Научный метод. 
Эволюция естественнонаучной картины мира

Как было показано в предыдущем разделе, научное знание является единственным источником экономического развития (см. рис. 1) на стадии реализации прикладными науками своих функций — управленческой и практической (см. рис. 2).

Там же был дан ответ на вопрос, почему подобную задачу может решить знание научное, и не обладает такой возможностью знание гуманитарное — потому что первое есть единственно верное понимание реального мира, только поэтому позволяющее эффективно управлять его процессами с хозяйственной (экономической) целью (см. табл. 1).

Данное утверждение рождает вполне закономерный вопрос — как наука гарантирует истинность — главное качество своего продукта — научного знания? Ответ известен — независимо от того, что исследует ученый, он пользуется универсальным инструментом познания, который при правильном его применении (обязательное условие!) всегда обеспечит стопроцентную достоверность результатов этого исследования (познания).

Данный инструмент, как единственный выход из лабиринта, как фонарь, освещающий путь бредущему в темноте путнику (Ф. Бэкон), называется научным методом.

Реализуется в два этапа, соответствующих разным уровням получаемого с его помощью научного знания (табл. 2).

Таблица 2

Содержание и результаты этапов научного метода

В качестве важных комментариев к ней добавим только, что природа неисчерпаема по своей сложности — одна из величайших мыслей самой значимой — античной — философии, блестяще подтвержденная и подтверждаемая наукой вплоть до наших дней.

В силу этого эмпирические объекты — фрагменты окружающей нас реальности, природные процессы и явления — не могут быть познаны до конца в рамках сколь угодно сложного и долгого эмпирического исследования (подтверждение ещё одного важнейшего постулата философии о недосягаемости для человека абсолютной истины), поэтому предметом данного исследования всегда выступает не эмпирический объект вообще, а конкретное, т. е. выделенное в рамках именно этого конкретного исследования количество свойств данного объекта.

Идеализированные же объекты — это понятия и образы, с помощью которых, как языковых средств, на теоретическом этапе строится логика, объясняющая, наоборот, общую суть изучаемого процесса или явления.

Поскольку строится такое объяснение впервые, существующие научные термины и определения для этого не годятся, как не подходят слова одного языка для объяснения на другом. Вот наука и вынуждена создавать понятия, которых нет и никогда не будет в природе, но построенное с их помощью объяснение какого-либо её явления или процесса будет понятным и убедительным (логичным, то есть) для всех. Примерами подобных идеализированных объектов являются материальная точка, идеальный газ, абсолютно черное тело и другие понятия, преимущественно, физики, как науки, занимающейся объяснением наиболее сложных процессов и явлений природы.

Таким образом, научный метод — это совокупность приемов, применяемых исследователем (ученым) для получения истинного (научного) знания. Для каждого из этапов научного метода данные приемы свои. Так, к приемам (способам) эмпирического этапа относят:

