Глава 3 Структура естественнонаучного познания. Научные методы познания.
Наука представляет собой сложную развивающуюся систему знаний. Научные знания дисциплинарно организованы, и отдельные отрасли науки – дисциплины (естественнонаучные дисциплины – физика, химия, биология и др.; математика, технические, гуманитарные и социальные науки) являются самостоятельными подсистемами. Во второй половине XX в. сформировалось много новых направлений в науке, появились биофизика, биохимия, геохимия, астробиология и др. Этот процесс обусловлен развитием методов исследования, включением новых объектов в сферу научного интереса, что приводит к расширению области научных исследований. Новые отрасли науки формируются в результате объединения усилий представителей разных научных областей для решения общих задач.
Уровни развития естественнонаучных дисциплин различны: одни из них уже прошли через этап теоретизации и сформировали образцы развитых и математизированных теорий, а другие только вступают в эту стадию. Анализируя структуру научных дисциплин можно обнаружить различные формы знания: эмпирические факты, законы, принципы, гипотезы, теории различного типа и степени общности и т.д. Все эти формы могут быть отнесены к двум основным уровням организации знания: эмпирическому и теоретическому.
В развитии естественнонаучных дисциплин существуют общие закономерности. Формирование эмпирического уровня науки начинается с наблюдения за изучаемым объектом или явлением. Наблюдение – это метод научных исследований, целенаправленный процесс, задачей которого является выяснение особенностей и закономерностей того или иного явления, свойств объекта. В некоторых областях естествознания, например в астрономии, наблюдение продолжает оставаться основным методом исследований.
Наблюдения проводятся систематически, результаты наблюдений фиксируются в лабораторных журналах. При осуществлении наблюдений важной задачей является правильно определить значимость того или иного фактора для исследуемого предмета, степень зависимости от него изучаемых процессов, чтобы не упустить из внимания определяющие величины. С другой стороны, важно не перегрузить отчет о наблюдениях сведениями, не оказывающими значимого влияния на изучаемое явление. Например, при выполнении астрономических наблюдений за движением комет необходимо учитывать положение планет солнечной системы, поскольку в расчетах будущих появлений периодических комет потребуется тщательно учитывать отклонения в их движениях, обусловленные притяжением планет, в первую очередь массивного Юпитера. А при наблюдениях за движением звезд информация о положениях планет солнечной системы не имеет значения: факт движения звезд и его характеристики устанавливаются из сравнения снимков звездного неба, сделанных с промежутком в несколько десятилетий.
По мере накопления эмпирического материала получаемая информация систематизируется. При этом выделяются отдельные характеристики, признаки и свойства изучаемого предмета и проводится их качественный анализ: выявляются параметры объекта, играющие решающую роль в исследуемых проблемах, например, параметры, которые определяют поведение объекта в тех или иных условиях или параметры, которые обусловливают течение изучаемого процесса.
Количественный анализ величин имеет большое значение при проведении исследований. Численное значение параметров объекта можно получить с помощью метода измерений. В простейшем случае измерение представляет собой прямое сравнение измеряемой величины с эталоном. Если такая процедура неосуществима, то прибегают к косвенным измерениям. При этом определяемый параметр рассчитывается на основе результатов измерений других величин, связанных с искомой посредством определенных соотношений.
Процедура осуществления измерений всегда оказывает влияние на ход изучаемого процесса или на исследуемый объект, причем это вмешательство является необратимым, хотя его последствия не всегда очевидны. Хорошей иллюстрацией этого является такой пример из нашей повседневной жизни, как покупка ткани. При приобретении ткани требуемая длина определяется путем сравнения с метровой линейкой, а в случае длинного полотна продавец проводит процедуру измерения несколько раз, как бы наматывая ткань на линейку. От опыта продавца зависит длина отреза, и по возвращении домой мы можем обнаружить, что наше полотно длиннее, или, что гораздо хуже, короче необходимого для пошива того или иного изделия. Поэтому важным является устранение возможных ошибок измерения. При выполнении научных исследованиях ставится более широкая задача, а именно минимизация влияния процедуры измерения на изучаемое явление или объект.
В естествознании и технике измерения производят с использованием специальных инструментов и приборов. Приборный метод измерения делает его результат менее зависящим от субъективных качеств измеряющего, выполняет своеобразную стандартизирующую функцию, но не устраняет проблему влияния измерений на предмет исследования. Приборы позволяют заглянуть в ту область, которая невидима "невооруженным глазом", например, с помощью оптических микроскопов были обнаружены микроорганизмы, с помощью телескопов можно получить информацию о далеких космических объектах. Работа большинства приборов базируется на физических принципах, но их практическое применение выходит далеко за рамки физики: приборы широко используются в химии, биологии, многих смежных естественнонаучных отраслях и медицине.
