Трансдисциплинарная идея моделирования природы

Перед тем как приступить к изложению этой идеи, стоит рассказать о том, что такое моделирование и как оно выполняется. При любом способе познания человек отражает в своем сознании окружающую действи­тельность. Другими словами, любой процесс познания сопро­вождается созданием мысленного образа, появляющегося как реакция на восприятие объекта. И поскольку нельзя «объять необъятное», человеческий мозг находит такую форму отражения, чтобы он был бы в состоянии обрабо­тать и использовать поступающую информацию. Такой формой отражения является моделирование (т.е. мыс­ленное построение моделей). Естественно-научный и гуманитарный типы мышления отличаются, прежде всего, способами моделирования действительности.

В естественно-научном мышлении доминирует рацио­нальное интеллектуальное начало, которое часто отождеств­ляют с логическими построениями в духе формальной логи­ки. На самом деле, научная рациональность значительно ши­ре. Помимо «выводного» рассуждения она непременно включает в себя и интуицию, то особое внутреннее «чутье», без которого невозможно адекватное познание природы. Ин­туиция позволяет как бы «угадать», а более точно – «пред­чувствовать» ответ. Однако в науке нельзя обойтись без под­робных обоснований путей поиска решения, иначе оно не будет убедительным. Поэтому интуитивное прозрение – это лишь этап в рациональном познании. За ним обязательно следует доказательство. Но формы его бывают разными. При этом необходимо учитывать, что сейчас помимо классиче­ской однозначной логики с ее законом исключенного третье­го построены новые логики. И они также могут быть исполь­зованы при аргументации, если только используемый тип рассуждений соответствует сущности исследуемой пробле­мы. Тогда искомая модель станет достоянием науки, отра­жающим гармонию логики и интуиции в познании. Важно, что модели, основанные на цепочке доказательств, строятся как бы поэлементно, а не сразу целиком – доказательство развертывается постепенно.

Каждое природное явление описывается совокупно­стью многих, иногда слабо связанных между собой моделей, каждая из которых лишь в чем-то похожа на природный объ­ект. В рациональном мышлении в качестве моделей высту­пают абстрактные конструкции, когда из реального природ­ного объекта исключается «все лишнее» и взгляд исследова­теля сосредотачивается на какой-либо одной характерной его стороне. Каждое природное явление описывается совокупно­стью многих, иногда слабо связанных между собой моделей, каждая из которых лишь в чем-то похожа на природный объ­ект. В этом смысле научная модель скорее напоминает кари­катуру, в которой как бы намеренно усугубляются некоторые признаки объекта, чем на его фотографию, где все воспроиз­водится детально. При рациональном познании, т.е. в науке, модель также рациональна. Это значит, что при ее построе­нии сознательно производится отбор наиболее значимых особенностей объекта в рамках принятой гипотезы и столь же осознанно опускается то, что считается несущественным.

При интуитивном мышлении также возникают модели. Однако здесь в этом качестве выступают обобщенные образы природы или символы, целиком и сразу воспринимаемые сознанием человека. Различие между логическим и интуи­тивным способами моделирования можно сравнить с разли­чием между алфавитной и иероглифической системами письменности. Алфавитная система предельно «атомизирует» процесс письма, расчленяя его на отдельные элементы вплоть до сочетаний букв и звуков. Иероглифическая систе­ма позволяет передать мысль синтетически, когда отдельный иероглиф отражает слог, слово или даже целое предложение. Эмоциональный способ восприятия действительности, более свойственный гуманитарной и художественной среде, в некотором роде близок к интуитивному мышлению. Худо­жественный образ как модель тоже синтетичен, это целост­ный сплав мысли и чувства. Но он сугубо индивидуален, а потому субъективен. Именно поэтому художественное отра­жение столь самобытно, что мы с определенней легкостью можем идентифицировать автора того или иного произведе­ния. Нам узнаваема музыка Баха, Моцарта, Артемьева, слог Пушкина, Толстого и Маршака, полотна Айвазовского, Сарьяна и Кустодиева. При этом мы не всегда опираемся на память – ведь можно встретиться с произведением впервые и, тем не менее, не ошибиться в определении его автора. Опытные ценители сразу видят «руку мастера», несмотря на жанровое и стилистическое многообразие его творчества. При этом идентифицируется индивидуальная творческая манера или, говоря другим языком, специфика художествен­ного моделирования. В художественном моделировании автор может зая­вить, что он так видит (воспринимает) объект, ибо здесь до­минирует эмоциональное начало. В научном рациональном познании такого права нет. Повторим, что в рациональном познании независимо от того, как была построена модель – исключительно доказательством или с опорой на интуицию – необходимо убедить других в своей правоте, т.е. в том, что данная модель действительно соответствует объекту. Для этого необходимо веское обоснование. И хотя многие из мо­делей рационального мышления имеют установленных авто­ров, они не персонифицированы, как художественные произ­ведения. Они строятся и описываются таким образом, чтобы добиться максимально возможного единообразия в их интер­претации разными индивидуумами. Они имеют объективное содержание, как и все, что может быть отнесено к научному познанию.

