§ 2. Основные принципы научного исследования

Эмпирическое знание

Эмпирическое знание добывается в опыте, в непосредственном или опосредованном (через приборы) контакте исследователя с существующими вне его сознания объектами.

Оно возникает в процессе изучения реального объекта (в приведенных в § 1.3 примерах — франклиновского чайника, К-мезона, оставившего след на фотографии), но истолковывается как знание об абстрактном объекте (металлическом теле, К-мезоне вообще). Это придает эмпирическому знанию общий характер и позволяет распространить его на все реальные объекты, являющиеся «частными случаями» данного абстрактного объекта. Таким образом, познание на эмпирическом уровне идет от конкретного реального объекта к абстрактному и затем от него снова к реальным, т. е. по схеме

R, А —»R,,

где Rj — исходный реальный объект, А — абстрактный объект. R, — реальные объекты, являющиеся другими «частными случаями» объекта А. 2.2.

Эмпирические методы

Главной задачей в эмпирическом познании является получение научных фактов. С этой целью наука использует разнообразные методы эмпирического исследования: сбор геологических образцов, археологические раскопки, изучение исторических документов, социологические опросы, анкетирование и пр. Основными общенаучными эмпирическими методами являются наблюдение и эксперимент. Применение этих методов предполагает 426 проведение целого ряда процедур, каждая из которых может также рассматриваться как особый метод научного познания. К таким процедурам относится описание данных наблюдения и эксперимента, которое должно выполняться, как правило, в специализированном научном языке, с использованием точной терминологии. Важной процедурой является также измерение — установление количественных значений изучаемых параметров. Для осуществления измерений необходимы специальные приборы — начиная от простейших (линейка, часы, термометр) и кончая сложнейшими устройствами, обеспечивающими получение чрезвычайно точных числовых значений разнообразных физических величин.

НАБЛЮДЕНИЕ

Научное наблюдение — это целенаправленное и специально организованное восприятие явлений.

Проведение научных наблюдений требует соответствующей подготовки (сбор предварительной информации о подлежащих наблюдению явлениях, выбор и комплектование приборов и другой аппаратуры, экспедиции к месту наблюдений и т. д.). Главное требование к научному наблюдению — объективность, точность даваемых им сведений.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Наблюдение должно проводиться так, чтобы вмешательство наблюдателя не исказило картину изучаемых явлений. Однако такое вмешательство может стать эффективным средством познания, если строго фиксировать, с одной стороны, воздействие исследователя на изучаемый объект, а с другой — изменения, которые оно вызывает в объекте. Наблюдение, проводимое в этой ситуации, превращается в элемент другого, более сложного метода эмпирического познания — эксперимента.

Эксперимент есть управляемое и контролируемое воздействие на изучаемый объект с целью получения информации о нем.

В эксперименте познавательная деятельность соединяется с практической. В нем используется целый ряд материальных средств деятельности: приготовляющие устройства, которые порождают изучаемые явления и обусловливают их изменение; изолирующие устройства; дозирующая, регистрирующая, измерительная аппаратура и т. д. В зависимости от цели, поставленной экспериментатором, различают эксперименты измерительные, проверочные (для подтверждения или опровержения какой-то гипотезы), поисковые (нацеленные на обнаружение новых явлений), контрольные (с целью проконтролировать работу аппаратуры или результаты других экспериментов).

ОБРАБОТКАМ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭМПИРИЧЕСКИХ ДАННЫХ Итогом наблюдений и экспериментов, также как и применения других эмпирических методов, должно быть установление научных фактов. Однако данные, полученные в каком-то одном наблюдении или эксперименте, еще не являются фактами науки. Чтобы свести к минимуму влияние случайностей и возможные ошибки, вызванные небрежностью исследователя или неисправностью приборов, наблюдения и эксперименты многократно повторяются и их результаты подвергаются математической (статистической) обработке. Только после этого они становятся достоверными научными фактами5.

