Аннотация: кризис науки, проблемы фундаментальных исследований, атомное ядро, парадигма, гуманитарные науки, математика, естественные науки
Фундаментальные научные исследования, как контекст развития современной цивилизации.
Современное состояние фундаментальных научных исследований является интересным аспектом современного состояния общества, в целом. Развитие фундаментальной науки обуславливает приоритеты развития человечества, как цивилизации, предопределяет "запас прочности" в развитии технологий и влияет на развитие социальной системы. Всему развитию современной цивилизации мир в целом обязаны именно развитию научного знания, именно развитие фундаментальной науки и современных технологий во многом предопределило лицо современной цивилизации и развитие ее, как в прошлом, так в настоящем и будет определять в будущем.
В этом ключе, рассматривая состояние современной фундаментальной науки, выделим два важных момента: С одной стороны предмет и вопросы современных фундаментальных исследований далеки от повседневных вопросов среднестатистического индивидуума, как впрочем, это было и всегда, так как современный уровень инженерии и технологий, с плодами которых среднестатистический индивидуум сталкивается в повседневной жизни, с точки зрения фундаментальных исследований в большей степени реализация теоретических разработок XIX века, и только в очень узком слое современных технологий используют наработки первой половины и середины XX века. С другой стороны в фундаментальных исследования назрел определенный кризис, назовем его "кризисом моделирования", и так как области этих исследований требуют, как правило, очень узкой специализации, глубины знаний связанных предметов и специфических вопросов рассматриваемых научных направлений, то разбираться в этих вопросах по существу становится задачей сложной и неоднозначной, а для неспециалиста в этой области, степень сложность анализа возрастает многократно.
"Кризис моделирования" имеет ряд общих черт независимо от области научного знания, и проблемы моделирования конкретных процессов. К общими чертами "кризиса моделирования" следует отнести:
1. Во-первых, ограниченность самих моделей, все модели имеют границы своей применимости, независимо от того знаем ли мы эти границы явно или нет. Ограниченность моделей во многом определяется явным или неявным использованием аксиоматического подхода в моделирование. Аксиомы это базовые утверждения, на основе которых строиться теоретическая основа модели. Любая модель базируется, на явно или неявно заданных, базовых утверждениях, принятых, что называется a priori, зачастую даже без дополнительного анализа обоснованности такого принятия, что и является критичным моментом модели. Во многих случаях такой подход к моделированию конкретных систем, явлений и процессов обоснован; в других является спорным; а в третьих, в целом, ошибочным. Следует сделать замечание, что ошибочным является не сам аксиоматический подход, как метод моделирования, ошибка заключается в выборе исходных утверждений, на базе которых и строится данная модель.
К сожалению, аспекты ограниченности моделей и их приближенный характер по отношению к объектам и задачам, которые ими описываются, зачастую ускользают из внимания большинства исследователей привыкших работать в рамках избранных аксиом и конкретных моделей. А соответственно, выпадает из рассмотрения и вопрос применимости данных аксиом при разработке модели конкретной системы, явления или процесса, что порождает порой уродливые и явно подгоночные модели, описывающие штучные факты, но не работающие вне этих фактов.
В области фундаментальных исследований существует еще и конкуренция среди моделей конкретных систем, явлений и процессов, отличающихся не только своими выводами, но и построенных на различных исходных теоретических аксиомах. Зачастую даже эмпирическая проверка выводов этих теорий не дает критерия истинности и не позволяет применить "бритву Оккамы", так как с точки зрения простоты-сложности данные теории, по сути, равнозначны.
