2. Научный метод. Классификация методов естественнонаучного познания

Для научного познания большое значение имеет метод, т.е. способ организации изучения объекта. Метод – совокупность принципов, правил и приемов практической и теоретической деятельности. Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми человек может достичь намеченной цели.

Правильный метод имеет огромное значение для познания природы. Учение о методе (методология) начинает развиваться в науке нового времени. Знаменитый английский философ Фрэнсис Бэкон сравнивал метод с фонарем, который освещает путнику дорогу. Ученый, не вооруженный правильным методом, - это путник, бредущий в темноте и ощупью отыскивающий себе дорогу. Рене Декарт, великий французский философ XVII века, тоже придавал большое значение разработке научного метода: «Под методом я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного знания всего, что ему доступно». Именно в этот период бурного развития естествознания складываются две противоположные методологические концепции: эмпиризм и рационализм.

Эмпиризм – направление в методологии, признающее опыт источником достоверного знания, сводящее содержание знания к описанию этого опыта.

Рационализм – направление в методологии, согласно которому достоверное знание дает только разум, логическое мышление.

Методы научного познания можно классифицировать по степени общности на универсальные (философские) и научные, которые в свою очередь, делятся на общенаучные и частнонаучные.

Частнонаучные методы применяются в рамках одной науки или области научного исследования, например: метод спектрального анализа, метод цветных реакций в химии, методы электромагнетизма в физике и др.

Общенаучные методы имеют широкий междисциплинарный спектр применения и могут применяться в любой науке, например: моделирование, эксперимент, логические методы и др.

Одной из важнейших особенностей научного познания является наличие двух уровней: эмпирического и теоретического, которые отличаются используемыми методами. На эмпирической (опытной) стадии используются главным образом методы, связанные с чувственно-наглядными приемами познания, к которым относят наблюдение, измерение, эксперимент.

Наблюдение является первоначальным источником информации и связано с описанием объекта познания. Целенаправленность, планомерность, активность – характерные требования для научного наблюдения. По способу проведения наблюдения бывают непосредственными и опосредованными. При непосредственных наблюдениях свойства объекта воспринимаются органами чувств человека. Такие наблюдения всегда играли большую роль в исследовании науки. Так, например, наблюдение положения планет и звезд на небе, проводившиеся более двадцати лет Тихо Браге с необыкновенной для невооруженного глаза точностью, способствовали открытию Кеплером его знаменитых законов. Однако чаще всего научное наблюдение бывает опосредованным, т.е. проводится с помощью технических средств. Изобретение Галилеем в 1608 году оптического телескопа расширило возможности астрономических наблюдений, а создание в ХХ веке рентгеновских телескопов и вывод их в космос на борту орбитальной станции позволило проводить наблюдения за такими космическими объектами, как квазары, пульсары, которые невозможно было бы наблюдать никаким другим способом.

Развитие современного естествознания связано с повышением роли так называемых косвенных наблюдений. Так, например, объекты, изучаемые ядерной физикой, не могут наблюдаться ни непосредственно, с помощью органов чувств человека, ни опосредованно, с помощью самых совершенных приборов. То, что ученые наблюдают в процессе эмпирических исследований в атомной физике, - это не сами микрообъекты, а только результаты их воздействия на определенные технические средства. Например, регистрацию взаимодействий элементарных частиц фиксируют только косвенно с помощью счетчиков (газозарядных, полупроводниковых и т.п.) или трековых приборов (камера Вильсона, пузырьковая камера и др.) Расшифровывая «картинки» взаимодействий, исследователи получают сведения о частицах и их свойствах.

Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания, он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления его определенных сторон и свойств. Преимущества эксперимента: во-первых, позволяет изучать объект в «чистом виде», т.е. устранять всякие побочные факторы, затрудняющие исследование. Во-вторых, позволяет изучать объект в некоторых искусственных, например, экстремальных, условиях, когда удается обнаружить удивительные свойства объектов, тем самым глубже постигать их сущность. Очень интересными и перспективными в этом плане являются космические эксперименты, позволяющие изучать объекты в таких особых условиях, как невесомость, глубокий вакуум, которые недостижимы в земных лабораториях. В-третьих, изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его протекание. В-четвертых, многократность, повторяемость эксперимента, который может быть повторен столько раз, сколько необходимо для получения достоверных результатов.