Содержание научного факта, как правило, не сводится просто к фиксации данных наблюдения или эксперимента. Факты науки представляют собой знание, основанное на логическом осмыслении этих данных и их интерпретации в свете каких-то теоретических предпосылок. Всякий научный эксперимент исходит из предварительных теоретических предположений, и понять его результаты, не зная их, невозможно. Поэтому эмпирические факты не являются абсолютно независимыми от имеющихся в науке теорий (они «теоретически нагружены»). Например, даже в простейших учебных опытах данные чувственного восприятия («стрелка вольтметра сдвинулась на два деления вправо») интерпретируется в соответствии с теоретическими представлениями о смысле показаний прибора («напряжение тока возросло на два вольта»). Однако эмпирическое исследование не сводится лишь к констатации отдельных эмпирических фактов. Единичный факт — это ласточка, которая погоды не делает. Исследователю необходимо накопить некоторое множество фактов и установить связь между ними.

Накапливая факты и подвергая их систематизации, классификации, обобщению, ученые находят зависимости между ними — эмпирические законы или закономерности (их называют также феноменологическими).

Так, изучая температурное расширение тел, исследователь может каждый отдельный факт (величину объема тела при определенной температуре) изобразить на графике «экспериментальной точкой» и затем, соединив эти точки линий, найти зависимость между температурой t° и объемом тела V. Полученная зависимость представляет собой эмпирический закон теплового расширения: V = V0(l+at°),

где V0 — объем тела при f=0, а а — эмпирически найденный коэффициент. Совокупность эмпирических законов, относящихся к некоторой области явлений, иногда называют феноменологической теорией этих явлений. Однако такая теория, строго говоря, еще не есть теория как особая, высшая форма организации научного знания. Она не выходит за рамки эмпирического описания явлений и не объясняет их сущности (например, эмпирические законы теплового расширения не объясняют ни механизма этого явления, ни линейного характера зависимости объема от температуры, ни природы коэффициента а).

Объяснение найденных эмпирически фактов и закономерностей требует перехода на более высокий, теоретический уровень научного познания.

2.3. Теоретическое знание

Теоретическое знание, в отличие от эмпирического, строится умственным путем, при отсутствии контакта с изучаемыми объектам* действительности.

Теоретик работает не с самими объектами, а с их мысленными образами. Его материальные орудия деятельности — не приборы или испытательные стенды, а всего лишь карандаш и бумага, к которым г наше время добавился еще и компьютер. Поскольку для теоретиче- кого исследования не требуется дорогое и сложное экспериментагп ное оборудование, оно обходится гораздо дешевле эмпирического Считают, что затраты на развитие теоретических исследований на один-два порядка ниже, чем на развитие эмпирических.

Специфическим признаком теоретического познания является создание идеализированных объектов, раскрывающих сущность эмпи рически наблюдаемых явлений. На теоретическом уровне Познани движется по схеме:

А, —> I —»А,,

где А, — абстрактный объект, служащий предметном эмпириче» кого описания, I — идеализированный объект (теоретическая моделі выражающий существенные характеристики объекта А,, и А, — др' гие абстрактные объекты, сущность которых объясняется на основ? знаний об идеализированном объекте I.

В процессе теоретического познания идеальные объекты различи ы м образом комбинируются, и из них строятся мысленные конструкции, представляющие собою теоретические модели изучаемых явлений.

Теоретическое исследование, направленное на объяснение эмпирических фактов и закономерностей, может развиваться двояким путем [ 1 ]. Первый путь — нефундаментальное теоретическое исследование. Оно состоит в том, что объяснение эмпирических фактов и закономерностей ищется в уже имеющихся в науке теориях. Это может потребовать дальнейшего развития теорий, включением в них новых 429 идей, расширением их предметной области. Но когда на указанном пути не удается добиться успеха, то приходится вступать на второй путь—путь фундаментального теоретического исследования. Оно связано с разработкой принципиально новой научной теории.

Принципиально новое теоретическое знание не может быть получено ни посредством индуктивного обобщения эмпирических фактов, ни посредством дедуктивного вывода из старого теоретического знания. По словам Эйнштейна, исходные идеи, понятия, принципы новой теории являются продуктами «изобретения», «догадки». Они рождаются как «свободные творения разума». «На опыте можно проверить теорию, но нет пути от опыта к теории»; к основным законам новой теории «ведет не логический путь, а только основанная на проникновении в суть опыта интуиция» [2].

2.4. Теоретические методы

Создание идеальных моделей и мысленный эксперимент.