• · наблюдение — целенаправленное (т.е., имеющее задачей исследование только выделенных для этого свойств эмпирического объекта, см. выше) восприятие явлений объективной действительности;
• · описание — фиксация (закрепление и передача) результатов наблюдения и / или эксперимента (см. ниже) с помощью знаковых средств (слов, чи-сел, графиков, схем фотографий и др.);
• · измерение — сравнение исследуемых объектов по их сходным (имеющим одинаковые единицы и интервалы измерения) свойствам и сторонам;
• · эксперимент — наблюдение в специально создаваемых и контролируемых условиях в целях установления причинной связи между этими условиями и свойствами (сторонами) исследуемого объекта. В модельном эксперименте исследованию подвергается не сам подобный объект, а заменяющая его модель — реально существующая или искусственно созданная система, которая, замещая оригинал, находится с ним в отношениях сходства (подобия), благодаря чему экспериментальное изучение модели позволяет получать достоверную информацию об этом оригинале, как об объекте эмпирического исследования. В качестве примера модельного эксперимента можно привести испытания моделей фюзеляжей самолетов или кузовов автомобилей в аэродинамической трубе;
• · проверка на воспроизводимость — подтверждение достоверности данных наблюдения или эксперимента с точки зрения их фальсифицируемости, т.е. возможности быть опровергнутыми практикой — повторением сколь угодно большое количество раз данного наблюдения или эксперимента любым исследователем (или даже просто сомневающимся) в любое время. Если проверяемые подобным образом эти данные не подтверждаются неоднократной их фиксацией с помощью хотя бы одного из пяти органов чувств человека — зрения, слуха, обоняния, осязания или вкуса — они достоверными не признаются, т. е. фальсифицируются. Приемом подтверждения достоверности эмпирических данных является также их статистическая обработка. Данные наблюдения или эксперимента, прошедшие проверку на воспроизводимость, получают статус эмпирического факта — промежуточной формы опытного (полученного наблюдением) или экспериментального научного знания, содержащего объективную и достоверную, т. е. нефальсифицированную, информацию о внешних общих свойствах и признаках изучаемых явлений и процессов (см. табл. 2);
• · эмпирические факты, как следует из той же таблицы 2, подлежат последней в рамках эмпирического этапа процедуре, а именно, первичной рациональной обработке с помощью индукции — способа рассуждения или приема получения конечного продукта данного этапа — эмпирического научного знания, как общего (отсюда и второе его название — «индукционистское знание», там же), делаемого на основе обобщения всех этих частных фактов, вывода. Следствием индукции, как приема сворачивания информации (первичного объема обобщаемых эмпирических фактов), является создание качественно новой формы знания, вмещающей бульшее его количество, чем старые. Эта форма носит название эмпирического закона или эмпирической зависимости.
• · Данные термины отнюдь не синонимы, поскольку эмпирический закон имеет, как правило, словесную (вербальную) форму, получаемую с помощью классификации — наиболее важного вида систематизации, заключающейся в разделении эмпирических фактов на отдельные группы в соответствии с каким-либо важным для их обобщения признаком. Эмпирическая же зависимость выражена всегда в математической форме, получаемой посредством эмпирического обобщения — приема мышления, в результате которого устанавливаются общие свойства и признаки изучаемых объектов, как функций аргументов — внешних условий наблюдения или эксперимента. В качестве приемов уже эмпирического обобщения можно назвать ту же статистическую обработку или аппроксимацию.

Последовательность использования приемов (способов) эмпирического этапа в процессе получения соответствующих данному этапу промежуточной и итоговых форм научного знания показана на рис. 3. Эмпирическими законами являются, например, первые законы в области электричества и магнетизма или современные психологические теории. Такие же примеры вербальной формы результата индукции эмпирических фактов — это первое и второе начала классической термодинамики, физиологическая теория И. П. Павлова, эволюционная теория Ч. Дарвина или периодический закон Д. И. Менделеева. Общее, что роднит эти законы физики, биологии и химии — прием, с помощью которого они были получены.

Так, выделенный Менделеевым классификационный признак — атомный вес химического элемента — позволил «свернуть» хаотические и многочисленные сведения о свойствах этих элементов (эмпирические факты), полученные в разное время, в разных местах и разными исследователями (порою, даже не учеными, а просто наблюдательными и любознательными людьми), в компактную (три строчки в школьном учебнике химии) словесную формулировку, и в такую же, всего в две страницы объемом (там же), классификацию (периодическую систему) химических элементов.

Рис. 3. Последовательность реализации эмпирического этапа научного метода

Более того, полученная Дмитрием Ивановичем система тут же проявила свои эмерджентные (свойственные только системе, как единому целому) качества, чего не могло быть присуще исходной, послужившей основой для ее создания, бессистемной информации (совокупности эмпирических фактов), а именно, предсказала не просто существование еще не обнаруженных химических элементов, но и их свойства.

Примером индукционистского закона в виде эмпирической зависимости можно назвать результат обобщения Галилеем результатов своих экспериментов по сбрасыванию тел с Пизанской башни — что время падения тела не зависит от его веса, и с одинаковой высоты h тела неравного веса падают с одной и той же скоростью v, равной v² = 2gh, где g — ускорение свободного падения.

Еще раз напомним, что с помощью эмпирического исследования воз-можно только фиксирование внешних общих признаков свойств и явлений (см. табл. 2). Выявить же внутренние механизмы, определяющие связь и природу эмпирических фактов, т. е. объяснить их (там же), позволяет лишь теоретический уровень познания, как более высокий по отношению к уровню эмпирическому.

