Теоретические размышления и экспериментальная деятельность
Когда ученый выдвигает какое-либо предположение, способное объяснить открытое явление или помогающее предсказать новые, то это предположение рассматривается как гипотеза. Строго говоря, по своей форме гипотеза ничем не отличается от закона, но чтобы куколка превратилась в бабочку, чтобы гипотеза стала законом и получила всеобщее признание, необходимо дать ей практическое подтверждение.
Откуда, однако, берутся сами гипотезы? Как велики свобода и произвол в изобретении гипотез? Является ли ученый совершенно свободным творцом новых идей и новых понятий?
Известно, что Аристотель полагал, будто более тяжелые тела падают на землю быстрее, чем легкие. Его мнение основывалось, по-видимому, на простом обобщении повседневного опыта, например на наблюдении того, что древесный лист падает па землю медленнее, чем камень, сброшенный с той же высоты. На основании этого можно было прийти к утверждению, что скорость падения есть функция веса. Галилей на основе простого и чисто теоретического рассуждения пришел к пониманию ложности этого тезиса аристотелевской механики. Его рассуждения можно представить так. Возьмем тяжелый камень и легкий лист. Согласно Аристотелю, камень падает быстрее. Соединим теперь жесткой связью оба тела. Так как лист легче, чем камень, то, с одной стороны, вновь полученная система должна падать медленнее, чем камень, поскольку суммарная скорость должна быть чем-то средним между скоростями камня и листа, взятыми порознь. Но, с другой стороны, общий вес нового агрегата больше, чем вес камня и листа, взятых порознь, и, следовательно, скорость падения этого агрегата должна быть больше, чем скорость падения камня. Выход из этого противоречия один: отвергнуть первоначальную идею Аристотеля и признать, что скорость падения для разных по весу тел равна и не зависит от веса.
Придя к этому заключению, Галилей решил проверить его экспериментально. Известно, что Галилей взял пушечное ядро весом 80 кг и мушкетную пулю, весившую около 200 г, и сбросил их с башни. Оба тела одновременно коснулись земли. Теоретическое размышление получило экспериментальное подтверждение.
Этот пример подводит нас к следующему:
1. Галилей пришел к своему выводу чисто логическим путем. Он принял посылку Аристотеля, отправляясь от нее, пришел к противоречию, признал на основании этого исходную посылку неверной и заменил ее другой, не приводящей к противоречию. Однако непротиворечивость сама по себе, будучи необходимым условием объективной истинности, не является достаточной. Объективную истинность нового предположения необходимо подтвердить экспериментом.
2. Аристотелевское предположение тоже было обосновано некоторым наблюдением, поэтому опыт Галилея должен был проводиться так, чтобы в нем были полностью устранены все побочные факторы, могущие внести искажение и затемнить суть эксперимента. К числу таких факторов, в данном случае, относятся: разные объемы, площади поперечного сечения падающих тел и связанные с этим различия в сопротивлении воздуха. Хотя в самом рассуждении Галилея все допущения и условия, касающиеся эксперимента, не были сформулированы совершенно ясно, тем не менее они были фактически учтены в организации и проведении экспериментального исследования. Схема всего исследования имеет следующий вид;
а) в результате теоретического рассуждения высказывается некоторое утверждение, касающееся возможных результатов наблюдений или экспериментов;
б) разрабатывается схема эксперимента, результат которого должен подтвердить теоретический вывод. Все побочные и искажающие факторы сводятся к минимуму;
в) проводится эксперимент. Его результат описывается, фиксируется в устной или письменной форме;
г) проводятся сравнения полученного описания с теоретически установленным выводом. При совпадении того и другого теоретический вывод может считаться объективной истиной. (Разумеется, совпадение это может быть приблизительным. Однако всегда желательно, чтобы мера этой приблизительности была точно установлена.)