Первые шаги к новой теории связаны с поиском новых теоретических моделей изучаемых явлений. Создание теоретической модели совершается умозрительно, на основе свободной игры воображения. Ученый придумывает, изобретает различные варианты таких моделей и выбирает из них те, которые кажутся ему наиболее подходящими для объяснения эмпирических данных. Важную роль здесь играют разнообразные мысленные эксперименты. Метод мысленного эксперимента — один из важнейших методов теоретического исследования. Мысленный эксперимент сходен с реальным экспериментом в том отношении, что здесь тоже изучается взаимосвязь между воздействием на объект и изменениями, которые вызывают в нем эти воздействия. Но в отличие от реального эксперимента, в мысленном рассматривается не реальный, а идеальный объект, т. е. теоретическая модель. И воздействия на него, и его изменения осуществляются не в реальности, а в воображении.

Мысленный эксперимент есть умозрительное исследование теоретической модели, направленное на изучение ее «поведения» в различных мысленно представляемых условиях.

Изучение теоретических моделей в мысленных экспериментах позволяет сформулировать понятия и принципы, которые отражают свойства этих моделей. Одним из первых, кто использовал метод мысленного эксперимента, был Галилей. Представив в воображении идеальный шар, катящийся по идеально гладкой плоскости, он пришел к выводу, что если плоскость строго горизонтальна, то не существует никакой силы, которая заставила бы шар прекратить движение. Этот вывод был позже сформулирован Ньютоном как принцип инерции — одно из фундамен- тальных положений механики. Эйнштейн при построении общей теории относительности прибегал к мысленным экспериментам, в которых рассматривал кабину лифта, расположенного в космическом пространстве. Наблюдатель, находящийся в лифте, не сможет определить, что является причиной давления тел на пол: сила тяжести или ускорение движения кабины «вверх». Это позволило Эйнштейну сформулировать принцип эквивалентности гравитационной и инертной массы.

Найденные умозрительно понятия и принципы образуют фундамент новой теории. Но чтобы на этом фундаменте возвести здание теории, необходимо вернуться из умозрительного мира, где царит игра воображения и полет фантазии, в мир «железной логики» и «упрямых фактов», которыми проверяются и обосновываются результаты воображения, интуиции, мысленных экспериментов. Из основных понятий и принципов теории должны быть логически выведены всевозможные следствия и развернута система понятий, суждений и умозаключений. С их помощью разрабатываются, изучаются и затем применяются в процессе познания действительности теоретические модели явлений.

Основные функции теории — объяснение и предсказание.

На основе сопоставления теоретических объяснений и предсказаний с опытом происходит дальнейшее развитие теории, уточнение и изменение ее содержания (или, в случае несоответствия ее утверждений данным опыта, отказ от нее).

Следует иметь в виду, что теория отражает действительность опосредованно: мысленные модели выступают как промежуточное звено между теорией и действительностью. Соотношение теории (7), модели (М) и действительности (Л) таково:

Поскольку модели соответствуют реальности, постольку и теория отражает реальность. Но модель всегда основывается на упрощении, схематизации, идеализации реальности, поэтому и теория всегда отражает реальность лишь в упрощенном, схематизированном и идеализированном виде. Теоретические законы, в отличие от эмпирически найденных закономерностей и зависимостей, описывают свойства идеальных объектов. Чтобы применить теоретические законы к реальным объектам, необходимо построить для последних соответствующие теоретические модели.

Логическое развертывание и систематизация содержания теории

происходят в разных науках по-разному. 431

АКСИОМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД

В математике, начиная со времен Евклида, развивается аксиоматический метод построения теорий.

Аксиоматический метод состоит в том, что, во-первых, за исходные положения теории принимаются не подлежащие доказательству аксиомы; во-вторых, все остальные положения теории логически выводятся из аксиом по правилам дедуктивного вывода; в-третьих, все термины, содержащиеся в языке теории, определяются через неопределяемые термины, фигурирующие в аксиомах.

Аксиоматическое построение придает теории логическую стройность, строгость и четкость. Построение теории становится особенно строгим, если к трем указанным условиям добавляется еще точное определение используемых в ней правил логического вывода.

ФОРМАЛИЗАЦИЯ

Можно пойти в этом отношении еще дальше, если прибегнуть к формализации теории.

Формализация предполагает изложение теории на особом, формализованном языке, т. е. языке со строго фиксированным синтаксисом — набором исходных символов, правил образования из них языковых выражений (формул) и правил перехода от одних формул к другим.

