Текст книги "Естественнонаучная картина мира. Часть 1. Естествознание – комплекс наук о природе"

1.2. Классификация методов научного познания

Термин «методы научного познания». Слово «метод» происходит от древнегреческого «μέθοδος» – путь познания, исследования, и означает последовательность действий, направленную на достижение определенной цели. Методами научного познания называют методы получения новых научных знаний: наблюдение, эксперимент, выдвижение гипотезы, моделирование и др. Все формулировки законов, постулатов, основных положений, все важнейшие формулы, все определения явлений, величин и объектов в любом из учебников по физике, биологии, химии и др. – результат применения методов научного познания.

Роль методов научного познания очень велика. Ф. Бэкон образно иллюстрировал эту роль следующим сравнением: «Хромой калека, идущий по верной дороге, может обогнать рысака, если тот бежит по неправильному пути. Даже более того, чем быстрее бежит рысак, раз сбившись с пути, тем дальше его оставит за собой калека». Сравнение метода с дорогой весьма наглядно. Но дороги необходимо прокладывать и какого-либо универсального метода не существует: каждое новое открытие требует либо изобретения нового метода, либо приспособления известного к новым условиям. В этой связи советский физик Л. Ландау писал: «Метод важнее результата, с помощью метода можно получить много новых результатов».

Термин «научный метод». Методы научного познания в совокупности образуют научный метод. Г. Галилей выделял четыре этапа научного метода: 1) чувственный опыт; 2) выдвижение гипотезы в виде аксиомы; 3) математическое развитие гипотезы, вывод следствий; 4) экспериментальная проверка гипотезы и следствий (рис. 1.8).

Важнейшая особенность научного метода состоит в том, что он исключает субъективное толкование результатов. Ни рассуждения с позиции «здравого смысла», ни ссылки на авторитеты, ни самые строгие математические выкладки не могут служить основаниями для утверждения, что то или иное знание истинно. Единственный судья в научных спорах – эксперимент, который может быть воспроизведен в разных лабораториях, разными людьми, и потому полученное знание носит объективный характер.

Здравый смысл и умозрительный метод привели Аристотеля к утверждению «движется только движимое», согласно которому причиной движения любого тела является приложенная к нему сила. В пользу этого утверждения он приводил множество примеров «насильственных» движений: вьется пыль, увлекаемая ветром; муравьи тащат мертвую гусеницу; быки везут повозку в город. Но вот стих ветерок и улеглась пыль на дороге; разбежались муравьи и гусеница осталась лежать неподвижно; остановились быки – перестала двигаться повозка. В течение почти двадцати столетий этот закон движения просуществовал в неизменном виде. Авторитет Аристотеля был незыблем.

Рис. 1.8. Научный метод по Г. Галилею

Лишь в XVII веке Г. Галилей усомнился в справедливости этого закона. Чувственный опыт дает нам и другие примеры: нет тела, которое бы в каждый момент времени толкало по параболе стрелу, выпущенную из лука, или двигало бы все выше и выше мячик, подброшенный над землей. Галилей проводит мысленный эксперимент и выдвигает гипотезу о том, что состояние равномерного прямолинейного движения (движения по инерции) – естественное состояние тела.

Пусть тело движется по наклонной плоскости. Движение вниз будет равноускоренным, а движение вверх – равнозамедленным. Далее Галилей рассуждает так «… теперь скажите, что будет с тем же телом на плоскости, которая ни вниз не опускается, ни вверх не поднимается? Ясно, что тело будет двигаться столько времени, сколько хватит плоскости… Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления, то… движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно» (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Мысленный эксперимент Г. Галилея

Если эта гипотеза верна, то уменьшая трение, мы будем все более приближать движение тела к равномерному прямолинейному. Опыты, в которых разные тела скатываются с наклонной плоскости на горизонтальные поверхности, изготовленные из разных материалов, показывают, что чем более гладкая поверхность, тем меньше меняется скорость тела и тем больший путь оно проходит.

