microbik.ru
1 2 3




Розов М.А.

Инженерное конструирование в научном познании
Я сказал бы, что в каждом способном

физике сидит талантливый инженер.

Г. Бонди
На некотором сравнительно поверхностном уровне представляется, что инженер, создающий проект здания или какого-либо другого технического сооружения, и ученый, разгадывающий тайны Природы, – это очень разные фигуры в системе разделения труда. Первый строит проект, второй – знание. Первый в конечном итоге претендует на создание некоторой искусственной природы, второй – на выявление законов Природы первозданной. Первый в своих целевых установках, как правило, утилитарен: проект должен удовлетворять требованиям практической реализации, полученный материальный продукт должен функционировать заранее заданным образом. Для второго полученное знание само по себе представляет ценность, если оно не тривиально истинно и не тривиально ложно. Первый постоянно задает вопрос «А зачем это практически нужно?», второй уверен, что современная теория Большого взрыва или теория суперструн важны и интересны, хотя и не имеют практических приложений.

И, тем не менее, между деятельностью инженера и ученого есть очень глубокая и принципиальная связь, о которой и пойдет речь в данной статье. И дело не в том, что исследователь-экспериментатор вынужден постоянно конструировать приборы и экспериментальные установки. Это достаточно очевидно. Суть в другом: в основе познания в развитых его формах лежат образцы инженерной деятельности, образцы конструирования. В какой-то мере это нашло свое выражение даже в способах словоупотребления. Мы обычно не говорим, что кто-то открыл теорию, мы говорим, что он ее построил. Дарвин построил теорию происхождения видов, Эйнштейн – общую теорию относительности… Аналогичным образом мы не открываем, а строим или создаем классификацию, районирование или периодизацию. Познать некоторое явление – это значит либо построить его модель, либо создать проект построения его самого. Нас при этом не интересует соразмерность этого проекта человеческим возможностям, ибо в качестве строителя мы можем привлечь саму матушку Природу. Нам важно, как данное явление в принципе может быть построено. Несколько усиливая этот тезис, можно сказать, что мы конструируем не только теории или классификации, но и объекты исследования, и даже то, что принято называть фактом. Но об этом несколько ниже.
Теоретик и инженер

Что собой представляет деятельность инженера, который разрабатывает проект какого-либо здания, самолета или автомобиля? Во-первых, у него есть некоторое проектное задание, т.е., как правило, функциональное описание того сооружения, которое надо получить. Он, например, знает, какова должна быть скорость самолета, его грузоподъемность, дальность полета т.д. Во-вторых, он в принципе знает, из каких элементов строится самолет, как эти элементы сочетаются друг с другом, какие здесь возможны варианты, включая типовые конструкции, особенности тех или иных материалов и прочее. Плюс к этому у него есть какие-то методы расчета или качественные методы, которые позволяют оценить каждый из вариантов с точки зрения его функциональных характеристик. Будем все это называть техническим конструктором. Задача состоит в том, чтобы, работая в этом конструкторе и рассматривая разные возможные варианты, найти такой, который соответствует проектному заданию.

Можно предположить, что исторически в основе инженерной деятельности лежит альтернатива производства и потребления. Уже первобытный человек строил хижины, плоты или лодки, ловушки для животных, изготавливал луки и стрелы. Все эти объекты выступали для него в двух основных ипостасях. Во-первых, в процессе потребления они проявляли свои функциональные характеристики, свои свойства. Во-вторых, в процессе производства человек имел дело с их строением, структурой, составом. Уже здесь, вероятно, возникла практическая задача варьировать устройство тех или иных сооружений, улучшая их потребительские качества. И уже здесь могли сформироваться два принципиальных вопроса относительно окружающих человека объектов: какими свойствами он обладает и как он сделан? При этом оба вопроса в равной степени были значимы как относительно продуктов рук человеческих, так и относительно природных явлений. Они сохранили свое значение до сих пор. Иными словами, образцы проблематизации, возникшие уже в первобытном обществе, и сейчас существенно детерминируют познавательный процесс.

Но перейдем к научным теориям. Легко показать изоморфизм теоретического знания и инженерного проекта. Начнем с очень простого примера. Уже в античности сформировались представления о шарообразности Земли. Это была некоторая теоретическая конструкция, которая объясняла целый ряд уже известных явлений. «Например, ясно, – пишет Страбон в своей «Географии», – что кривизна моря препятствует морякам видеть свет [огней] на уровне их глаза. Во всяком случае, огни над уровнем глаз становятся видимыми, хотя бы они находились на большом расстоянии от наблюдателя. Подобным же образом, если глаза подняты, они видят то, что прежде было невидимо. Это отметил и Гомер, ибо такой смысл имеют его слова:

Поднятый кверху волной и взглянувший

Быстро вперед [невдалеке пред собой увидел он землю].