Так, если обратиться к приведенному выше примеру периодического закона Д. И. Менделеева, как к случаю, без преувеличения, блестящей реализации в его лице систематизирующей и прогностической функций науки (см. рис. 2), то в отношении функции объяснительной (там же) такого не получилось — почему одна группа родственных химических эле-ментов в данной последовательности их расположения обязательно сменяется другой, и почему именно в этом месте и именно при таком количестве разных элементов в их смежных группах — ответов на эти логичные вопросы, напрямую вытекающие из данной системы, как результата именно эмпирического этапа, ни она, ни являющийся ее основой периодический закон дать не смогли.

Точно такой же, на уровне «детской», т. е. наипростейшей логики, вопрос, как следствие эмпирического обобщения Галилея, можно задать ему (Галилею), и тоже не получить ответа — почему с Пизанской башни тела разного веса падают вниз с одной и той же скоростью? Ответы на подобные «детские» вопросы, как на самые трудные, поскольку логика этих ответов должна быть тоже «по-детски» понятной, т. е. убедительной для всех, и призван дать теоретический этап научного метода Еще одним ограничением, присущим эмпирическим законам, является их противоречие новым эмпирическим фактам, которые в качестве исходной информации при получении данных законов путем индукции не фигурировали, поскольку их просто ещё не было.

Такие новые факты, как результаты более поздних, по отношению к ранее сформулированным эмпирическим за-конам, наблюдений или экспериментов, не вписываются в зафиксированную данными законами регулярность.

Тут также на помощь призывается теоретический этап для того, чтобы мысленно перестроить известную реальность (существующие эмпирические законы) так, чтобы выпадающие из неё факты вписались в иную, уже теоретического происхождения, схему и перестали противоречить выше упомянутым законам. Если такая схема удачна, то есть снимает данное противоречие, она получает статус гипотезы (см. табл. 2), а если, что ещё лучше, позволяет предсказывать получение новых, нетривиальных фактов (например, свойств эмпирических объектов, не поддающихся наблюдению и измерению) — статус закона или даже теории (там же).

Примером разрешения подобного противоречия является трансформация представлений о наследственности. Эволюционная теория Дарвина на основе обобщения множества совершенно достоверных эмпирических фактов трактовала передачу наследственных признаков по принципу усреднения или смешивания, когда скрещивание, допустим, растений с белыми и красными цветками дает гибриды следующего поколения с цветками розовыми.

Однако из ряда эмпирических фактов, рисующих убедительную картину подобного «розового» усреднения наследуемых признаков выбивались не менее четко и достоверно фиксируемые случаи пусть не частого, но обязательного появления гибридов с чисто белыми или с полностью красными цветками.

При усредняющемся наследовании такого быть не могло — смешав кофе с молоком нельзя в результате получить чисто черную или полностью белую жидкость! Кроме этого противоречия принцип усреднения наследуемых при-знаков еще и запрещал естественный отбор — это Дарвину математически строго доказал британский инженер Ф. Дженкин. Действительно, усреднение при скрещивании означает, что любой, даже самый выгодный для организма признак, появившийся в результате мутации — внезапного изменения наследственной информации под воздействием внешних признаков — закрепиться и уцелеть в популяции не может, он должен исчезнуть тем быстрее, чем в бульшем количестве гибридов следующих поколений, которые этой мутации не испытали, он в результате усреднения «растворится». Дарвину «кошмар Дженкина» отравлял всю оставшуюся жизнь, но опровергнуть инженера ученый так и не смог.

А ответ-то был, причем еще при жизни Дарвина, обрати он внимание на труды своего современника Г. Менделя. Тогда бы он и факты появления красных и белых цветков в большом букете цветков розовых объяснил, и «кошмар Дженкина» разогнал, а к своей известности как естествоиспытателя добавил бы еще и славу создателя генетики. По Менделю, передача от поколения к поколению наследуемых признаков идет не усредняющимся, а расщепляющимся порядком с помощью большого числа дискретных частиц, сегодня называемых генами. Случайная комбинация генов, в полном соответствии с законом нормального распределения Гаусса, может привести к появлению гибридов с признаками только одного из «родителей» (крайние зоны кривой Гаусса, рис. 4).

Рис. 4. Схема наследования по Г. Менделю

А наблюдаемое в большинстве случаев (средняя зона этой же кривой, там же) более или менее равномерное «смешивание» наследуемых признаков является, опять же в полном соответствии с теорией вероятности, наиболее представительным.

