Ранее: Глава 2.6. Неравновесные состояния в статистической механике
В предыдущих частях книги рассмотрены классическая термодинамика и статистическая механика и это дает необходимый материал для перехода к обсуждению с точки зрения философии физики. Основное внимание будет уделено вопросу использования математики в физике на примере горения свечи. В философии науки принято разделение позиций на научный реализм и антиреализм, но при этом упускается из виду разрыв между миром и объектом в теории физики в виде математической структуры.
Например, при обсуждении разных уровней организации в физике требуется разобраться, что в таком обсуждении сравнивается с чем — математические структуры одной теории физики с таковыми другой теории или при рассмотрении этого вопроса обсуждаются процессы, происходящие в мире. В последнем случае как раз требуется обсуждение, каким образом удается перейти к миру от математических уравнений теории физики.
Рассмотрим таблицы термодинамических свойств, которые были использованы в главе 1.5. ‘Адиабатическая температура пламени‘. Приведу еще раз ссылку на онлайновую версию таблиц: ‘Термодинамические свойства индивидуальных веществ‘. Рекомендуется открыть их и просмотреть таблицы для нескольких веществ. Нередко можно услышать утверждение, что ‘математика — это просто язык’. Таблицы наглядно показывают, что если математика является языком, то это язык чисел; поэтому сравнение языка математики с обычным языком не проходит. С другой стороны, таблицы показывает разрыв между описанием вещества в виде термодинамических свойств и самим веществом. Вряд ли следует рассчитывать, что мы обнаружим численные значения физических величин непосредственно в пламени свечи.
Рассмотрим следующую ситуация, которая будет служить точкой отсчета в этой части книги. Несколько физиков сидят за столом, на котором стоит горящая свечка. Физики объясняют происходящие процессы; физики записывают математические уравнения на доске или же показывают их на экране проектора, а также находят решения этих уравнений на компьютере. Параллельно проводятся необходимые измерения с использованием приборов, которые затем сравниваются с предсказаниями теории.
Минимальная философская позиция, которая признает реальность такой ситуации, позволяет избежать рассмотрения вечных философских вопросов и сконцентрироваться именно на рассмотрении взаимоотношения между математическими уравнениями теории физики, которые используют физики, и самим процессом горения, который они изучают. Я бы ожидал, что с проведенным рассмотрением в этой части должны быть согласны представители всех разных философских позиций, поскольку речь пойдет про инварианты научной деятельности. Расхождения должны возникнуть только при обсуждении вечных философских вопросам в самом конце.
Перейду к плану этой части книги. В первой главе будет предложена новая терминология для рассмотрения взаимоотношения математики и физики, основанная на практике физических исследований. В первую очередь будет проанализировано, каким образом физикам удается перейти на язык чисел, то есть, будет рассмотрен более детально процесс проведения реальных измерений. Отмечу, что это не имеет отношения к проблеме измерения в квантовой механике, речь идет про проведение реальных экспериментов и необходимость использования метрологии.
Будет проанализирована связь между теорией физики и проводимыми экспериментами, поскольку эксперименты и метрология зависят от теории физики. Приведу такой пример. В 2019 году основные единицы СИ стали определяться через фиксированные значения фундаментальных физических постоянных, в том числе температура определяется через фиксированное значение постоянной Больцмана. Тем не менее, несмотря на зависимость эксперимента и метрологии от теории физики можно говорить об уровне экспериментальной науки. Так, новые определения СИ не означают появления несоизмеримости, они вполне совместимы с единицами измерения, которые были предложены еще до появления квантовой механики.
Выход за рамки экспериментальной науки будет называться экстраполяционизмом. В этот термин не вкладываются отрицательные коннотации; экстраполяционизм будет рассматриваться как исследовательская программа. Этот вопрос будет обсужден на примере отношения между теорией и экспериментами в ходе становления молекулярно-кинетической теории в 19-ом веке.
В последующих главах предложенная терминология будет использована для анализа механики сплошных сред и статистической механики. В отдельной главе с точки зрения экспериментальной науки будет рассмотрено использование информации при обсуждении энтропии. Далее будет проведено сопоставление двух уровней организации, соответствующих сплошным средам и статистической механике; на этом этапе начнется возвращение к вечным философским вопросам.
В заключение несколько слов об основных выводах этой части книги. С точки зрения современной экспериментальной науки в настоящее время нет никаких сомнений в реальности атомов. Этот вопрос будет обсужден на примере экспериментального определения числа Авогадро, а также будут перечислены другие эксперименты. Проблемой однако остается переход от мысленных моделей атома на уровне математических уравнений к реальности. В моем рассмотрении будет констатирован разрыв между математическими структурами теории физики и миром, а также будет обсуждена возможность проведения границы между экспериментальной физикой и той или иной философской позицией. Конечно, эта граница будет нечеткой, но тем не менее, с моей точки зрения ее обсуждение вполне возможно.
Это рассмотрение не направлено против философии, в первую очередь потому, что оно принадлежит философии физики. Просто рассмотрение взаимоотношения математики и физики упирается в отношения между физикой и философией. Однако, прогресс в развитии физики оказывается возможным без нахождения решения вечных философских проблем, а также непонятно, может ли развитие физики помочь в решении этих проблем.
Связь философии и физики многогранна и история науки дает немало примеров влияния философских позиций на прогресс в научных исследованиях. В то же время при рассмотрении результатов конкретных исследовательских программ в настоящее время неплохо понимать уровень экспериментальной науки. Это позволит более точно классифицировать озвучиваемые результаты по степени близости или отдаленности от собственно экспериментальных исследований и тем самым попробовать получить новый взгляд на взаимоотношение между физикой и философией.
Далее: Глава 1. Физика, математика и мир