Взаимоотношения эмпирического и теоретического уровней в научном познании

Собственно говоря, вопрос о взаимоотношении эмпирического и теоретического уровней мы уже начали обсуждать, когда говорили о необходимости правил интерпретации в научной теории или когда обсуждали функции научной теории. В особенности именно в последнем разделе. По сути дела, все функции научной теории -- описание, предсказание и объяснение представляют собой именно взаимоотношение теоретического и эмпирического уровней.

Но этими функциями не исчерпывают всех аспектов взаимоотношения теоретического и эмпирического уровней и мы рассмотрим другие аспекты.

Мы говорили о том, что теоретический уровень является более высоким по отношению к эмпирическому. Это верно поскольку именно на теоретическом уровне мы переходим от познания явления к познанию сущности.

Но есть и обратное отношение. Через эмпирический уровень осуществляется проверка теории. То есть эмпирический уровень является критериальным по отношению к теоретическому. Сама процедура проверки достаточно понятна. Мы получаем следствия из теории, интерпретируем их на основе системы правил интерпретации и сравниваем результат с реальными эмпирическими данными. И в случае совпадения, мы говорим о подтверждении теории, а в случае несовпадения о ее опровержении.

И в этой области мы встречаемся с двумя очень серьезными проблемами философии науки.

Первая проблема имеет логический характер. Дело в том, что с позиций строгой логики правильность следствий не гарантирует правильности исходных посылок. Истинность не передается от следствий к посылкам. Поэтому, оставаясь в рамках строгой формальной логики, мы вообще не можем говорить о подтверждении теории, об ее истинности. Именно это обстоятельство послужило причиной того, что неопозитивистское направление в философии науки, которое отличалось крайней приверженностью к математической логике, к использованию формально-логических подходов, пришло к выводу, что нельзя говорить о подтверждении, но только о вероятности подтверждения. И даже пытались использовать формулы условной вероятности.

Следует заметить, что ложность передается от следствий к посылкам. Ложность следствий гарантирует ложность исходных посылок. Поэтому с позиций строгой логики возможным является опровержение. Именно на этом основывается концепция научного знания Карла Поппера.

Но вернемся к проблеме подтверждения теории. И вот здесь я высказываю тезис, о том, что в проблеме подтверждения естествоиспытатели не считают себя связанными требованиями формальной логики. Совпадение следствий из теории с эмпирическими результатами, эмпирическими данными квалифицируется как показатель правильности (истинности) теории.

Это, в общем-то, неслучайно. Научное мышление логично. Но логичность эта не является формально-логической. Например, распределение по аналогии является логичным, но ни в какую формальную логику не укладывается.

Вообще, если неукоснительно следовать требованиям формальной логики, то саму логику обосновать нельзя. Для ее обоснования требуется содержательное, а не формальное мышление.

Кроме того, я хочу напомнить, что в науке (да и не только в науке) мы имеем дело с приближенным знанием. А приближенное знание не укладывается ни в формальную двухзначную, ни в вероятностную логику.

Поэтому естествоиспытатели не слишком считаются с некоторыми требованиями формальной логики. Несколько иронически мышление естествоиспытателей выражается следующей формулой: одно совпадение это может быть и случайность, два совпадения -- это уже не случайность, три совпадения - это закономерность.

Конечно, когда речь идет о подтверждении теории, всегда требуется подтверждение не одним опытным результатом, а большим массивом опытных данных. Один-два правильных результата может дать и неправильная (ложная) теория. Но когда речь идет о большом массиве правильных следствий, то естествоиспытатели говорят не о вероятности правильности, а просто о правильности. Тем более, что само понятие вероятности в данной ситуации довольно сомнительно.

Можно указать некоторую иерархию показателей правильности.

Первый уровень -- это успешное описание некоторой области явлений.

Второй уровень -- это успешное описание нескольких классов явлений, который теория объединила в один общий класс.

Третий уровень -- успешное нетривиальное предсказание (нетривиально -- то есть предсказание явлений, которых мы еще не наблюдали и которые не могут быть получены иначе, чем на основе теории).

Чем выше уровень, тем надежнее проверка (подтверждение) теории. Собственно говоря, уже второй уровень считается достаточным. Но, как правило, второй уровень обязательно сопровождается третьим.

Итак, мы со всей определенностью утверждаем, что теория подтверждается эмпирическим уровнем.