Подспудно, аксиоматический подход, а точнее принятие выбранного набора аксиом, как непреложной истины и порождает когорту экспертов, специалистов в определенных областях знания считающих себя "истиной последней инстанции" в вопросах данного предмета; но не всегда используемые ими исходные аксиомы и конкретные модели применимы для описания данных систем, явлений и процессов. Большинство современных научных моделей - это модели простых линейных систем, сложные и нелинейные системы на современном этапе с трудом подаются изучению и требуют наработки, как новых моделей, так и возможно, в перспективе, новых аксиом, как методологической основы моделирования. Возможно, в будущем появится некая не аксиоматическая методология моделирования, включающая не только иерархические связи, но и реляционные, как альтернативная нынешней методологии, но дающая непротиворечивые выводы для ранее изученных фундаментальных вопросов, но как такая методология будет выглядеть, и какие принципы в основу ее лягут говорить очень сложно, не говоря уж о том, что еще и рано.
Позволим здесь ремарку на косвенной аналогии из области разработки программного обеспечения: господство императивной парадигмы программирования, где приоритетную роль играли реализации конкретных алгоритмов по отношению к данным, в некоторых областях разработки программного обеспечения, сменила объектно-ориентированная парадигма, где приоритет был отдан данным, по отношению к методам работы с этими данными, а также задействован функционал ряда методов из функционального программирования. Возможно, нечто аналогичное может быть задействовано и в моделировании систем, явлений и процессов изучаемых в фундаментальных областях знания? Но как реально это будет выглядеть говорить пока еще рано...
2. Во-вторых, следует рассмотреть вопрос эмпирической проверки полученных в рамках моделей теоретических результатов. Современный эксперимент в области фундаментальных исследований носит, как правило, характер сугубо косвенных измерений параметров изучаемой системы и выделение требуемых, в теории, характеристик. А тут возникает весьма неоднозначная ситуация, что бы проверить теоретические выводы используемой модели нам требуется привлекать к анализу эмпирически полученных результатов теоретическую модель истолкования полученных эмпирических данных, а иногда единственной используемой для этих целей теоретической моделью является сама проверяемая модель.
Вопрос во многом философский, но, тем не менее, при отсутствии реальных альтернатив в области моделей конкретных систем, явлений и процессов, особенно учитывая сложность создания таких моделей, проверка эмпирических результатов с помощью самой проверяемой теоретической модели выглядит не очень убедительно, хотя во многих случаях использование именно такого метода эмпирической проверки теории является единственно возможным.
3. В-третьих, следует рассмотреть частный, но весьма важный вопрос об изучении так называемых редких и эксклюзивных явлений. Помимо важности изучения таких вопросов, как таковых, с точки зрения моделирования подобных объектов, важность изучения этих явлений является хорошей критериальной проверкой существующих моделей и выявление границ их применимости, а так же разработки новых методов оценки эмпирических данных. Это один из фундаментальных методологических вопросов, который возможно повлияет на разрешение "кризиса моделирования".
Существует ряд фундаментальных научных вопросов, получивших широкое освящение в средствах массовой информации (СМИ) и являющихся, несомненно, знаковыми для современности. Эти вопросы не только отражают важные аспекты фундаментальных исследований, но и порождают большое количество мифов из-за вульгаризации, связанной с популяризацией данных вопросов и искажения исходной информации. Выделим для примера несколько таких знаковых вопросов, в порядке их концептуальной значимости:
1. Существует блок вопросов связанных с астрономическими и астрофизическими исследованиями Вселенной. Одним из самых пропиареных в СМИ вопросов является открытие черных дыр (The Crafoord Prize, 2012; LENTA.RU, 2011), или называемые ранее коллапсары. Коллапсары это такие звезды, масса которых такова, что создаваемое ими гравитационное поле, сила гравитационного притяжения, приводит к тому, что определяемая вторая космическая скорость, т.е. минимальная скорость позволяющая оторваться от гравитационного поля звезды, становится по величине больше скорости света в вакууме. Следует заметить, что более широко, под коллапсаром понимается любой объект гравитационное поле, сила гравитационного притяжения, которого таково, что вторая космическая скорость, т.е. скорость убегания, становиться больше скорости света в вакууме. Из определения коллапсара следует, что такие объекты обладают высокой физической плотностью вещества и малыми, относительно пространства, размерами, другими словами они под действием собственной гравитации сжимаются в точку, точнее в объект размеры которого характеризуются радиусом Шварцшильда (Misner, et al., 1971; Мизнер и др. т 1, 1977; Мизнер и др. т 2, 1977; Мизнер и др. т 3, 1977). В некоторых теоретических работах физическая плотность вещества таких объектов сопоставима с физической плотностями привычных нам жидкостей, обычная плотность звезд сопоставима с физической плотностью ионизированных, сильно разряженных или, даже, идеальных газов.