Кроме того, когда моряки приближаются к земле, их взорам открываются постепенно прибрежные части, и то, что сперва казалось низким, постепенно вырастает все выше и выше»1. Все эти явления представляли собой некоторое «проектное задание», и задача состояла в том, чтобы сконструировать «механизм», способный эти явления порождать. Представления о земном шаре, невероятно смелые для того времени, и легли в основу этого механизма, который дополнялся теми или иными деталями применительно к каждому из перечисленных явлений.

Другой пример – кинетическая теория газов в ее элементарном и качественном изложении. Описание поведения газа эквивалентно проектному заданию. Мы знаем, что при уменьшении объема газа растет его давление и повышается температура, что при расширении газ охлаждается… Нам надо ответить на вопрос, как газ устроен. И вот мы конструируем газ на базе атомистических представлений, предполагая, что он состоит из множества беспорядочно движущихся частиц. Атомистика – это один из самых мощных теоретических конструкторов в составе естествознания. На его базе мы конструируем газы, жидкости и твердые тела, объясняя огромное количество явлений типа поверхностного натяжения, теплопроводности, диффузии, адсорбции, броуновского движения, геометрии кристаллов и т.д.

Аналогичным образом можно представить теорию происхождения видов Ч. Дарвина. На входе здесь в качестве «проектного задания» огромное разнообразие жизненных форм, данные сравнительной анатомии, ископаемые остатки вымерших организмов…, на выходе – проект механизма эволюции на базе случайной изменчивости и естественного отбора. Заслуга Дарвина не только в том, что он построил новую биологическую теорию, он при этом создал новый тип теоретического конструктора, который затем активно проникал в другие области знания, например, в лингвистику и в историю идей. Э. Мах писал, что, познакомившись с идеями Дарвина в 1859 году, он уже в своих лекциях 1864–1867 годов в университете в Граце рассматривал развитие идей как борьбу за существование с выживанием наиболее приспособленных2. Известный наш палеоботаник С.В. Мейен как-то сказал мне, что теория Дарвина – это не биологическая теория, что она не специфична для биологии. Я сейчас воспринимаю это как комплимент.

Эволюция познания – это в существенной ее части совершенствование форм и способов теоретического конструирования. Замена одного конструктора другим в истории той или иной дисциплины – это существенный сдвиг в ее развитии, ведущий к разработке новых технологий мышления. Так, на заре развития механики мы сталкиваемся с чисто техническими преобразованиями объектов. Галилей, например, исследуя «природу винта», сводит его к наклонной плоскости, наматывая наклонную плоскость на цилиндр3. Работа в таком чисто техническом конструкторе требует большой изобретательности. Судите сами. Вот, например, как Лагранж описывает редукцию коленчатого рычага к прямолинейному: «Прежде всего ясно, что коленчатый равноплечий рычаг, который может вращаться около своей вершины, будет поддерживаться в состоянии равновесия двумя равными силами, приложенными к концам плеч и направленными перпендикулярно к последним и, следовательно, стремящимися вращать их в противоположные стороны. Пусть теперь имеется прямолинейный неравноплечий рычаг, одно плечо которого равно плечу коленчатого равноплечного рычага и нагружено тяжестью, эквивалентной каждой из равных сил, приложенных к плечам коленчатого рычага; другое плечо этого рычага имеет любую длину и в конечной точке его помещен такой груз, что рычаг находится в равновесии. Представим себе, что этот рычаг наложен на равноплечий коленчатый рычаг таким образом, что точка опоры прямолинейного рычага совпадает с вершиной коленчатого рычага и первое плечо первого совпадает с каким-нибудь плечом второго, причем обе силы, приложенные к совпавшим теперь конечным точкам обоих рычагов, имеют противоположное направление. Тогда обе эти силы друг друга взаимно уничтожат и соответствующие плечи обоих рычагов, на которые эти силы действуют, потеряют всякое значение. А так как в результате суперпозиции общее равновесие не нарушится, то оставшийся налицо неравноплечий коленчатый рычаг, в конечных точках которого приложены перпендикулярно направленные силы, величины которых обратно пропорциональны длине плеч, будет находиться в равновесии, – подобно тому, как это имеет место при прямолинейном рычаге»4.

