Структура естественнонаучного познания

ПЛАН

Уровни естественнонаучного познания

Соотношение эмпирического и теоретического уровней исследования

Уровни естественнонаучного познания

Изучение естествознания нужно не только для того, чтобы мы как культурные люди знали и разбирались в его результатах, но и для по­нимания самой структуры нашего мышления. Итак, мы отправляем­ся в безбрежное море познания. Предположим, что вместе с Ньюто­ном мы лежим под деревом и наблюдаем, падение яблока, которое, по преданию, натолкнуло Ньютона на открытие закона всемирного тяго­тения. Яблоки падали на голову не только Ньютона, но почему именно он сформулировал закон всемирного тяготения? Что помогло ему в этом: любопытство, удивление (с которого, по Аристотелю, начинает­ся научное исследование) или, быть может, он и до этого изучал тяго­тение, и падение яблока было не начальным, а завершающим момен­том его раздумий? Как бы то ни было, мы можем согласиться с леген­дой в том, что именно обычный эмпирический факт падения яблока был отправной точкой для открытия закона всемирного тяготения. Будем считать эмпирические факты, т. е. факты нашего чувственного опыта, исходным пунктом развития естествознания.

Итак, мы начали наше научное исследование, точнее оно нача­лось с нами. Так или иначе, мы зафиксировали первый эмпиричес­кий факт, который, коль скоро он стал отправной точкой научного исследования, стал тем самым научным фактом.

Что дальше? Выдающийся французский математик начала века А. Пуанкаре, описывая в своей книге «Наука и метод» работу ученого, говорил следующее: «Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться» (А. Пуанкаре. О науке.- М., 1983.- С. 289). Да, дей­ствительно так, потому что ученый хочет вывести законы развития природы, т. е. сформулировать некие положения, которые были бы верны во всех случаях жизни для однотипного класса явлений. Для этого ученому нужны множество одинаковых фактов, которые потом он мог бы единообразно объяснить. Ученые, продолжает Пуанкаре, «должны предпочитать те факты, которые нам представляются про­стыми, всем тем, в которых наш грубый глаз различает несходные; составные части» (Там же.- С. 290).

, Итак, мы должны ждать падения новых яблок, чтобы опреде­лить, действительно ли они падают всегда. Это уже можно назвать способом или методом исследования. Он называется наблюдением и в некоторых областях естествознания остается единственным и главным эмпирическим методом исследования. Например, в астрономии. Правда, с помощью визуальных наблюдений мы мало что увидим. Чтобы наблюдать «большой мир» (мегамир) нужны мощные телескопы и радиотелескопы, которые улавливают космические излучения. Это тоже наблюдение, хотя и более сложное.

Однако в нашем случае нет нужды ждать падения яблок. Мы можем потрясти яблоню и посмотреть, как будут вести себя яблоки, т. е. провести эксперимент, испытать объект исследований. Эксперимент представляет собой как бы вопрос, который мы задаем природе 'и ждем от нее ясного ответа. «Эйнштейн говорил, что природа отве­чает «нет» на большинство задаваемых ей вопросов и лишь изредка от нее можно услышать более обнадеживающее «может быть»... Каков бы ни был ответ природы — «да» или «нет», — он будет выражен ^! на том же теоретическом языке, на котором был задан вопрос» (И. Пригожин, И. Стенгерс. Порядок из хаоса.- М., 1986.- С. 88). Отли­чительной особенностью научного эксперимента является то, что его должен быть способен воспроизвести каждый исследователь в лю­бое время.

Трясение яблони, как простейший из возможных эксперимен­тов, убеждает нас, что все яблоки ведут себя совершенно одинаково. Однако, чтобы вывести физический закон, мало одних яблок. Нужно рассмотреть и другие тела, причем, чем меньше они похожи друг на друга, тем лучше. Здесь вступает в силу второе правило, противопо­ложное первому. «Таким образом, интерес представляет лишь ис­ключение» (А. Пуанкаре. Цит. соч.- С. 291).

