Методы теоретического познания

 

Формализация – это отражение приобретенного знания в знаково-символическом виде. Этот подход в научном познании базируется на различении естественного и искусственных языков. Примером формализации является олько помогает закрепить знание, но и служит своего рода инструментом в процшироко используемая в науке математическая символика, которая не тессе познания. Для построения любой формальной системы необходимо: 1) задать алфавит (определенный набор знаков); 2) задать правила, по которым из исходных знаков алфавита можно получить «слова» или «формулы»; 3) задать правила, по которым из одних слов (формул) можно перейти к другим словам (формулам).

Достоинство формальных систем (искусственных языков) заключается в следующем. Формальные системы позволяют проводить исследования (в данном случае это оперирование знаками) какого-либо объекта без непосредственного обращения к нему. К числу других достоинств формальных систем можно отнести краткость и четкость фиксирования информации. В истории науки имеются примеры, когда формальная сторона дела наводила ученых на очень плодотворные соображения, которые впоследствии подтверждались эмпирическим путем. Так, например, физик П. Дирак, решая уравнение, описывающее движение электрона, натолкнулся на такие варианты решений, которые соответствовали состояниям частицы с отрицательной кинетической энергией. Пытаясь объяснить эти результаты,  П. Дирак высказал предположение о том, что, возможно, помимо электронов существуют частицы, которые тоже описываются этим уравнением. И впоследствии экспериментами были обнаружены такие частицы, которые получили название позитронов.

Но следует иметь в виду, что все формальные системы существуют только на основе естественного языка. Формализация внутренне ограниченна. Всеобщего метода, позволяющего любое рассуждение заменить вычислением, не существует. Это утверждение, в частности, вытекает из результатов, полученных в начале 30-х годов математиком К. Геделем, который сформулировал и доказал теорему о «неполноте» всех формальных систем. Согласно этой теореме, любая формальная система либо противоречива, либо содержит в себе высказывания, которые нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Эту же мысль можно ещё выразить иначе: какими бы богатыми ни были искусственные языки, в них всегда будут содержаться высказывания (формулы), имеющие смысл, строго логически не выводимый по формальным правилам этого языка. Поэтому искусственный язык не является единственным языком науки.

Аксиоматический метод – это один из способов дедуктивного построения научных теорий. В его основе лежит следующая последовательность процедур:

1) Формулируется система основных терминов науки (например, в геометрии Евклида – понятие точки, прямой, угла, плоскости и т.д.)

2) Из этих терминов формулируется некоторое множество аксиом (постулатов) – положений, не требующих доказательств и являющихся исходными, из которых выводятся все другие утверждения теории по определенным правилам.

3) Формулируется система правил вывода, позволяющая преобразовывать исходные положения и переходить от одних положений к другим, а также вводить новые термины в теорию.

4) Осуществляется преобразование постулатов по правилам, дающим возможность из ограниченного числа аксиом получить множество доказуемых положений – теорем.

Как правило, аксиоматический метод может быть применен только для таких теоретических систем, которые в общих чертах уже построены. Как показывает история науки, на стадии становления теория пробивает себе путь, по большей части, методом «проб и ошибок», и лишь на стадии завершения весь корпус знаний может быть оформлен согласно аксиоматическому методу. Во многом это связано с требованиями, предъявляемыми к аксиомам. Помимо непротиворечивости и логической независимости друг от друга, аксиомы должны быть ещё «достаточно полными», т.е. всё содержание научной теории должно выводиться из ограниченного набора аксиом без привлечения каких-либо дополнительных недоказуемых утверждений, – а это, конечно, возможно только в том случае, когда теория хотя бы в общих чертах уже построена. Аксиоматический метод широко используется для построения математических дисциплин. Масштабная программа «аксиоматизации» математики была предпринята на рубеже XIX–XX веков, в период становления теории множеств, считающейся в этом плане основой всей математики.