Технология мышления принципиально меняется, когда начинают оперировать не техническими конструкциями, а силами, которые можно переносить в направлении их действия, суммировать по правилу параллелограмма или разлагать на составляющие. Она меняется еще раз, когда главную роль приобретает математика и математические конструкции. Лагранж в предисловии к своей знаменитой «Аналитической механике» пишет: «В этой работе совершенно отсутствуют какие бы то ни было чертежи. Излагаемые мною методы не требуют ни построений, ни геометрических или механических рассуждений; они требуют только алгебраических операций, подчиненных планомерному и однообразному ходу. Все любящие анализ с удовольствием убедятся в том, что механика становится новой отраслью анализа, и будут мне благодарны за то, что этим путем я расширил область его применения»5.

И
нтересно проанализировать смену типов конструирования в ходе формирования и развития эволюционных идей в биологии. Первые варианты связаны здесь с попытками построить теорию на базе чисто технических преобразований одних организмов в другие. Вот красно­речивый отрывок из сочинений великого естествоиспытателя XVIII века Бюффона: «…Возьмите скелет человека, наклоните кости таза, укоротите кости бедер, голеней и рук, удлините таковые ступней и ладоней, соедините вместе фаланги, удлините челюсти, сократив лобную кость, и, наконец, удлините так же позвоночник: этот скелет перестанет быть останками человека, это будет скелет лошади»6. Рассуждения такого рода были в ту эпоху достаточно парадигмальными. П. Кампер, будучи не только ученым, но и художником, проделывал подобные преобразования с помощью рисунков, превращая, например, корову в страуса. Жоффруа Сент-Илер построил удивительную концепцию, согласно которой млекопитающие есть как бы вывернутые наизнанку насекомые: если у млекопитающих внутренние органы расположены вокруг позвоночника, то у насекомых – внутри хитиновой трубки. «Насекомые, – писал он, – живут внутри своего спинного хребта, подобно тому, как моллюски живут внутри своей раковины… Да, я мог это смело утверждать, и первое мое научное сообщение 1820 года гласило, что насекомые составляют еще один класс позвоночных животных, и что, следовательно, к ним приложим общий закон единства организации»7.

Однако если в механике подобные преобразования в рамках теоретического конструктора соответствовали образцам реальной материальной деятельности, то в биологии они были чисто произвольными и абсолютно неосуществимыми. Надо было либо отдавать все в руки всемогущего Бога, либо искать «инженера» в самой Природе. Именно последнее происходит в работах Ламарка и Дарвина. Рассмотренные выше конструкторы в механике принципиально отличны от последующих биологических конструкторов, ибо в первом случае преобразования осуществляет сам исследователь, а во втором – силы Природы. Говоря более точно, исследователь в этом случае должен сконструировать природный процесс, который функционирует независимо от его воли.
Построение объектов исследования.

У Карла Поппера есть очень интересное замечание: «Часто говорят, – пишет он, – что научное объяснение есть сведение неизвестного к известному. Если имеется в виду чистая наука, то ничто не может быть дальше от истины. Отнюдь не парадоксом будет утверждение, что научное объяснение, напротив, есть сведе­ние известного к неизвестному»8. На первый взгляд это все же парадокс, но только на первый взгляд. Мне представляется, что замечание Поппера имеет глубокий смысл, независимо от того, что думал по этому поводу сам автор.

Дело в том, что конструируя какой-либо объект для объяснения уже известных явлений, мы тем самым строим и новый объект исследования. Вернемся к приведенным выше примерам теоретического конструирования. Представление о шарообразности Земли в контексте объяснения того, что с мачты корабля мы видим дальше, можно рассматривать как сведение неизвестного к известному. Нам ведь при этом хорошо известно, что такое шар и какие его свойства позволяют понять механизм указанного явления, который был до этого неизвестен. Но предположение, что Земля шарообразна, тут же порождает вопросы относительно размеров и точной формы Земли. Уже Эратосфен пытается измерить длину земного меридиана, а Клеро много веков спустя строит теорию фигуры Земли.

В такой же степени построение механической модели газа есть сведение неизвестного к известному, тем более что молекулы газа Больцман представляет как упругие шарики, опираясь тем самым на уже сформулированные законы механики. Но тут же возникают новые вопросы относительно размеров этих молекул, скоростей их движения, их количества в некотором объеме газа и т.п. Иными словами происходит переход от объяснения феноменологии газа к использованию этой же феноменологии для изучения свойств молекул.