Точно так же данная гипотеза Менделя «спасает» и естественный отбор — случайно приобретенный признак в популяции уцелеть может, поскольку математика (см. выше) это допускает, хотя и с известной долей вероятности.

Для создания гипотез и других форм теоретического знания (см. табл. 2) на данном этапе используется иной (там же) инструментарий:

• · абстрагирование — прием мышления, заключающийся в отвлечении от несущественных, незначимых для субъекта познания («теоретика», реализующего теоретический этап) свойств (черт, сторон, качеств) исследуемого объекта с одновременным выделением тех его свойств, которые представляются важными в контексте исследования. Абстрагирование является очень эффективным инструментом теоретических исследований, позволяющим хирургически точно «вырезать» из хаоса множества реальных свойств изучаемого объекта именно те, которые представляют его сущность. А поскольку подобная «хирургическая» операция — один из вариантов первого шага процесса создания идеализированного объекта (см. табл. 2), то она имеет синоним «идеализация» (там же);
• · другой вариант такого же шага — это аналогия — прием познания, при котором наличие сходства (совпадение свойств) нетождественных объектов позволяет предположить их сходство и в других чертах или качествах. Но, как и абстрагирование, «аналогия не есть доказательство» (Аристотель), поскольку это доказательство — прерогатива следующего приема теоретического этапа;
• · гипотетико-дедуктивный метод (см. тему 1) — это вторичная (см. выше) и главная рациональная обработка данных уже не только эмпирического, но и частично (после абстрагирования или аналогии) теоретического этапа, позволяющая почти (почему не в полной мере — об этом ниже) решить его главную задачу — построить логику, объясняющую с помощью созданного для этого уже законченного (см. выше) идеализированного объекта природу изучаемого предмета с учетом всей имеющейся на момент построения данной логики информации о нем. Результатом гипотетико-дедуктивного метода является первый по времени получения продукт дедукционистского знания — гипотеза (см. табл. 2) — предположение, объясняющее ряд эмпирических и/или теоретических фактов;
• · как и знание индукционистское (см. выше), гипотеза может иметь вер-бальную (словесную) или символьную (математическую) форму. Гипотеза в виде абстрактной математической модели (системы уравнений, например) есть результат формализации или математического моделирования (см. табл. 2);
• · гипотеза подлежит обязательной проверке на подтверждаемость (там же), включающей две взаимоисключающие друг друга процедуры — верификации (подтверждения) и фальсификации (опровержения). Такое же обязательное условие данной проверки — она проводится либо эмпирическими данными опыта (наблюдения) или эксперимента, полученными после выдвижения гипотезы, либо теоретическими следствиями, дедуктивно выводимыми из неё. Если гипотеза проходит подобную проверку, т. е. верифицируется новыми эмпирическими или теоретическими данными, она получает статус закона природы, или принципа (начала). Законом природы в естествознании называется существенная, повторяющаяся и необходимая связь между явлениями реальной действительности. Законы (принципы, начала) формулируются как универсальные суждения. Если гипотеза указанными данными фальсифицируется, она считается опровергнутой, и поиски иной, более приемлемой, продолжаются. Таким образом, гипотеза — продукт теоретического этапа промежуточного характера, поскольку рано или поздно она обязательно квалифицируется описанным выше образом;
• · законы в виде математических уравнений или систем уравнений получают математическим доказательством с использованием верифицированных гипотез в качестве исходного материала. Запись законов при-роды на языке математики позволяет радикально повысить их точность, а также логическую и прогностическую силу, т. е. существенно улучшить исполнение наукой своей описательной, объяснительной и прогностической функций соответственно (см. рис. 2). Так, математический вывод Ньютоном эмпирических законов движения планет вокруг Солнца, полученных ранее И. Кеплером, не только подтвердил их правоту, но и привел к идее всемирного тяготения как к причине, объясняющей природу этого движения. Аналогично, математическая обработка Дж. К. Максвеллом эмпирических закономерностей Фарадея, Ампера, Кулона и других блестящих экспериментаторов связала эти данные в единое и непротиворечивое объяснение электрических и магнитных явлений, а также предсказала существование электромагнитных волн и спрогнозировала их свойства. Как известно, обнаружение, спустя десятилетия, Г. Герцем электромагнитных волн полностью подтвердило правоту системы уравнений Максвелла, описывающей их природу;
• · мысленный эксперимент как метод получения теоретического знания, применяется, как правило, тогда, когда проблематично или просто невозможно необходимую исходную информацию получить с помощью реальных наблюдений или опытов. Галилей, например, не подвергал кого-либо рискованным испытаниям в виде запрыгивания на движущуюся повозку или, наоборот, спрыгивания с неё на всем ходу — с помощью мысленного эксперимента по переходу из одной инерциальной системы отсчета в другую он сформулировал важнейший закон будущей классической механики — принцип относительности. Такой же прием использовал Эйнштейн, вообразив свободно падающий в поле тяготения лифт и обнаружив при этом, что, находясь внутри такого лифта, никаким образом нельзя определить, движется ускоренно лифт в поле тяготения или он покоится, а поле тяготения при этом исчезает. Результатом такого мысленного эксперимента стал принцип (закон) эквивалентности инерционной и гравитационной масс, положенный в основу общей теории относительности.

