Страница:
Вспомним имена великих учёных, бывших одновременно инженерами и изобретателями: Д. У. Гиббс – химик-теоретик – начал свою карьеру как механик-изобретатель; Дж. фон Нейман начал как инженер-химик, далее занимался абстрактной математикой и впоследствии опять вернулся к технике; Н. Винер и К. Шеннон были одновременно и инженерами и первоклассными математиками. Список может быть продолжен: Клод Луис Навье, инженер французского Корпуса мостов и дорог, проводил исследования в математике и теоретической механике; Вильям Томсон (лорд Кельвин) удачно сочетал научную карьеру с постоянными поисками в сфере инженерных и технологических инноваций; физик-теоретик Вильгельм Бьеркнес стал практическим метеорологом...
Хороший техник ищет решения, даже если они ещё не полностью приняты наукой, а прикладные исследования и разработки все более и более выполняются людьми с исходной подготовкой в области фундаментальной науки.
Таким образом, в научно-технических дисциплинах необходимо чётко различать исследования, включённые в непосредственную инженерную деятельность (независимо от того, в каких организационных формах они протекают), и теоретические исследования, которые мы будем далее называть технической теорией.
Для того, чтобы выявить особенности технической теории, её сравнивают прежде всего с естественнонаучной. Г. Сколимовский писал: «техническая теория создаёт реальность, в то время как научная теория только исследует и объясняет её». По мнению Ф. Раппа, решительный поворот в развитии технических наук состоял «в связывании технических знаний с математико-естественнонаучными методами». Этот автор различает также «гипотетико-дедуктивный метод» (идеализированная абстракция) естественнонаучной теории и «проективно-прагматический метод» (общая схема действия) технической науки.
Г. Беме отмечал, что «техническая теория составляется так, чтобы достичь определённой оптимизации». Для современной науки характерно её «ответвление в специальные технические теории». Это происходит за счёт построения специальных моделей в двух направлениях: формулировки теорий технических структур и конкретизации общих научных теорий. Можно рассмотреть в качестве примера становление химической технологии как научной дисциплины, где осуществлялась разработка специальных моделей, которые связывали более сложные технические процессы и операции с идеализированными объектами фундаментальной науки. По мнению Беме, многие первые научные теории были, по сути дела, теориями научных инструментов, т. е. технических устройств: например, физическая оптика – это теория микроскопа и телескопа, пневматика – теория насоса и барометра, а термодинамика – теория паровой машины и двигателя.
Марио Бунге подчёркивал, что в технической науке теория – не только вершина исследовательского цикла и ориентир для дальнейшего исследования, но и основа системы правил, предписывающих ход оптимального технического действия. Такая теория либо рассматривает объекты действия (например, машины), либо относится к самому действию (например, к решениям, которые предшествуют и управляют производством или использованием машин). Бунге различал также научные законы, описывающие реальность, и технические правила, которые описывают ход действия, указывают, как поступать, чтобы достичь определённой цели (являются инструкцией к выполнению действий). В отличие от закона природы, который говорит о том, какова форма возможных событий, технические правила являются нормами. В то время, как утверждения, выражающие законы, могут быть более или менее истинными, правила могут быть более или менее эффективными. Научное предсказание говорит о том, что случится или может случиться при определённых обстоятельствах. Технический прогноз, который исходит из технической теории, формулирует предположение о том, как повлиять на обстоятельства, чтобы могли произойти определённые события или, напротив, их можно было бы предотвратить.
Наибольшее различие между физической и технической теориями заключается в характере идеализации: физик может сконцентрировать своё внимание на наиболее простых случаях (например, элиминировать трение, сопротивление жидкости и т. д.), но все это является весьма существенным для технической теории и должно приниматься ею во внимание. Таким образом, техническая теория имеет дело с более сложной реальностью, поскольку не может элиминировать сложное взаимодействие физических факторов, имеющих место в машине. Техническая теория является менее абстрактной и идеализированной, она более тесно связана с реальным миром инженерии. Специальный когнитивный статус технических теорий выражается в том, что технические теории имеют дело с искусственными устройствами, или артефактами, в то время как научные теории относятся к естественным объектам. Однако противопоставление естественных объектов и артефактов ещё не даёт реального основания для проводимого различения. Почти все явления, изучаемые современной экспериментальной наукой, созданы в лабораториях и в этом плане представляют собой артефакты.
