Main menu:

Динамика эволюционного процесса

Рассмотрим, наконец, динамику эволюционного процесса. Новое качество в биологической эволюции возникает как следствие двух процессов: генетического изменения и дифференцированного воспроизводства, названного Дарвином естественным отбором. Случайные процессы, связанные с размножением, постоянно создают новые гены и их комбинации, открывая биологической популяции возможность испробовать потенциальные резервы различных направлений эволюции. Как правило, это не приносит результатов, однако время от времени происходит заметное продвижение вперед. Сочетание ненаправленных генетических изменений и естественного отбора может направить эволюцию по пути, ведущему к появлению нового вида, обладающего способностью к адаптации в изменившихся условиях.

Развитие науки можно описать примерно таким же образом. Посредством экспериментов, наблюдений и теоретических гипотез ученые непрерывно исследуют новые направления развития науки. Эти попытки в некотором смысле предпринимаются вслепую, поскольку заранее невозможно предсказать, какой из путей приведет к новым представлениям, а какой окажется тупиковым. Ученые редко сходятся во мнениях относительно направлений исследования, их выбор зачастую обусловлен философскими и эстетическими взглядами или просто личными соображениями исследователя. В результате возникает многообразие направлений поиска, что столь же существенно для прогресса науки, как и для биологической эволюции.

Результативность той или иной мутации определяется вкладом нового гена или совокупности генов в успех воспроизводства их носителей внутри данной биологической популяции. Иными словами, эта результативность определяется долгосрочными перспективами на выживание. А что служит эквивалентным критерием успеха для научной теории? По-видимому, успех теории определяется в основном тремя тесно связанными факторами: ее количественной точностью, областью применимости и так называемой степенью избыточной определенности. Естественно, что первоначально восприятие теории может в гораздо большей степени зависеть от других факторов: моды, идеологии или общего уровня развития общества, однако это «короткодействующие» факторы. Впрочем, «короткий срок» может быть не столь уж коротким. Созданная Аристархом модель Солнечной системы оставалась назамеченной астрономами на протяжении семнадцати веков, а объяснение природы Млечного Пути, предложенное Кантом, не привлекало внимания ученых почти два столетия.

Областью применимости теории называют совокупность явлений, относительно которых данная теория позволяет делать предсказания. В принципе, области применимости двух теорий могут перекрываться. В качестве примера подобной ситуации можно привести статику Архимеда и описывающую движение теорию Галилея.

Последний из ранее упомянутых факторов, от которых зависит успех теории, - избыточная определенность. Каждая теория включает в себя какое-то число свободных параметров, часть из которых описывает начальные условия, а остальные - свойства рассматриваемой системы. Например, свободные параметры ньютоновской модели Солнечной системы - это массы Солнца, планет и их спутников, а также координаты и скорости каждого из этих тел в некоторый произвольный момент времени. Значения свободных параметров определяются из наблюдений, причем число независимых наблюдений, например измерений координат на небесной сфере, должно быть равно числу определяемых параметров. Если число возможных независимых измерений превышает число свободных параметров в теории, то говорят, что теория обладает избыточной определенностью. Особо следует подчеркнуть качественный аспект этого обстоятельства. Теория Ньютона, в частности, обладает избыточной определенностью не только потому, что позволяет с большой точностью предсказывать движение планет на основе наблюдений, выполненных в данный момент времени. Эта теория без каких-либо дополнительных предложений дает возможность качественно объяснить совсем другие явления, а именно: приливы в океанах, прецессию равноденствия, кольца Сатурна.

Хотя компактность и простота теории связаны со степенью ее избыточной определенности, эта связь довольно неоднозначна. Как мы увидим в дальнейшем, теория гравитации Эйнштейна обладает гораздо большей избыточной определенностью, чем теория Ньютона, тем не менее ее нельзя назвать более простой и уж, конечно, нельзя сказать, что она обеспечивает более экономное истолкование астрономических наблюдений.

Все три фактора, определяющие успех научной теории - точность, область применимости и степень избыточной определенности, - тесно связаны между собой. Успешное развитие физической теории, определенное Галилеем, Ньютоном и Эйнштейном, касалось и каждого из этих факторов. Теория Галилея применима к движению свободно падающих тел и снарядов вблизи поверхности Земли. Точность ее предсказаний ограничивалась тем, что в ней не учитывались сопротивление воздуха, кривизна земной поверхности и зависимость ускорения свободного падения от высоты. Теория Ньютона не только сняла эти ограничения, но и позволила описать гораздо более широкий круг явлений - от падения яблока до движения астрономических систем, в сотни триллионов раз более массивных, чем Солнце. Но теория Ньютона основывается на очень простых математических законах, которые вследствие этого обладают высокой степенью избыточной определенности по отношению к описываемым явлениям. Теория Эйнштейна имеет гораздо большую степень избыточной определенности, чем теория Ньютона, поскольку объединяет в одно целое три независимых понятия последней: инертную массу, гравитационную массу и энергию. Эксперимент и наблюдения показывают, что общая теория относительности также существенно точнее и в количественном отношении. И наконец, область применимости теории Эйнштейна гораздо обширнее, чем ньютоновской. Закон всемирного тяготения Ньютона применим ко всем самогравитирующим системам - от планет и их спутников до скоплений галактик, - однако в отличие от теории Эйнштейна этот закон неприменим к описанию Вселенной в целом.