Во всем этом проявляется некоторая закономерность, характерная для любой человеческой деятельности и связанная с ее целенаправленностью. В любой деятельности мы привыкли выделять объект, продукт, используемые средства, но выделение этих составляющих обусловлено поставленной целью. Если цель – это объяснение феноменологии поведения газа, то именно газ является объектом изучения, а построенные атомно-молекулярные конструкции – это средства объяснения. Если же мы хотим уточнить наши представления об этих конструкциях, то они становятся объектом изучения, а экспериментальное исследование поведения газа переходит в разряд средств. Но в принципе любое объяснение каких-то явлений на базе их теоретического конструирования объективно является и исследованием самих теоретических конструкций. Выдвигая гипотезу о шарообразности Земли, мы объясняем исчезновение корабля за горизонтом, но в такой же степени это исчезновение можно рассматривать как обоснование шарообразности Земли, с чем мы постоянно сталкиваемся в литературе.

Преобразования деятельности, связанные с изменением целевых установок, я называю рефлексивными преобразованиями. Речь идет об осознании одних и тех же действий в свете разных целей или разных предполагаемых результатов. Если два акта не отличаются друг от друга ничем, кроме цели, то они являются рефлексивно симметричными. Например, в случае с шарообразностью Земли можно сказать, что акты объяснения и обоснования на первых шагах рефлексивно симметричны: явления, которые мы объясняем, одновременно является и обоснованием теоретической конструкции. Поскольку в рамках традиционной терминологии речь, вероятно, должна идти о теоретическом объяснении исчезновения корабля и об эмпирическом обосновании шарообразности Земли, мы приходим к нетривиальному тезису о рефлексивной симметрии эмпирического и теоретического. Это, однако, требует гораздо более детального исследования.

Приведем еще несколько примеров. В науке мы постоянно сталкиваемся с различными приборами. С использованием приборов связывают специфику эмпирического исследования. Правда, иногда это почему-то уживается с утверждением, что специфика эмпирического в непосредственном контакте с объектом изучения. Нетрудно показать, что эти два утверждения противоречат друг другу. Рассмотрим такой широко известный прибор, как барометр, который возник в исследованиях Торричелли следующим образом. Экспериментальная установка Торричелли, которую он создал по совету Галилея, первоначально предназначалась для исследования боязни пустоты. Но оказалось, что уровень ртути в трубке постоянно меняется, и гипотеза боязни пустоты была заменена другой, согласно которой экспериментальная картина определяется атмосферным давлением. Последнее в данном случае представляло собой некоторую теоретическую конструкцию. Только после этого экспериментальная установка Торричелли стала прибором для изучения атмосферного давления. Очевидно, что иначе и быть не могло. Итак, и здесь первоначально мы сталкиваемся с некоторым явлением, которое нужно объяснить. Объяснение явно не является эмпирической процедурой, ибо связано с построением некоторого объекта, который в данном случае не дан в непосредственном наблюдении. Только после этого происходит рефлексивное преобразование, и экспериментальная установка из объекта изучения превращается в прибор, а теоретическая конструкция – «атмосферное давление», – которая была средством объяснения, становится новым объектом исследования.

Сказанное можно проиллюстрировать не только на примере барометра, но и при исследовании всех приборов или экспериментальных установок. Мы, например, измеряем температуру с помощью всем известного градусника. Но что мы при этом изучаем, положение столбика ртути или спирта относительно шкалы? Нет, разумеется, мы измеряем температуру, т.е. среднюю кинетическую энергию движущихся молекул. Примерно то же самое можно сказать и о других приборах типа амперметра, вольтметра, спидометра… Любое измерение предполагает, что мы уже теоретически построили, сконструировали измеряемую величину.

Итак, теоретическое конструирование допускает, по крайней мере, две целевые установки: с одной стороны, это объяснение каких-то уже известных явлений, это ответ на вопрос, как они устроены; с другой, – это построение новых объектов исследования. Это, вероятно, довольно общая закономерность динамики науки. Основатель почвоведения В.В. Докучаев впервые стал рассматривать почву как особое тело природы, представив ее как продукт целостного взаимодействия грунта, климата, рельефа местности, растений, животных и других организмов. Это было теоретическое построение, вскрывающее механизм почвообразования. В результате этой работы сформировался новый синтетический объект исследования, о котором сам Докучаев, противопоставляя свой подход традиционному, писал в 1899 году следующее: «Изучались главным образом

следующая страница >>