Оказывается, что многие тела тоже падают на Землю, как буд­то на них действует некая сила. Можно предположить, что это одна и та же сила во всех случаях. Но на Землю падают не все тела. Это не относится к Луне, Солнцу и другим небесным телам, имеющим боль­шую массу или удаленным от Земли на значительное расстояние. Налицо различие в поведении тел, над которым тоже стоит заду­маться. Есть ли что-либо общее в поведении тел, которые на первый взгляд ведут себя совершенно различно? «Однако мы должны сосре­доточить свое внимание главным образом не столько на сходствах и различиях, сколько на тех аналогиях, которые часто скрываются в кажущихся различиях» (там же, с. 292). Найти аналогии в различиях — необходимый этап научного исследования.

Не над всеми телами можно провести эксперимент. Например, небесные светила можно только наблюдать. Но мы можем объяснить их поведение действием тех же самых сил, направленных не только в сторону Земли, но и от нее. Различие в поведении таким образом можно объяснить количеством силы, определяющей взаимодейст­вие двух или нескольких тел.

Если же мы все-таки считаем эксперимент необходимым, то можем провести его на моделях, т. е. на телах, размеры и масса кото­рых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными тела­ми. Результаты модельных экспериментов можно считать пропор­циональными результатам взаимодействия реальных тел.

Но и модельный эксперимент не является последним из воз­можных. Может иметь место мысленный эксперимент. Для этого по­надобится представить себе тела, которых вообще не существует в реальности, и провести над ними эксперимент в уме. Значение пред­ставления, связанного с проведением мысленного или идеального эксперимента, хорошо объясняют в своей книге «Эволюция физики» А. Эйнштейн и Л. Инфельд. Дело в том, что все понятия, т. е. слова, имеющие определенное значение, которыми пользуются ученые, являются не эмпирическими, а рациональными, т. е. они не берутся нами из чувственного опыта, а являются творческими произведени­ями человеческого разума. Для того чтобы ввести их в расчеты, не­обходимы идеальные представления, например, представления об идеально гладкой поверхности, идеально круглом шаре и т. п. Такие представления называются идеализациями.

В современной науке надо быть готовым к идеализированным экспериментам, т. е. мысленным экспериментам с применением иде­ализации, с которых (а именно, экспериментов Галилея) и началась физика Нового времени. Представление и воображение (создание и использование образов) имеет в науке большое значение, но в отли­чие от искусства — это не конечная, а промежуточная цель исследо­вания. Главная цель науки — выдвижение гипотез, и теория как эм­пирически подтвержденная гипотеза.

Понятия играют в науке особую роль. Еще Аристотель считал, что, описывая сущность, на которую указывает термин, мы объясня­ем его значение. А его имя — знак вещи. Таким образом, объяснение термина (а это и представляет собой определение понятия) позволя­ет нам понять данную вещь в ее глубочайшей сущности («понятие» и «понять» — однокоренные слова). По мнению К. Поппера, если в обычном словоупотреблении мы сначала ставим термин, а затем оп­ределяем его (например: «щенок — это молодой пес»), то в науке име­ет место обратный процесс. Научную запись следует читать справа налево, отвечая на вопрос: как мы будем называть молодого пса, а не что такое щенок. Вопросы типа «что такое жизнь? » не играют в науке никакой роли, и вообще определения как таковые не играют в науке заметной роли, в отличие, скажем, от философии. Научные термины и знаки - не что иное, как условные сокращения записей, которые иначе заняли бы гораздо больше места.

Формирование понятий относится к следующему уровню ис­следований, который является не эмпирическим, а теоретическим. Но прежде мы должны записать результаты эмпирических исследо­ваний, с тем, чтобы каждый желающий мог их проверить и убедиться в их правильности.

Ученые должны, пишут А. Эйнштейн и Л. Инфельд, собирать неупорядоченные факты и своим творческим мышлением делать их связанными и понятными. Поэтому их можно сравнить с детектива­ми. Но в отличие от детектива, который только расследует дело, «уче­ный должен, по крайней мере, отчасти, сам совершить преступление, затем довести до конца исследование. Более того, его задача состоит в том, чтобы объяснить не один только данный случай, а все связанные с ним явления, которые происходили или могут еще произойти» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд. Эволюция физики.- М., 1965.- С. 64).