По мнению Э. Лейтона, техническую теорию создаёт особый слой посредников – «учёные-инженеры» или «инженеры-учёные». Ибо для того, чтобы информация перешла от одного сообщества (учёных) к другому (инженеров), необходима её серьёзная переформулировка и развитие. Так, Максвелл был одним из тех учёных, которые сознательно пытались сделать вклад в технику (и он действительно оказал на неё большое влияние). Но потребовались почти столь же мощные творческие усилия британского инженера Хэвисайда, чтобы преобразовать электромагнитные уравнения Максвелла в такую форму, которая могла быть использована инженерами. Таким посредником был, например, шотландский учёный-инженер Рэнкин – ведущая фигура в создании термодинамики и прикладной механики, которому удалось связать практику построения паровых двигателей высокого давления с научными законами. Для такого рода двигателей закон Бойля-Мариотта в чистом виде не применим. Рэнкин доказал необходимость развития промежуточной формы знания – между физикой и техникой. Действия машины должны основываться на теоретических понятиях, а свойства материалов выбираться на основе твёрдо установленных экспериментальных данных. В паровом двигателе изучаемым материалом был пар, а законы действия были законами создания и исчезновения теплоты, установленными в рамках формальных теоретических понятий. Поэтому работа двигателя в равной мере зависела и от свойств пара (устанавливаемых практически), и от состояния теплоты в этом паре. Рэнкин сконцентрировал своё внимание на том, как законы теплоты влияют на свойства пара. Но в соответствии с его моделью, получалось, что и свойства пара могут изменить действие теплоты. Проведённый анализ действия расширения пара позволил Рэнкину открыть причины потери эффективности двигателей и рекомендовать конкретные мероприятия, уменьшающие негативное действие расширения. Модель технической науки, предложенная Рэнкиным, обеспечила применение теоретических идей к практическим проблемам и привела к образованию новых понятий на основе объединения элементов науки и техники.
Технические теории в свою очередь оказывают большое обратное влияние на физическую науку и даже в определённом смысле на всю физическую картину мира. Например, (по сути, – техническая) теория упругости была генетической основой модели эфира, а гидродинамика – вихревых теорий материи.
Таким образом, в современной философии техники исследователям удалось выявить фундаментальное теоретическое исследование в технических науках и провести первичную классификацию типов технической теории. Разделение исследований в технических науках на фундаментальные и прикладные позволяет выделить и рассматривать техническую теорию в качестве предмета особого философско-методологического анализа и перейти к изучению её внутренней структуры.
Голландский исследователь П. Кроес утверждал, что теория, имеющая дело с артефактами, обязательно претерпевает изменение своей структуры. Он подчёркивал, что естественнонаучные и научно-технические знания являются в равной степени знаниями о манипуляции с природой, что и естественные, и технические науки имеют дело с артефактами и сами создают их. Однако между двумя видами теорий существует также фундаментальное отличие, и оно заключается в том, что в рамках технической теории важнейшее место принадлежит проектным характеристикам и параметрам.
Исследование соотношения и взаимосвязи естественных и технических наук направлено также на то, чтобы обосновать возможность использования при анализе технических наук методологических средств, развитых в философии науки в процессе исследования естествознания. При этом в большинстве работ анализируются в основном связи, сходства и различия физической и технической теории (в её классической форме), которая основана на применении к инженерной практике главным образом физических знаний.
Однако за последние десятилетия возникло множество технических теорий, которые основываются не только на физике и могут быть названы абстрактными техническими теориями (например, системотехника, информатика или теория проектирования), для которых характерно включение в фундаментальные инженерные исследования общей методологии. Для трактовки отдельных сложных явлений в технических разработках могут быть привлечены часто совершенно различные, логически не связанные теории. Такие теоретические исследования становятся по самой своей сути комплексными и непосредственно выходят не только в сферу «природы», но и в сферу «культуры». «Необходимо брать в расчёт не только взаимодействие технических разработок с экономическими факторами, но также связь техники с культурными традициями, а также психологическими, историческими и политическими факторами». Таким образом, мы попадаем в сферу анализа социального контекста научно-технических знаний.
Теперь рассмотрим последовательно: во-первых, генезис технических теорий классических технических наук и их отличие от физических теорий; во-вторых, особенности теоретико-методологического синтеза знаний в современных научно-технических дисциплинах и, в-третьих, развитие современной инженерной деятельности и необходимость социальной оценки техники.
Глава 12.
Структура технической теории
Теоретические схемы и абстрактные объекты технической теории
Эмпирическое и теоретическое в технической теории
Хороший техник ищет решения, даже если они ещё не полностью приняты наукой, а прикладные исследования и разработки все более и более выполняются людьми с исходной подготовкой в области фундаментальной науки.