Концептуально, вопросы астрономии и астрофизики и связанные с ними вопросы гравитационного взаимодействия, порождают ряд фундаментальных задач современной физики, в том числе вопросы происхождения и эволюции Вселенной и ее объектов: галактик, звезд, планетных систем.
2. Вторым вопросом, нашедшим широкое освящение в СМИ, является вопрос современной теории сильных и электрослабых взаимодействий элементарных частиц, так называемая Стандартная Модель (Halzen, et al., 1984; Окунь, 1990). Особо выделяется вопрос кварковой модели адронов, являющихся с точки зрения современной теории составными многокварковыми состояниями связанными сильными взаимодействиями, сюда же примыкают вопросы описания объединения электромагнитных и слабых процессов. Теоретически изучены двухчастичные - мезоны, и трехчастичные - барионы, связанные кварковые состояния, есть ряд экспериментальных данных подтверждающих кварковую структуру этих объектов (J. Beringer et al., 2012). Особую роль в Стандартной Модели играют необнаруженные на сегодняшний день бозоны Хиггса, получившие в СМИ второе название "частицы Бога", принципиальность вопроса обнаружения бозонов Хиггса это вопрос правильности и непротиворечивости Стандартной Модели элементарных частиц. Следует заметить, что если бозоны Хиггса не обнаружатся на эксперименте, это вовсе не означает неправильность всей Стандартной Модели в целом, потребуется другое новое обоснование кварковой модели.
Данный вопрос получил широкий резонанс в связи с вводом в эксплуатацию нового ускорителя элементарных частиц в Европейском центре ядерных исследований (CERN) получившего название большого адронного коллайдера (LHC) (CERN Bulletin, 2011). Вокруг ввода в эксплуатацию LHC формируется много мифов, особенно миф о возникновении черной дыры, при проведении экспериментального сеанса, способной поглотить своим гравитационным полем всю Землю, но даже если черные дыры возникнут в LHC, то так как физические размеры такого объекта будут очень малы, его время жизни будет ничтожно малым, по сравнению с временем необходимым для того, что бы гравитационное взаимодействие позволило затянуть все объекты находящиеся вокруг.
В заключение освящения вопросов фундаментальной физики, приведем интересный пример из области ядерной физики, который, как правило, ускользает из поля зрения СМИ, несмотря, например, на проблемы возникающие в ядерной энергетике. В современной ядерной физике существует с десяток параллельно используемых моделей атомного ядра, каждая из которых представляет собой описание свойств в лучшем случае групп атомов из периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, а зачастую модели описывают только определенные частные свойства атомных ядер. Все существующие модели относятся к трем основным классам моделей (Широков, и др., 1980):
a) Одночастичные - учитываю одночастичные степени свободы нуклонов внутри атомного ядра.
b) Коллективные - учитывают коллективные степени нуклонов в внутри атомного ядра.
c) Обобщенные - учитывают как одночастичные, так и коллективные степени свободы, в рамкам одной модели.
Существование моделей каждого из этих классов объясняется тем, что до сих пор сильные взаимодействия остаются наименее изученными, и для моделирования свойств атомов нам приходится прибегать к разным моделям атомного ядра, что бы объяснить его свойства, зачастую модели эти противоречат друг другу в плане логики построения и понимания (Широков, и др., 1980).
3. Третьим вопросом фундаментальной науки получившем освящение в СМИ является вопрос современных исследований в области генетики. Здесь возникает ряд мифологизированных вопросов.