Таким образом, научный метод приводит к опровержению Аристотелева закона движения. Равномерное прямолинейное движение, так же, как и состояние покоя, – естественное состояние тела. Для того, чтобы тело двигалось по инерции, не требуется никаких сил. Сила – причина изменения скорости движения тела, но не самого движения. В этом суть закона инерции, открытого Галилеем, который чаще называют первым законом Ньютона, поскольку Ньютон включил его в систему законов, которые составляют фундамент классической механики.

Можно ли применять научный метод к бытовым ситуациям? И да, и нет. С одной стороны, метод не случайно называется научным и в чистом виде применить его к жизненным ситуациям не получится. Например, вы заболели болезнью Х и надо выяснить, поможет ли лекарство Y от этой конкретной болезни. Следуя научному методу, надо 200 раз заболеть болезнью X, из них 100 раз принимать лекарство Y, а 100 раз – не принимать, затем провести статистический анализ и на его основе сформулировать вывод. Ясно, что это не реализуемый подход.

С другой стороны, А. Эйнштейн писал: «наука есть ни что иное, как совершенствование повседневного мышления». Действительно, систематическое применение научного метода к различным ситуациям развивают определенный стиль мышления, называемый научным. Для этого стиля и применительно к обычным жизненным ситуациям характерны такие весьма полезные действия как анализ ситуации, постановка вытекающей из этого анализа цели, планирование пути ее достижения, прогнозирование последствий, сравнение практических результатов с прогнозируемыми, корректировка своих действий с учетом этого сравнения и т.п.

Виды методов научного познания. По области применения выделяют три группы методов: общелогические, общенаучные и частнонаучные (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация методов научного познания

К общелогическим относят методы, которые применяются в различных областях человеческой деятельности, в том числе и ненаучной.

Дедукция – это метод рассуждений, основанный на получении частных выводов из общих положений (табл. 1.2). Он широко применяется в естествознании. Особенности его применения обоснованы Р. Декартом в труде «Рассуждения о методе».

Таблица 1.2

Общелогические методы познания

В основе любой естественнонаучной теории лежат основные законы, положения, уравнения, начала, постулаты, которые играют роль аксиом. Развитие теории состоит в выводе следствий из них дедуктивным методом. Например, из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов следует уравнение связи давления, температуры и объема идеального газа (уравнение Клапейрона – Менделеева), а из него, в свою очередь, вытекают законы, описывающие состояние газа в изохорном, изобарном и изотермическом процессе.

Индукция – метод рассуждений, основанный на получении общего вывода из частных положений (табл. 1.2). Он также широко применяется в естествознании. Родоначальником индуктивного подхода в естествознании по праву считается Ф. Бэкон. Главным средством познания природы им был провозглашен опыт, а не античное созерцание. Исследователь должен двигаться от частных фактов, полученных в опытах, к общим выводам. Многие законы естествознания (их называют эмпирическими законами) получены индуктивным методом. Например, закон всемирного тяготения обобщает многочисленные факты о притяжении тел: яблоко падает с дерева на Землю, Луна обращается вокруг Земли, Земля обращается вокруг Солнца и многие другие.

Никакого чисто логического перехода от опытных данных и научных фактов к законам не существует. Поэтому выдвигаемые общие положения всегда носят характер гипотез. Для их проверки требуется вывести из гипотезы следствия, то есть применить дедуктивный метод, и сравнить эти следствия с экспериментом. Поэтому индукция и дедукция в ходе научного исследования всегда взаимно дополняют друг друга.

По сути, они являются элементами научного метода. Вспомним этапы научного метода по Галилею (рис. 1.8). Второй этап (выдвижение гипотезы в виде аксиомы) требует индуктивных рассуждений, а третий этап (математическое развитие гипотезы, вывод следствий) – дедуктивных. Метод выдвижения гипотезы и ее дедуктивного развертывания получил название гипотетико-дедуктивный метод. Как любой общелогический метод, он может применяться не только в науке. Например, знаменитый «дедуктивный метод» Шерлока Холмса правильнее было бы назвать гипотетико-дедуктивным.