Данные наблюдений и измерений непосредственно не могут быть основой для построения теории, поскольку они могут содержать ошибки, сделанные исследователем, неточности, обусловленные погрешностями приборов, а также возникшие под воздействием случайных факторов. Поэтому необходимо провести анализ результатов и оставить только объективные. Если имеется большое количество данных (когда позволяют особенности изучаемого явления, проводят целую серию измерений), то для их анализа используются статистические методы, которые позволяют определить средние значения величин, описывающих изучаемое явление. Обработанные таким образом результаты затем получают интерпретацию, формулируется научный факт.
Основные черты научного факта – это объективность, воспроизводимость и устойчивость. Объективность означает, что научный факт содержит информацию, отражающую реальные свойства изучаемого предмета. При формировании научного факта были устранены все ошибки, обусловленные действием субъективных причин, и отброшены все недостоверные результаты, содержащие случайные ошибки измерений.
Воспроизводимость научного факта означает, что при повторном исследовании объекта или явления при тех же условиях будут получены результаты, аналогичные тем, что были положены в основу научного факта.
Свойство устойчивости предполагает, что при некотором изменении условий исследования объекта или явления будут получены те же или отличающиеся в незначительной степени результаты. Эти результаты будут укладываться в рамки установленного научного факта, отражать содержащиеся в нем закономерности. Если при малом изменении условий исследования получаются значительно отличающиеся результаты, не согласующиеся с научным фактом, то это означает очень узкую область устойчивости установленного научного факта, т.е. его уникальность.
Научные факты представляют собой основу для построения теоретического уровня дисциплины. На основе научных фактов формируется гипотеза, объясняющая природу установленных эмпирических закономерностей. Гипотеза возникает в результате мысленной работы исследователя, а способ рассуждения, который приводит его от анализа эмпирических данных к построению гипотезы, в каждой ситуации уникален.
Хорошо демонстрирует процедуру перехода от наблюдений к выдвижению гипотезы история открытия пульсаров. В 1976 году аспирантка английского радиоастронома Э. Хьюиша, мисс Белл, случайно обнаружила на небе источник, излучающий короткие радиоимпульсы. Систематические наблюдения за участком неба, где был расположен источник необычного сигнала, показали, что радиоимпульсы излучаются через определенный промежуток времени, который был измерен и составил 1,33 с. Первоначально была сформулирована гипотеза, что источником является искусственный объект, созданный неземной цивилизацией, а исследования засекречены. Однако вскоре были обнаружены другие источники периодических сигналов, поэтому от гипотезы их искусственного происхождения отказались. Была выдвинута новая гипотеза, что источником радиосигнала может быть маленькое быстро вращающееся тело. Более того, было установлено, что в области неба, где расположен источник, более тысячи лет назад наблюдался взрыв сверхновой звезды. В итоге был установлен научный факт, что после взрыва сверхновых звезд остаются небесные тела, названные пульсарами.
Установление факта существования пульсаров потребовало привлечения теоретических знаний из многих областей механики и астрофизики. Следующим шагом должно было стать построение теории пульсаров. Однако оказалось, что ко времени обнаружения пульсаров такая теория уже существовала – это была теория нейтронных звезд. Она была создана советским физиком Л.Д. Ландау.
При построении гипотезы необходимо разработать три ее составляющих: аксиоматическую базу, аппарат и модель явления или объекта. Аксиоматическая база – это краеугольный камень гипотезы, одно или несколько положений, на которых строится гипотеза. Эти аксиомы могут выражать закон взаимодействия объектов или принцип, в соответствии с которым протекает изучаемый процесс, и т. п.
Говоря о методе аксиоматического построения гипотезы, следует упомянуть теорему Геделя о неполноте (на самом деле, теорема о неполноте – это общее название двух теорем математической логики австрийского математика Курта Геделя). Теорема о неполноте утверждает, что в формально непротиворечивой системе аксиом есть положение, которое нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть на основе имеющейся системы аксиом. Это невыводимое и неопровержимое положение образует содержательную часть теории. Так, в основе теории тяготения Ньютона, лежит положение о том, что все тела притягиваются. Это утверждение является аксиомой, оно не может быть опровергнуто или доказано, исходя из каких бы то ни было других положений.
Аппарат гипотезы представляет собой совокупность приемов и средств, применяемых для связи имеющихся фактов, и позволяет получить на их основе выводы, предсказывающие поведение объекта в определенных условиях. В развитых естественных науках теоретические законы формулируются на языке математики посредством записи соотношений между величинами. Поведение объекта в конкретной ситуации описывается уравнениями, которые включают в себя параметры, отражающие свойства и характеристики теоретических моделей. Эти уравнения составляются на основе принятых законов. Решение уравнений позволяет получить информацию о реальных объектах. Таким образом, вершиной применения аппарата теории является его математическая реализация. Например, в механике, потребности которой стимулировали создание дифференциального исчисления, используются только отдельные элементы этого раздела математики для введения понятий мгновенных скоростей и ускорения. В тоже время в теоретической механике возможности данного математического аппарата задействованы в полной мере.