Таким образом, в научно-технических дисциплинах необходимо чётко различать исследования, включённые в непосредственную инженерную деятельность (независимо от того, в каких организационных формах они протекают), и теоретические исследования, которые мы будем далее называть технической теорией.
Для того, чтобы выявить особенности технической теории, её сравнивают прежде всего с естественнонаучной. Г. Сколимовский писал: «техническая теория создаёт реальность, в то время как научная теория только исследует и объясняет её». По мнению Ф. Раппа, решительный поворот в развитии технических наук состоял «в связывании технических знаний с математико-естественнонаучными методами». Этот автор различает также «гипотетико-дедуктивный метод» (идеализированная абстракция) естественнонаучной теории и «проективно-прагматический метод» (общая схема действия) технической науки.
Г. Беме отмечал, что «техническая теория составляется так, чтобы достичь определённой оптимизации». Для современной науки характерно её «ответвление в специальные технические теории». Это происходит за счёт построения специальных моделей в двух направлениях: формулировки теорий технических структур и конкретизации общих научных теорий. Можно рассмотреть в качестве примера становление химической технологии как научной дисциплины, где осуществлялась разработка специальных моделей, которые связывали более сложные технические процессы и операции с идеализированными объектами фундаментальной науки. По мнению Беме, многие первые научные теории были, по сути дела, теориями научных инструментов, т. е. технических устройств: например, физическая оптика – это теория микроскопа и телескопа, пневматика – теория насоса и барометра, а термодинамика – теория паровой машины и двигателя.
Марио Бунге подчёркивал, что в технической науке теория – не только вершина исследовательского цикла и ориентир для дальнейшего исследования, но и основа системы правил, предписывающих ход оптимального технического действия. Такая теория либо рассматривает объекты действия (например, машины), либо относится к самому действию (например, к решениям, которые предшествуют и управляют производством или использованием машин). Бунге различал также научные законы, описывающие реальность, и технические правила, которые описывают ход действия, указывают, как поступать, чтобы достичь определённой цели (являются инструкцией к выполнению действий). В отличие от закона природы, который говорит о том, какова форма возможных событий, технические правила являются нормами. В то время, как утверждения, выражающие законы, могут быть более или менее истинными, правила могут быть более или менее эффективными. Научное предсказание говорит о том, что случится или может случиться при определённых обстоятельствах. Технический прогноз, который исходит из технической теории, формулирует предположение о том, как повлиять на обстоятельства, чтобы могли произойти определённые события или, напротив, их можно было бы предотвратить.
Наибольшее различие между физической и технической теориями заключается в характере идеализации: физик может сконцентрировать своё внимание на наиболее простых случаях (например, элиминировать трение, сопротивление жидкости и т. д.), но все это является весьма существенным для технической теории и должно приниматься ею во внимание. Таким образом, техническая теория имеет дело с более сложной реальностью, поскольку не может элиминировать сложное взаимодействие физических факторов, имеющих место в машине. Техническая теория является менее абстрактной и идеализированной, она более тесно связана с реальным миром инженерии. Специальный когнитивный статус технических теорий выражается в том, что технические теории имеют дело с искусственными устройствами, или артефактами, в то время как научные теории относятся к естественным объектам. Однако противопоставление естественных объектов и артефактов ещё не даёт реального основания для проводимого различения. Почти все явления, изучаемые современной экспериментальной наукой, созданы в лабораториях и в этом плане представляют собой артефакты.
По мнению Э. Лейтона, техническую теорию создаёт особый слой посредников – «учёные-инженеры» или «инженеры-учёные». Ибо для того, чтобы информация перешла от одного сообщества (учёных) к другому (инженеров), необходима её серьёзная переформулировка и развитие. Так, Максвелл был одним из тех учёных, которые сознательно пытались сделать вклад в технику (и он действительно оказал на неё большое влияние). Но потребовались почти столь же мощные творческие усилия британского инженера Хэвисайда, чтобы преобразовать электромагнитные уравнения Максвелла в такую форму, которая могла быть использована инженерами. Таким посредником был, например, шотландский учёный-инженер Рэнкин – ведущая фигура в создании термодинамики и прикладной механики, которому удалось связать практику построения паровых двигателей высокого давления с научными законами. Для такого рода двигателей закон Бойля-Мариотта в чистом виде не применим. Рэнкин доказал необходимость развития промежуточной формы знания – между физикой и техникой. Действия машины должны основываться на теоретических понятиях, а свойства материалов выбираться на основе твёрдо установленных экспериментальных данных. В паровом двигателе изучаемым материалом был пар, а законы действия были законами создания и исчезновения теплоты, установленными в рамках формальных теоретических понятий. Поэтому работа двигателя в равной мере зависела и от свойств пара (устанавливаемых практически), и от состояния теплоты в этом паре. Рэнкин сконцентрировал своё внимание на том, как законы теплоты влияют на свойства пара. Но в соответствии с его моделью, получалось, что и свойства пара могут изменить действие теплоты. Проведённый анализ действия расширения пара позволил Рэнкину открыть причины потери эффективности двигателей и рекомендовать конкретные мероприятия, уменьшающие негативное действие расширения. Модель технической науки, предложенная Рэнкиным, обеспечила применение теоретических идей к практическим проблемам и привела к образованию новых понятий на основе объединения элементов науки и техники.