Гипотетико-дедуктивный метод. Сущность этого метода заключается в создании дедуктивной системы связанных между собой гипотез, из которых, в конечном счете, выводятся утверждения об эмпирических фактах. Таким образом, гипотеза (предположение) – это исходное понятие данного метода и ее можно определить как положение, выводимое в качестве предварительного условного объяснения некоторого явления. Метод основан на выведении заключений из гипотез, которые по определению не являются достоверными истинами, поэтому все заключения из неё носят вероятностный характер. Общая структура гипотетико-дедуктивного метода выглядит следующим образом:

1) Сначала нужно ознакомиться с тем фактическим материалом, который требует теоретического объяснения, и нужно попытаться найти это объяснение, используя уже существующие теории и законы.

2) Выдвигаются предположения о причинах и закономерностях данного явления.

3) Все имеющиеся предположения нужно оценить и выбрать из них наиболее вероятное. При этом каждая гипотеза проверяется на логическую непротиворечивость и на совместимость с фундаментальными теоретическими принципами данной науки (например, с законом сохранения энергии).

4) Из гипотезы выводятся дедуктивным путем следствия.

5) Экспериментально проверяются выведенные из гипотез следствия. И лучшая по результатам проверки гипотеза получает статус теории.

Гипотетико-дедуктивный метод представляет собой иерархию гипотез. На самом верху находятся гипотезы, имеющие наиболее общий характер. Внизу же находятся гипотезы, которые можно сопоставить с эмпирической действительностью. Этот метод широко используется, к примеру, при построении физических теорий.

 

Общенаучные методы

 

Анализ (с греч. – разложение) – это разделение объекта на составные части с целью их самостоятельного изучения. Данный метод применяется как в практической, так и в мыслительной деятельности.

Например, анализом может быть исследование причины какого-нибудь явления или выявление структуры и уровней знания.

Синтез (с греч. – соединение) – это объединение, мыслимое или реальное, различных сторон объекта в единое целое. Как правило, результатом синтеза является новое образование. Термины «анализ» и «синтез» пришли в науку из алхимии, в которой под анализом понималось разложение вещества на составляющие элементы, а под синтезом – соединение исходных элементов в некое вещество.

Абстрагирование. Процесс абстрагирования – это переход (восхождение) от чувственно воспринимаемых конкретных объектов к абстрактным представлениям о них. В ходе этой процедуры исследователь отвлекается от одних, менее существенных сторон объекта и одновременно выявляет другие, более существенные стороны объекта. Результат, получаемый в процессе абстрагирования, называют абстракцией (с лат. – отвлечение). В научном познании выделяют абстракции отождествления и изолирующие абстракции. Абстракция отождествления получается в результате объединения множества объектов в особую группу на основе каких-либо общих признаков. Например, всё множество животных и растений, таким образом, группируются по видам, родам, отрядам и т.д. Изолирующая абстракция получается в результате выделения некоторых свойств объекта, которые неразрывно связаны с ним, в самостоятельные сущности. Например, в науке используются такие изолирующие абстракции, как «растворимость» веществ или «электропроводность» материалов. Процесс абстрагирования всегда является упрощением действительности, но, вместе с тем, у исследователя появляется возможность глубже понять эту действительность.

Идеализация – это особый вид абстрагирования, который представляет собой мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследований. В качестве примера идеализации можно назвать понятие абсолютно черного тела. Такое тело наделяется несуществующим в природе свойством поглощать (ничего не отражая) всю попадающую на его поверхность энергию. Спектр излучения абсолютно черного тела является идеальным случаем, на основе которого можно кое-что узнать о процессе излучения вообще. Целесообразность идеализации определяется следующими обстоятельствами:

1) Когда реальные объекты очень сложны для теоретического анализа (идеальные же объекты существенно упрощают задачу).

2) Когда необходимо исключить из исследования некоторые свойства, без которых объект существовать не может, но которые затемняют суть дела.

3) Когда исключаемые свойства объекта не влияют в рамках данного исследования на характер протекающих процессов.