Узловым компонентом любой гипотезы является модель. Действительно, каждый, даже самый простой объект, находится во взаимодействии с окружением, которое порождает многочисленные связи. Поэтому имеется большое число факторов, которые в реальной ситуации влияют на поведение объектов. Можно выделить наиболее существенные в конкретной ситуации факторы и отбросить остальные. Это и есть самый простой способ моделирования.
Так, при разработке модели идеального газа модель наделяется такими параметрами реального газа, как объем, давление и температура, а размеры отдельных молекул в модели не учитываются, поскольку они существенно меньше, чем расстояние между молекулами в разреженном газе. Введенное упрощение накладывает границы на область применения модели: ее использование является оправданным в ограниченном интервале температур и давлений. Например, при охлаждении газов или сильном сжатии начинают проявляться силы межмолекулярного взаимодействия, и модель идеального газа не дает адекватного описания поведения реального газа.
Для одного и того же объекта могут быть использованы разные модели как по степени сложности, так и по рассматриваемым свойствам. Например, при расчете маршрутов морских судов необходимо учитывать сплюснутость Земного шара у полюсов, а при расчете параметров орбиты самой Земли можно представить ее как точечный объект.
Любая гипотеза строится на основе модели и, следовательно, имеет ограниченную область применения в той мере, насколько ограничена и модель. Более того, модель неявно предопределяет возможные выводы гипотезы. Именно поэтому выбор модели занимает центральное место в формировании гипотезы. При этом всегда имеет место противоборство между максимальным упрощением модели (в этом случае с ней легче работать) и максимальным учетом тех характеристик объекта, которые определяют изучаемое явление.
Гипотеза представляет собой вероятностно-истинное знание, и поэтому она нуждается в проверке. Проверке подвергается используемая модель, а именно, ее следствия, например, поведение объектов или параметры явления в определенных условиях, и таким образом устанавливается достоверность самой гипотезы. Проверка осуществляется в ходе эксперимента.
Эксперимент – это исследование объекта в специально создаваемых и контролируемых условиях, которые определяются моделью. Важным является выбор методики проведения эксперимента. Ярким примером того, как правильная организация эксперимента позволила совершить научное открытие, является история гипотезы о возбуждении электрического тока магнитным полем, в ходе которой было обнаружено явление электромагнитной индукции. Один из опытов состоял в том, что при приближении полосового магнита к катушке гальванометр, включенный в цепь катушки, фиксировал возникновение тока в ней. Успех эксперимента определил тот фактор, что гальванометр был расположен рядом с катушкой: это позволило Майклу Фарадею наблюдать за положением стрелки прибора, одновременно перемещая магнит относительно катушки и заметить в этот момент появление тока. Другие ученые, работавшие над данной проблемой, были не так удачливы. Например, швейцарский физик Ж.-Д. Колладон также пытался получить электрический ток с помощью магнита. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку гальванометра, последний помещался в соседней комнате. Вдвинув магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и видел, что гальванометр показывает нуль. Если бы Колладон постоянно наблюдал за гальванометром сам или поручил это ассистенту, то, возможно, открытие электромагнитной индукции было бы сделано им.
Проверить следствия гипотезы для всех ситуаций, которые принципиально могут реализоваться, и всех объектов невозможно. Поэтому для подтверждения достоверности гипотезы применяют процедуры верификации и фальсификации. При верификации экспериментально проверяются предсказания гипотезы в случаях, когда ее следствия максимально выражены. При фальсификации эксперименты ставятся таким образом, чтобы могли быть зафиксированы опровергающие гипотезу результаты, если она является ошибочной.
История закона Бойля-Мариотта, описывающего связь между давлением и объемом газа: PV = const, где P – давление газа, V – его объем, демонстрирует борьбу различных гипотез и эксперименты, результаты которых являются аргументами в этой борьбе.
Как эмпирическая зависимость соотношение PV = const возникло в ходе спора между двумя известными физиками XVIII века Р. Бойлем и Ф. Линнусом. Спор возник вокруг результатов эксперимента Бойля. Опыт Бойля состоял в том, что он погружал трубку, запаянную с одного конца и наполненную ртутью, открытым концом вниз в чашку с ртутью. Часть жидкости выливалась из трубки в чашку, а часть оставалась в трубке, образуя столб ртути. Бойль объяснил этот результат тем, что столб жидкости в трубке уравновешивается давлением воздуха на поверхность ртути в чашке (как было показано позже, данное объяснение оказалось верным, и легло в основу метода измерения атмосферного давления).