Но не надо забывать и о возможности опровержения. Теория может быть не только подтверждена, но и опровергнута.

Первым, кто обратил внимание на фундаментальную роль опровергающих результатов был Френсис Бэкон. Еще в самом начале XVII века (в 1620г.) он писал в своем ``Новом Органоне", что один опровергающий результат имеет большее значение, нежели многочисленные подтверждающие.

В принципе, это согласуется с логическим требованием, состоящим, как я уже имел честь вам говорить, в том, что ложность следствий гарантирует ложность посылок.

Но здесь есть очень любопытное обстоятельство. Историки и методологи науки довольно давно обратили внимание на довольно странное явление: далеко не всегда опровергнутая теория отбрасывается. Нельзя сказать, что это случается часто. Напротив, чаще всего опровергнутая теория таки отвергается. Но бывают случаи, когда ее и не отбрасывают. Почему так может быть?

По моему мнению это происходит в силу приближенности нашего знания (в том числе и научного). Я уже обращал ваше внимание на то, что понятие приближенного знания не укладывается ни в рамки формальной двухзначной логики, ни даже в рамки вероятностной логики. И поэтому строгое следование требованиям формальной логики в естествознании просто невозможно.

Приближенность знания означает, что каждая теория имеет какие-то границы применимости, внутри которых она верна и не вероятностно, а просто верна, но за пределами этих границ, она, конечно, неверна, ложна, а точнее говоря - неприменима.

Обнаружение экспериментального опровержения при наличии большого числа подтверждающих эмпирических результатов может означать, что мы дошли до границ применимости. При этом в самой области применимости теория остается вполне верной.

Но есть и еще один аспект. Иногда теорию удается ``подправить'', не меняя кардинально ее содержание. Это достигается за счет введения дополнительных гипотез, которые, хотя и не следуют из основного содержания теории, но и не меняют ее характера (скажем, в молекулярной физике мы можем точнее учить межмолекулярное взаимодействие).

И вот тут мы встречаемся с еще одной проблемой, относящейся к общему вопросу о проверке -- подтверждении или опровержении теории. Я имею в виду чрезвычайно широко известный и интенсивно дискутирующий в философии науки тезис Дюгема-Куайна или, сокращенно, Д-тезис. Д-тезис был сформулирован выдающимся представителем второго позитивизма, крупным физиком П.Дюгемом в книге ``Физическая теория, ее цель и строение'', вышедшей в начале века. В дальнейшем он был разработан американским логиком У.О.Куайном, и он очень интенсивно обсуждался в философии науки XX века.

Смысл Д-тезиса состоит в том, что любую теорию, даже неправильную (ложную), можно согласовать с опытными данными за счет введения дополнительных гипотез. При этом подразумевается, что эти дополнительные гипотезы не меняют кардинально содержания теории. Например, различные дополнительные гипотезы о свойствах эфира не меняют общей идеи эфирной электродинамики (и оптики).

Отметим, что Д-тезис имеет определенное рациональное содержание. Действительно, в науке достаточно часто трудности преодолеваются путем введения дополнительных гипотез.

Однако, если Д-тезис расследовать как общее положение для науки в целом, а не для каких-то частных случаев, представляется мне неверным и, более того, - опасным для существования науки.

Дело в том, что с точки зрения Д-тезиса никакую теорию нельзя опровергнуть, коль скоро любую теорию можно согласовать с опытными данными путем введения дополнительных гипотез. Но это означает, что никакую теорию нельзя и проверить. Т.е. само понятие проверки становится сомнительным.

Легко видеть, что Д-тезис является по своей сути, одним из выражений феноменалистической инструменталистской позиции: никакая теория не является ни правильной (истиной), ни неправильной (ложной) -- любую можно согласовать с опытом. Теория является лишь удобным инструментом для описания опытных данных.

В философии науки Д-тезис обычно подвергают критике и отвергают на основе принципа простоты: наращивание одной за другой дополнительных гипотез нарушает простоту теории.

Это совершенно верно, но я думаю, что критику Д-тезиса можно серьезно усилить если использовать не только принцип простоты, но еще более мощный принцип системности.

Я намерен отложить обсуждение этого вопроса на будущее. Дело в том, что один из разделов моего курса специально посвящен фундаментальным методологическим принципам научного познания. Именно в этом разделе будет изучаться принцип системности и в нем я намерен дать более развернутое понимание содержания принципа и, в частности, его использования как орудия критики Д-тезиса.

