проверки самой гипотезы. Ведь опытом проверяются не только уравнения, а система“уравнения + интерпретация”, и если последняя неадекватна, то опыт может выбраковать продуктивные математические структуры. Чтобы проверить математическую гипотезу, недостаточно просто сравнить следствия из уравнений с опытом, необходимо каждый раз эксплицировать гипотетические модели, введённые на стадии математической экстраполяции, отделять их от уравнений, обосновывать конструктивно, вновь сверять с созданным математическим формализмом, а только потом проверять следствия из уравнений опытом. Длинная серия математических гипотез порождает опасность накопления в теории неконструктивных элементов и утраты эмпирического смысла величин, входящих в уравнения. Поэтому в современной физике на определённом этапе развития теории становится необходима промежуточные интерпретации, обеспечивающие адекватную семантику аппарата и его связь с опытом.

        Математические гипотезы часто формируют поначалу неадекватную интерпретацию математического аппарата. Они тянут с собой старые физические объекты, вводимые в новые уравнения, что может привести к рассогласованию теории с опытом. Поэтому на промежуточных стадиях математического синтеза вводимые уравнения должны подкрепляться анализом теоретических знаний и их обоснованием. К тому же выявление неконструктивных элементов в предварительной теоретической модели обнаруживает ее наиболее слабые звенья и создает необходимую базу для ее перестройки.

       Так в примере квантовой электродинамики работы Ландау и Пайерлса указали путь перестройки первоначальной теоретической модели квантованного электромагнитного поля. А решающий шаг в построении адекватной интерпретации аппарата новой теории был сделан Бором. Он был связан с отказом от трактовки классических компонентов поля в точке в качестве наблюдаемых, характеризующих поле как квантовую систему, и заменой их новыми наблюдаемыми–компонентами поля, усредненным по конечным пространственно-временным областям. Эта идея возникла при активной роли философско-методологических размышлений Бора о принципиальной макроскопичности приборов, посредством которых наблюдатель как макроскопическое существо получает информацию о микрообъектах. Как следствие этих размышлений возникла идея о том, что пробные тела, поскольку они являются частью приборов, должны быть классическими макротелами. Следовательно, в квантовой теории абстракция точечного пробного заряда должна быть заменена другой абстракцией: заряженного пробного тела, локализованного в конечной пространственно-временной области. В свою очередь, это приводило к идее компонент квантованного поля, усредненных по соответствующей пространственно-временной области. Такая интеграция философско-методологических рассуждений в структуру физического поиска не случайна, а характерна для этапа формирования представлений о принципиально новых типах объектов науки и методах их познания. После работ Бора в квантовой электродинамике возникал новая теоретическая модель, призванная обеспечивать интерпретацию уже созданного математического аппарата.

         Такой ход исследования, при котором аппарат отчленяется от неадекватной модели, а затем соединяется с новой теоретической моделью, характерен для современной теоретической физики. Заново построенная модель сразу же сверяется с особенностями аппарата. Согласованность же новой модели с математическим аппаратом является сигналом, свидетельствующим о ее продуктивности, но тем не менее, не выводит новую теоретическую конструкцию из ранга гипотезы. Для этого необходимо еще эмпирическое обоснование модели, которое производится путем конструктивного введения ее абстрактных объектов. Средством, обеспечивающим такое введение, являются процедуры идеализированного эксперимента и измерения, в которых учитываются особенности реальных экспериментов и измерений, обобщаемых новой теорией. В истории квантовой электродинамики указанные процедуры были проделаны Бором и Розенфельдом. В процессе их осуществления была получена эмпирическая интерпретация уравнений теории и вместе с тем были открыты новые аспекты микроструктуры электромагнитных взаимодействий. Например, одним из важнейших следствий процедур Бора-Розенфельда было обоснование неразрывной связи между квантованным полем излучения и электромагнитным вакуумом.

        Из аппарата теории следовало, что квантованное поле обладает энергией в нулевом состоянии, при отсутствии фотонов. Но до обоснования измеримости поля было абсолютно неясно, можно ли придать вакууму реальный физический смысл или его следует воспринимать только как вспомогательную теоретическую конструкцию. Физики склонялись ко второму выводу, так как энергия квантованного поля в нулевом состоянии оказывалась бесконечной. Кроме того, Ландау и Пайерлс связывали идею вакуума с парадоксом измеримости, и в их анализе вакуумные состояния фигурировали как одно из свидетельств принципиальной неприменимости квантовых методов к описанию электромагнитного поля. Но Бор и Розенфельд показали, что определение точного значения компонентов поля может быть осуществлено лишь тогда, когда в них включаются как флуктуации, связанные с рождением и уничтожением фотонов, так и неотделимые от них нулевые флуктуации поля, возникающие при отсутствии фотонов и связанные и нулевым энергетическим уровнем поля. То есть если убрать вакуум, то само представление о квантованном электромагнитном поле не будет иметь эмпирического смысла, поскольку его усредненные компоненты не будут измеримыми. Тем самым вакуумным состояниям был придан реальный физический смысл. После интерпретации аппарата квантованного электромагнитного поля Бор и Розенфельд проанализировали возможность построения идеализированных измерений для источников, взаимодействующих с квантованным полем излучения.