Модель в естествознании как идеальный образ является теоретической конструкцией, с помощью которой воссозда­ются и интерпретируются объекты и процессы природы. И только редко используются материальные модели, воссоз­дающие в некотором масштабе зрительный образ объекта в виде графического изображения или определенной конст­рукции, например – модель кристалла в виде системы раз­ных шариков, связанных в определенном порядке проволо­кой или пружинками.

Научные модели подразделяются на несколько типов. Среди них – описательные (это теоретические конструкции, например, типа планетарной модели атома, когда его упо­добляют системе движущихся небесных тел), абстрактные (это обобщенные понятия типа «атом» или «молекула») и математические (в виде уравнений, описывающих динамику поведения объекта). Как правило, два последних типа всегда дополняют друг друга. Уровень предметной наглядности научных моделей в естествознании может быть очень низ­ким, ибо чаще всего трудно представить адекватный визу­альный образ. Конечно, еще не все естественно-научные мо­дели доведены до этого уровня, в особенности в биологии. Но это говорит лишь о том, что в науке о жизни много нере­шенных задач. А вот в физике математические расчеты яв­ляются неотъемлемым этапом моделирования.

Математический формализм придает модели эвристический характер. Это означает, что в системе «объект-модель» существуют следующие динамические отношения. С одной стороны, для того, чтобы построить модель, необхо­димо владеть определенной информацией об исходном объ­екте хотя бы в форме гипотезы. Она черпается из экспери­ментальных данных или из модели более низкого уровня. Но после того как модель уже построена, т.е. воссоздан ее ма­тематический образ, изучение ее поведения позволяет полу­чить новую информацию. Существует много примеров того, как исследования решений математических уравнений при­водило к предсказанию новых свойств уже известных объек­тов и даже к прогнозированию открытий не известных ранее объектов. Так, «на кончике пера» физиком П. Дираком было предсказано существование позитрона – положительно за­ряженного «двойника» электрона, который вскоре и был об­наружен экспериментально.

Таким образом, для естествознания моделирование служит средством получения, кодирования и передачи ин­формации об объекте. Другими словами это универсаль­ный язык науки, служащий для рациональной реконструкции действительности.

Различные модели неравноценны с точки зрения их значимости в общей системе естественно-научного знания. Поэтому весь банк используемых моделей можно разделить на фундаментальные, которые имеют практически всеобщую сферу применения, и частные, справедливые для определен­ных специфических ситуаций. Современное естествознание, конечно же, интересуют, в основном, фундаментальные мо­дели. Эти фундаментальные модели черпаются, в основном, из таких наук, как физика и биология. О них мы поговорим позже.

Самое главное, что даже внутри одной науки, напри­мер, такой, как физика, процесс моделирования осуществля­ется по-разному в зависимости от стратегии познания, ибо исследователю в них доступны разные проявления природы. Поэтому, например, концепция моделирования и сами моде­ли в классической физике принципиально отличаются от своего аналога в неклассической физике.

Излагая идею моделирования, следует обратить внима­ние еще на одно важное обстоятельство. Некоторые модели объектов природы столь реалистичны, что они часто заме­щают в нашем сознании образы исходных объектов. Это на­зывается онтологизациеймоделей. Она состоит в отождеств­лении результатов научного знания о природе с самой при­родой. В итоге мы забываем, что атом, молекула, электрон, биологическая клетка и т.д. всего лишь модели, и как бы пе­реносим их в окружающий мир, не отличая их от прообразов. Этому весьма способствуют и одноименные названия объек­та и модели. К подобным заблуждениям нас подталкивают также многочисленные изображения этих структур, которые приводятся в литературе. Однако нельзя не учитывать, что все они получены в особых условиях (например, в рентге­новском или электронном микроскопах) и являются лишь схематическими, т.е. модельными рисунками.

Онтологизация проявляется в том, что естественно-научные законы, установленные человеком в процессе позна­ния, конституируются им в ранг незыблемых законов приро­ды, подлежащих ею безусловному исполнению. Такой про­цесс имеет два противоположных аспекта. С одной стороны, он отражает общественную уверенность в могуществе науч­ного знания, что, конечно, хорошо. Но с другой стороны, он порождает своего рода «научную религию», предполагаю­щую абсолютность и всесилие царящих в природе законов. Это уже явное заблуждение.