Технические теории в свою очередь оказывают большое обратное влияние на физическую науку и даже в определённом смысле на всю физическую картину мира. Например, (по сути, – техническая) теория упругости была генетической основой модели эфира, а гидродинамика – вихревых теорий материи.
Таким образом, в современной философии техники исследователям удалось выявить фундаментальное теоретическое исследование в технических науках и провести первичную классификацию типов технической теории. Разделение исследований в технических науках на фундаментальные и прикладные позволяет выделить и рассматривать техническую теорию в качестве предмета особого философско-методологического анализа и перейти к изучению её внутренней структуры.
Голландский исследователь П. Кроес утверждал, что теория, имеющая дело с артефактами, обязательно претерпевает изменение своей структуры. Он подчёркивал, что естественнонаучные и научно-технические знания являются в равной степени знаниями о манипуляции с природой, что и естественные, и технические науки имеют дело с артефактами и сами создают их. Однако между двумя видами теорий существует также фундаментальное отличие, и оно заключается в том, что в рамках технической теории важнейшее место принадлежит проектным характеристикам и параметрам.
Исследование соотношения и взаимосвязи естественных и технических наук направлено также на то, чтобы обосновать возможность использования при анализе технических наук методологических средств, развитых в философии науки в процессе исследования естествознания. При этом в большинстве работ анализируются в основном связи, сходства и различия физической и технической теории (в её классической форме), которая основана на применении к инженерной практике главным образом физических знаний.
Однако за последние десятилетия возникло множество технических теорий, которые основываются не только на физике и могут быть названы абстрактными техническими теориями (например, системотехника, информатика или теория проектирования), для которых характерно включение в фундаментальные инженерные исследования общей методологии. Для трактовки отдельных сложных явлений в технических разработках могут быть привлечены часто совершенно различные, логически не связанные теории. Такие теоретические исследования становятся по самой своей сути комплексными и непосредственно выходят не только в сферу «природы», но и в сферу «культуры». «Необходимо брать в расчёт не только взаимодействие технических разработок с экономическими факторами, но также связь техники с культурными традициями, а также психологическими, историческими и политическими факторами». Таким образом, мы попадаем в сферу анализа социального контекста научно-технических знаний.
Теперь рассмотрим последовательно: во-первых, генезис технических теорий классических технических наук и их отличие от физических теорий; во-вторых, особенности теоретико-методологического синтеза знаний в современных научно-технических дисциплинах и, в-третьих, развитие современной инженерной деятельности и необходимость социальной оценки техники.
Глава 12.
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.
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.
Эмпирическое и теоретическое в технической теории
Эмпирический уровень технической теории образуют конструктивно-технические и технологические знания, являющиеся результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении, отладке и т. д. технических систем. Это – эвристические методы и приёмы, разработанные в самой инженерной практике, но рассмотренные в качестве эмпирического базиса технической теории.
Конструктивно-технические знания преимущественно ориентированы на описание строения (или конструкции) технических систем, представляющих собой совокупность элементов, имеющих определённую форму, свойства и способ соединения. Они включают также знания о технических процессах и параметрах функционирования этих систем. Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования. Эмпирические знания технической науки отображаются на её теоретическом уровне в виде многослойных теоретических схем, абстрактных объектов различных уровней. Однако эмпирический уровень технической теории содержит в себе не только конструктивно-технические и технологические знания, которые по сути дела ориентированы на обобщение опыта инженерной работы, но и особые практико-методические знания, представляющие собой практические рекомендации по применению научных знаний, полученных в технической теории, в практике инженерного проектирования. Это – фактически те же самые технологические и конструктивно-технические знания, только являющиеся уже не результатом обобщения практического опыта инженерной работы, а продуктом теоретической деятельности в области технической науки и поэтому сформулированы в виде рекомендаций для ещё неосуществлённой инженерной деятельности. Такие рекомендации, однако, формулируются на основе полученных в технической теории теоретических знаний в специальных научно-технических и инженерных исследованиях. В них также формулируются задачи, стимулирующие развитие технической теории.
Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три основные уровня, или слоя, теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.
Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе, независимо от способа её реализации, и является результатом идеализации технической системы на основе принципов определённой технической теории. Функциональные схемы совпадают для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в неё для выполнения общей цели. Каждый элемент в системе выполняет определённую функцию. Совокупность такого рода свойств, рассмотренных обособлено от тех нежелательных свойств, которые привносит с собой элемент в систему, и определяют блоки (или функциональные элементы) таких схем. Как правило, они выражают обобщённые математические операции, а функциональные связи, или отношения, между ними – определённые математические зависимости.
Функциональные схемы, например, в теории электрических цепей представляют собой графическую форму математического описания состояния электрической цепи. Каждому функциональному элементу такой схемы соответствует определённое математическое соотношение, – скажем, между силой тока и напряжением на некотором участке цепи или вполне определённая математическая операция (дифференцирование, интегрирование и т. п.). Порядок расположения и характеристики функциональных элементов адекватны электрической схеме.
В классической технической науке функциональные схемы всегда привязаны к определённому типу физического процесса, т. е. к определённому режиму функционирования технического устройства, и всегда могут быть отождествлены с какой-либо математической схемой или уравнением. Однако они могут быть и не замкнуты на конкретный математический аппарат. В этом случае они выражаются в виде простой декомпозиции взаимосвязанных функций, направленных на выполнение общей цели, предписанной данной технической системе. С помощью такой функциональной схемы строится алгоритм функционирования системы и выбирается её конфигурация (внутренняя структура).
Конструктивно-технические знания преимущественно ориентированы на описание строения (или конструкции) технических систем, представляющих собой совокупность элементов, имеющих определённую форму, свойства и способ соединения. Они включают также знания о технических процессах и параметрах функционирования этих систем. Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования. Эмпирические знания технической науки отображаются на её теоретическом уровне в виде многослойных теоретических схем, абстрактных объектов различных уровней. Однако эмпирический уровень технической теории содержит в себе не только конструктивно-технические и технологические знания, которые по сути дела ориентированы на обобщение опыта инженерной работы, но и особые практико-методические знания, представляющие собой практические рекомендации по применению научных знаний, полученных в технической теории, в практике инженерного проектирования. Это – фактически те же самые технологические и конструктивно-технические знания, только являющиеся уже не результатом обобщения практического опыта инженерной работы, а продуктом теоретической деятельности в области технической науки и поэтому сформулированы в виде рекомендаций для ещё неосуществлённой инженерной деятельности. Такие рекомендации, однако, формулируются на основе полученных в технической теории теоретических знаний в специальных научно-технических и инженерных исследованиях. В них также формулируются задачи, стимулирующие развитие технической теории.
Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три основные уровня, или слоя, теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.
Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе, независимо от способа её реализации, и является результатом идеализации технической системы на основе принципов определённой технической теории. Функциональные схемы совпадают для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в неё для выполнения общей цели. Каждый элемент в системе выполняет определённую функцию. Совокупность такого рода свойств, рассмотренных обособлено от тех нежелательных свойств, которые привносит с собой элемент в систему, и определяют блоки (или функциональные элементы) таких схем. Как правило, они выражают обобщённые математические операции, а функциональные связи, или отношения, между ними – определённые математические зависимости.
Функциональные схемы, например, в теории электрических цепей представляют собой графическую форму математического описания состояния электрической цепи. Каждому функциональному элементу такой схемы соответствует определённое математическое соотношение, – скажем, между силой тока и напряжением на некотором участке цепи или вполне определённая математическая операция (дифференцирование, интегрирование и т. п.). Порядок расположения и характеристики функциональных элементов адекватны электрической схеме.
В классической технической науке функциональные схемы всегда привязаны к определённому типу физического процесса, т. е. к определённому режиму функционирования технического устройства, и всегда могут быть отождествлены с какой-либо математической схемой или уравнением. Однако они могут быть и не замкнуты на конкретный математический аппарат. В этом случае они выражаются в виде простой декомпозиции взаимосвязанных функций, направленных на выполнение общей цели, предписанной данной технической системе. С помощью такой функциональной схемы строится алгоритм функционирования системы и выбирается её конфигурация (внутренняя структура).