Теория, изложенная в этом языке, превращается в формализованную систему. В такой системе содержательные рассуждения, основанные на понимании смысла терминов, заменяются формальными операциями со знаками по заданным правилам. Это позволяет сводить процессы рассуждения к четко определенным алгоритмам, программировать их и «поручать» их проведение компьютеру. Для приложения формализованной теории к описанию каких-либо объектов необходимо установить ее семантику (смысл ее языковых выражений, правила его нахождения). Интерпретация формализованной теории в соответствии с правилами семантики превращает ее в содержательную теорию определенной предметной области.

Аксиоматический метод нашел некоторое применение и в естественных науках (механике, оптике, термодинамике и др.). Однако возможности его применения в естествознании ограничены, так как содержание естественнонаучных теорий должно обосновываться и корректироваться опытом, а данные опыта «не обязаны» укладываться в рамки принятой заранее аксиоматики.

ГИПОТЕТИКО-ДЕДУКТИВНЫЙ МЕТОД

Для наук, основанных на опыте, более подходит гипотетико-де- дуктивный метод построения теорий. Он отличается от аксиоматического тем, что исходные положения теории формулируются не как аксиомы, а как гипотезы. В ходе разработки теории к ним могут до-

432

бавляться новые гипотезы и новые понятия, их дополняющие и уточняющие. В результате в теории образуется иерархическая система гипотез различного уровня общности. Из них дедуктивным путем извлекаются выводы, которые подлежат проверке опытом. Чем больше опыт подтверждает эти выводы, тем более достоверными считаются лежащие в их основе гипотезы и, следовательно, вся теория в целом.

При гипотетико-дедуктивном построении теории она формулируется как система гипотез, из которых выводятся эмпирически проверяемые следствия.

Научные гипотезы и теории должны удовлетворять ряду регулятивных методологических требований, соблюдение которых хотя и не обеспечивает их истинность, но, по крайней мере, дает им право на существование в науке. Важнейшими требованиями такого рода являются: 1.

Логическая непротиворечивость. 2.

Принципиальная проверяемость.

Из гипотезы (теории) должны вытекать следствия, доступные опытной проверке. В противном случае она является принципиально непроверяемой, т. е. ее нельзя ни подтвердить («верифицировать»), ни опровергнуть («фальсифицировать»), С неверифицируемыми и нефальсифицируем ым и гипотезами науке просто нечего делать. 3.

Фальсифицируемость, т. е. принципиальная возможность опровержения.

На важность этого методологического требования впервые обратил внимание в 1930-х годах К. Поппер. Если любые опытные данные способны только подтверждать гипотезу и не может быть вообще никаких способов ее опровергнуть, то она неинформативна (гипотезы, подобные неопровержимому прогнозу: «Либо дождик, либо снег, либо будет, либо нет», никакой информации не несут). 4.

Предсказательная сила.

Гипотеза (теория) должна не только объяснять факты, для объяснения которых она создана, но и предсказывать новые. Чем больше неизвестных явлений предсказывает гипотеза и чем менее вероятными представляются ее предсказания, тем выше ее предсказательная сила и тем больший прирост знания она способна дать. Гипотезы, специально придумываемые для объяснения какого-то явления и не имеющие никаких иных следствий, называются гипотезами ad hoc (лат. «к этому»). Такие гипотезы не допускают независимой от данного явления проверки и не приносят никакого достоверного знания. 5.

Максимальная простота. Под простотой гипотезы или теории здесь понимается прежде всего ее способность «исходя из сравнительно немногих оснований и не прибегая к произвольным допущениям ad hoc объяснить наивозмож- ———— 433 но широкий круг явлений [3]. С простотой связаны логическое совершенство, красота, изящество теории. Оценка гипотез и теорий по этому критерию имеет сравнительный характер: из нескольких равных по прочим критериям гипотез (теорий) предпочтительной является более простая.

6. Преемственность.

