1.2. Загальні методи наукового пізнання

Сучасна фізика експериментальними методами, теоретичними узагальненнями і передбаченнями вивчає прості, але найзагальніші властивості й об’єктивні просторово-часові закони руху матерії, кількісні та якісні зміни її, пов’язані з будовою, взаємодією і перетвореннями всіх її видів і станів та застосовує наступні методи наукового пізнання: методи емпіричного дослідження; методи, що використовуються на емпіричному та теоретичному рівнях дослідження; методи теоретичного дослідження.

До першої групи належать такі методи пізнання, як спостереження, порівняння, вимірювання та експеримент.

Спостереження – найелементарніший метод, що виступає найчастіше одиним з елементів у складі інших емпіричних методів. Спостереження – це активний пізнавальний процес, що спирається насамперед на роботу органів відчуття людини та її предметну матеріальну діяльність. Однак при цьому істотне значення належить мисленню людини, її знанням та досвіду.

Прогрес спостереження як методу наукового пізнання нерозривно пов’язаний з прогресом засобів спостереження. Винайдення телескопа дало змогу поширити спостереження на мегасвіт, а створення мікроскопа сприяло вивченню мікросвіту. Рентгенівський апарат, радіолокатор, генератор ультразвуку та багато інших технічних засобів спостереження привели до зростання значення цього методу дослідження.

Спостереження – це не випадкове сприйняття об’єкта, не одноактна дія. Дослідник може дістати по-справжньому цінну інформацію лише тоді, коли спостереження є або неперервним, або ведеться за визначеною системою, що дає змогу сприймати об’єкт багаторазово і в найрізноманітніших умовах. Спостереження як засіб пізнання дає нам до сукупності емпіричних тверджень первісну інформацію про об’єкт дослідження, а результат спостереження є первинним етапом пізнання.

Порівняння – це один із найпоширеніших і універсальних методів пізнання. Порівнянням називають установлення подібності й відмінності предметів і явищ дійсності. Внаслідок порівняння встановлюють те загальне, що притаманне двом або більше об’єктам, а виявлення загального, що повторюється в явищах, як відомо, відкриває шлях до пізнання закону.

Щоб порівняння було плідним, воно має задовольняти двом основним вимогам. Порівнюють лише такі явища, між якими може існувати певна об’єктивна спільність. Об’єкти мають порівнюватися за найважливішими, істотними ознаками. У разі спостереження найчастіше дістають такі якісні результати: більше – менше, тепліше – холодніше тощо. Якщо об’єкти порівнюють з якимось іншим об’єктом, що грає роль еталона, то знайдені кількісні характеристики набувають особливої цінності, оскільки вони описують об’єкти безвідносно один до одного, дають більш повне знання про них. Таке порівняння називають вимірюванням

Експеримент – це такий метод вивчення об’єкта, коли дослідник активно впливає на нього за допомогою створення штучних умов, при цьому свідомо змінюється хід природних процесів. Експеримент є найбільш складним і ефективним методом емпіричного пізнання. Він передбачає використання спостереження, порівняння та вимірювання – цих елементарних емпіричних методів. Засновником експериментальної науки визнається Г. Галілей. Він не тільки створив багато приладів для спостереження і експериментування, а й здійснив унікальні експерименти.

За допомогою експерименту досліджують властивості реальних об’єктів у експериментальних умовах: при наднизьких та надвисоких температурах, при дуже високих тисках, в умовах величезної напруженості електричних і магнітних полів тощо. Робота в таких умовах може призвести до відкриття дивовижних властивостей звичайних речовин і, таким чином, до глибшого проникнення в їхню суть. Прикладом таких властивостей, що виникають в екстремальних умовах, можуть бути надпровідність і надтекучість. До переваг експерименту належить також його повторюваність. Це означає, що під час експерименту необхідні спостереження, порівняння і вимірювання можуть проводитися, як правило, стільки разів, скільки потрібно для одержання вірогідних даних.

Експеримент може бути дослідним, перевіреним або ілюстративним (демонстраційним). Експеримент є дослідним, коли намагаються виявити притаманні об’єкту невідомі раніше властивості. Наслідком такого експерименту є твердження, що не випливають із раніше відомих знань про об’єкт. Класичним прикладом експериментів такого типу є досліди Резерфорда з розсіювання α-частинок, на підставі яких було встановлено планетарну будову атома.

До експерименту звертаються і тоді, коли треба перевірити справедливість тих чи інших тверджень або теоретичних положень. Такий експеримент називають перевіреним. Прикладів перевірених експериментів багато в сучасній фізиці. Численні елементарні частинки були спочатку передбачені теоретично: позитрон – П. Діраком, нейтрино – В. Паулі, цілий ряд елементарних частинок – відомим спеціалістом у галузі їх класифікації М. Гелл-Маном. Пізніше ці частинки були відкриті експериментально, тобто, по суті, було перевірено відповідні теоретичні твердження.

До експерименту звертаються також тоді, коли потрібно з метою навчання проілюструвати якесь явище. Такий експеримент називають ілюстративним, або демонстративним.

Будь-який з цих експериментів може здійснюватись як безпосередньо з об’єктом дослідження, так і з його замінником у пізнанні – моделлю. Найважливішою особливістю експериментування з моделлю є можливість вивчення її в набагато широкому діапазоні умов, ніж це дає змогу безпосереднє оперування з оригіналом. До того ж експеримент можна здійснювати як з матеріальними об’єктами, так і з їхніми ідеальними копіями. В останньому випадку експеримент називають уявним. Уявний експеримент є специфічним методом пізнання, він виступає як ідеальна форма реального експерименту і вже давно і плідно застосовується в науці. Саме уявний експеримент дав змогу Г. Галілею відкрити фізичний принцип інерції, який покладено в основу всієї класичної механіки. А. Ейнштейн та інші вчені широко використовували мислені експерименти. Сфера застосування уявного експерименту є набагато ширшою, ніж матеріального. Проте перевірити вірогідність здобутих за допомогою уявного експерименту знань можна лише за допомогою реального експерименту, практики.

