Естественно-научные методы познания мира и измерение объектов живой и неживой природы

В современном обществе человек чаще всего руководствуется научной методологией, порой даже не осознавая это. Нажимая выключатель света в квартире, мы прерываем электрическую цепь, в результате чего свет гаснет. Это – один из примеров причинно-следственной связи. Важнейшей составляющей научной методологии являются научные методы, их разнообразие можно представить в виде пирамиды. На вершине этой пирамиды находятся общенаучные методы. Общенаучных методов познания достаточно много: индукция, дедукция, аналогия, обобщение, классификация, анализ, синтез, абстрагирование, моделирование. Эти методы используется разными науками, поэтому и получили такое название. Но в каждой науке: физике, химии, биологии есть присущие только ей методы, не используемые в других науках. Такие методы получили название частных (специальных), они составляют основание нашей условной пирамиды. Каждая наука обладает целым арсеналом специальных методов, поэтому количество этих методов огромно и с каждым годом увеличивается, поскольку ученые разрабатывают новые.

Кроме степени обобщенности для описания разнообразия научных методов используют подход, связанный с наличием или отсутствием контакта человека с объектами окружающей действительности. Если такой контакт имеет место, и познание окружающего мира построено на преобладании восприятия, т. е. с помощью органов чувств, то имеют место эмпирические методы. К таковым относятся: наблюдение, эксперимент, измерение, сравнение, описание. Эти методы также можно считать общенаучными, поскольку они применяются в разных науках и особенно широко в естествознании.

Если прямой контакт отсутствует, и познание осуществляется с преобладанием сознания, а не восприятия, то выделяют теоретические методы.

К теоретическим методам научного познания традиционно относят все перечисленные выше общенаучные методы; индукцию, дедукцию, аналогию, обобщение, классификацию, анализ, синтез, абстрагирование, моделирование. Но эти методы в зависимости от целей и задач исследования могут быть реализованы как эмпирические, при этом они не исчерпывают число теоретических методов. В «чистом виде» теоретическими методами научного познания можно считать: аксиоматический, гипотетико-дедуктивный и формализацию.

Одной из ведущих естественных наук является физика. Физика изучает самые элементарные явления природы, лежащие в основе мироздания, и имеет своей задачей выявить и объяснить законы природы. Физика работает с моделями, упрощенно описывающими изучаемые явления, таким образом, пользуясь методом моделирования.

Например, нам надо описать движение космического корабля. Расстояние до него около 400 км. Размер корабля – несколько десятков метров. Тогда вполне разумно считать его материальной точкой, объектом, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Однако тот же самый космический корабль с точки зрения космонавта совсем не точка. Он может вращаться вокруг своих осей, для этого необходимо поддерживать ориентацию солнечных батарей относительно Солнца. И здесь снова появляется модель – абсолютно твердое тело (простейший пример – треугольник из жестких стержней). Но и это не все. В корабле есть жидкое топливо, перемещаются сами космонавты, крутятся вентиляторы. Таким образом, появляются модели следующих уровней…

Разумное и обоснованное упрощение (формализация) приводит к возможности широкого привлечения математики. Г. Галилей (1564–1642) писал: «…Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является…». Уместно вспомнить известное высказывание немецкого философа И. Канта (1724–1804): «…в любом частном учении можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики…»

И единственным способом проверки верности применяемой для описания изучаемого явления модели могут служить эксперимент или наблюдение. Естественные науки и, в первую очередь, физика, являются экспериментальными.

Выдающийся русский (советский) физик, лауреат Нобелевской премии (1978) академик П.Л. Капица (1894–1984), по этому поводу писал: «Я хотел бы, чтобы значение и роль хорошего эксперимента запомнились бы Вам в словах шутливого афоризма, принадлежащего героине романа “Джентльмены предпочитают блондинок” – одного из “классических” американских произведений: “Любовь – это хорошая вещь, но золотой браслет остается навсегда”. Я думаю, что мы, ученые, можем сказать: “Теория хорошая вещь, но правильный эксперимент остается навсегда”».

Вместе с тем не стоит пренебрегать и теоретическими описаниями. Недаром австрийский физик Л. Больцман (1846–1906) говорил, что «…нет ничего более полезного и практичного, чем хорошая теория…».

Однако мы видим, что история науки демонстрирует движение к более глубокому пониманию природы, но не к полному ее объяснению. Природа всегда сложнее и неожиданнее любого объяснения.

Известный физик Е. Вигнер писал в связи с этим в книге «Этюды о симметрии»: «Часто приходится слышать, что цель физики состоит в объяснении природы или, по крайней мере, неживой природы. Что мы понимаем под объяснением? Объяснение – это установление нескольких простых принципов, описывающих свойства того, что подлежит объяснению. Если мы что-то поняли, то поведение этого «что-то», т.е. те явления, которые с ним происходят, не должно удивлять нас какими-либо неожиданностями. Впечатление, что иначе быть не может, не должно покидать нас. Ясно, что в этом смысле физика не претендует на объяснение природы».