Общенаучные методы названы так потому, что применяются в разных науках, как естественных, так и гуманитарных. К ним относят эксперимент, наблюдение, измерение, моделирование и другие. Все методы важны, но особое значение для естествознания имеет эксперимент, поскольку он обязателен как в начале, так и в конце практически любого цикла исследования природных объектов, процессов и явлений.

Частнонаучные методы применяются в узкой области той или иной науки для решения определенного класса задач. Например, рентгеноструктурный анализ, который позволяет определять атомную структуру вещества, гибридологический метод, который применяется для исследования наследственных свойств организма, и др.

Так, в современной биологии и медицине широко применяется метод секвенирования ДНК (секвенирования генома). Термин «секвенирование» происходит от англ. «sequence» – последовательность. В молекуле ДНК любого живого организма, в том числе человека, зашифрована информация, которая определяет, как он будет развиваться и расти, к каким болезням предрасположен. Молекула ДНК состоит из структурных элементов – четырех нуклеотидов: А – аденин, G – гуанин, C – цитозин, T–тимин. В ДНК человека примерно 3 миллиарда пар нуклеотидов (половина от отца, половина от матери), которые расположены в строго определенной последовательности.

Секвенирование ДНК – это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Один из них состоит в том, что молекулу разделяют на небольшие кусочки, специальным образом размножают их и прочитывают (рис. 1.10). Далее из этих маленьких кусочков при помощи математических алгоритмов восстанавливают полную последовательность генома. В ходе этой работы применяют специальные приборы – секвенаторы. Для повышения точности каждый участок генома секвенаторы «прочитывают» десятки раз.

Классификация методов научного познания, которая описана выше, введена философами. Ученые-естествоиспытатели в своей работе решают конкретные проблемы и среди всего арсенала естественнонаучных методов выбирают наиболее подходящие, адаптируя, видоизменяя и дополняя их под свои задачи. Метод решения конкретной задачи, как правило, включает и индуктивные и дедуктивные рассуждения, элементы анализа и синтеза, различные виды как эмпирических, так и теоретических методов научного познания. Но узнав об этом физик или химик скорее всего удивится, подобно герою пьесы Ж. – Б. Мольера, который узнал, что всю жизнь говорил прозой.

Рис. 1.10. Секвенирование молекулы ДНК

В связи с этим в дальнейшем рассмотрении ограничимся общенаучными методами и разберем их на примерах решения конкретных проблем современного естествознания.

1.3. Критерии научного познания

Наука стремительно развивается. Число научных работ растет по экспоненте. Описывая современное состояние дел, ученые шутят, что научные статьи делятся на «за последние два года и устаревшие». Не являясь специалистами в конкретной области, мы узнаем о новейших открытиях из средств массовой информации и различных научно-популярных источников. Как отличить научное утверждение от маскирующегося под него псевдонаучного? Каковы критерии научного познания?

Критерии, обязательные для методов научного познания. В отличие от обыденного познания, основанного на здравом смысле, ученые-естествоиспытатели в своей работе руководствуются определенными критериями, без соблюдения которых полученные результаты не будут приняты научным сообществом.

Важнейшим критерием научности знания является воспроизводимость результатов наблюдений, экспериментов и измерений. Воспроизводимость означает близость результатов исследований, полученных в разных местах, в разное время, разными методами и средствами, разными исследователями, но проводимых при одних и тех же условиях. Именно в этом пункте зачастую пролегает водораздел между наукой и псевдонаукой. Ученые пытаются предупредить ошибку и сами найти способ экспериментального опровержения своих выводов. Псевдоученые загоняют пыль под ковер и делают расплывчатые предсказания.

Даже в очень дорогостоящих современных установках предусмотрена возможность воспроизведения результатов экспериментов. Так, Большой адронный коллайдер (LHC) – крупнейший в мире ускоритель частиц и самая сложная экспериментальная установка, когда-либо созданная человеком. Казалось бы, как можно говорить о научных открытиях на LHC, в частности об открытии новой элементарной частицы – бозона Хиггса, если эта установка – единственная и уникальная. Оказывается, да, – можно, поскольку в состав LHC входит несколько детекторов. Каждый детектор – это отдельная экспериментальная установка, на которой проводится своя серия экспериментов. На рис. 1.11 изображен один из них – ATLAS (длина 43 м, диаметр 22 м). Если что-то новое обнаруживается на одном детекторе, есть возможность попробовать воспроизвести полученные результаты на другом.