Однако Линнус не согласился с объяснением Бойля, аргументируя свои возражения тем, что воздух представляет собой очень легкие частицы, не способные оказывать такое действие, а столб ртути в трубке существует благодаря притяжению частиц ртути и частиц стекла трубки. Более того, Линнус утверждал, что он чувствовал это притяжение, когда затыкал верхний открытый конец трубки пальцем.
Разная интерпретация одних и тех же фактов двумя физиками говорит о том, что один и тот же результат опыта может получить различное объяснение и на его основе могут быть построены различные гипотезы. Отсюда вытекает необходимость их проверки.
Для доказательства своей гипотезы, а именно того, что воздух способен удерживать столб ртути, Бойль поставил новый опыт. Он взял изогнутую в форме сифона стеклянную трубку, короткое колено которой было запаяно, и стал наполнять ее ртутью. По мере увеличения количества ртути в трубке объем воздуха в изогнутом конце уменьшался, но не исчезал полностью. Это говорило о том, что воздух способен оказывать сопротивление давлению ртути и подтверждало гипотезу Бойля. Результаты экспериментов Бойль представил в виде таблицы, содержащей данные об объеме воздуха в запаянном колене и соответствующей величине столбика ртути, и послал ее Линнусу.
Что же касается самого закона, то известное выражение PV = const было получено благодаря ученику Бойля по имени Тоунлей, который, проанализировав таблицы, обнаружил, что между объемом воздуха и высотой столбика ртути существует прямо пропорциональная зависимость. Бойль показал, что эта пропорция означает зависимость между величиной давления и объема газа. Данное положение не имело статуса закона, хотя и имело математическое выражение, а являлось эмпирически установленной закономерностью. Более того, если бы Бойль имел возможность провести свои эксперименты с давлениями, намного превышающими атмосферное, то он бы обнаружил, что при высоких давлениях такой зависимости нет (теперь известно, что закон Бойля-Мариотта применим только к разреженным газам, когда можно пренебречь взаимодействиями составляющих газ молекул).
Теоретически же закон PV = const был получен позже академиком Санкт-Петербургской Императорской академии Д. Бернулли в 1730 г. на основании модели идеального газа. Хотя это и была та самая формула, полученная ранее Р. Бойлем, но теперь она была выведена на основании строгих математических расчетов применительно к теоретической модели идеального газа, поэтому приобрела статус закона.
Теория строится на основе одного или совокупности взаимосвязанных законов, относящихся к одной области. Она не только объединяет и обобщает ранее установленные факты, но способна предсказать новые, т.е. теория может указать перспективные направления экспериментальных исследований. Например, теоретически или, как говорят, "на кончике пера", были открыты Нептун и Плутон. Анализ движения Урана показал, что возмущения в движении планеты могут быть обусловлены взаимодействием с двумя массивными космическими телами. Были рассчитаны предполагаемые положения этих тел, и, направив в указанные участки неба телескоп, астрономы наблюдали эти объекты.
Развертывание теории включает в себя расширение области ее применения, уточнение особенностей поведения исследуемых объектов в разных условиях и т.д. Все предсказания теории должны проверяться на опыте, экспериментальное подтверждение служит критерием применимости теории к описанию исследуемых объектов или процессов.
Примером удачных теоретических предсказаний является предсказание Дираком неизвестной на тот момент элементарной частицы – позитрона. Дирак построил квантовую теорию электрона, для логической непротиворечивости которой необходимо было допустить существование некой частицы, которая должна была обладать способностью двигаться в электромагнитном поле таким же образом, как и электрон, если бы он обладал положительным зарядом. Однако в то время были открыты только две элементарные частицы – протон и электрон, которые считались истинно элементарными. Общепризнанным было мнение, что этих двух частиц вполне достаточно для объяснения всех природных явлений, поскольку существует только два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Поэтому Дирак сначала не решился утверждать о существовании новой частицы, а в опубликованных им исследованиях предположил, что решение уравнений соответствует уже известному протону. Математик Вейль, ознакомившись с результатами Дирака, высказал мнение, что в силу математической симметрии неизвестная частица должна иметь массу, равную массе электрона, а не протона. После этого начались активные поиски загадочной частицы, и она была обнаружена, а в физике появились представления об античастицах. Честь обнаружения частицы, названной позитроном, принадлежит Андерсону, который смог получить фотографию ее трека в камере Вильсона. В камере Вильсона под воздействием магнитного поля заряженные частицы отклоняются от первоначального направления, причем отклонения положительно и отрицательно заряженных частиц происходят в противоположные стороны. Следует отметить, что экспериментаторы могли обнаружить новую частицу и до работ Дирака, поскольку наблюдали частицы, отклоняющиеся "не в ту" сторону. Однако они не придавали значения этим фактам, считая их неудачными экспериментами.
