Философия науки и техники

Физическая теория и техническая теория. Генезис классических технических наук

Структура технической теории

Для разъяснения специфики технических наук очень важно показать сходства и отличия физической и технической теорий. Первые технические теории строились по образцу физических. Как показано в первых разделах этой книги, в структуре развитой естественнонаучной теории наряду с концептуальным и математическим аппаратом важную роль играют теоретические схемы, образующие своеобразный «внутренний скелет» теории.

Теоретические схемы и абстрактные объекты технической теории

Теоретические схемыпредставляют собой совокупность абстрактных объектов, ориентированных, с одной стороны, на применение соответствующего математического аппарата, а с другой, – на мысленный эксперимент, т. е. на проектирование возможных экспериментальных ситуаций. Они представляют собой особые идеализированные представления (теоретические модели), которые часто (в особенности в технических науках) выражаются графически. Примером их могут быть электрические и магнитные силовые линии, введённые М. Фарадеем в качестве схемы электромагнитных взаимодействий. «Фарадеевы линии силы, – писал Максвелл, – занимают в науке об электромагнитизме такое же положение, как пучки линий в геометрии положения. Они позволяют нам воспроизвести точный образ предмета, о котором мы рассуждаем». Г. Герц использовал и развил далее эту теоретическую схему Фарадея для осуществления и описания своих знаменитых опытов. Например, он построил изображения так называемого процесса «отшнуровывания» силовых линий вибратора, что стало решающим для решения проблемы передачи электромагнитных волн на расстояние и появления радиотехники, и анализировал распределение сил для различных моментов времени. Герц назвал такое изображение «наглядной картиной распределения силовых линий».

Такое специальное схематическое представление, особенно в современной физической теории, необязательно должно выражаться в графической форме, но это не значит, что оно вообще более не существует. Представители научного сообщества всегда имеют подобное идеализированное представление объекта исследования и постоянно мысленно оперируют с ним. В технической же теории такого рода графические изображения играют ещё более существенную роль.

Теоретические схемы выражают особое видение мира под определённым углом зрения, заданным в данной теории. Эти схемы, с одной стороны, отражают интересующие данную теорию свойства и стороны реальных объектов, а с другой, – являются её оперативными средствами для идеализированного представления этих объектов, которое может быть практически реализовано в эксперименте путём устранения побочных влияний техническим путём. Так, Галилей, проверяя закон свободного падения тел, выбрал для бросаемого шарика очень твёрдый материал, что позволяло практически пренебречь его деформацией. Стремясь устранить трение на наклонной плоскости, он оклеил её отполированным пергаментом. В качестве теоретической схемы подобным образом технически изготовленный объект представлял собой наклонную плоскость, т. е. абстрактный объект, соответствующий некоторому классу реальных объектов, для которых можно пренебречь трением и упругой деформацией. Одновременно он представлял собой объект оперирования, замещающий в определённом отношении реальный объект, с которым осуществлялись различные математические действия и преобразования.

Ещё более показателен пример работы Генриха Герца, экспериментально доказавшим существование электромагнитных волн. Используемые Герцем теоретические понятия имели чёткое математическое выражение (поляризация, смещение, количество электричества, сила тока, период, амплитуда, длина волны и т. д.). Однако он постоянно имел в виду и соотнесённость математического описания с опытом. Так, в основных уравнениях электродинамики Герц перешёл от использования потенциалов, служивших для теоретического описания, к напряжённостям, которые были экспериментально измеримыми. Производя опыты, он постоянно обращался к математическим расчётам – например, к расчёту периода колебаний по формуле Томсона. Использование для описания электродинамических процессов теоретических схем оптики и акустики позволило Герцу не только применить ряд таких понятий, как угол падения, показатель преломления, фокальная линия и т. п., но и осуществить над электромагнитными колебаниями ряд классических оптических опытов (по регистрации прямолинейного распространения, интерференции и преломления электромагнитных волн и т. п.). Эти эксперименты подтвердили адекватность выбранной теоретической схемы и доказали её универсальность для разных типов физических явлений. Заимствованная из оптики и акустики, теоретическая схема естественного процесса распространения электромагнитных волн (Герц называл её «картиной поля», «картиной электрических волн») позволила транслировать и соответствующую математическую схему, а именно – геометрическое изображение стоячей волны, которое даёт возможность чётко определять узловые точки, пучности, период, фазу и длину волны. В соответствии с этой схемой Герц производил необходимые экспериментальные измерения (фазы и амплитуды электромагнитных колебаний при отражении, показателя преломления асфальтовой призмы и т. д.).