Рис. 1.11. Детектор ATLAS. Источник: https://atlas.cern

Нередко повторение эксперимента другими исследователями опровергает выводы, претендующие на статус открытия. Так, эксперимент по измерению скорости нейтрино, проводимый в 2011 г. в рамках проекта OPERA, давал сенсационный результат. Нейтрино – это элементарные частицы чрезвычайно малой массы, которые очень слабо взаимодействуют с веществом. В эксперименте они пролетали 732 км от ускорителя в ЦЕРНе (Швейцария) до подземного детектора OPERA (Италия) (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Эксперимент по исследованию свойств нейтрино

Сенсация состояла в том, что, согласно измерениям, они пролетали это расстояние на 60 наносекунд быстрее, чем если бы они двигались со скоростью света. Это нарушало важнейшее следствие специальной теории относительности: ни один материальный объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Однако при попытке повторить эксперимент на трех других установках, этот результат не удалось воспроизвести, а в дальнейшем была обнаружена техническая неисправность в исходном эксперименте (плохо вставленный разъем оптического кабеля). Сенсация не прожила и года.

Этот и многие другие примеры показывает, что в науке возможны ошибки, но сама природа научного знания такова, что рано или поздно они обнаруживаются. В этом разница между учеными и псевдоучеными, уверенными в своей непогрешимости. В истории не было случая, чтобы астрологи или телепаты опровергли сами себя по какому-либо событию.

Еще одним необходимым условием научности знания выступает критерий непротиворечивости. Он означает, что в ходе научного исследования недопустимо одновременное утверждение взаимоисключающих посылок. В рассуждениях и выводах ученых обязательно должны соблюдаться основные законы логики. Так, не может быть признано научным положение, из которого одновременно выводится положение «А» и его отрицание «не А». Нарушение этого требования приводит к разрушению теории, так как в ней оказывается возможным любое утверждение. Критерий непротиворечивости означает, что теоретические рассуждения должны быть последовательными и лишенными противоречий.

Заметим, что на эмпирическом уровне познания критерий непротиворечивости не является обязательным. Это объясняется тем, что эмпирическое познание подразумевает исследование различных объектов или различных свойств одного объекта, которое дает результаты, которые, казалось бы, противоречат друг другу. Однако эти противоречия всегда преодолеваются на уровне теории.

Например, счетчик Гейгера фиксирует корпускулярные свойства фотонов, а радиотелескоп – их волновые свойства. На первый взгляд, эти эмпирические исследования дают противоречащие друг другу знания о природе микромира. Однако на теоретическом уровне это противоречие решается путем введения принципа корпускулярно-волнового дуализма, соотношений неопределенности В. Гейзенберга, принципа дополнительности Н. Бора и других положений квантовой механики.

Еще одно важнейшее требование, предъявляемое к научным знаниям – критерий проверяемости теорий и гипотез. Он означает необходимость проверки того или иного высказывания на истинность с помощью подтверждения фактами (верификации).

Этот критерий нельзя понимать слишком буквально и требовать, чтобы каждое утверждение в рамках той или иной теории допускало непосредственную экспериментальную проверку. Верификация может быть как прямой, так и косвенной. Теория представляет собой иерархическую систему, в которой утверждения нижнего уровня (следствия) логически вытекают из основных положений. Поэтому наиболее общие принципы и законы проверяются косвенно путем вывода из них утверждений, которые можно сравнить с данными наблюдений или экспериментов.

В ходе вывода можно получить следствия, которые известны на момент построения теории, то есть объяснить известные факты, или же предсказать нечто новое. Объяснить одни и те же факты можно на основе многих гипотез, поэтому особое значение имеет предсказательная сила гипотезы или теории.