Подтвержденная на практике теория считается истинной вплоть до того момента, пока не появятся опровергающие ее факты, и будет предложена новая теория, способная их объяснить. Говоря о преемственности теорий необходимо отметить так называемый принцип соответствия. Он состоит в том, что теория, справедливость которой была экспериментально подтверждена для той или иной категории явлений, с разработкой новой, более общей теории, не отбрасывается как нечто неверное. Эта теория продолжает использоваться в своей ограниченной области, становится частным случаем более общей теории. Новая теория устанавливает границы применимости старой, причем в рамках заданных границ новая теория должна перетекать в старую. Пример действия этого принципа – ньютоновская и релятивистская механика.
В структуре теоретического уровня организации знания можно выделить две составляющие:
1) Частные теории и законы, которые являются применимыми к ограниченной области явлений.
2) Фундаментальные научные теории, описывающие широкий класс явлений, включающие частные теории в качестве следствий, получаемых в результате применения общей теории к конкретному явлению или объекту.
Примером такой общей теории является ньютоновская механика, которая описывает движение тел под действием сил, движение в поле тяжести Земли, движение планет вокруг Солнца, колебания маятника и многие другие механические процессы. К частным теориям относятся, например, законы Кеплера, которые хотя и были получены раньше, чем была создана механика Ньютона, но являются следствием законов Ньютона.
Особенностью формирования развитой теории в современной науке является то, что теории создаются не одним ученым, как это было в классический период развития науки, а целым коллективом исследователей. Так, классическая теория электромагнитного поля, является, пожалуй, последней теорией, полностью разработанной одним ученым – Д.К. Максвеллом, который в своих работах основывался на ряд достижений предшественников. В создании квантовой электродинамики, например, принимали участие В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак, П. Иордан, Н. Бор, Л. Розенфельд, Л. Ландау, Р. Пайерлс, В. Фок, С. Томанага, Е. Швингер, Р. Фейнман, и другие.
В современной науке отмечается возрастание роли математики в процессе развертывания теории. В последнее время получил распространение метод математической экстраполяции, который состоит в перенесении математического аппарата, используемого для описания процессов в близкой области, на исследуемые явления. Математические уравнения преобразовываются под изучаемый объект, находится их решение, а затем осуществляется анализ и поиск адекватной опыту интерпретации решения. Другими словами, сначала исследователи разрабатывают математический аппарат теории, а затем наполняют эти уравнения физическим смыслом, т.е. находят соответствующие полученным математическим выражениям свойства реальных объектов или процессы в реальном мире. Академик С.И. Вавилов видел причины особенностей математической экстраполяции в картине мира: в квантово-релятивистской физике нет целостных наглядных образов, которые можно было бы использовать для построения теории. Объекты микромира, обладают двойственной природой, имеют как корпускулярные, так и волновые свойства, поэтому и нельзя создать единую модель для процессов с их участием. Таким образом, создание теоретической модели опережает получение опытных данных в отличие от классического периода развития науки, где теоретические законы строились на основе обобщения опыта.
Существенную роль в развитии теоретического уровня знаний играет научная картина мира. При выдвижении гипотез исследователь исходит из формируемых картиной мира представлений о взаимодействиях материальных объектов, о законах, управляющих различными природными процессами.
Значимую роль сыграла научная картина мира в развитии представлений о строении атома. Открытие в 1897 г. Джозефом Джоном Томсоном электрона, а также обнаруженный спонтанный распад атома и радиоактивность, показали, что атом не является элементарной неделимой частицей и поставили задачу определения его внутренней структуры.
Был выдвинут ряд гипотез о строении атома. Наиболее известная из них – это модель Дж.Дж. Томсона, так называемый "пудинг с изюмом", которая представляла атом как положительно заряженную сферу (пудинг) с равномерно распределенными в ней электронами (изюм), причем суммарный положительный заряд был равен суммарному отрицательному. Другая известная модель была предложена в 1904 г. японским физиком Нагаока, который построил модель атома по аналогии с Сатурном и его кольцами. В модели атома положительный заряд играл роль планеты, а электроны в атоме соответствовали вращающимся вокруг Сатурна кольцам и спутникам.
Э. Резерфорд для проверки моделей атомной структуры осуществил серию экспериментов по рассеянию α-частиц атомами золота. При этом он расположил детекторы α-частиц таким образом, чтобы они могли зарегистрировать как прошедшие сквозь мишень частицы, так и отраженные на различные углы. Такая постановка эксперимента позволяла проверить разные модели атома, в том числе и модель Нагаока. Обнаружив в эксперименте, что α-частицы могут рассеиваться на большие углы, Резерфорд сделал вывод о том, что внутри атома есть маленькое массивное ядро, т.е. положительный заряд, существование которого предсказывала модель Нагаока. Факт существования атомного ядра лег в основу планетарной модели атома Резерфорда (1912 г.).