В рассмотренном случае дело обстояло просто, так как и в теоретическом результате, и в описании эксперимента фигурируют понятия «скорость, падение, высота, вес», которые непосредственно связаны с нашим чувственным восприятием объективного мира. Поэтому сопоставление теоретического вывода с описанием физического эксперимента произвести не трудно. И точно так же не трудно указать те физические объекты, процессы, их свойства и отношения, которые обозначаются этими понятиями. Однако чем выше поднимаемся мы по ступенькам физической теории, чем сложнее включенные в нее законы, тем менее наглядными становятся фигурирующие в них понятия, тем труднее обнаружить соответствие между утверждениями законов науки и описаниями физических экспериментов, содержащих в себе сведения о чувственно воспринимаемых явлениях и процессах.
В современной литературе по логике и методологии науки часто говорят о том, что отличие современной физики от классической заключается в том, что понятия первой лишены наглядности, тогда как понятия второй наглядно и непосредственно соответствуют чувственно воспринимаемым явлениям материального мира. Это верно лишь отчасти. В классической теории электричества, в теории тяготения, в термодинамике и многих других разделах физики мы постоянно встречаемся с понятиями, которые, строго говоря, лишены наглядности. Каков наглядный образ электростатического поля? Каков образ кинетической энергии сил или полей притяжения?
Чтобы ввести в теорию такие абстрактные понятия, мы должны не только продемонстрировать их целесообразность, но и показать, каким образом связаны они с нашими наглядными, действительно чувственными представлениями. Лишь в очень простых случаях,— например, когда мы описывали эксперимент Галилея,— эти описания легко соотнести с теоретическими конструкциями и понятиями, присутствующими в формулировках законов. В других же случаях это совсем не так просто.
Когда в начале XX века английский физик Резерфорд задумал проверить модель атома, предложенную Томсоном, он запланировал специальный эксперимент, связанный с пропусканием пучка а-частиц через тонкую золотую фольгу. По мнению Резерфорда, тяжелые а-частицы, проходя через золотую фольгу, должны были отклоняться от расчетной траектории лишь крайне незначительно. Как велико это отклонение, можно было проверить по вспышкам на экране, покрытом сернистым цинком, возникающим каждый раз, когда в экран попадала а-частица. Ученик Резерфорда Марсден заметил, что очень немногие а-частицы (примерно 1 из 20 000), проходя через фольгу, изменяют свою траекторию более чем на 90°, Первоначально Резерфорд даже не хотел верить столь неожиданным результатам. Однако в 1911 году он окончательно пришел к выводу, что положительный заряд не размазан по всему атому, как думал Томсон, а сосредоточен в крохотном атомном ядре, занимающем ничтожно малую часть объема атома.
Описанный эксперимент хотя и подготовил возникновение современного учения об атоме, является по своей природе вполне классическим. В нем, однако, физик мог наблюдать лишь небольшую часть чувственно воспринимаемых явлений. Значительную часть того, что происходило в эксперименте, Марсден не мог воспринимать при помощи органов чувств и должен был компенсировать этот недостаток с помощью научного воображения, гипотез и исчислений. Галилей чувственно воспринимал гораздо большее количество феноменов, связанных с опытом. Однако такие понятия, как масса, ускорение и т. п., необходимые для формулировки закона падения, не могут быть восприняты, так же как и некоторые понятия, необходимые для описания эксперимента Марсдеиа — Резерфорда и соответствующих ему теоретических выводов.
Мы, таким образом, приходим к следующему: во-первых, результаты непосредственного наблюдения или эксперимента выражаются в описании, точнее — в серии описаний; во-вторых, описание фиксирует порядок и последовательность, в которых появляются данные события в данном эксперименте; в состав описания входят лишь термины и выражения, непосредственно фиксирующие наглядные и чувственные впечатления, получаемые экспериментатором; в-третьих, для перехода от описания к созданию эмпирической картины или предварительному эмпирическому обобщению необходимо пользоваться понятиями, которые, с одной стороны, обладают чувственным содержанием, но, с другой стороны, фактически не всегда фиксируют чувственно наблюдаемые процессы. Наконец, в-четвертых, в формулировках законов фигурируют понятия, лишь опосредованно сводимые к чувственно-наглядным образам, но не имеющие собственного чувственного содержания.
