8. Методы научного знания.

Метод – система регулятивных принципов экспериментальной и теоретической деятельности человека. «Хромой, идущий по дороге, всегда обгоняет сильного и здорового, бегущего по бездорожью» - Бекон. Надо учить людей не тому, что думать, а тому, как надо думать.

Метод определяется:

- характером исследуемого объекта. Метод спектрального анализа обусловлен спецификой излучающих тел.

- от имеющихся в научной практике средств познания (это материальные системы, замещающие объект исследования или познающего исследователя, например, модели, микроскоп, усилитель, луч лазера). Например, метод радиолокации уже предполагает наличие некоторых средств познания.

- целями исследования и уровнем, на котором они применяются: эмпирический и теоретический.

Методы эмпирического познания:

1) Наблюдение – систематическое целенаправленное восприятие объекта.

Требования к наблюдению:

- преднамеренность, Н. ведется для решения четко означенной задачи;

- планомерность, план, исходя из задач исследования;

- целенаправленность, фиксируются лишь интересующие явления;

- систематичность;

- активность наблюдения, не воспринимается все то, что попало, а ищутся нужные объекты и их черты.

Наблюдение дает первичную информацию о мире, но цель его - получить соответствующие наблюдения обобщения, формирование законов, теорий, гипотез.

По способу проведения наблюдения делят на:

- непосредственные, когда свойства объекта отражаются, воспринимаются органами чувств человека. Так, наблюдения положения планет и звезд на небе, проводившиеся в течение более двадцати лет Тихо Браге с непревзойденной для невооруженного глаза точностью, явились эмпирической основой для открытия Кеплером его знаменитых законов. Визуальные наблюдения с борта пилотируемой орбитальной станции – наиболее простой и весьма эффективный метод исследования параметров атмосферы, поверхности суши и океана из космоса в видимом диапазоне;

- опосредованные проводятся с использованием тех или иных технических средств. Появление в наши дни рентгеновских телескопов и вывод их в космическое пространство на борту орбитальной станции (рентгеновские телескопы могут работать только за пределами земной атмосферы) позволило проводить наблюдения за такими объектами Вселенной (пульсары, квазары), которые никаким другим путем изучать было бы невозможно.

- косвенные наблюдения. Например, объекты и явления, изучаемые ядерной физикой, не могут прямо наблюдаться ни с помощью органов чувств человека, ни 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 технические средства исследования. Например, при изучении свойств заряженных частиц с помощью камеры Вильсона эти частицы воспринимаются исследователем косвенно – по таким видимым их проявлениям, как образование треков, состоящих из множества капелек жидкости.

2) Эксперимент – активное воздействие на объект и создание искусственных условий, необходимых для выявления соответствующих свойств. В результате сознательно изменяется течение естественных процессов.

В эксперименте очень важна активность исследователя, когда он вмешивается в ситуацию, заставляя объект проявлять нужные свойства.

Преимущества эксперимента:

- эксперимент более информативен, изучение явления в «чистом» виде устраняет всякие побочные факторы;

- более высокая скорость получения знания, чем у наблюдения;

- возможность исследования объекта в экстремальных условиях позволяет обнаружить неожиданные сущностные свойства предметов (сверхпроводимость, сверхтекучесть);

- воспроизводимость эксперимента кем бы то ни было.

Типы экспериментов:

- исследовательский, когда пытаются обнаружить ранее неизвестные свойства. Примером могут служить эксперименты, поставленные в лаборатории Э.Резерфорда, в ходе которых обнаружилось 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 экспериментальная картина, согласно расчетам, получалась в силу того, что вся масса атома сосредоточена в ядре, занимающем ничтожную часть его объема (отскакивали обратно альфа-частицы, соударявшиеся с ядром). Так исследовательский эксперимент, проведенный Резерфордом и его сотрудниками, привел к обнаружению ядра атома, а тем самым и к рождению ядерной физики.