Так, на основе электродинамики Максвелла можно объяснить огромный круг электрических, магнитных, электромагнитных и световых явлений, но главный довод в пользу истинности этой теории – предсказание электромагнитных волн, которое нашло блестящее экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Опыт Г. Герца

Предсказания пытаются делать не только ученые. Но есть существенная разница в предсказаниях ученых и псевдоученых, например, астрономов и астрологов. Астрономические законы И. Кеплера позволяют однозначно предсказать положение планет Солнечной системы в любой момент времени с поразительной точностью (рис. 1.14). Можно направить телескопы в точку с указанными координатами и убедиться в справедливости предсказаний. Со времен открытия этих законов на протяжении более 400 лет такие наблюдения неоднократно проводились и проводятся учеными и любителями астрономии, и не было ни одного случая расхождения с предсказанным положением планет.

Рис. 1.14. Законы Кеплера

Астрологи пытаются подражать ученым, активно пользуются информационно-компьютерными технологиями и наукообразной терминологией. Но они не могут сделать главного – дать точные и однозначные предсказания. Не случайно, сами астрологи никогда не занимаются проверкой своих предсказаний. А проверка «со стороны» всегда обнаруживает, что даже при всей расплывчатости астрологических гороскопов, никаких совпадений между их предсказаниями и реальностью нет. Причем характеристики людей, данные разными астрологами, сильнейшим образом расходятся между собой и оказываются не точнее, чем характеристики, составленные людьми, не знакомыми с астрологией.

Иногда возражают, что и сам И. Кеплер занимался астрологией. Однако надо учесть, что это было в далеком XVII веке, а также обстоятельства жизни ученого, которые вынуждали его зарабатывать себе на жизнь этим ремеслом. Но отношение к астрологии он высказал совершенно определенное: «Конечно, эта астрология – глупая дочка; но, боже мой, куда бы делась ее мать, высокомудрая астрономия, если бы у нее не было глупенькой дочки. Свет ведь еще гораздо глупее и так глуп, что для пользы своей старой разумной матери глупая дочь должна болтать и лгать».

Критерии, которыми руководствуются ученые в своей работе. Кроме обязательных критериев выделяют еще несколько второстепенных, которые, однако, тоже важны и служат ориентирами для ученых в ходе научных исследований. К ним относят критерии простоты, красоты и фальсификации.

Критерий простоты предупреждает ученых о том, что не надо прибегать к сложным объяснениям там, где есть простые. Кратко его можно сформулировать так: «Не преумножайте сущности сверх необходимости». Этот методологический принцип называют так же «бритва Оккама».

Уильям Оккама – английский философ и богослов XIV века, один из самых известных философов своего времени. В одной из своих книг он сформулировал этот принцип, предложив «сбривать» лишнюю сложность в аргументации, отсюда и название – бритва Оккама.

Например, можно объяснить движение планет Солнечной системы следующим образом: «У каждой планеты есть свой ангел, который толкает ее по орбите». Но сразу же возникает много вопросов: сколько ангелов, почему они толкают планеты именно с этой скоростью, в этом направлении, как они согласуют свои действия между собой и т.п. Намного проще (меньше сущностей) объяснить движение планет на основе закона Всемирного тяготения. Одна единственная формула (математическое выражение закона) позволяет ответить на все вопросы, касающиеся механики планетной системы путем вывода из нее следствий.

Пусть требуется объяснить происхождение необычного светящегося объекта в ночном небе. Можно, конечно, предположить, что это НЛО – космический корабль с пришельцами. Но такое объяснение требует многих дополнительных допущений: инопланетяне существуют, они способны создавать космические аппараты и управлять ими, за время своей жизни они могут добраться до Земли (или умеют размножаться во время космического путешествия), они способны противостоять космической радиации, при таком уровне технического развития они отчего-то не могут сделать свой корабль невидимым и т.п. Ученый всегда выберет более простую гипотезу: это была планета Венера (наиболее частое объяснение НЛО), запуск космического аппарата, погодный зонд и т.п. (рис.1.15).

Рис. 1.15. Планета Венера на закате, которую часто принимают за НЛО

Критерий красоты говорит о том, что красота математического аппарата, лежащего в основе физической теории, – свидетель ее правильности. Эстетический критерий гармонии, изящества и завершенности научных построений играет большое значение в работе ученых, особенно физиков-теоретиков.