Чем сложнее способ и выше уровень наблюдений, для описания которых применяются данные понятия, тем заметнее сложность их строения, их зависимость от теоретических концепций.
В то же время необходимо учитывать, что теоретические понятия и понятия наблюдения, законы науки и организация эксперимента тесно связаны между собой.
Для подтверждения своей гипотезы физик должен организовать эксперимент строго определенного вида. Теория подсказывает ему, что желательно обнаружить в этом эксперименте, с какими физическими объектами он должен иметь дело, какие явления считать существенными, а какие побочными. Чтобы провести эксперимент, надо уметь пользоваться техническими устройствами, аппаратами, приборами и располагать огромным запасом сведений из смежных физических и технических дисциплин, привлекаемых как вспомогательный инструментарий для проверки данной гипотезы.
То, что мы получаем в результате наблюдений, есть набор или список эмпирических описаний. В эксперименте Галилея было всего одно такое описание. В современных физических экспериментах их может быть очень много, иногда в качестве описаний выступают миллионы кинокадров. Что следует отобрать для дальнейшей обработки, подсказывается теоретическими соображениями.
То, что получается в результате обработки, представляет собой не отдельные описания, не серию описаний, а некоторый результат математического обобщения — эмпирическую закономерность, выступающую не в наглядной, а в числовой форме. Она-то и сравнивается со следствиями из гипотезы, подтверждая или опровергая их.
Мы замечаем, таким образом, что то, что физик видит, что считает существенным или второстепенным, как он проводит эксперимент, как обрабатывает эмпирические описания и каким способом сравнивает эмпирический факт со следствиями, вытекающими из гипотез, определяется способом его теоретического размышления, связанным с определенным пониманием и видением мира. И хотя гипотеза подтверждается и опровергается фактами, физик не выходит за некоторые незримые рамки, установленные данным типом мышления до тех пор, пока вновь открываемые факты укладываются в эти рамки. Необходимо нечто из ряда вон выходящее, чтобы он покинул эти рамки, связывающие в единую систему его теоретическую и экспериментальную деятельность. Но даже когда какие-либо потрясающие факты и принуждают его к этому, он немедленно приступает к созданию новой системы знания, в основе которой лежат другие законы, другие способы экспериментирования и наблюдения, но по-прежнему не разрозненные, а связанные некоторым определенным образом в совокупность функционирующих и развивающихся знаний. Подобно раку-отшельнику, изгнанному из своего жилища и немедленно приступающему к созданию нового, ученый, вынужденный по тем или иным причинам расстаться с данной системой теоретических знаний и методов исследования, сразу же начинает создавать новую систему, ибо оставаться во власти разрозненных, не связанных между собой знаний и приемов деятельности, не опирающихся на те или иные законы, значило бы вообще оказаться за пределами науки.
Здесь мы подходим к одному важному обстоятельству. Даже в обыденной жизни новые знания и способы практической деятельности формируются под влиянием ранее сложившихся знаний, привычек, норм поведения и правил деятельности. То, что мы видим, слышим, воспринимаем органами чувств и постигаем разумом, зависит не только от объективного мира и особенностей нашей нервной системы, но и от нашего опыта, культуры и образования. В науке эта особенность становится еще заметнее. Уже открытые законы и соответствующие теоретические понятия облегчают поиски новых явлений, и прежде всего тех, которые предсказываются теорией и легко подпадают под ее законы и понятия. В то же время ученый может пройти мимо важных и неожиданных событий, не заметить их или не счесть существенными, если они резко расходятся с установившимися законами, понятиями и методами. Подобно прожектору, сложившиеся научные теории позволяют выхватывать из тьмы одни явления, но оставляют во мраке другие. Теория и связанные с ней концепции и методы исследования содержат в себе единство двух противоположных моментов. Они прогрессивны, так как позволяют объяснять и предсказывать гигантское количество явлений и событий «определенного сорта». Они консервативны, поскольку ограничивают видение и понимание многих других явлений и событий, не укладывающихся в рамки существующих знаний и методов. В этом единстве противоположностей ключ к пониманию механизма развития научного мышления.