- проверочный, определяющий истинность некоторых теоретических положений. Так, существование целого ряда элементарных частиц (позитрона, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретически, и лишь позднее они были обнаружены экспериментальным путем.

- иллюстративный, для демонстрации какого-либо явления.

Эксперименты могут быть натурными (при доступности объекта) или модельными (если оперирование с предметом затруднено). Модельные делятся на: материальные (все медицинские эксперименты) и мысленные (эксперимент при открытии физического принципа инерции).

3) Сравнение - установление сходства и различия предметов и явлений действительности с целью выявления общего, повторяющегося в явлениях.

Требования к сравнению:

- сравнивать явления, между которыми может существовать определенная объективная общность;

- сравнение должно осуществляться по важным, существенным признакам.

Сравнение может быть непосредственным (получается первичная информация) или опосредованным (через третий объект, который выступает как эталон). Количественные характеристики приобретают особую ценность, т.к. объекты описываются безотносительно друг к другу.

Сравнение иногда можно рассматривать как методологический принцип, например, сравнительная анатомия, сравнительная морфология, эмбриология, историческое языкознание.

4) Аналогия. Если у двух объектов в результате сравнения обнаружено несколько одинаковых признаков, но у одного из них найден дополнительно еще какой-то признак, то предполагается, что этот признак должен быть присущ также и другому объекту.

Истинность метода повышается, если:

- число сходных признаков велико;

- если сходны существенные признаки;

- если сходные признаки взаимосвязаны.

Использование аналогий сейчас особенно актуально в связи с «теориями уровней». Мир многоуровневен, каждый уровень имеет свою специфику, отсюда эффективны аналогии. Например, планетарная модель атома Резерфорда (1911).

5) Измерение – процедура определения численного значения некоторой величины посредством сравнения с эталоном, или единицы измерения. Огромное значение измерений для науки отмечали многие видные ученые. Например, Д.И. Менделеев подчеркивал, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять». А известный английский физик В. Томсон (Кельвин) указывал на то, что «каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».

Измерения часто приводят к открытию эмпирических закономерностей (система Менделеева, измерения Майкельсоном скорости света).

Измерение включает в себя 5 элементов:

• объект измерения;

• единица измерения, эталонный объект, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение «1»). Существует множество единиц измерения, соответствующее множеству объектов, явлений, их свойств, сторон, связей, которые приходится измерять в процессе научного познания. При этом единицы измерения подразделяются на основные, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других единиц с помощью каких–то математических соотношений.

• измерительные приборы;

• метод измерения;

• наблюдатель.

Наличие субъекта (исследователя), производящего измерения, не всегда является обязательным. Он может и не принимать непосредственного участия в процессе измерения, если измерительная процедура включена в работу автоматической информационно-измерительной системы (человек-исследователь находится «рядом» с этой системой, налаживает и контролирует ее).

Требования к измерению:

1) Точность измерения.

2) Адекватность единиц измерения.

Точность измерения, конечно, необходима, но это не главное для открытия закономерностей. Например. В начале ХХ века Ландольт с большой точностью проверил закон сохранения вещества Ломоносова – Лавуазье и подтвердил его. Но, если бы точность была повышена в 2-3 раза, он бы обнаружил, что прореагировавшие вещества изменили массу, что подтверждало Е=mc², но вряд ли бы убедило физиков.

Вопрос об обеспечении единообразия в измерении величин, отражающих те или иные явления материального мира, всегда был очень важным. Отсутствие такого единообразия порождало существенные трудности для научного познания. Например, до 80-х годов XIX в. не существовало никакого единства в измерении электрических величин: использовалось 15 различных единиц электрического сопротивления, 8 единиц электродвижущей силы, 5 единиц электрического тока и т.д. Сложившееся положение сильно затрудняло сопоставление результатов измерений и расчетов, выполненных различными исследователями. Остро ощущалось необходимость введения единой системы электрических единиц. Такая система была принята первым международным конгрессом по электричеству, состоявшемся в 1881 году.