Последовательность трансформации видов дедукционистского знания в процессе реализации теоретического этапа показана на рис. 5. Приведем примеры подобной трансформации для упоминавшихся выше конкретных видов эмпирического знания.

Так, объяснение последовательности смены групп родственных химических элементов, а также их числа в каждой из этих групп периодической системы Д. И. Менделеева было дано полвека спустя после ее создания с позиций одного из законов квантовой механики — принципа В. Паули. Согласно ему, электронные оболочки атомов тем устойчивее, чем в бульшей степени число электронов на них соответствует условию наинизшего, т. е. наиболее выгодного энергетического состояния. -

Рис. 5. Последовательность реализации теоретического этапа научного метода

Данное условие выполняется при числе электронов на каждой из их орбит, равной 2n², где n — номер орбиты (электронной оболочки). Как только число электронов становится больше 2n², появляется следующая по счету орбиталь атома, поэтому на первой из них может находиться максимум 2 • 1² = 2 электрона, на второй 2 • 2² = 8, на третьей 2 • 3² = 18 и т. д.

Так вот, химические и физические свойства элементов определяются конфигурацией внешней электронной оболочки их атомов, а, точнее, степенью ее отличия от выше описанной оптимальной и, как следствие, наименее затратными, с энергетической точки зрения, путями достижения данного оптимума.

Так, для неона (рис. 6), имеющего две полностью «упакованные» орбитали, условие оптимума выполняется, потому он и инертный, т. е. не вступающий ни в какие химические реакции, газ.

Рис. 6. Систематика заполнения электронных оболочек атомов согласно принципу Паули

Для его соседа слева по периодической системе — фтора (там же) — наименее затратным путем достижения такого же оптимума является, очевидно, «достройка» своей второй орбитали недостающим электроном, что и реализуется с помощью свойств фтора как сильнейшего окислителя (напомним, что окисление — это как раз присоединение окислителем валентных электронов вступающего с ним в данную реакцию вещества). Для натрия, как следующего за неоном элемента (см. рис. 6), наоборот, энергетически выгодно «избавиться» от единственного на третьей орбитали электрона, поскольку присоединить недостающие на ней 17 электронов (там же) невозможно опять же из энергетических соображений.

Именно поэтому натрий «отдает» свой валентный электрон вообще без всякого внешнего воздействия, вступая в противоположную реакцию — восстановления — прямо с атмосферным воздухом, (из-за чего и хранят этот щелочной металл в керосине).

Аналогичным образом, результаты опытов Галилея, сбрасывавшего те-ла разного веса с Пизанской башни (см. выше), были объяснены с позиций закона всемирного тяготения Ньютона — тела падают с одной высоты с одинаковой скоростью, не зависящей от их массы, потому, что последняя есть бесконечно малая величина по сравнению с массой Земли, в силу чего сила притяжения к ней этих тел, эквивалентом которой как раз и выступает скорость их падения, практически одинакова.