Представление о структуре атома, как о неком положительном заряде, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, не вписалось в научную картину мира. Проблема заключалась в том, что согласно имеющимся представлениям, движущиеся с ускорением электроны (а двигающиеся по окружности тела обладают ускорением, направленным к центру окружности) должны были излучать электромагнитные волны, вследствие этого терять энергию и в результате падать на ядро. Таким образом, планетарная модель атома не обеспечивала его стабильность и нуждалась в доработке. Решение этой задачи привело к созданию квантово-механической модели атома.
Таким образом, на примере формирования представлений о структуре атома можно проследить, как теоретическая схема, заимствованная из картины мира, и построенная на ее основе гипотеза были подвергнуты процедуре обоснования и усовершенствования. В свою очередь, перестроенная и обоснованная опытом теоретическая схема после включения в картину мира привела к ее уточнению и развитию. Так, обоснованные Резерфордом представления о существовании атомного ядра поставили перед исследователями новые вопросы, касающиеся структуры и особенностей ядра, стали основой для зарождения новых направлений – физики ядра и ядерных явлений.
Развитие всех естественнонаучных дисциплин начинается с развития их эмпирического уровня, затем возникает и начинает развиваться теоретический уровень. Эти уровни взаимодействуют между собой. Без эмпирической проверки невозможно доказать справедливость гипотезы, в то же время не укладывающиеся в рамки теории факты служат материалом для развития новых гипотез. С другой стороны, теория, обладая предсказательной функцией, стимулирует развитие методов экспериментальных исследований, способствует экспериментальному изучению новых областей.
В процессе развития естествознания наукой были выработаны определенные способы познания, схемы проведения исследований, совокупность которых называется научным методом. Для научного метода характерны четкость и однозначность понятий и терминов. Методы можно разделить на общенаучные (применяются во всех областях науки) и конкретно-научные (применяются в отдельных дисциплинах). Примером конкретно-научных методов является применение лакмусовой бумажки в химии, рентгеноструктурного анализа и спектрального анализ в физике, методы культивирования бактерий в биологии.
К общенаучным методам относятся: анализ и синтез, обобщение и классификация, индукция и дедукция, аналогия и др. В процессе анализа объект исследования разделяют на составные части с целью изучения различных его свойств и характеристик, а при синтезе изученные свойства соединяют в единое целое. При обобщении выделяют общие свойства и признаки объектов, а классификация подразумевает разделение всех изучаемых предметов на отдельные группы в соответствии с каким либо определяющим признаком (особенно часто этот метод используется в описательных науках – географии, многих разделах биологии). В процессе индукции общий результат достигается на основе частных посылок, а дедукция представляет собой обратный индукции способ рассуждения, когда заключения частного характера строятся исходя из общих выводов. При проведении аналогии на основе сходства объектов в одних признаках делают заключение об их сходстве в других признаках. Метод аналогии требует учета мельчайших деталей. Примером неправомерного использования аналогии является вывод о том, что электроны движутся вокруг ядра атома аналогично планетам, движущимся вокруг Солнца. Такое утверждение было сделано на основании факта, что сила взаимодействия между электроном и ионизированным атомом на больших расстояниях уменьшается по тому же закону, что и сила притяжения между космическими телами. Однако движение электронов в атоме подчиняется законам квантовой, а не классической механики, и никаких электронных орбит не существует, поэтому на картинках, изображающих атом, правильнее было бы рисовать электронные облака различной формы.
Научные методы можно разделить на эмпирические и теоретические. К методам, применяемым на эмпирическом уровне исследований, относят наблюдение, измерение и эксперимент. Эксперимент широко используется не только на эмпирическом уровне исследований, где он является одним из наиболее важных методов, но и на теоретическом уровне, где широко распространены такие виды эксперимента, как мысленный эксперимент и компьютерное моделирование. Метод моделирования также применяется как на теоретическом, так и на эмпирическом уровнях исследования. К чисто теоретическим методам исследования можно отнести абстрагирование, идеализацию и формализацию.
При использовании метода абстрагирования пренебрегают несущественными для данного исследования свойствами объекта. Например, при расчете параметров движения Земли по орбите вокруг Солнца, небесные тела можно представить как две материальные точки, взаимодействующие посредством сил притяжения. Являющиеся несущественными для решения данной задачи признаки объектов, например, размеры и форма Земли, не учитываются.
Абстрагирование позволяет объединить схожие по ряду признаков объекты в группы, т.е. осуществить их систематизацию, например, с целью обеспечения быстрого поиска необходимой информации. Примером систематизации является классификация живых и вымерших организмов, позволяющая создать их иерархию.