Методика построения системы единиц как совокупности основных и производных была впервые предложена в 1832 году К. Гауссом. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга основные единицы: длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда). Все остальные (производные) единицы можно было определить с помощью этих трех. В дальнейшем, с развитием науки и техники появились и другие системы единиц физических величин, построенные по принципу, предложенному Гауссом. Они базировались на метрической системе мер, но отличались друг от друга основными единицами.

В настоящее время в естествознании действует преимущественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Международная система единиц построена на базе семи основных (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль) и двух дополнительных (радиан, стерадиан) единиц. С помощью специальной таблицы множителей и приставок можно образовывать кратные и дольные единицы (например, с помощью множителя 10^-3 и приставки «милли» к наименованию любой из названных выше единиц измерения можно образовывать дольную единицу размером в одну тысячную от исходной).

Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она охватывает физические величины механики, термодинамики, электродинамики и оптики, которые связаны между собой физическими законами.

Методы теоретического познания.

1. Идеализация - конструирование идеальных объектов (конструктов). Идеальные объекты не существуют в действительности, а конструируются мыслью.

Преимущества:

- упрощение исследуемой системы;

- прояснение сущностных связей;

- возможность формализации.

Так, широко распространенная в механике идеализация, именуемая материальной точкой, подразумевает тело, лишенное всяких размеров. Такой абстрактный объект, размерами которого пренебрегают, удобен при описании движения, т.к. позволяет заменить в исследовании самые различные реальные объекты: от молекул или атомов до планет Солнечной системы.

В процессе идеализации объект может быть наделен какими-то особыми свойствами, в реальной действительности несуществующими. Примером может служить абстракция под названием абсолютно черного тела. Такое тело наделяется несуществующим в природе свойством поглощать абсолютно всю попадающую на него лучистую энергию, ничего не отражая и ничего не пропуская сквозь себя. Спектр излучения абсолютно черного тела является идеальным случаем, ибо на него не оказывает влияния природа вещества излучателя или состояние его поверхности. А если можно теоретически описать спектральное распределение плотности энергии излучения для идеального случая, то можно кое-что узнать и о процессе излучения вообще.

Механизм идеализации:

- многоступенчатое абстрагирование (отвлечение от ненужных свойств): объект – плоскость – линия - точка;

- мысленный переход к предельному случаю в развитии какого-либо свойства: предельный случай твердости – абсолютно твердое тело, не деформирующееся под действием внешних сил;

- выбрать интервал абстракции (приемлемый).

Мысленный эксперимент - оперирование идеализированным объектом (замещающим в абстракции объект реальный), которое заключается в мысленном подборе тех или иных положений, ситуаций, позволяющих обнаружить какие–то важные особенности исследуемого объекта. Примером могут служить мысленные эксперименты Галилея, приведшие к открытию закона инерции. А. Эйнштейн и Л. Инфельд писали, что «... закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести умозрительно – мышлением, связанным с наблюдением. Этот эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов».

2. Формализация - метод изучения самых разнообразных объектов путем отображения их содержания и структуры в знаковой форме с помощью искусственных языков. Формализация через использование специальной символики позволяет отвлечься от изучения реальных объектов, от содержания описывающих их теоретических положений и оперировать вместо этого некоторым множеством символов (знаков). Примером формализации являются широко используемые в науке математические описания различных объектов, явлений, основывающиеся на соответствующих содержательных теориях.

Преимущества:

- полнота обозрения за счет обобщения проблемы (алгоритм, компьютерная программа);

- краткость, четкость за счет специальной символики;

- отсутствие многозначности из-за строгости рассуждений;

- упрощение объекта исследования.

В формализованной модели как бы временно отвлекаются от содержательной стороны. Поэтому иногда можно прийти к выводам, которые с содержательной точки зрения кажутся «сумасшедшими», например, «объект с отрицательной массой».