Одним из первых таких вопросов является вопрос о генно-модифицированных продуктах сельского хозяйства, раскрывающем, с одной стороны механизмы мифотворчества, а с другой стороны, затрагивающий наше незнание в области механизмов генетического наследования и генетического взаимодействия.
Один из первых вопросов это ажиотаж вокруг генно-модифицированных продуктов. Строго говоря, все продукты современного сельского хозяйства - это генетически модифицированные продукты, для получения многих из этих модификаций человечеству понадобилось не одно тысячелетие, сейчас благодаря развитию генетики и молекулярной биологии на получение таких модификаций уходят десятилетия, а иногда только годы. Влияют ли генно-модифицированные продукты на геном человека, в целом вопрос открытый, так как все механизмы генетических взаимодействий не достаточно изучены на сегодняшний день.
Вторым вопросом из этой области является вопрос лечения заболеваний на генном уровне, тут возникает целый ряд освященных в СМИ вопросов: использование в медицине стволовых клеток, блокирование на генном уровне наследственных заболеваний, клонирование человека и отдельных органов и т.д. К сожалению, мы пока находимся в данной области на экспериментальном уровне и говорить о том, что все вопросы, связанные с использованием наработок генетики и молекулярной биологии в медицине достаточно проработаны говорить пока рано.
4. Вопросы синергетики (Аршинов, 1999; Капица, и др., 1997), как метода изучения составных и нелинейных систем, в данном направлении наука пока делает только первые шаги, но синергетика одна из первых указывает на междисциплинарный характер современных исследований, в целом это не абсолютно новый подход, но в синергетике он проявляется особо, указывая на взаимосвязанность процессов различной природы. В связи с синергетикой следует отметить ряд спекуляций вокруг так называемого энергоинформационного взаимодействия и поле, см. например (Крюк, 1997), когда вопросы вторичные по отношению к реально протекающим процессам в сложной системе a priori выносятся, как главные (Шро, 2011). Суть вопроса в следующем: существует ряд задач изучения сложных и нелинейных систем, в которых всю совокупность явлений и процессов удобно представить как обмен информацией между подсистемами, с использованием определенного языка который понятен этим подсистемам, элементы этого языка, условный алфавит и лексемы - это по сути характеристики тех процессов, которые протекают в системе, а не объективная реальность некого информационного обмена в системе. Другими словами информационный обмен это удобная в некоторых случая модель для анализа совокупности явлений и процессов в сложной и нелинейной системе, а не объективно существующее некое новое взаимодействие, для моделирования информационного обмена необходимо, что бы в системе наличествовало как генерация информации, так и восприятие информации, другими словами информация и ее обмен могут существовать тогда и только тогда, когда есть как механизм ее генерации, так и механизм ее восприятия, в этом случае и может быть реализована информационная модель. Информация не существует вне систем обладающих способностью генерировать ее, а самое важное - способную воспринимать эту информацию, т.е. если рассмотреть физическую систему то она должна реагировать на физический сигнал: колебания, электромагнитные поля и т.д., или по другому, что бы набор физических сигналов стал информацией необходимо, что бы совокупность этих сигналов формировали лексемы языка понятного для восприятия.
В противном случае, если считать информацию некой объективной реальностью существующей вне протекающих в системе процессов, энергоинформационная модель по сути свое является псевдонаучной концепцией, по отношению к рассмотрению составных и нелинейных систем.
5. Существуют и другие фундаментальные научные вопросы, темы которых поднимались в СМИ (NEWSru.com, 2010), но, как правило, это были единичные сообщения о некоторых теориях или достижениях обычно связанные с присуждением научных премий или некоторыми скандалами в научных кругах. Разбор научной составляющей таких вопросов требует, с одной стороны, определенной профессиональной квалификации в данных вопросах, а с другой стороны, по своей сути ничего, нового, относительно освященного в работе "кризиса моделирования", не внесет.