На основании эмпирических исследований могут быть сдела­ны эмпирические обобщения, которые имеют значение сами по себе. В науках, которые называют эмпирическими, или описательными, как, скажем, геология, эмпирические обобщения завершают иссле­дование, в экспериментальных, теоретических науках это только начало. Чтобы двинуться дальше, нужно придумать удовлетвори­тельную гипотезу, объясняющую (в нашем примере) падение тел. Самих по себе эмпирических фактов для этого недостаточно. Необ­ходимо все предшествующее знание, касающееся данной проблемы, прежде всего, в нашем случае, знание принципов механики, напри­мер, представление о связи движения тела с приложением к нему силы, действующей в направлении движения (в данном случае, к Земле), т. е. знание трех законов механики, которые сформулировал тот же Ньютон до закона всемирного тяготения.

На теоретическом уровне помимо эмпирических фактов тре­буются понятия, которые создаются заново или берутся из других (преимущественно ближайших) разделов науки. В данном случае это понятия массы и силы, которые были для Ньютона основными при выведении законов механики. Эти понятия должны быть опре­делены и представлены в краткой форме в виде слов (называемых в науке терминами) или знаков (в том числе математических), кото­рые имеют каждый строго фиксированное значение.

«Эмпирическое обобщение опирается на факты, индуктивным путем собранные, не выходя за их пределы и не заботясь о согласии или несогласии полученного вывода с другими существующими представлениями о природе... При гипотезе принимается во внимание какой-нибудь один или несколько важных признаков явления и на основании только их строится представление о явлении, без внима­ния к другим его сторонам. Научная гипотеза всегда выходит за пре­делы фактов, послуживших основой для ее построения» (В. И. Вер­надский. Биосфера // Избранные сочинения- Т. 5.- М., I960.- С. 19).

При выдвижении какой-либо гипотезы принимается во внима­ние не только ее соответствие эмпирическим данным, но и некоторые методологические принципы, получившие название критериев просто­ты, красоты, экономии мышления и т. п. «Я считаю, как и Вы, — говорил Гейзенберг Эйнштейну, — что простота природных законов носит объ­ективный характер, что дело не только в экономии мышления. Когда са­ма природа подсказывает математические формы большой красоты и простоты, — под формами я подразумеваю здесь замкнутые системы основополагающих постулатов, аксиом и т. п., — формы, о существова­нии которых никто еще не подозревал, то поневоле начинаешь верить, что они «истинны», т. е. что они выражают реальные черты природы» (В. Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое.- М., 1989- С. 196).

После выдвижения определенной гипотезы (научного предпо­ложения, объясняющего причины данной совокупности явлений) ис­следование опять возвращается на эмпирический уровень для ее проверки. При проверке научной гипотезы должны проводиться но­вые эксперименты, задающие природе новые вопросы, исходя из сформулированной гипотезы. Цель — проверка следствий из этой гипотезы, о которых ничего не было известно до ее выдвижения.

Если гипотеза выдерживает эмпирическую проверку, то она приобретает статус закона (или, в более слабой форме, закономерно­сти) природы. Если нет — считается опровергнутой, и поиски иной, более приемлемой, продолжаются. Научное предположение остает­ся, таким образом, гипотезой до тех пор, пока еще не ясно подтверж­дается она эмпирически или нет. Стадия гипотезы не может быть в науке окончательной, поскольку все научные положения в принципе эмпирически опровергаемы, и гипотеза рано или поздно или стано­вится законом или отвергается.

Принцип фальсифицируемости научных положений, т. е. их

свойство быть опровергаемыми на практике, остается в науке непре­рекаемым. «В той степени, в которой научное высказывание говорит о реальности, оно должно быть фальсифицируемо, а в той степени, в которой оно не фальсифицируемо, оно не говорит о реальности» (К. Поппер. Открытое общество и его враги. Т. 2. М., 1992, с. 21). Отсю­да можно сделать вывод, что главное в науке — сам процесс духовно­го роста, а не результат его, который более важен в технике.

«Нам следует привыкнуть понимать науку не как «совокуп­ность знаний», а как систему гипотез, т. е. догадок и предвосхищений, которые в принципе не могут быть обоснованы, но которые мы используем до тех пор, пока они выдерживают проверки, и о которых мы никогда не можем с полной уверенностью говорить, что они «истинны», «более или менее достоверны» или даже «вероятны» (Там же.- С. 335). Последнее относится к попытке Р. Карнапа разработать способы определения вероятности истинности гипотезы по степени ее подтверждения.