А сейчас я просто скажу (а вас прошу мне поверить), что Д-тезис несостоятелен. Теорию можно (и нужно) проверять или опровергать путем ее соотнесения с эмпирическим уровнем.

Итак: теория проверяется -- подтверждается или опровергается путем ее соотнесения с эмпирическим уровнем, который является критериальным для теории.

Но эмпирический уровень является не только средством проверки теории. Эмпирический уровень, эмпирические данные (особенно новые) являются стимулирующим фактором для развития теоретического уровня, для создания новых теорий. Более того, они не просто стимулируют развитие теоретического уровня, но и направляют развитие теории.

И опять мы встречаемся с проблемой философии науки. Действительно ли эмпирические данные, эксперимент стимулируют и направляют развитие теории? В философии науки достаточно распространены позиции отрицающие это. Наиболее четко эта позиция была выражена А.Эйнштейном. В одной из своих работ Эйнштейн высказал вполне правильный тезис, о том что нет логического пути от опыта к теории. Действительно, теория не есть логическая формула связывающая между собой опытные данные. И мы это уже говорили, обсуждая ``рамсей-элиминацию теоретических терминов''. Но далее Эйнштейн развивает это положение в том плане, что опытные данные не только не направляют, но даже не являются стимулом к развитию теории. По выражению Эйнштейна ``теория является свободным творением человеческого разума'' и только потом, будучи уже создана, проверяется экспериментом. В обоснование своей точки зрения Эйнштейн говорил (заметим -- в 1935 г.), что опыт Майкельсона не сыграл сколько-нибудь заметной роли в процессе создания специальной теории относительности и что он (Эйнштейн) не помнит даже, знал ли он об этом опыте вообще.

Что можно сказать по поводу этой позиции?

Я надеюсь, что вы уже успели заметить, что я крайне редко опираюсь на мнения авторитетов. Но сейчас я сделаю исключение.

Я думаю, что все вы знаете известный афоризм: хорошая теория -- это хорошо, но хороший эксперимент остается навсегда. Вы, если не помните сами, можете спросить: а кто это сказал? Я отвечаю - Петр Леонидович Капица. И я предвижу вашу реакцию: ну, Капица это экспериментатор и он защищает свои ``классовые'' интересы.

Поэтому я хочу обратиться к другому авторитету, которого никак нельзя заподозрить в защите интересов экспериментаторов. Это Макс Борн, который, как вы несомненно знаете, никогда экспериментатором не был.

Макс Борн был в очень близких дружеских отношениях с Эйнштейном. Они постоянно переписывались, но при этом Борн все время полемизировал с Эйнштейном и в письмах, и в печатных работах. В основном эта полемика была связана с проблемами интерпретации квантовой механики, но в ней очень часто затрагивались и общеметодологические аспекты.

Так вот, обсуждая указанную позицию Эйнштейна по вопросу о происхождении теории, Борн писал, что теория не является результатом ``спонтанного колебания человеческого мозга'', ее создание стимулируется и направляется опытными данными.

Другой авторитет, на которого я хочу сослаться, также никогда не занимался экспериментом -- это Дирак.

Хорошо известно, что Дирак был большим поклонником идеи математической красоты в научном познании. Он посвятил этой идее немало очень красноречивых и интересных статей и высказываний. Фразу: ``физический закон должен быть математически красивым'' Дирак даже написал на стене одной из аудиторий Московского университета.

Но вот, в одной из своих работ, как раз посвященной идее математической красоты, в последнем абзаце Дирак пишет: ''Но может случиться, что и этот (основанный на идее математической красоты -- С.И.) путь не приведет к успеху. И тогда остается только одно -- ждать появления нового Гайзенберга, который сумеет обобщить опытные данные и на основе этого обобщения построить теорию''. Т.е., как бы ни был хорош путь, основанный на идее математической красоты, последним доводом (ultima ratio) остаются опытные данные -- за ними последнее слово.

Но я думаю, что вам и без ссылок на такие авторитеты, как Борн и Дирак на основе вашего знания физики и так ясно:

Но есть и обратное отношение теории и эксперимента. Новая теория, делая предсказания, заставляет нас развивать эмпирический уровень. Любое предсказание, а особенно неожиданное, требует для своей проверки новых технических средств. Это заставляет нас (человечество) создавать эти средства, новые приборы и установки. С помощью этих приборов и установок получаются новые результаты; некоторые из них оказываются неожиданными и для самой теории, что требует уже развития теории.