6. Существует еще вопрос псевдо-научных работ, вызывающих, как правило, сенсационные заявления в СМИ и последующие скандалы, связанные с разоблачением псевдо-научности данных работ. Одним из самых популярных объектов для псевдо-научной критики является критика специальной теории относительности (СТО), при этом общую теорию относительности (ОТО), критиковать из неакадемических кругов никто не берется. Направленность псевдо-научной критики в адрес СТО связана с прозрачностью данной теории, что отличает ее от ОТО, и возможностью разобраться в ее положениях имея базовое математическое образование в рамках высшей школы: методы математического анализа, методы линейной алгебры, методы аналитической геометрии, методами решений дифференциальных уравнений, как обыкновенных, так и в частных производных. Однако доказанность выводов СТО вытекает прежде всего из описания электромагнитных явлений, специальная теория относительности - это классическая электродинамика, относительно преобразований группы Пуанкаре, частный случай которых преобразования Лоренца, уравнения Максвелла сохраняют инвариантный вид в любой инерциальной системе отсчета. Есть и другие примеры, доказывающие правильность и непротиворечивость СТО, но они требуют более специфичных знаний для понимания. Тем не менее "рыцари без страха и упрека" упорно пытаются доказать обратное.
Основная критика крутится вокруг пары тройки вопросов связанных с
a) якобы ошибочность вывода опыта Майкельсона - Морли, например вот образцы таких работ (Udrea, 2011; Ацюковский, 2008), по результатом которого удалось ввести инвариантность скорости света в вакууме, строго говоря наличие такого инварианта не запрещает движение со скоростью выше скорости света, более того такой эффект наблюдается в знаменитом излучении Вавилова-Черенкова, когда электроны движутся со скорость превышающей скорость света в данной среде и излучают электромагнитные волны за счет торможения в этой среде. Движение со скоростью превышающей скорость света в вакууме выводит нас из физического рассмотрения процессов на современном этапе, с подобной проблемой сталкиваются при изучении коллапсаров, или черных дыр, когда надо рассматривать процессы протекающие при условии того, что вторая космическая скорость превышает по величине скорость света в вакууме. В защиту опыта Майкельсона - Морли, можно сказать, что до сегодняшнего дня не в одном из опытов, проводимых с высокой точность, не дают повода усомниться в результатах истолкования опыта Майкельсона - Морли с точки зрения СТО и инвариантность скорости света в вакууме (Джефф, 1963; Swenson, 1972).
b) второй способ критики основывается на самом понятие инвариантности, требование инвариантности приводит в частности к сохранению явного вида некоторых величин и уравнений теории при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Преобразования группы Пуанкаре не единственный вид преобразований сохраняющий инвариантные величины и уравнения теории, относительно этих преобразований. Изредка такие работы несут в себе и весьма положительный эффект, когда исследуются основные свойства новой группы преобразований, но только изредка, в основном такие работы не несут никакой существенной информации.
c) 23 сентября 2011 года на научной конференции в CERN представители коллаборации OPERA выступили с сенсационным докладом о превышении скорости света в экспериментах с нейтрино (Palmer, 2011; NEWSru.com, 2011; Autiero, 2011; OPERA Collaboration, 2011). Однако, на сегодняшний день подтверждения данные результаты не получили и есть указания не корректное проведение самой серии экспериментов с нейтрино, в частности проведения аналогичных экспериментов коллаборации ICARUS (ICARUS Collaboration, 2012) , причем в той же самой лаборатории, но не используя оборудования коллаборации OPERA. Однако, сообщение коллаборации OPERA вызвало скандал в научных кругах и подталкивало к серьезной ревизии существующей физической теории (РИА Новости, 2012).