Мысленный эксперимент – это метод, предполагающий оперирование идеализированным объектом (который в этом случае заменяет объект реальный). В ходе мысленного эксперимента идеализированный объект ставится, как и при реальном эксперименте, в условия, соответствующие целям исследования. Как правило, мысленный эксперимент выступает в роли предварительного идеального плана реального эксперимента. Иногда результаты мысленных экспериментов ставили перед наукой серьёзные проблемы. В качестве примера можно привести так называемый «Демон Максвелла» – мысленный эксперимент, поставивший под сомнение второе начало термодинамики. «Предположим, – писал Максвелл, – что имеется сосуд, разделенный на две части А и В перегородкой с небольшим отверстием, и что существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие так, чтобы дать возможность только более быстрым молекулам перейти из А в В и только более медленным перейти из В в А. Это существо, таким образом, без затраты работы повысит температуру в В и понизит в А вопреки второму началу термодинамики». Поиск ответа на сформулированный Максвеллом парадокс способствовал развитию научного знания.

Индукция (от лат. inductio – наведение, побуждение) – это метод познания, который путем умозаключения ведет к общему выводу на основе частных посылок. Или, говоря другими словами, это есть восхождение от частного к общему. Метод индукции наиболее отчетливо проявляет себя в процессе обобщения эмпирических фактов. Популяризатором индуктивного метода познания считается Ф. Бэкон, который усматривал в данном методе познания основной способ открытия новых истин в науке. Именно на основе индуктивного метода познания Ф. Бэкон выстраивает программу научных исследований. В действительности же, метод индукции применяется в сочетании с другими методами научного познания и не обладает той преимущественной ролью, какую отводил ему Бэкон.

Дедукция (от лат. deductio – выведение) – это метод познания, который на основе общего положения ведет к частным выводам. Или, если говорить другими словами, это есть движение от общего к частному. Если исходное положение является истинным, то дедуктивные выводы из него тоже будут являться истинными. Метод дедукции наиболее отчетливо проявляет себя в математике. И, пожалуй, математика является единственной собственно дедуктивной наукой.

Аналогия и моделирование. В основе метода аналогии лежит сходство свойств у различных в целом объектов. При этом чем больше известно свойств, чем более они существенны для объектов и чем глубже понята между ними взаимосвязь, тем выше вероятность прийти методом аналогии к правильным результатам. Особенность этого метода состоит в том, что непосредственно исследуется один объект, а вывод строится о другом объекте. Исследуемый объект здесь называется моделью, а тот, о котором строится вывод, – оригиналом. Таким образом, в методе аналогии один объект всегда является моделью (аналогией) другого объекта. Моделирование же включает в себя процесс создания и изучения объекта-модели, и перевод результатов на объект-оригинал.

 

Формы научного знания

 

Научное знание включает в себя отношения эмпирического и теоретического уровней познания. В качестве форм научного знания можно указать проблемы, гипотезы, теории, факты, законы, принципы, идеи, аксиомы, теоремы, эмпирические обобщения, концепции, научная картина мира. Иногда формы научного знания являются выражением промежуточных фаз в проведении исследований, – являются предварительными результатами. А иногда они имеют характер окончательного результата, смыслом и целью проведенных исследований. Некоторые формы знания имеют место исключительно на эмпирическом уровне познания (эмпирические обобщения, факты), а иные – исключительно на теоретическом уровне познания (теории, принципы, научная картина мира). И еще, стоит здесь подчеркнуть, что перечисленные формы представляют собой знания, выраженные и зафиксированные в языке науки, т.е. знания, которые могут быть общедоступными, о которых исследователь может сообщить научному сообществу и другим людям, – в отличие, скажем, от интуиции, тоже представляющую собой форму знания.

Научная проблема (от греч. problema – преграда, трудность, задача) представляет собой вопрос или совокупность вопросов, совокупность исследовательских задач, которую формулирует ученый относительно изучаемого им предмета. По своей природе научная проблема парадоксальна. Она представляет собой «знание о незнании». Чтобы сформулировать научную проблему, нужно уже многое знать о предмете познания. В некотором смысле, развитие науки происходит как совершенствование формулировок старых проблем и постановка новых. Так, например, К. Поппер в развитии науки выделяет следующие стадии: Р(1) – ТТ – ЕЕ – Р(2), где Р(1) – исходная проблема, ТТ – пробные теории, ЕЕ – стадия устранения ошибок, стадия выбора, уточнения теории, Р(2) – новая научная проблема. Таким образом, наука движется, по Попперу, от проблемы к проблеме.