3. Аксиоматизация - это способ организации научного знания, когда из ряда утверждений, принимаемых без доказательств, с помощью логических правил выводится остальное знание.

Образец аксиоматики – «Начала» Евклида.

Требования к аксиоматической теории:

- непротиворечивость;

- полнота;

- независимость аксиом.

Преимущества аксиоматического метода:

- точность определения используемых понятий;

- строгость рассуждений;

- упорядоченность знания, элиминация ненужного.

Аксиоматический метод слабо используется в эмпирических дисциплинах. См. теорема Геделя о принципиальной неполноте формализованных систем: в пределах системы могут быть сформулированы такие утверждения, которые нельзя ни доказать, ни опровергнуть без выхода в метатеорию. Поэтому всеобщая аксиоматизация знания невозможна.

Общенаучные методы.

1. Абстрагирование – мысленное отвлечение от несуществующих свойств, связей, выделение одной или нескольких интересующих сторон. Результат, получаемый в процессе абстрагирования, именуют абстракцией.

Абстрагирование имеет несколько ступеней:

- отделение существенного от несущественного, вычленение интересующего, установление зависимости или независимости между изучаемыми явлениями;

- замещение некоторого объекта О1 другим, менее богатым свойствами О2 – модель О1.

В научном познании широко применяются:

- абстракция отождествления, т.е. понятие, которое получается в результате объединения в особую группу некоторого множества предметов с отвлечением от их индивидуальных свойств и признаков. Например, группировка всего множества растений и животных, обитающих на нашей планете, в особые виды, роды, отряды и т.д.;

- изолирующая абстракция получается путем выделения некоторых свойств и отношений предметов материального мира в самостоятельные сущности («устойчивость», «растворимость», «электропроводность» и т.д.).

2. Моделирование - создание такой исследуемой системы, которая аналогична объекту познания и может его заместить.

Моделирование ведется в макро- и микромирах. Оно позволяет:

- получить информацию об объекте;

- получить новое знание;

- обладает объяснительной функцией;

- фиксирует полученное знание.

Модель всегда беднее оригинала.

Типы моделей:

• по степени участия человека - естественная и искусственная модели;

• по способу воспроизведения информации об оригинале - знаковая (символическая) и вещественно-техническая (физическая);

Вещественно-техническая модель характеризуется физическим подобием между моделью и оригиналом. По результатам исследования тех или иных физических свойств модели судят о явлениях, происходящих (или могущих произойти) в так называемых «натуральных условиях». Физическое моделирование широко используется для разработки и экспериментального изучения различных сооружений (плотин электростанций, оросительных систем и т.п.), машин (аэродинамические качества самолетов, например, исследуются на их моделях, обдуваемых воздушным потоком в аэродинамической трубе), для лучшего понимания каких–то природных явлений (для изучения эффективных и безопасных способов ведения горных работ) и т.д.

Пренебрежение результатами таких модельных исследований может иметь тяжелые последствия. Поучительным примером этого является вошедшая в историю гибель английского корабля–броненосца «Кэптэн», построенного в 1870 г. Исследования известного ученого–кораблестроителя В.Рида, проведенные на модели корабля, выявили серьезные дефекты в его конструкции. Но заявление ученого, обоснованное опытом с «игрушечной моделью», не было принято во внимание английским Адмиралтейством. В результате при выходе в море «Кэптэн» перевернулся, что повлекло за собой гибель более 500 моряков.

В знаковой модели свойства и отношения объекта-оригинала представляются в условно-знаковой форме (в виде графиков, номограмм, схем, научных символов и т.п.).

Разновидностью знакового моделирования является математическое моделирование. Функционирование объектов и явлений представляются в виде соответствующих уравнений (дифференциальных, интегральных, алгебраических) и их систем;

• по целям исследования - эвристическая и дидактическая (обучающая) модели.

Примером эвристической модели может служить модель атома, предложенная Э.Резерфордом. Она напоминала Солнечную систему: вокруг ядра («Солнца») обращались электроны («планеты»).