Английский физик-теоретик П. Дирак писал о создании общей теории относительности А. Эйнштейна: «Основной прием, которым он руководствовался, – стремление выразить закон тяготения в наиболее изящной математической форме. Именно это стремление привело его к понятию о кривизне пространства… Основная мощь теории тяготения Эйнштейна заключается в ее исключительной математической красоте».

Существует интересная корреляция: чем больший круг объектов и явлений описывает формула, тем она проще и изящнее. Знаменитая формула Е=mc²применима ко всем окружающим нас объектам, и в то же время она очень компактна и красива. А многие формулы электротехники, радиотехники, которые описывают какую-либо одну деталь, элемент схемы, и которые, несомненно, очень полезны в практическом плане, – с эстетической точки зрения весьма громоздкие и некрасивые.

Отмечая различия в понимании критерия красоты в обыденной жизни и в науке, французский математик, физик и астроном А. Пуанкаре писал: «Ученый изучает природу не потому, что это полезно: он изучает её потому, что это доставляет ему удовольствие, потому, что она прекрасна… Я, конечно, не говорю здесь о той красоте, которая поражает наши чувства, о красоте качеств и внешней формы вещей; нельзя сказать, чтобы я относился к ней с пренебрежением, – я далёк от этого, – но просто она в стороне от науки. Я говорю о той красоте, более интимной, внутренней, которая сквозит в гармоничном порядке частей и которую воспринимает только чистый интеллект…».

Критерий фальсификации (опровержения) (от лат. falsus – ложный) состоит в том, что любая гипотеза или теория должна допускать принципиальную возможность своего опровержения. Он был предложен австрийским и британским философом XX века Карлом Поппером. По его мнению, автор любой новой теории должен сказать: «Докажите, что я не прав», – и сам предложить идею эксперимента, который мог бы опровергнуть его теорию. Если результаты эксперимента не совпадут с предсказанными, теория окажется опровергнутой. Любую теорию, которая не может предложить способа своего опровержения, нельзя считать научной.

Так, в последнее время среди креационистов популярна доктрина сотворенной древности. Согласно этой доктрине, Земля сотворена несколько тысяч лет назад, и в ней уже тогда были заложены свидетельства значительно большего возраста (горные породы с ископаемыми остатками, деревья с годовыми кольцами, Адам с пупком и т.п.). От любого свидетельства неверности этой доктрины можно отмахнуться, сказав, что такой была сотворена Земля. Эта теория в принципе не опровержима и, следовательно, не научна.

А вот теория естественного отбора Ч. Дарвина допускает опровержение экспериментом. Ведь в результате расшифровки генома, могло оказаться, что ДНК рыб ближе к человеческой, чем ДНК шимпанзе. Это опровергло бы теорию, но экспериментальные данные, напротив, ее полностью подтверждают: нуклеотидные последовательности ДНК шимпанзе и людей совпадают более, чем на 98%.

Источники информации. В условиях огромного потока научной, околонаучной и лженаучной информации необходимо пользоваться достоверными источниками. Общепризнанные мировые издания по естествознанию: журналы «Nature» и «Science». Они выходят на английском языке, содержат описания оригинальных исследований и предполагают наличие у читателя специальных знаний в соответствующей области.

Адаптированное изложение сути новых открытий для неспециалистов можно найти в таких русскоязычных журналах, как «В мире науки», «Популярная механика», «Наука и жизнь», «Квант», «Химия и жизнь», «Кот Шредингера» и на научно-популярных сайтах: элементы.ру, постнаука.ру, астронет.ру, антропогенез.ру, hi-news.ru.

Большой интерес представляют лекции ученых-просветителей: Игорь Иванов (физика), Михаил Никитин (химия), Владимир Сурдин, Сергей Попов (астрономия), Александр Марков, Станислав Дробышевский (биология) и др.

Регулярное знакомство с материалами этих источников позволяет быть в курсе последних событий в области естествознания, дает пищу для ума и доставляет огромное удовольствие.