Можно привести также пример фальсифицированной (см. рис. 5) гипотезы, а именно, гипотезы теплорода (конец 18 века), согласно которой Вселенная заполнена некой субстанцией, состоящей из элементарных части-чек теплоты, перетекание которых из тела в тело составляет суть процессов нагрева и охлаждения этих тел. На основании такой трактовки данных процессов писались равенства типа «лед + теплород = вода» или «водяной пар — теплород = вода», т. е. явления нагрева и охлаждения трактовались как циркуляция в обе стороны теплорода между телами. Опроверг гипотезу теплорода М. В. Ломоносов, экспериментально доказав, что она противоречит закону сохранения вещества — он помещал металл в герметически закрытый сосуд и взвешивал его до и после нагревания до разных температур. Вес сосуда, измеряемый с максимальной для тех времен точностью, оставался всегда одним и тем же, следовательно, заключил Михаил Васильевич, никакого теплорода, «накачиваемого» в сосуд при его нагреве или «вытекающего» из этого со-суда в процессе его остывания, нет. А температура тела есть мера средней скорости движения его молекул — положение, легшее в основу будущей молекулярно-кинетической теории.

Получением именно теории — совокупности некоторого количества законов (принципов, начал), относящихся к одной области познания — завершается трансформация форм научного знания, показанная на рис. 5. Так, упоминавшийся выше принцип Паули — это один из законов теории, которая называется «квантовая механика», закон всемирного тяготения (там же) входит составной частью в другую теорию — классическую механику. Теория выступает самой совершенной формой научного знания, в которой оно достигает определенной полноты и завершенности, а также приобретает относительно безусловную истинность. Выделенные жирным курсивом качества данной формы теоретического знания призваны обратить внимание на очень важный нюанс — теория считается всеобъемлющей и истинной только до тех пор, пока она в состоянии объяснить эмпирические факты, ставшие известными после её принятия. Если эти факты существующей теории противоречат, возникает необходимость в разработке новой, более совершенной теории в соответствии с алгоритмом, показанном на рис. 5. Так, упоминавшаяся выше квантовая механика появилась только тогда, когда новые факты, касающиеся поведения объектов микромира (атомов и элементарных частиц), не смогли объяснить теории существующие — классическая механика Ньютона и электродинамика Максвелла. Можно также добавить, что тот же Ньютон, исчерпывающе объяснивший с помощью закона всемирного тяготения динамику движения как земных, так и небесных тел, причину и природу гравитации — движущей силы этой динамики — объяснить не смог («Гипотез не измышляю!» — его знаменитая фраза). Это объяснение дал, спустя двести лет, Эйнштейн в общей теории относительности. Подобная цикличность пересмотра содержания и статуса различных форм теоретического знания выступает важнейшей и неотъемлемой чертой процесса познания мира.

Осталось добавить, что помимо приемов (способов) исследования, являющихся атрибутами либо эмпирического, либо теоретического этапов научного метода (см. табл. 2), выделяют еще общенаучные приемы и способы, применяемые на обоих указанных уровнях научного познания. К ним относят анализ — расчленение целостного предмета на составные части (стороны, признаки, свойства и отношения) в целях их всестороннего изучения, и синтез — соединение ранее выделенных частей предмета в единое целое.

Действительно, препарировать, т. е. расчленять, можно объекты реальные, исследуя, например, внутреннюю структуру фрагмента живой или неживой природы, а можно также фрагментировать какую-либо часть теоретического знания с целью более детального её изучения. Да и по сущности своей предметы исследования на эмпирическом и теоретическом этапах есть результаты именно анализа — у эмпирического объекта для изучения выделяются только конкретные, а не все его свойства (см. табл. 2), а идеализированный объект — всегда инструмент построения логики такого же конкретного, а не всеобъемлющего теоретического знания (там же).

Точно так же предметом синтеза могут быть эмпирические результаты обособленных исследований, когда, например, опытный образец нового продукта — предмета потребления или технологического оборудования — собирается из инновационных узлов, разработанных разными специалистами — механиками, электронщиками, биотехнологами, программистами и т. д. Что касается синтеза фрагментов теоретического знания, то, по сути, всё содержание одноименного этапа (см. рис. 5) представляет собой как раз переход от локальных ко все более общим его формам.

К общенаучным приемам (способам), строго говоря, следует отнести и эксперимент, поскольку, во-первых, он является инструментом реализации как эмпирического, так и теоретического этапа (см. табл. 2), и, во-вторых, выступает средством подтверждения или неподтверждения достоверности также обоих видов научного знания (процедуры его проверки на воспроизводимость и на подтверждаемость соответственно, там же).