7. Особняком стоит область гуманитарных исследований: история(см, например, Хоффманн, 1990; Смыслов, 2004), филология, экономика, психология, социология, политология и др. Отсутствие общей парадигмы и взаимосвязанность объекта и субъекта исследования в гуманитарной сфере порождает разнообразие точек зрения как во взглядах на сам фактический материал, так и в выводах относительно предмета исследования. В гуманитарной сфере налицо не только конкуренция моделей, но и конкуренция методологий, а также не в каждой сфере и не для каждого изучаемого вопроса есть возможность поставить чистое экспериментальное исследование. Сложности создание структурно-логических моделей в гуманитарной сфере и сильная зависимость от субъекта исследования создает объективные трудности в анализе ситуации в данной сфере и возможности сделать однозначные выводы о правильности или неправильности тех или иных подходов или конкретных моделей.
Именно узкая специализация научного знания по областям и является основным источником мифотворчества, что бы правильно понимать многие вопросы не достаточно общей эрудиции и владение общими знаниями парадигмы, требуются глубокие знания именно в данной области. Все это порождает широкое поле для мифотворчества о науке и ее разделах, на популярном уровне, примеров такого мифотворчества в расчете на массового потребителя, не вникающего в суть вопросов. В этом плане приводить примеры значимых проблем современной фундаментальной науки является сложной задачей, так требует подготовленности аудитории к восприятию и осмыслению получаемой информации.
В завершение общего обзора состояния современных фундаментальных научных исследований рассмотрим прогноз преодоления "кризиса моделирования":
1. "Кризис моделирования" будет преодолен эволюционным путем, постепенным накоплением знаний и вычленением наиболее реалистичных, но не всегда простых, моделей реального мира. Здесь следует говорить о развитие и углублении междисциплинарных связей при создании моделей систем, явлений и процессов. Но при этом все развитие будет идти в рамках существующей научной парадигмы или незначительной ее ревизии. В принципе это то путь, который сегодня наблюдается при рассмотрении развития всей фундаментальной науки.
2. Второй путь революционный, суть его заключается в том, что накопление новых, как правило, эмпирических знаний порождает новые теоретические задачи не разрешимые в рамках существующей научной парадигмы, что приводит к развитию новых подходов к моделированию и к созданию новой парадигмы или существенной ревизии существующей парадигмы. Примером такого революционного пути является ситуация в фундаментальной физике в конце XIX в., когда две проблемы породили современные области физики:
a) Задача о распространение света, шире электромагнитных волн, и получения преобразований относительно которых уравнения электродинамики, уравнения Максвелла, остаются инвариантными для инерциальных систем отсчета привела к созданию релятивистской теории, обобщенной Эйнштейном, которая является по сути дела классической электродинамикой в форме специальной теории относительности (СТО). Следует правда заметить, что первенство А. Эйнштейна в создании релятивистской теории на сегодняшний день оспаривается в пользу А. Пуанкаре, однако вопрос авторства в данном случае вторичен, строго говоря в создание и развитие релятивисткой теории сделали свой вклад многие ученые середины-конца XIX и начала XX в.
b) Задача излучения абсолютно черного тела привела к созданию квантовой теории, после публикации работы М. Планка. Квантовая теория это современный фундамент для изучения объектов физики микромира, из которой и выросла современная фундаментальная наука.
Предпосылкой для такого сценария в фундаментальной физике может явиться накопление данные будущих экспериментов, планируемых на LHC (CERN Bulletin, 2011).
3. Третий вариант является комбинацией ранее рассмотренных, эволюционного и революционного пути развития. Комбинации эти могут быть различны и достаточно причудливы по своей реализации в жизнь, но это наиболее вероятностное развитие событий в будущем.
Итак, общее состояние фундаментальной науки можно охарактеризовать как состояние кризисное, но кризис этот является, по сути, источником дальнейшего развития фундаментальной науки. Однако подспудно кризис науки отражается на состоянии общества, не смотря на то, что научное знание на современном этапе оторвано от повседневного среднего мировоззрения индивидуумов, но влияние науки на современный мировой социум недооценивать в целом нельзя. Данный вопрос, об усредненном сознание индивидуума рассмотрим в последствии, при рассмотрении других аспектов современной глобальной цивилизации.