И так, видимо, до бесконечности.

Таким образом, взаимоотношение эмпирического и теоретического уровней носит очень нетривиальный двухсторонний характер.

В свете этого даже можно понять (но не согласиться!) сторонников позиции нераздельности теоретического и эмпирического уровней научного познания.

В заключение данной части я хочу остановиться на одной проблеме.

В литературе довольно часто высказывается точка зрения, согласно которой любой эксперимент ставится ``под какую-то теорию''.

Легко видеть, что это вариант концепции теоретической нагруженности эмпирических фактов, хотя, быть может, и несколько ослабленный.

Я считаю эту точку зрения совершенно неверной. Я уже приводил пример с опытом Фарадея со свечей между полюсами магнита. Какая у Фарадея могла быть теория? Да никакой! Фарадей просто хотел посмотреть: а что из этого выйдет? Не обнаружится ли какая-нибудь связь. Он мог ожидать чего угодно -- что пламя свечи погаснет, что пламя разгорится, что пламя изменит свой цвет. Оказалось, что оно отклоняется. А сколько-нибудь внятная теория появилась много позже.

Мне приходилось слышать возражение: а вот это соображение ``а вдруг есть какая-нибудь связь''- это и есть теория. Но я уже говорил, что никакая это не теория, а нормальная предпосылка эмпирического исследования. А назвать это соображение ``теорией'' -- это или полное непонимание того, что такое теория (недомыслие) или крайне расширительная (а на самом деле - мошенническая) трактовка слова ``теория''.

Поэтому поводу я хочу сказать, что эксперименты бывают проверочные, направленные на проверку (подтверждение или опровержение) какой-либо теории, а бывают поисковые. В жаргоне ученых они еще называются ``дикими''.

Но вот что действительно правда, так это то, что в XX веке число таких ``диких'' экспериментов неуклонно падает.

Многие авторы считают это явление бедой современной науки и связывают его с тем, что современный эксперимент -- удовольствие очень дорогое (напомню, что установка VA-1, на которой были открыты W ± и Z ^о-бозоны, представляла собой сооружение размером 10м×10м×20м, набитое регистрирующей аппаратурой, -- и это не считая ускорителя 30 км длинной). Поэтому, чтобы получить разрешение на проведение какого-либо эксперимента и его финансирование требуется очень подробное теоретическое обоснование.

Это совершенно верно. Действительно, прошли золотые времена, когда научный эксперимент был простым и недорогим. В Англии в конце прошлого и начале нашего века была ``научная школа сургуча и веревки''. Собственно говоря, не школа, а, скорее, убеждение, что экспериментатор должен уметь поставить свой опыт, пользуясь обрывком веревки, кусочком сургуча и собственными, простите, слюнями (чтобы приклеивать). Это, конечно, анекдот, но название ``школа сургуча и веревки'' таки было. Но, как я уже сказал, эти золотые времена прошли. И сейчас эксперимент действительно дорогое удовольствие.

Но я хочу обратить ваше внимание на то, что удорожание -усложнение современного эксперимента -- это результат самого развития науки. Мы в своем познании далеко ушли от непосредственно наблюдаемых явлений (первого порядка) и углубились в сложность микромира и в необъятность Вселенной -- в явления высокого порядка.

Я еще хочу отметить, что сейчас почти не осталось областей, в которых у нас нет предваряющего эксперимент и весьма развитого теоретического знания.

Пожалуй, единственные области -- это экстрасенсология и уфология. Вот там ``эксперименты'' недорогие. Когда некто Ажажа (я не знаю Ажажá или Ажáжа) изучает ``энлонавтов'', которые вылазят из ``тарелок'' (я слышал от своих аспирантов чудесное слово -- УФЫРИ) и отличаются ростом -- от 3 м до 1 м, причем маленькие -- это, видимо, недокормленные, то тут, действительно, теории даже не нужно. Но это, как вы сами понимаете, в шутку.

А всерьез, я еще раз повторяю, мы уже очень далеко продвинулись в нашем познании и именно это является причиной сложности современного эксперимента.

На этом я заканчиваю часть курса, посвященную структуре научного знания, взаимоотношению эмпирического и теоретического уровней. Следующая часть будет посвящена методам научного познания.