Таким образом, абстрактные объекты, входящие в состав теоретических схем математизированных теорий представляют собой результат идеализации и схематизации экспериментальных объектов или более широко – любых объектов предметно-орудийной (в том числе инженерной) деятельности. Понятие диполя, вибратора, резонатора и соответствующие им схематические изображения, введённые Герцем, были необходимы для представления в теории реальных экспериментов. В настоящее время для получения электромагнитных волн и измерения их параметров используются соответствующие радиотехнические устройства, и следовательно, понятия и схемы, их описывающие, служат той же цели, поскольку по отношению к электродинамике эти устройства выполняют функцию экспериментальной техники. Однако, помимо всего прочего, эти устройства являются объектом конкретной инженерной деятельности, а их абстрактные схематические описания по отношению к теоретическим исследованиям в радиотехнике выполняют функцию теоретических моделей.

Особенность технических наук заключается в том, что инженерная деятельность, как правило, заменяет эксперимент. Именно в инженерной деятельности проверяется адекватность теоретических выводов технической теории и черпается новый эмпирический материал. Это отнюдь не значит, что в технических науках не проводится экспериментов, просто они не являются конечным практическим основанием теоретических выводов. Огромное значение в этом отношении приобретает инженерная практика.

Абстрактные объекты технической теории обладают целым рядом особенностей. Прежде всего они являются «однородными» в том смысле, что собраны из некоторого фиксированного набора блоков по определённым правилам «сборки». Например, в электротехнике таковыми являются ёмкости, индуктивности, сопротивления; в теоретический радиотехнике – генераторы, фильтры, усилители и т. д.; в теории механизмов и машин – различные типы звеньев, передач, цепей, механизмов. Например, немецкий учёный и инженер Франц Рело поставил перед собой задачу создать техническую теорию, которая позволила бы не только объяснить принцип действия существующих, но и облегчить создание новых механизмов. С этой целью он провёл более детальное, чем его предшественники, расчленение на части механизма, взятого в качестве абстрактного объекта технической теории. Рело построил представление о кинематической паре, а составляющие её тела он называл элементами пары. С помощью двух таких элементов можно осуществлять различные движения. Несколько кинематических пар образуют кинематическое звено, несколько звеньев – кинематическую цепь. Механизм является замкнутой кинематической цепью принуждённого движения, одно из звеньев которой закреплено. Поэтому из одной цепи можно получить столько механизмов, сколько она имеет звеньев.

Подобное строение абстрактных объектов является специфичным и обязательным для технической теории, делая их однородными в том смысле, что они сконструированы, во-первых, с помощью фиксированного набора элементов и, во-вторых, ограниченного и заданного набора операций их сборки. Любые механизмы могут быть представлены как состоящие из иерархически организованных цепей, звеньев, пар и элементов. Это обеспечивает, с одной стороны, соответствие абстрактных объектов конструктивным элементам реальных технических систем, а с другой создаёт возможность их дедуктивного преобразования на теоретическом уровне. Поскольку все механизмы оказываются собранными из одного и того же набора типовых элементов, то остаётся задать лишь определённые процедуры их сборки и разборки из идеальных цепей, звеньев и пар элементов. Эти идеализированные блоки соответствуют стандартизованным конструктивным элементам реальных технических систем. В теоретических схемах технической науки задаётся образ исследуемой и проектируемой технической системы.

Специфика технической теории состоит в том, что она ориентирована на конструирование технических систем. Научные знания и законы, полученные естественнонаучной теорией, требуют ещё длительной «доводки» для применения их к решению практических инженерных задач, в чем и состоит одна из функций технической теории.

Теоретические знания в технических науках должны быть обязательно доведены до уровня практических инженерных рекомендаций. Выполнению этой задачи служат в технической теории правила соответствия, перехода от одних модельных уровней к другим, а проблема интерпретации и эмпирического обоснования в технической науке формулируется как задача реализации. Поэтому в технической теории важную роль играет разработка особых операций перенесения теоретических результатов в область инженерной практики, установление чёткого соответствия между сферой абстрактных объектов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, что соответствует фактически теоретическому и эмпирическому уровням знания.