Оно порождает иллюзию о том, что достаточно узнать «конституцию» природы в виде свода определенных законов физики, химии, биологии, и она окажется в наших руках. На самом деле жертвой такого подхода становится сам чело­век. У него формируется догматическое мышление, в рамках которого законы природы рассматриваются безотносительно к конкретным условиям функционирования определенной природной системы и уровню полноты их рассмотрения. В этом случае ситуации, в которых имеют место те или иные нарушения законов, рассматриваются как отклонения от норм, свойственных самой природе. Исторически такое слу­чалось часто. За целым рядом явлений в науке даже закре­пился термин «аномальный»⁷ – например, в физике есть аномальная дисперсия и целый ряд других подобных приме­ров. На самом деле ничего «ненормального» в этих явлениях нет. Просто их пытались объяснить в рамках неадекватных представлений, а это часто приводило к крушению веры в правоту и возможности науки.

Сталкиваясь с новыми непонятными фактами, значи­тельно лучше изначально отказаться от посылки о существо­вании некоторого предустановленного мира с готовыми не­зыблемыми правилами и сущностями, составляющими как бы Конституцию природы, свод ее безусловных законов. Следуя этой линии, вместо того, чтобы признавать наличие в природе нелегитимных процессов, приходится согласиться с ограниченностью наших знаний и искать новые объяснения. Для этого следует изначально признать, что установленные нами законы действуют лишь в определенных специфиче­ских ситуациях, а в иных случаях требуется либо уточнить, либо вовсе пересмотреть формулировку соответствующего закона.

Итак, из сказанного видно, что идея моделирования как способа описания природы, требует различать природу как таковую, называемую объективной реальностью, и систему научного знания о ней, образующую естественно-научную реальность. Иными словами, эта идея не позволяет нам за­носчиво утверждать, что мы узнаем в последнем чтении за­коны природы. Не раз уже цитированный нами М Мамардашвили. провозгласил формулу «Ничто не предус­тановлено в виде закона, а устанавливается в качестве зако­на». Это значит, что мы сами накладываем на природу неко­торую систему представлений и закономерных связей и пользуемся ими до тех пор, пока доступные нам явления природы укладываются в них. На самом деле, мы фактически строим свою версию того, что есть в природе. Мы как бы делаем «перевод» с языка природы (при том, что не владеем им в совершенстве!) на язык науки. Естественно, что под­линник будет отличаться от нашего текста и они не будут полностью аутентичны.

Итак, познание природы состоит не в установлении присущих ей абсолютных законов, а в построении адекват­ных научных моделей. Тогда становится ясным, что любая закономерная связь, наблюдаемая в природе, имеет место лишь в рамках определенных моделей. Например, утвержде­ние о том, что в природе существует закон сохранения энер­гии, является вообще говоря, некорректным. На самом деле этот закон справедлив лишь для модели изолированной сис­темы, которая полностью «отключена» от всего, что могло бы отбирать у нее энергию. В противном случае (для модели неизолированной системы) ее энергия не будет сохраняться, и это будет так же закономерно. Познанные человеком зако­ны природы действует лишь в определенных границах, кото­рые определяются как раз характером соответствующей мо­дели, а не носят всеобщего характера. В понимании этого заключается условие появления нового знания и новых культурных горизонтов.

Рассуждая подобным образом, можно придти к выводу о том, что естественно-научная картина мира – это наиболее обобщенная и глобальная целостная модель природы, в рам­ках которой нам известны наиболее важные отношения между природными объектами, описываемые через фундамен­тальные и частные модели.

В связи с этим возникает вопрос о степени необходимо­го разнообразия моделей природных объектов и их характе­ристик.

Обращая внимание на многообразие живого и неживо­го мира, можно задаться далеко не праздным вопросом: а нужно ли природе столько всего разного? Не избыточно ли такое множество? Ведь зачастую близкие виды не так уж сильно отличаются друг от друга. И это относится не только к биологическим объектам. Даже на микроуровне материя в виде химических элементов представляет собой последова­тельность разных атомов, отличающихся друг от друга всего на один протон. Казалось бы, не слишком ли тон­кие различия конструирует природа для того, чтобы обеспе­чить богатство своих нюансов.