Новые идеи, гипотезы, теории должны вырастать из предшествующего научного знания, быть его дальнейшим развитием и продолжением. Новизна их всегда относительна: старое знание в них не отбрасывается, а используется для построения нового. Из новых идей, конкурирующих друг с другом, предпочтительнее (при прочих равных условиях) та, которая «наименее агрессивна» по отношению к предшествующему знанию, т. е. в наибольшей степени сохраняет его. Это находит выражение в принципе перманентности в математике (Ганкель) и принципе соответствия в физике (Бор); согласно им новая теория, расширяющая наши знания, должна включать в себя старую как свой частный или предельный случай. Именно так соотносятся евклидова и неевклидова геометрия, геометрическая и волновая оптика, классическая и квантовая механика и т. д.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Так как всякая математическая теория (геометрия, арифметика и др.) сама является дедуктивно построенной логической системой, то она представляет собою готовое средство для получения дедуктивных выводов. Но чтобы успешно применять это средство в науках о природе и обществе, необходимо в каждом конкретном случае устанавливать соответствие между понятиями математической теории и объектами, изучаемыми в этих науках. Иначе говоря, описание этих объектов должно быть переведено на математический язык.

Например, в механике скорость на математическом языке описывается как производная от функции s=f(t), т. е. в виде v=ds/dt\ ускорение — как вторая производная от данной функции: f=d2s/dt2. В оптике траектория светового луча в однородной среде описывается на математическом (геометрическом) языке термином «прямая линия», линза — термином «тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями», и т. д. Математические методы в принципе применимы во всякой науке. Однако степень их использования и их значение в разных науках различны. Математизация естественных и общественных наук плодотворна только тогда, когда в них выработаны достаточно четкие понятия, переводимые на языкматематики. Применению математических методов предшествует большая работа по качественному изучению явлений. Это соответствует общему ходу человеческого познания, в котором познание качественной определенности вещей, как правило, предшествует познанию их количественной определенности. Математика мало полезна там, где содержание исходных теоретических понятий плохо укладывается в строгие математические термины и формулировки. Но если это удается сделать, то математическая теория превращается в мощный и эффективный метод теоретического исследования природных и общественных явлений.

В качестве математических методов в разных областях науки могут выступать различные теории. Одни научные дисциплины ограничиваются применением лишь элементарных понятий и операций арифметики, другие привлекают средства математического анализа, дифференциальное и интегральное исчисление, третьи обращаются к аппарату тензорного анализа, теории вероятностей, теории групп и пр. Но как бы ни был своеобразен путь математизации научно-теоретического знания, начинается он обычно с квантификации — выяснения простейших количественных параметров и их соотношений. Дальнейшее развитие математического аппарата научной теории опирается на нахождение подходящих форм функциональной или статистической зависимости, способных служить идеализированным выражением связи между этими параметрами. На этой основе создается математическая схема изучаемых явлений, или математическая модель. Она может выражаться в виде системы функций, уравнений, геометрических фигур, графиков и т. д.

Математическое моделирование — это построение теоретических моделей на языке математики.

Математические модели позволяют теоретически исследовать не только количественную сторону явлений, но и многие их качественные, структурные и др. свойства. С помощью математических моделей становится возможным получать выводы, которые трудно или вообще нельзя получить другими средствами. Нередко перевод понятий науки на математический язык становится орудием научных открытий, формирования принципиально новых понятий и идей. Классическим примером здесь могут служить уравнения Максвелла в физике, истолкование которых привело к развитию теории электромагнитного поля.

Математика — язык современной науки. Большую эвристическую роль в теоретическом познании играет обращение к методу, который называют математической гипотезой. Суть этого метода состоит в том, что математический формализм (уравнение), описывающий одну область явлений, используется в качестве гипотетической математической схемы для описания другой области явлений. При этом в формализм вносятся необходимые из ——_— 435 менения, его символы получают новую интерпретацию. Таким путем было открыто Э. Шредингером волновое уравнение в квантовой механике, описывающее поведение электрона в электрическом поле.

В современной науке особое значение приобретает «машинная математика». С помощью компьютерных программ ныне решаются теоретические задачи, которые были бы практически неразрешимыми без них из-за громоздкости расчетов. Без компьютерного моделирования современная наука не могла бы даже поставить многие проблемы, которые ныне в ней исследуются.

Литература: 1.

Бранский В. П. Философские основания проблемы синтеза релятивистских и квантовых принципов. Іл. II. Л., 1973. 2.

Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 4. М., 1967. С. 40, 183,291. 3.

Баженов Л. Б. Строение и функции естественнонаучной теории. М., 1978. С. 128.