Действительно, история развития науки представляет собой цепь непрерывных усложнений, описывающих все более подробно явления природы, расширяющих области применения физических теорий. Но никогда мы не можем утверждать, что достигли полного понимания природы.

Изучение совершенно обыденных явлений – движения тел, распространения света, поведения газов при изменении температуры или давления и т.п. приводило исследователей к совершенно неожиданному результату. Оказывалось, что в ряде случаев законы природы противоречат нашему обыденному опыту и не укладываются в рамки здравого смысла. Примеры тому: корпускулярно-волновая природа света, пропорциональность массы и энергии, изменение хода времени в движущейся системе, законы микромира, многое другое.

Действительно, к примеру, из нашего обыденного опыта не следует, что ход времени изменяется в движущейся системе. Однако при скоростях, близких к скорости света, это происходит. Так, из специальной теории относительности А. Эйнштейна следует, что интервалы времени между двумя событиями в движущейся со скоростью и неподвижной системах отсчета будут различны. Напомним, что системой отсчета называется тело отсчета, связанная с ним система координат и способ измерения времени (часы). Чем ближе скорость к скорости света с, тем больше эта разница:

Позже мы вернемся к рассмотрению этих вопросов.

Сейчас нас интересует другое. Каковы принципы, позволяющие проверить правомерность новых представлений, их объективность, независимость от исследователя?

Известен ряд основных принципов, которым не должна противоречить любая новая физическая модель, теория, претендующая на расширенное, по отношению к существующим представлениям, описание явлений природы.

Во-первых – преемственность (принцип соответствия). Так теория относительности Эйнштейна не только объясняет поведение тел при скоростях, близких к скорости света, но и содержит в себе сформулированный Галилеем принцип относительности движения. И, кроме того, предсказывает новые явления природы, неизвестные до сих пор.

Во-вторых – подтверждение результатов теоретических расчетов и моделей экспериментом. Только эксперимент является последним критерием верности либо ошибочности модели, теории. Так справедливость теории относительности Эйнштейна экспериментально подтверждена огромным количеством опытов, в частности, движением элементарных частиц при скоростях, близких к скорости света. Известно, что эта теория стала инженерной наукой, на ее основе проектируются ускорители заряженных частиц.

Словарь

Абстрагирование – мысленное отделение общих, существенных свойств, выделенных в результате обобщения, от прочих несущественных или необщих свойств рассматриваемых предметов. Примером абстрагирования является использования понятия «идеальный газ».

Аксиоматический метод – способ построения теории, при котором в основу кладутся некоторые положения, принимаемые без доказательства (аксиомы), а все остальные выводятся из них чисто логическим путем.

Анализ – метод научного исследования путем рассмотрения отдельных сторон, свойств, составных частей объекта или явления.

Аналогия – правдоподобное вероятное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках.

Гипотетико-дедуктивный метод – теоретический метод научного познания, основанный на дедуктивном выводе следствий из гипотезы (или системы гипотез) и их экспериментальной проверке.

Дедуктивный метод – метод мышления, следствием которого является логический вывод, в котором частное заключение выводится из общего. Пример умозаключения: Все люди смертны. Все греки – люди. Следовательно, все греки – смертны.

Измерение – сравнение объектов по каким-либо общим свойствам. Совокупность действий для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений).

Индуктивный метод – логическое умозаключение на основе перехода от частного положения к общему. Пример умозаключения: Италия – республика; Португалия – республика; Финляндия – республика; Франция – республика. Италия, Португалия, Финляндия, Франция – западноевропейские страны. Значит, что все западноевропейские страны являются республиками.

Классификация – система и процесс группировки объектов исследования в соответствии с их общими признаками.

Методология науки – научная дисциплина, которая изучает методы научно-познавательной деятельности. Методология науки осуществляет поиск, исследование и систематизацию методов, на которые опирается исследователь в ходе получения и разработки знаний в рамках научной дисциплины.

Метод научный – система категорий, регулятивных принципов, способов обоснования, которыми руководствуется в своей деятельности научное сообщество. Метод включает в себя способы получения данных, систематизацию новых и корректировку полученных ранее знаний. Умозаключения и выводы делаются с помощью правил и принципов рассуждения на основе эмпирических (наблюдаемых и измеряемых) данных об объекте.

Моделирование – изучение оригинала путем создания и исследования его копии, замещающей оригинал с определенных сторон, интересующих исследователя.

Наблюдение – целенаправленное восприятие явлений.

Обобщение – мысленное выделение в предметах и явлениях общего и основанное на этом мысленное объединение их друг с другом.

Описание – этап научного исследования, состоящий в фиксировании данных эксперимента или наблюдения с помощью определенных систем обозначений, принятых в науке.

Синтез – метод исследования какого-либо объекта или явления в его единстве и взаимной связи частей.

Сравнение – процесс количественного или качественного сопоставления свойств объектов.

Формализация – отображение результатов мышления в точных понятиях и утверждениях.

Эксперимент – метод исследования явления в управляемых наблюдателем условиях.