        Характерно, что такой путь построения интерпретации воспроизводил на уровне содержательного анализа основные этапы исторического развития математического аппарата квантовой электродинамики. При этом не была опущена ни одна существенная промежуточная стадия, то есть логика построения интерпретации совпадала в основных чертах с логикой исторического развития математического аппарат теории.

       Если в классической физике каждый шаг в развитии аппарата теории подкреплялся построением и конструктивным обоснованием адекватной ему теоретической модели, то в современной физике стратегия теоретического поиска изменилась. Сейчас математический аппарат может достаточно продолжительное время строиться без эмпирической интерпретации, а при ее осуществлении исследование заново в сжатом виде проходит все основные этапы становления аппарата теории. В процессе построения квантовой электродинамики оно шаг за шагом перестраивало сложившиеся гипотетические модели и, осуществляя их конструктивное обоснование, вводило промежуточные интерпретации, соответствующие основным вехам развития аппарата.

 

 

 

 

 

 

2. Применение метода математической  гипотезы в развитии физических теорий

 

      Для иллюстрации того, насколько мощным средством научного познания является метод математической гипотезы, рассмотрим его применение в различных теоретических схемах неклассической физики, особенно в той ее части, где перестают работать наши привычные представления о мире: в квантовой теории. Успешное решение М. Планком проблемы теплового излучения было обусловлено его творческим теоретико-математическим методом, в некоторых моментах которого очень четко заметно применение метода математической гипотезы. На основе модельных представлений (излучающее тело–совокупность вибраторов, аналогов классических макроскопических вибраторов Герца) Планк получил уравнение, связывавшее энтропию и энергию вибратора, которое являлось аналогом закона Вина, а потом, убедившись в недостаточности этого закона, начал изменять математическую форму, связывавшую входящие в него величины. Эти изменения были ограничены, во-первых, экспериментальными данными, во-вторых, известными математическими связями между физическими величинами (закон смещения Вина, термодинамические соотношения). В результате Планк, лавируя между двумя граничными случаями, обусловленными формулой Вина с одной стороны, и опытными фактами с другой, нашел новую математическую форму, связывающую энтропию и энергию вибратора, и, как следствие, формулу излучения абсолютно черного тела, совпадающую с экспериментом. В процессе вывода формул Планк стремился экстраполировать на изучаемое явление математический аппарат и принципы уже изученных явлений классической физики. Эта экстраполяция удалась при сохранении математических форм, но при отступлении от всех физических представлений классики. Классическую формулу для непрерывного излучения Планк использовал в той области, где важен уже его дискретный характер. Такая экстраполяция была неявной, но привела к гипотезе квантованности электромагнитного излучения и световых квантов. Неверно, однако, называть гипотезу квантов математической гипотезой, так как речь в ней идет про физическое подобие процессов излучения и поглощения энергии, но она появилась как физическое объяснение математической гипотезы, как результат логики математических преобразований, проведенных над атомистическими по сути формулами Больцмана и Вина. Вместе с физической идеей о взаимосвязи энтропии и вероятности Планк позаимствовал и математический аппарат, описывавший эту связь, с которым в его рассуждения проникла и идея дискретности.      Математические преобразования не только привели к качественному принятию идеи дискретности энергии, но и дали математическое выражение этому физическому факту. Так как гипотеза квантов была физической, то требовала физического же обоснования. В то время единственным ее подтверждением было то, что она позволяла получить аналитическую формулу для черного излучения, что было недостаточно для физической гипотезы. Действительно, где гарантия, что нельзя отыскать другой вид формулы, не используя настолько невероятное предположение о дискретности энергии и действия? На протяжении десятилетия Планк безуспешно пытался вписать квант в рамки классической теории, так как он нарушал введенные Ньютоном и Лейбницем представления о непрерывности всех причинно-следственных связей. Однако подтвердить или отвергнуть гипотезу квантов могло только дальнейшее развитие науки, ее всесторонняя опытная и теоретическая проверка, что было осуществлено Эйнштейном (уравнение фотоэффекта, объяснение эмпирических законов Столетова и еще один способ измерения кванта действия), Эренфестом, Бором, Зоммерфельдом и другими учеными. В то же время работы Эйнштейна углубили противоречие между представлениями о природе света. Действительно, объяснить фотоэффект можно было лишь исходя из квантовой трактовки света, в то время, как были известны сотни опытов, утверждающих, что световой поток– это нечто непрерывное, волнообразное. Да и в самой формуле Планка-Эйнштейна () фигурирует частота колебаний поля. Некорректная трактовка (попытка взглянуть на квантовую гипотезу с классической точки зрения) привела к неприятию многими физиками ни теории Планка, ни квантов света Эйнштейна. А полностью подтверждены они были лишь после опытов Франка-Герца и создания Бором квантовой теории атома.