Биологи отвечают на подобный вопрос так: это разно­образие – не случайная прихоть природы. В нем заложена гарантия устойчивого существования живой материи, ведь все многообразие видов складывалось под воздействием эво­люционной адаптации живого к бесконечно широкому спек­тру внешних условий. В противном случае малейшие отклонения во внешних условиях, которые в принципе неизбежны, могли бы привести к лавинообразному процессу гибели жизни, потому что все ее формы взаимосвязаны между собой.

Обобщая биологический принцип разнообразия на со­циальную и духовную сферу жизни, Ю. Лотман высказал глубокую, но простую формулу: «мы живем потому, что мы разные». Этим он подчеркивал необходимость того, что лю­ди различны по полу, возрасту, цвету глаз, культуре, языку и т.д. Иначе в условиях полной тождественности не было бы развития. Подобие по всем признакам привело бы к вырож­дению человека и социума. Таким образом, многообразие данного нам биологического мира как бы обосновано. Но остается проблема, как это многообразие моделировать. Некоторые наводящие соображения можно позаимст­вовать в совершенно иной сфере научной мысли. В недрах достаточно молодой науки – кибернетики – зародились сходные мысли в виде принципа У. Эшби. Он гласит, что репертуар реакций системы должен быть адекватен степени разнообразия воздействий на нее. Иначе говоря, система должна быть устроена достаточно тонко (а потому – слож­но), чтобы взаимодействовать со своим окружением. Разви­вая это утверждение, можно сказать, что эту сложность не обязательно следует понимать в структурном плане. Она мо­жет быть обеспечена наличием соответствующих свойств объекта, откликающихся на те или иные условия. Пользуясь языком моделирования, можно сказать, что для каждой мо­дели должно быть введено столько характеристик, сколько необходимо для описания многообразных взаимоотношений природного объекта с окружением. В тех же случаях, когда возможности модели исчерпаны, (т.е. она становится неадек­ватной), необходимо конструировать новые модели.

Принцип необходимости разнообразия должен быть определенной путеводной звездой при столкновении иссле­дователя с новыми неизвестными проявлениями «бездны» природных проявлений. В этом случае он должен быть внут­ренне настроен на отказ от некоторых стереотипов, если на­блюдаемое не укладывается в привычные схемы, а не под­вергать сомнению непреложные факты. Конечно, речь идет о достоверных научных данных. На эту тему можно привести убедительные примеры из физики. Когда Штерном и Герлахом были выполнены опыты, обнаружившие необычное по­ведение электронов в магнитном поле, потребовалось зна­чительное интеллектуальное мужество, чтобы приписать электрону абсолютно новую характеристику, аналогов кото­рой к тому времени еще не существовало. Так в научный обиход был введен собственный момент электрона – спин. Эта величина не « вписывалась» в обычное геометрическое пространство, где движутся все объекты. Поэтому пришлось придумать особое, внутреннее пространство – пространство состояний, которое впоследствии ученые заселили другими, в чем-то похожими на спин, характеристиками типа собственного магнитного момента, изоспина и т.д.

В дальнейшем оказалось, что подобные характеристики нужны не только для электрона, но и для многих иных час­тиц, которые способны взаимодействовать с магнитным по­лем. Фактически, была построена новая модель для микро­мира («микросостояние со спином»), которая получила ог­ромное распространение. Таким образом, на вопросе числе моделей, необходимых для описания природы, нет одно­значного ответа. Их количество будет увеличиваться по Мере проникновения в глубины природы. Тем не менее ясно, что оно всегда будет значительно меньше, чем число объектов природы. Обратная, сторона этого утверждения состоит в том, что когда моделей становится достаточно много, начи­нается поиск того общего, что их объединяет. Так, в свое время, было установлено родство между оптическими и электромагнитными явлениями, для которых была введена единая модель электромагнитного поля, которая для обоих классов явлений отличается лишь единственной характеристикой – частотой (точнее говоря, диапазоном частотного спектра). В настоящее время в физике этот процесс построе­ния обобщенных моделей продолжается.

Аналогично можно высказаться и о необходимом коли­честве характеристик, формирующих ту или иную модель. Так, например, известно, что в физике для модели поступа­тельно движущегося тела вводятся такие характеристики, как положение в пространстве, скорость и ускорение (соответст­венно радиус-вектор, его первая и вторая производные по времени). Естественно усомниться в достаточности этого перечня. А почему бы не ввести, скажем, третью производ­ную по времени? Оказывается, что это ни к чему, так как до сих пор вся известная совокупность экспериментальных фак­тов из кинематики и динамики прекрасно описывается уже упомянутым набором характеристик.

Можно сказать, что история наук о природе – это во многом история перехода в ее описании от простых моделей ко все более сложным и обобщенным. При этом более простые модели не отбрасываются полностью, а сохраняют свою ценность в области их применимости.