Стало быть, существует многосторонняя связь законов или теорий науки с системой наблюдений и описаний, с одной стороны; с методом и, шире, с экспериментальной деятельностью, с другой; с системой понятий, предположений и других сведений, заимствуемых из смежных научных дисциплин и здравого смысла,— с третьей. В этой многосторонней связи законы играют роль детерминирующего, предопределяющего фактора. Раз выработав фундаментальные принципы и законы определенной науки, ученые, чародеи знания, сами подпадают под власть созданной ими системы, предопределяющей, хотя и в широких границах, их дальнейшие экспериментальные действия, их способ видения мира, их приемы мышления.
Совокупность понятий, законов, норм и принципов экспериментирования, обработки экспериментальных данных и сравнения фактов с законами теории, опирающейся на некоторые фундаментальные принципы, объединяющие эти разнородные подсистемы в нечто целое, Т. Кун в книге «Структура научных революций» назвал «научной парадигмой». Пока новые факты получают удовлетворительное объяснение в данной теории, пока теория стимулирует постановку новых вопросов и поиски решения, парадигма сохраняется, ее принципы усваиваются и поддерживаются всеми учеными. Достаточно, однако, в рамках парадигмы появиться непокорным фактам, в корне противоречащим всем фундаментальным положениям, законам, гипотезам, моделям, сложившимся внутри данной парадигмы, как наступает научная революция, знаменующая создание новой парадигмы с новыми методами экспериментирования, наблюдения, с новой методологией научного мышления. Опыты Галилея, описанные в начале этого параграфа, и модель Коперника, обсуждавшаяся в предыдущей главе, являют собой примеры как раз таких событий, которые знаменуют переход от одной парадигмы к другой. В одном случае —это выход за границы парадигмы аристотелевской физики и механики, в другом — разрыв с парадигмой птолемеевской астрономии. Сравнение опытов Галилея и идей Коперника важно еще и в том смысле, что демонстрирует возможность разных начал новой парадигмы.
Коперник сокрушает птолемеевскую астрономию не столько новыми фактами, сколько новой моделью и новым видением старого мира. Галилей не только обнаруживает противоречия в старой теории, но и подтверждает свою теорию принципиально новым экспериментом.
Опыты Марсдена — Резерфорда еще укладываются в рамки старой классической парадигмы. Ведь планетарная модель атома, представляющая ядро в виде маленького Солнца, а электроны — в виде крохотных «электрических» планет, вращающихся по различным эллиптическим орбитам, еще не нарушает целостности старой парадигмы. Однако применение законов классической механики и электродинамики для объяснения планетарной модели атома уже приводит к серьезным противоречиям. Для их устранения, как будет показано в следующей главе, потребуется изменить фундаментальные принципы науки, создать новую парадигму с неожиданной и трудной для понимания теорией, с новыми экспериментальными принципами и новыми схемами мышления. Галилей и Коперник стоят в начале так называемой классической науки. Резерфорд —в конце. Вместе с новыми фундаментальными законами и принципами возникают новые проблемы и вопросы, новые методы их разрешения, новые приемы обобщения и истолкования полученных результатов. То, что многие десятилетия, даже столетия казалось единственно возможной нормой научного мышления и исследовательской деятельности, становится одной из норм. Она, однако, сохраняет свою практическую и историческую значимость до сих пор, составляет необходимую ступень научного образования, по-прежнему используется для решения определенного класса задач и поэтому по праву носит название классической науки.
|
|
Читайте в рубрике «Методология науки»: |
Военная техника | Телекоммуникации | Электроника | Энергетика | Физика | Химия | Биология | Математика | Психология | Физиология | Экономика | Металлургия | Строительство | Сельское хозяйство | Медицина | Культура и искусство | Виды двигателей | Машины и механизмы | Воздушный транспорт | Водный транспорт | Автотранспорт | Ж/д транспорт | Физики | Химики | Математики | Биологи | Европейские изобретатели | Американские изобретатели | Российские изобретатели | Советские изобретатели | Методология науки | Развитие креативности | Как стать изобретателем | Изобретения будущего