Проверочные эксперименты ставятся таким образом, чтобы не столько подтвердить, сколько опровергнуть данную гипотезу. «Итак, если установлено какое-нибудь правило, то прежде всего мы должны исследовать те случаи, в которых это правило имеет больше всего шансов оказаться неверным» (А. Пуанкаре. Цит. соч.- С. 291). Эксперимент, который направлен на опровержение данной гипоте­зы, носит название решающего эксперимента. Именно он наиболее важен для принятия или отклонения гипотезы, так как одного его до­статочно для признания гипотезы ложной.

Вопрос об объективном статусе научного закона до сих пор является одним из наиболее дискуссионных в методологии есте­ствознания. Еще Аристотель (благодаря философскому разделе­нию явления и сущности) выдвинул положение, что наука изуча­ет роды сущего. В современном понимании это и есть то, что назы­вают законом природы. Существуют естественные законы, или законы природы, и нормативные законы, или нормы, запреты и заповеди, т. е. правила, которые требуют определенного образа поведения. Нормативный закон может быть хорошим или плохим, но не «истинным» или «ложным». Если этот закон имеет значение, то он может быть нарушен, а если его невозможно нарушить, то он поверхностен и не имеет смысла. В противоположность норма­тивным, естественные законы описывают неизменные регуляр­ности, которые либо есть, либо нет. Их свойствами являются пе­риодичность и всеобщность какого-либо класса явлений, т. е. не­обходимость их возникновения при определенных, точно форму­лируемых условиях.

Закон природы, по Пуанкаре, — наилучшее выражение гар­монии мира. «Закон есть одно из самых недавних завоеваний челове­ческого ума; существуют еще народы, которые живут среди непре­рывного чуда и которые не удивляются этому. Напротив, мы должны были бы удивляться закономерности природы. Люди просят своих богов доказать их существование чудесами; но вечное чудо в том, что чудеса не совершаются беспрестанно. Потому-то мир и божественен, что он полон гармонии. Если бы он управлялся произволом, то что до­казывало бы нам, что он не управляется случаем? Этим завоеванием закона мы обязаны астрономии, и оно-то и создает величие этой на­уки, еще большее, чем материальное величие изучаемых ею предме­тов» (А. Пуанкаре. Цит. соч.- С. 157).

Итак, естествознание изучает мир с целью творения законов его функционирования, как продуктов человеческой деятельности, отра­жающих периодически повторяющиеся факты действительности.

О практическом значении познания законов природы Пуанка­ре пишет так: «Завоевания промышленности, обогащение стольких практических людей, никогда не увидели бы света, если бы сущест­вовали только люди практики!.. Необходимо, следовательно, чтобы кто-то думал за тех, кто не любит думать; а так как последних чрез­вычайно много, то необходимо, чтобы каждая из наших мыслей при­носила пользу столь часто, сколь это возможно, и именно поэтому всякий закон будет тем более ценным, чем более он будет общим» (Там же.-С. 289).

Совокупность нескольких законов, относящихся к одной обла­сти познания, называется теорией. В случае, если теория в целом не получает убедительного эмпирического подтверждения, она может быть дополнена новыми гипотезами, которых, однако, не должно быть слишком много, так как это подрывает доверие к теории.

Подтвержденная на практике теория считается истинной вплоть до того момента, когда будет предложена новая теория, луч­ше объясняющая известные эмпирические факты, а также новые эмпирические факты, которые стали известны уже после принятия данной теории и оказались противоречащими ей.

Итак, наука строится из наблюдений, экспериментов, гипотез, теорий и аргументации. Наука в содержательном плане — это сово­купность эмпирических обобщений и теорий, подтверждаемых на­блюдением и экспериментом. Причем творческий процесс создания -теорий и аргументации в их поддержку играет в науке не меньшую роль, чем наблюдение и эксперимент.