Метод идеализации включает выделение важного для конкретной задачи параметра и мысленное построение объекта, обладающего этой характеристикой, или конструирование ситуации, управляемой этим параметром. В отличие от абстрагирования, при идеализации не отбрасывают второстепенные свойства объекта, которые могут сглаживать проявление его основных свойств или вносить дополнительные эффекты, зашумляющие изучаемое явление. При идеализации усиливают главные признаки объекта настолько, что влияние его второстепенных параметров становится настолько малым, что эффекты, обусловленные ими, можно не учитывать. Полученный в результате объект или явление не реализуется на практике, но их теоретическое конструирование способствует решению целого ряда задач. Примером идеализации в физике является понятие абсолютно упругого удара тел, при котором механическая энергия не переходит во внутреннюю (тепловую). При столкновении макроскопических тел абсолютно упругий удар не реализуется, но такая идеализация успешно применяется, например, для описания столкновения бильярдных шаров, когда доля кинетической энергии, перешедшей во внутреннюю настолько мала, что ей можно пренебречь.
Применяя методы абстрагирования и идеализации, ученые мысленно создают новые объекты. Их отличие обусловлено способами конструирования: при абстрагировании отбрасываются все несущественные в конкретной задаче свойства реального объекта, а при идеализации выбирается свойство или параметр реального объекта, которые становятся единственными или доминирующими у построенной теоретической модели. В реальности не существует ни объектов, созданных в ходе абстрагирования, ни объектов, возникших в результате идеализации, поэтому после применения теории необходимо сопоставить полученные результаты с данными опыта.
Прежде чем применить любой теоретический метод необходимо определить понятия, которыми исследователь будет оперировать. Затем объект замещается набором формальных признаков и происходит перевод задачи исследования на язык символов, т.е. формализация задачи. Введение понятий хорошо иллюстрирует следующий пример. Предположим, что необходимо выделить из группы молодых людей студентов. Эта задача сводится к поиску признака, позволяющего осуществить такую процедуру. Таким признаком может служить наличие зачетной книжки у студентов. Закономерно возникает вопрос о том, что представляет собой зачетная книжка, какие признаки выделяют ее среди других документов и т.д. В итоге от понятия студента мы переходим к другому понятию, которое его формально заменяет, и не несет никаких признаков конкретного студента. Формальными понятиями мы можем оперировать, используя законы логики и методы математики. Таким образом, мы получаем эффективный инструмент решения задачи, и с этой позиции формализация задачи играет важную роль.
Построенные в процессе абстрагирования, идеализации и формализации теоретические объекты являются моделями. Модель также можно построить и другими методами. Процесс создания и исследования модели называется моделированием. Моделирование позволяет сделать выводы о реальном объекте или явлении. Все теоретические исследования предполагают использование модели, кроме того, моделирование используется и в случаях, когда невозможно, опасно или дорого провести эксперимент с реальным объектом, когда необходимо изучить поведение объекта в период времени, который превышает время, отведенное на исследования и т.д.
Существует два основных вида моделирования – материальное и идеальное. При материальном моделировании создается вещественный предмет. Это может быть образец технических изделий, уменьшенная копия реального объекта, например, модель автомобиля или самолета, макет застройки квартала, макет здания, дизайнерская одежда или мебель и т.д. При идеальном моделировании изучаемый объект заменяется его мысленным образом, который описывают в символьном виде с помощью математических формул; также идеальная модель может существовать в виде построенного с помощью компьютера образа, чертежа или рисунка. В процессе идеального моделирования можно изучать, например, динамику роста населения, развитие экономики, дорожное движение.
Модели бывают принципиальные, они функционируют согласно законам, управляющим поведением реального объекта или ходом процесса. Механизмы реализации этих законов включены в модель. Другой тип моделей – аналоговые. В их структуре заложены правила, задающие отклик модели в зависимости от оказанного на нее воздействия, аналогичный реакции прототипа. Механизм формирования отклика не является важным: такую модель можно сопоставить с черным ящиком, имеющим контакты для подачи входного и снятия выходного сигналов.
Появление компьютеров позволило быстро осуществлять численные расчеты (так называемое численное моделирование) и строить виртуальные (компьютерные) модели. Численное моделирование используется, например, для решения задач, которые включают события, реализующиеся с определенной вероятностью, таких как спонтанный распад атомного ядра, поглощение атомом фотона и др. Виртуальные модели являются особенно эффективными при исследовании сложных систем, объединяющих множество взаимодействующих друг с другом элементов. Примером такой модели является трехмерная модель молекулы, полученная на основе расчетов взаимодействий входящих в ее состав атомов. Компьютерные имитационные модели, воспроизводящие процесс объединения элементов в систему, оказываются весьма полезными в случаях, когда у системы возникают новые свойства, не характерные для объединяемых элементов.
Развитые теории естественных наук формулируются с использованием языка математики, поэтому содержат в себе математическую модель явления. Математическая модель позволяет исследовать количественную сторону изучаемых процессов, делает возможным прогнозирование поведения объектов.