Чаще всего научные проблемы возникают из проблемных ситуаций, а они, в свою очередь, возникают из противоречий, несоответствий в науке, которые могут обнаруживаться между эмпирическими данными и теорией. Например, корпускулярные представления о природе света, разработанные И. Ньютоном, прекрасно описывали явления отражения и преломления света, но не позволяли объяснить явления интерференции и дифракции. Затем Т. Юнг и О. Френель разработали новый подход, согласно которому свет уже понимался не как поток корпускул, частиц, а как волновой процесс. Другой пример. На рубеже XVII-XVIII веков немецкий химик Г. Э. Сталь разработал флогистонную теорию. По этой теории разные вещества содержат в себе «начало горючести» – флогистон. В процессе горения или при прокаливании вещества теряют флогистон. Поэтому, скажем, окисление металлов всегда должно сопровождаться уменьшением их массы из-за потери в их составе флогистона. Однако опыты показывали, что окисляющиеся вещества не уменьшаются в массе, а наоборот – увеличиваются. На это несоответствие ответила новая, кислородная теория окисления, созданная в 80-е годы XVIII века французским химиком А. Л. Лавуазье.

Несоответствия в науке могут обнаруживаться внутри научной теории. Так, например, в начале XX века были обнаружены противоречия в основаниях теории множеств, построенной Г. Кантором. Противоречия были связаны с введением в теорию абстракции актуальной бесконечности. Главной особенностью множеств с бесконечным числом элементов являлось то, что они могут содержать себя в качестве своего же подмножества, – они могут, другими словами, находиться во взаимно однозначном соответствии со своей частью, со своим подмножеством. Эта черта множеств с бесконечным числом элементов и стала причиной логических парадоксов, сформулированных уже вскоре после создания теории, что и вызвало кризис в математике, так как теория множеств выступала в качестве фундамента всей классической математики.

Гипотеза (от греч. hipothesis – основание, предположение) – это предположение, вводимое в качестве предварительного условного объяснения некоторого явления. Гипотеза, по сути своей, является формой вероятного знания. Гипотеза проходит через стадию эмпирического подтверждения или опровержения; подтверждаясь, она принимает форму достоверного знания, после же опровержения она отбрасывается. Эмпирическая проверка (подтверждение или опровержение) гипотезы чаще всего осуществляется через сопоставление следствий, выводимых из гипотезы, с результатами наблюдений, экспериментов, измерений. Например, решающим экспериментальным подтверждением гипотезы Н. Коперника о том, что земля вращается, стал знаменитый опыт французского физика Фуко, проведенный им в 1851 году, т.е. почти через три столетия после выдвижения гипотезы. Фуко сделал огромный маятник (шар весом в 28 кг был подвешен на 67 метровом стальном тросе) и обнаружил, что плоскость колебания такого маятника постоянно проворачивается. Это необычное явление можно объяснить, только если предположить наличие сил, связанных с неинерциальной системы отсчета. В данном случае на маятник действует сила инерции Кориолиса. Таким образом, этот опыт продемонстрировал, что земля вращается.

Иногда возможны прямые эмпирические проверки гипотезы. Такая возможность имеет место, когда гипотеза указывает на существование нового объекта. Так, например, наблюдая за движением Урана, ученые обнаружили несоответствие данных с результатами расчетов. В качестве объяснения этого несоответствия астрономы выдвинули гипотезу о существовании неизвестной планеты и рассчитали ее положение. Как известно, эта гипотеза привела к открытию новой планеты, названной Нептуном.