Схематично структуру научного познания можно представить следующим образом:

Эмпирический факт –» научный факт –» наблюдение –» ре­альный эксперимент –» модельный эксперимент –» мысленный экс­перимент -> фиксация результатов эмпирического уровня иссле­дований –» эмпирическое обобщение –» использование имеющегося теоретического знания –» образ –» формулирование гипотезы –» проверка ее на опыте –» формулирование новых понятий –» введе­ние терминов и знаков –» определение их значения –» выведение за­кона –» создание теории –» проверка ее на опыте –» приятие в случае необходимости дополнительных гипотез.

Итак, чудес не бывает, если не в самой природе, то по крайней мере в формулировании законов ее развития, и от падения яблока на голову Ньютона до открытия им закона всемирного тяготения — дис­танция огромного размера, даже если в голове самого Ньютона она может быть пройдена мгновенно.

Соотношение эмпирического и теоретического уровней исследования

Эмпирический и теоретический уровни знания различаются по предмету (во втором случае он может иметь свойства, которых нет у эмпирического объекта), средствам (во втором случае это мысли­тельный эксперимент, метод моделирования, аксиоматический ме­тод и т. д.) и результатам исследования (в первом случае эмпиричес­кое обобщение, во втором — гипотеза и теория).

Различие между эмпирическим и теоретическим уровнями исследований не совпадает с различием между чувственным и ра­циональным познанием, хотя эмпирический уровень преимущест­венно чувствен, а теоретический преимущественно рационален. Эмпирический уровень в науке не только чувственен, но и рациона­лен потому, что используются приборы, сконструированные на ос­нове какой-либо теории. Теоретический уровень в науке не совпа­дает с рациональным, поскольку понятие рационального шире и существует не только научная рациональность, но и рациональ­ность иных типов. Теоретическое отличается от рационального также тем, что в состав теоретического уровня входят представле­ния (наглядные образы), которые являются формами чувственного' восприятия.

Процесс научного поиска даже на теоретическом уровне не яв­ляется строго рациональным. Непосредственно перед стадией науч­ного открытия важно воображение, создание образов, а на самой ста­дии открытия — интуиция. Поэтому открытие нельзя логически вы­вести, как теорему в математике. О значении интуиции в науке хорошо свидетельствуют слова выдающегося математика Гаусса:

«Вот мой результат, но я пока не знаю, как получить его». Результат интуитивен, но нет аргументации в его защиту. Интуиция присутст­вует в науке (так называемое «чувство объекта»), но она ничего не значит в смысле обоснования результатов. Нужны еще объективные рациональные методы, которые все люди могут оценить.

Логика действует на стадии так называемой «нормальной на­уки» в рамках определенной парадигмы для обоснования выдвину­той гипотезы или теории. Однако следует помнить, имея в виду зна­чение логики, что рассуждения в естествознании не являются дока­зательствами, а только выводами. Вывод свидетельствует об истин­ности рассуждения, если посылки верны, но не говорит об истинно­сти посылок. Определение также сдвигает проблему значения к оп­ределяющим терминам, истинность которых гарантирует опыт.

Несмотря на методологическую ценность выделения эмпири­ческого и теоретического, разделить эти два уровня в целостном про­цессе познания полностью невозможно, что показали неудачные попытки в рамках неопозитивизма. Вопросу соотношения эмпиричес­кого и теоретического уровней исследования посвящено следующее замечание А. Эйнштейна: «Но с принципиальной точки зрения же­лание строить теорию только на наблюдаемых величинах совершен­но нелепо. Потому что в действительности все ведь обстоит как раз наоборот. Только теория решает, что именно можно наблюдать. Ви­дите ли, наблюдение, вообще говоря, есть очень сложная система. Подлежащий наблюдению процесс вызывает определенные измене­ния в нашей измерительной аппаратуре. Как следствие, в этой аппа­ратуре развертываются дальнейшие процессы, которые в конце концов косвенным путем воздействуют на чувственное восприятие и на фиксацию результата в нашем сознании» (В. Гейзенберг. Цит. соч.- С. 191-192). Сложное переплетение эмпирического и теоретиче­ского уровней познания особенно характерно для наиболее продви­нутых областей экспериментальной и теоретической физики.

Список литературы

Пуанкаре А. О науке. М., 1983.

Поппер К. Логика и рост научного знания. М., 1983.

Кун Т. Структура научных революций. М., 1975.

Лоренц К. Агрессия. М., 1994.

Селье Г. От мечты к открытию. М., 1987.

1