В зависимости от характера задач эксперименты делятся на исследовательские и проверочные. Исследовательские эксперименты позволяют делать открытия, обнаруживать у объекта новые, ранее неизвестные свойства. Так, например, эксперименты в лаборатории Э. Резерфорда показали странное поведение альфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги: большинство частиц проходило сквозь фольгу, небольшое количество частиц отклонялось и рассеивалось, а некоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мяч от сетки. Такая картина, согласно проведенным расчетам, получалась из-за того, что вся масса атома сосредоточена в ядре, занимающем ничтожную часть объема атома, и отскакивали обратно альфа-частицы, соударявшиеся с ядром. Так исследовательский эксперимент Резерфорда привел к обнаружению ядра атома, и тем самым к рождению ядерной физики.

Проверочные эксперименты служат подтверждению некоторых теоретических построений. Например, существование целого ряда элементарных частиц (позитрон, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретически.

Измерение – процесс, состоящий в определении количественных значений свойств или сторон изучаемого объекта с помощью специальных технических устройств. Результат измерения получается в виде некоторого числа единиц измерения. Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемый объект. Единицы измерения подразделяются на основные, используемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из базисных с помощью некоторых математических соотношений. Методика построения системы единиц была впервые предложена в 1832 г. Карлом Гауссом. В предложенной системе в основу положены три произвольные единицы: длины (миллиметр), массы (миллиграмм), времени (секунда). Все остальные единицы можно было получить из этих трех. В дальнейшем с развитием науки и техники появились и другие системы единиц физических величин, построенных по принципу Гаусса. Кроме того, в физике появились так называемые естественные системы единиц, в которых основные единицы определялись из законов природы. Примером служит система единиц, предложенная Максом Планком, в основу которой были положены «мировые постоянные»: скорость света в вакууме, постоянная тяготения, постоянная Больцмана и постоянная Планка. Исходя из них (и приравняв их к «1»),Планк получил ряд производных единиц: длины, массы, времени, температуры. В настоящее время в естествознании действует преимущественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году Генеральной конференцией по метрам и весам. Данная система является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени и охватывает физические величины механики, термодинамики, электродинамики и оптики, которые связаны между собой физическими законами.

На теоретической стадии прибегают к абстракциям и образованию понятий, строят гипотезы и теории, открывают законы науки. К числу общенаучных теоретических методов относят сравнение, абстрагирование, идеализацию, анализ, синтез, дедукцию, индукцию, аналогию, обобщение, восхождение от абстрактного к конкретному. Главная их особенность в том, что это логические приемы, т.е. операции с мыслями, знаниями.

Сравнение – мысленная операция выявления сходства и различия изучаемых предметов. Частным случаем сравнения является аналогия: вывод о наличии того или иного признака у исследуемого объекта делается на основе обнаружения у него целого ряда сходных признаков с другим объектом.

Абстрагирование – мысленное выделение признаков предмета и рассмотрение их отдельно от самого предмета и других его признаков. Идеализация – мысленное конструирование ситуации (объекта, явления), которой приписываются свойства или отношения в «предельном» случае. Результатом такого конструирования являются идеализированные объекты, такие как: точка, материальная точка, абсолютно черное тело, абсолютно твердое тело, идеальный газ, несжимаемая жидкость и др. Благодаря идеализации процессы рассматриваются в «чистом виде», что позволяет выявить законы, по которым эти процессы протекают. Например: допустим, что некто идет по дорожке с багажной тележкой и внезапно перестает ее толкать. Тележка будет двигаться еще некоторое время, пройдя небольшое расстояние, а затем остановится. Можно придумать множество способов удлинения пути, проходимого тележкой после толкания. Однако устранить все внешние воздействия на длину пути невозможно. Но, рассматривая движение тела в «предельном» случае, мы можем заключить, что если совсем устранить внешние воздействия на движущееся тело, то оно будет двигаться бесконечно и при этом равномерно и прямолинейно. Такой вывод был сделан Галилеем и получил название «принцип инерции», а наиболее четко сформулирован Ньютоном в виде закона инерции.