Научные факты (с лат. factum – сделанное, свершившееся) – это зафиксированные в языке науки знание о действительных событиях, связях, свойствах изучаемых объектов. Научные факты – это результат познания действительности на эмпирическом уровне. Иногда научные факты могут относиться к тем же предметам и явлениям, что и факты здравого смысла, которые человек приобретает при обыденно-практическом познании, – и там, и тут факты служат как фиксация происшествий, событий, явлений. Тем не менее, научные факты несут несколько иную информацию. Во-первых, они устанавливаются на основе научных методов познания, проходят через процедуру эмпирического обобщения, статистической обработки и обладают более высокой степенью достоверности. Во-вторых, научные факты – это результат осмысления в свете определенных научных теорий. Научные факты всегда соотнесены с определенными теоретическими представлениями. Это проявляется, в частности, в том, что научные факты всегда выражены на языке некоторой теоретической системы. Например, такой объект как Луна на языке доклассической науки (в птолемеевой системе мира), был назван планетой, а на языке классической науки он именовался уже как спутник; и за этими разными терминами стояли разные теоретические представления; в птолемеевой системе у планет не было спутников.

Законы науки. Закон представляет собой утверждение, фиксирующее определенную связь между явлениями и предметами. Эта связь характеризуется такими чертами как общность, т.е. связь относится не к отдельным явлениям и предметам, а ко всем предметам и явлениям определенного типа (другими словами, выделяет не индивидуальное, а общее); существенность, т.е. связь выделяет наиболее важные, значимые стороны явления или предмета; необходимость, т.е. связь проявляется с необходимостью при соответствующих условиях; повторяемость; устойчивость. Так как предметные области могут быть более или менее широкими, то и законы в научной теории могут различаться по степени общности. Большей степенью общности обладают те законы, которые относятся к более широким предметным областям. Так, например, законы движения в специальной теории относительности обладают большей степенью общности, чем законы классической механики, поскольку область применения последних гораздо ýже и ограничивается лишь «малыми скоростями» (малыми по сравнению со скоростью света). Есть общие законы – законы, характерные для большого круга явлений и применяющиеся в разных науках; пример тому – закон сохранения энергии. А есть частные законы – законы, отражающие связи определенного класса явлений; например, динамические законы, биологические или социальные законы.

Возможность вывода согласно формальным правилам одних законов из других, ещё не определяет их степени общности. Так, например, закон сохранения импульса в классической механике можно рассматривать как следствие основных постулатов Ньютона; и, тем не менее, их степени общности будут одинаковы. Поскольку, по определению каждая группа законов является предельно общей для соответствующей предметной области; а предметные области закона сохранения импульса и законов Ньютона совпадают. К тому же, и из закона сохранения импульса тоже можно вывести второй закон Ньютона.

Законы также можно подразделять на динамические и статические. Динамические законы устанавливают однозначную связь между предметами или между разными состояниями изучаемой системы; например, законы классической механики. Прогнозы, построенные на основе таких законов, дают однозначное предсказание. Статистические же законы устанавливают вероятностную связь между предметами или между разными состояниями изучаемой системы; например, законы статистической физики, законы квантовой механики.

Главное отличие закона от эмпирического факта состоит в том, что закон позволяет получить на основе формальных преобразований некоторые новые знания, тогда как эмпирический факт, сколь бы он общим ни был, не позволяет перейти к другому факту без соответствующего обращения к наблюдениям. В составе научной теории законы выполняют ряд важнейших функций, которые здесь стоит перечислить:

1) Законы ограничивают предметную область, к которой могут относиться приобретаемые с их помощью эмпирические знания. (Например, первый закон Ньютона выделяет предметную область, ограниченную инерциальными системами отсчёта.)

2) Законы содержат в себе информацию об условиях, в которых могут проводиться наблюдения и эксперименты. (Например, соблюдение таких условий требует действие закона Кулона: электрически заряженные частицы должны быть неподвижными и достаточно малыми по сравнению с расстоянием между ними.)