Достоверность сведений, полученных на основании математической модели, бывает настолько высока, что в ряде случаев они считаются более надежными, чем результаты соответствующих экспериментов. Например, при изучении явлений, возникающих при входе космических аппаратов в земную атмосферу, предпочтение отдается результатам расчетов, а не экспериментам, имитирующим эти явления. Стыковка орбитальных космических аппаратов осуществляется в автоматическом режиме посредством компьютерного управления с использованием математической модели этого процесса, а не под непосредственным управлением человека.
Математика, с одной стороны, является инструментом исследования, а с другой стороны, она представляет собой самостоятельную дисциплину науки. Потребности естественных наук стимулируют разработку новых отраслей математики, так, например, появление ньютоновской механики способствовало развитию дифференциального исчисления. В то же время, в математике развиваются новые направления, которые, достигнув определенной высокой стадии разработки, казалось бы, совсем неожиданно находят свое применение в естественных науках. Это имело место в отношении теории групп, которая развивалась как раздел алгебры, а затем нашла свое применение при исследовании элементарных частиц.
Метод эксперимента активно применяется в естественных науках. Современный эксперимент представляет собой сложный процесс, состоящий из нескольких стадий. Первая стадия заключается в планировании эксперимента. Необходимо, чтобы используемое оборудование обладало достаточной чувствительностью и позволяло обнаружить изучаемые эффекты. Например, установка, разработанная П.Н. Лебедевым для обнаружения давления света представляла собой крутильные весы с прикрепленными к коромыслам тонкими дисками из слюды и различных металлов. Весы подвешивались на тонкой нити в сосуде, воздух из которого откачивался. В то время не было возможности создать хороший вакуум, и для регистрации эффекта, оказываемого давлением света, Лебедеву пришлось придумать способ компенсации разного нагревания сторон дисков, который состоял в их попеременном облучении.
Вторая стадия представляет собой подготовку и настройку оборудования, тестирование аппаратуры, калибровку установки. От качества проведения этих работ зависит успех всего научного проекта. Сложность решаемых задач бывает настолько высокой, что эту стадию справедливо можно назвать тестовым экспериментом. В ходе тестового эксперимента проверяется принципиальная возможность решения поставленных задач с помощью разработанной экспериментальной методики и используемого оборудования. Примером тестовых экспериментов являются пробные запуски частиц в Большом адронном коллайдере.
После завершения тестирования исследователи переходят непосредственно к выполнению программы исследований. Можно выделить два типа эксперимента: проверочный и поисковый. Проверочный эксперимент проводят с целью подтверждения либо опровержения каких-либо гипотез, предположений, теорий и их следствий. Задачей поискового эксперимента является обнаружение новых явлений, изучение состояния или поведения объекта в определенных условиях и т.д. Завершающим этапом каждого эксперимента является обработка полученных данных.
Современный эксперимент характеризуется следующими особенностями. Во-первых, при подготовке к эксперименту возрастает роль теоретических проработки схемы и методики исследований, анализа используемых средств. Большая теоретическая работа выполняется группой ученых и включает сложные расчеты и анализ возможных результатов для проектирования необходимого для опыта оборудования, выбора оптимальных условий эксперимента и т.д. Например, предварительные расчеты объема данных, генерируемых Большим адронным коллайдером, показали, что он будет настолько огромным, что для его обработки потребовалось разработать новую концепцию работы с информацией. Эта концепция заключается в возможности производить вычисления, используя процессоры удаленных компьютеров, т.е. задействовав глобальные компьютерные ресурсы.
Во-вторых, возрастает сложность технических средств эксперимента, состоящих из многофункциональной электронной аппаратуры, прецизионных (отличающихся высокой точностью) приборов и т.д. Например, для наблюдения Бозе-эйнштейновской конденсации в разреженном газе (Нобелевская премия по физике 2001 г.) потребовалось создать уникальную установку, которая позволяла охладить атомы щелочных металлов до сверхнизких температур с помощью технологий лазерного и испарительного охлаждения.
В-третьих, увеличивается масштабность экспериментальных проектов. Некоторые исследовательские комплексы представляют собой сложнейшие сооружения, строительство и эксплуатация которых требует больших финансовых затрат. Поэтому для реализации крупных научных проектов требуются как материальные ресурсы, так и научные усилия целого ряда государств. Так создание и функционирование международной космической станции стало возможным благодаря взаимодействию России и США.
Трудности экономического плана, которые возникают при осуществлении современных экспериментальных исследований, не являются аргументом в пользу их прекращения. Необходимость экспериментальных исследований неоспорима, поскольку экспериментальная проверка является критерием истинности теории и позволяет науке двигаться вперед в решении поставленных перед ней задач.
Итак, в этой главе были рассмотрены структура и уровни организации научных дисциплин, основные методы теоретических и эмпирических исследований. В заключение следует отметить, что кроме рассмотренных в данной главе основных научных методов, существует и множество специфических. Развитие науки способствует появлению новых возможностей для изучения окружающего мира и человека.