С идеализацией связан такой специфический метод как мысленный эксперимент, который предполагает оперирование идеализированным объектом, замещающим в абстракции объект реальный.

Анализ – метод исследования, состоящий в разделении целого на части, с целью их самостоятельного изучения.

Синтез – соединение ранее выделенных частей в целое с целью выявления их взаимосвязи и взаимодействия. Связь анализа и синтеза вытекает из самой природы объектов, представляющих единство целого и его частей. Анализ и синтез обусловливают друг друга.

Индукция – логический метод, основанный на движении мысли от единичного или частного к общему. В индуктивном умозаключении истинность посылок (фактов) не гарантирует истинности выводимого заключения, оно будет лишь вероятностным. Метод научной индукции основан на выяснении причинной (каузальной) связи исследуемых явлений. Каузальность – такое внутреннее отношение между двумя явлениями, когда одно из них порождает, вызывает другое. Это отношение содержит: явление, которое претендует на то, чтобы быть причиной; явление, которому мы приписываем характер действия (следствия), и обстоятельства, в которых происходит взаимодействие причины и действия.

Для причинной связи характерно:

• причина постоянно предшествует своему действию во времени; это значит, что причину данного явления следует искать среди обстоятельств, предшествующих ему во времени, учитывая факт некоторого сосуществования во времени причины и следствия.

• Причина порождает действие, обусловливает его появление; это значит, что одного предшествования во времени недостаточно для каузальной связи, повод – условие, предшествующее возникновению явления, но не порождающее его.

• Связь причины и следствия необходима; это означает, что можно доказать отсутствие причинной связи в случае, когда действие наступает, а предполагаемой причины не наблюдалось.

• Связь причины и действия всеобща; это значит, что каждое явление имеет причину, поэтому, как правило, наличие причинной связи нельзя установить на основании единичного явления, необходимо изучение определенного множества явлений, в рамках которого систематически проявляется искомая причинная связь.

• С изменением интенсивности причины изменяется и интенсивность действия. Это наблюдается тогда, когда причина и следствие определенное время сосуществуют.

На этих свойствах основаны методы открытия причинных связей, разработанные Ф. Бэконом (1561- 1626), а затем усовершенствованные английским философом, логиком, экономистом Джоном Стюартом Миллем (1806-1873). Эти методы получили название методов научной индукции. Всего их пять:

1. Метод единственного сходства: если какое-то обстоятельство постоянно предшествует наступлению исследуемого явления в то время, как иные обстоятельства изменяются, то это условие, вероятно, и есть причина данного явления.

2. Метод единственного различия: если какое-то условие имеет место, когда наступает исследуемое явление, и отсутствует, когда этого явления нет, а все остальные условия остаются неизменными, то, вероятно, данное условие представляет собой причину исследуемого явления.

3. Соединенный метод сходства и различия: если два и большее число случаев, когда наступает данное явление, сходны только в одном условии, в то время как два или более случаев, когда данное явление отсутствует, отличаются от первых только тем, что отсутствует это условие, то это условие, вероятно, и есть причина наблюдаемого явления.

4. Метод сопутствующих изменений: если с изменением условий в той же степени меняется некоторое явление, а остальные обстоятельства остаются неизменными, то, вероятно, данное условие является причиной наблюдаемого явления.

5. Метод остатков: если сложные условия производят сложное действие и известно, что часть условий вызывает определенную часть этого действия, то остающаяся часть условий вызывает остающуюся часть действия.

Дедукция – это движение мысли от общих положений к частным или единичным. Дедукция - общенаучный метод, но особенно большое значение дедуктивный метод имеет в математике. В науке Нового времени разрабатывал и пропагандировал дедуктивно-аксиоматический метод познания выдающийся философ и математик Р. Декарт. Его методология была прямой противоположностью эмпирическому индуктивизму Бэкона.