3) Законы позволяют осуществить формальный вывод одних единиц знания из других. Ибо от законов требуется не только соответствие их явлениям действительности, но и возможность применения к ним некоторых формальных преобразований, на основе которых можно было бы получить новые эмпирические знания, находящиеся во взаимосвязи с изучаемыми системами объектов.

4) Законы формулируют запреты и выполняют в этом смысле защитную функцию. Они указывают, какие ситуации, свойства, отношения и процессы запрещено рассматривать в рамках данной теории. (Например, такую функцию выполняет второй закон термодинамики, запрещающий, в частности, перенос тепла от холодного тела к горячему.)

Здесь добавим еще, что предсказание новых фактов, выведенных как следствие из законов, а также оценка, опровержение или подтверждение законов полученными эмпирическими данными предполагают наличие системы связанных законов и гипотез. Ибо формальный вывод из какого-нибудь изолированного теоретического утверждения не предоставит нам возможность получить новое знание и даст лишь переформулировку этого теоретического утверждения. Другими словами, для роста научного знания необходимо, чтобы теоретическая система была достаточно богатой и представляла собой сеть взаимосвязанных законов и гипотез.

Научная теория представляет собой наиболее развитую форму научного знания. Научная теория дает целостное, систематическое описание соответствующей области действительности, она раскрывает существенные характеристики и закономерности, свойственные этой области. Наличие теории в составе той или иной науки свидетельствует о достижении определенной стадии зрелости. Теория формируется только тогда, когда есть условия, предпосылки для ее формирования. Если вести речь об эмпирических науках (а большинство наук является именно таковыми), то для создания теории необходимо наличие солидного эмпирического базиса. Эмпирический базис образуется совокупностью результатов наблюдений, экспериментов, измерений, описывающих предметную область теории. Например, механике Ньютона предшествовал этап накопления и систематизации эмпирического материала, описывающего свойства механических систем и процессов, теории Дарвина об эволюции видов живых организмов предшествовал этап накопления и систематизации эмпирического материала, описывающего процессы изменчивости, наследственности, борьбы за существование, теории Максвелла предшествовал этап накопления и систематизации эмпирического материала, описывающего взаимосвязь электрических, магнитных и световых явлений.

Развитым формам теории нередко предшествуют частные теоретические разработки. Так, например, до того как появилась классическая механика Ньютона, Кеплер разработал теорию, описывающую движение планет, а Галилей открыл закон свободного падения тел.

Научная теория сложна по своему составу, в неё входят:

1) основания – фундаментальные понятия (к примеру, понятия «энергия», «сила»), принципы (принцип дальнодействия, принцип суперпозиции полей), законы (закон равенства действия противодействию, закон сохранения энергии), уравнения, аксиомы;

2) идеализированные объекты – абстрактные модели свойств и связей изучаемых предметов (к примеру, «планетарная модель атома», «абсолютно черное тело», «идеальный газ», «материальная точка»);

3) совокупность логических правил, методов, приемов обоснования, способов доказательства;

4) философские установки (к примеру, абсолютность пространства и времени и их независимость друг от друга в классической механике) и ценностные ориентиры (такие, к примеру, как точность);

5) совокупность законов и утверждений, выводимых из основоположений теории.

Контрольные вопросы

1. Опишите механизм получения научного знания? Как исторически меняется этот механизм?

2. Как взаимодействуют основания науки и эмпирический опыт в научной деятельности?

3. Могут ли эмпирические факты повлиять и изменить основания науки?

4. В чём отличие наблюдения и эксперимента в структуре эмпирического знания?

5. При каких условиях эмпирический факт становится научным фактом?

6. Могут ли ненагруженные теоретически факты быть научными?

7. Как обосновываются теоретические знания?

8. Могут ли новые теории не требовать изменения оснований науки?

9. Включаются ли новые теоретические представления в культуру?

10. В чём заключается ограниченность гипотетико-дедуктивной концепции теоретических знаний?

11. Какую роль играет мысленный эксперимент для теории?

12. Какую роль в структуре оснований науки играют идеалы и нормы исследования?

13. Коррелирует ли перестройка оснований науки с изменением смысла мировоззренческих универсалий культуры?