Из общего положения, что все металлы обладают электропроводностью, можно сделать вывод об электропроводности конкретной медной проволоки, зная, что медь – металл. Если исходные общие положения являются истинными, то дедукция всегда будет давать истинный вывод.

Наиболее распространенным видом дедукции является простой категорический силлогизм, в котором устанавливается отношение между двумя крайними терминами S и P на основании их отношения к среднему термину M. Например:

Все металлы (M) проводят электрический ток (P).

Важное место в теории дедуктивных рассуждений занимает также условно- категорическое умозаключение.

Утверждающий модус (modus ponens):

Если у человека повышена температура (a), он болен (b). У этого человека повышена температура (a). Значит, он болен (b).

Как видно, мысль здесь движется от утверждения основания к утверждению следствия: (a —› b, a) —› b.

Отрицающий модус (modus tollens):

Если у человека повышена температура (a), он болен (b). Этот человек не болен (не-b). Значит, у него нет повышенной температуры (не-a).

Как видно, здесь мысль движется от отрицания следствия к отрицанию основания: (a —› b, не-b) —› не-a.

Дедуктивная логика играет важнейшую роль в обосновании научного знания, доказательстве теоретических положений.

Аналогия и моделирование. Оба эти метода основаны на выявлении сходства в предметах или отношениях между предметами. Модель – искусственно созданное человеком устройство, которое в определенном отношении воспроизводит реально существующие предметы, являющиеся объектом научного исследования. Моделирование основано на абстрагировании сходных признаков у разных предметов и установлении между определенного соотношения между ними. С помощью моделирования можно изучать такие свойства и отношения исследуемых явлений, которые могут быть недоступны непосредственному изучению.

В хорошо известной планетарной модели атома его строение уподобляется строению Солнечной системы. Вокруг массивного ядра на разном расстоянии от него движутся по замкнутым траекториям легкие электроны, подобно тому, как вокруг солнца обращаются планеты. В этой аналогии устанавливается, как и обычно, сходство, но не самих предметов, а отношений между ними. Атомное ядро не похоже на Солнце, а электроны – на планеты. Но отношение между ядром и электронами во многом подобно отношению между Солнцем и планетами.

Аналогия между живыми организмами и техническими устройствами лежит в основе бионики. Это направление кибернетики изучает структуры и жизнедеятельность организмов; открытые закономерности и обнаруженные свойства используются затем для решения инженерных задач и построения технических систем, приближающихся по своим характеристикам к живым системам.

Таким образом, аналогия не только позволяет объяснить многие явления и сделать неожиданные и важные открытия, она приводит даже к созданию новых научных направлений или коренному преобразованию старых.

Виды моделирования.

Мысленное (идеальное) моделирование – построение различных мысленных представлений в форме воображаемых моделей. Например, в идеальной модели электромагнитного поля, созданной Максвеллом, силовые линии представлялись в виде трубок различного сечения, по которым течет воображаемая жидкость, не обладающая инерцией и сжимаемостью.

Физическое моделирование – воспроизведение в модели процессов, свойственных оригиналу, на основе их физического подобия. Оно широко используется для разработки и экспериментального изучения различных сооружений (плотин электростанций и т.п.), машин (аэродинамические качества самолетов, например, исследуются на их моделях, обдуваемых воздушным потоком в аэродинамической трубе), для изучения эффективных и безопасных способов ведения горных работ и т.д.

Символическое (знаковое) моделирование связано с представлением в качестве моделей разнообразных схем, графиков, чертежей, формул. Особой разновидностью символического моделирования является математическое моделирование. Символический язык математики позволяет выражать свойства, стороны, отношения объектов самой различной природы. Взаимосвязи между различными величинами, описывающими функционирование изучаемого объекта, выражается соответствующими уравнениями.

Численное моделирование на ЭВМ основывается на математической модели изучаемого объекта и применяется в случаях больших объемов вычислений, необходимых для исследования данной модели, для чего создается специальная программа. В этом случае в качестве модели выступает алгоритм (программа для ЭВМ) функционирования изучаемого объекта.