До другої групи належать такі методи пізнання: абстрагування, аналіз і синтез, індукція і дедукція, моделювання.

Абстрагування в розумовій діяльності людини має універсальний характер, оскільки саме мислення пов’язане безпосередньо з цим процесом або з використанням його наслідків. Розрізняють процес абстрагування і наслідок абстрагування, який називають абстракцією. Процес абстрагування складається з двох стадій. На першій стадії абстрагування відбувається відокремлення істотного від неістотного, виявляється найважливіше в досліджуваних явищах, встановлюється незалежність (або дуже слабка залежність) досліджуваних явищ від певних факторів. Друга стадія процесу абстрагування полягає в реалізації можливості абстрагування, яку встановлено раніше. Це і є власне абстракція.

Основна їх функція полягає в тому, що вони дають змогу замінити в пізнанні порівняно складне простим, допомагають орієнтуватися в усій нескінченній різноманітності явищ диференціюванням їх відокремленням різних властивостей, встановленням співвідношень і зв’язків між цими властивостями, фіксацією їх у процесі пізнання тощо.

Аналіз – це метод пізнання, змістом якого є сукупність заходів і закономірностей розчленування предмета дослідження на складові частини. Цими частинами можуть бути окремі матеріальні елементи об’єкта або його властивості й відношення.

Синтез – це метод пізнання, змістом якого є сукупність заходів і закономірностей поєднання окремих частин предмета в єдине ціле. З вивчення цих методів випливає, що вони є протилежностями, які взаємно передбачають і доповнюють одна іншу. Вся історія пізнання вчить, що аналіз і синтез виступають як плідні методи пізнання лише тоді, коли їх використовують у тісній єдності.

Індукція і дедукція – це парні взаємозв’язані методи пізнання, що мають особливе місце в системі наукових методів. Вони включають в себе використання суто формальних правил. Поділ цих методів ґрунтується на виділенні двох типів висновків – дедуктивного та індуктивного. Дедуктивним називають такий висновок, коли знання про деякий елемент множини дістають на підставі знань загальних властивостей усієї множини. Так, Дж. Максвелл на підставі кількох рівнянь, що є найбільш загальними законами електродинаміки, побудував послідовну і повну теорію електромагнітного поля. Отже, змістом дедукції як методу пізнання є використання загальних наукових положень при дослідженні конкретних явищ.

Значення дедукції в пізнанні невпинно зростає. Це пов’язано з тим, що наука все частіше вивчає такі об’єкти, які не підлягають чуттєвому сприйняттю (мікросвіт, мегасвіт тощо). При пізнанні такого типу об’єктів частіше доводиться звертатися до думки, ніж до спостереження або експерименту.

Під індукцією розуміють висновки, які йдуть від окремого до загального, коли на підставі знань про окремі предмети певного класу роблять висновок про клас у цілому. При цьому вирішальне значення належить об’єктивній закономірності реальних явищ, діалектиці одиничного, особливого і загального.

Моделювання – це заміна вивчення явища в натурі, яке нас цікавить, вивченням аналогічного явища на моделі меншого чи більшого масштабу, завичай в спеціальних лабораторних умовах. Це особливий і універсальний метод наукового пізнання, який застосовується свідомо й систематично. В основі моделювання лежить подібність. В теоретичному пізнанні моделювання є використанням моделей, що складаються з ідеальних уявних елементів, що передають певні риси модельованого об’єкта.

Першим етапом моделювання в теоретичному пізнанні є побудова моделі. Модель – є особливого роду проміжним предметом дослідження, побудованим із матеріальних чи ідеальних (уявних) елементів, що перебувають у певній відповідності з самим об’єктом пізнання, і здатним заміняти об’єкт на деяких етапах пізнання. Однією з логічних основ моделювання є особливий вид висновку – аналогія.

Другим етапом моделювання є дослідження побудованої моделі. Третім етапом моделювання є екстраполяція (поширення) інформації, добутої при вивченні вторинної модельної дійсності на сам об’єкт пізнання. Четвертий етап моделювання пов’язаний з практичною перевіркою екстраполяції такого роду.

До третьої групи наукових методів пізнання в фізиці належать такі методи, як сходження від абстрактного до конкретного, ідеалізація, формалізація, аксіоматичний метод.

Сходження від абстрактного до конкретного. Під абстрактним розуміють однобічне, неповне знання, що не розкриває суті предмета в цілому. Об’єктивним змістом абстрактного є окремі сторони, властивості і зв’язки речей. Під конкретним розуміють саму дійсність, різні об’єкти в усій різноманітності їх властивостей, зв’язків і відношень. Термін „конкретне” використовують також для позначення багатогранного, всебічного, систематичного знання про об’єкт.

Перехід від абстрактного до конкретного є загальною формою розвитку наукового знання, законом відображення дійсності в мисленні.

Ідеалізація. З метою наукового пізнання широко використовують так звані ідеальні об’єкти, які не існують в дійсності: матеріальна точка, абсолютно тверде тіло, ідеальний газ, абсолютно чорне тіло, точковий електричний заряд тощо. Уявне конструювання об’єкта такого типу називають ідеалізацією. Процес конструювання ідеального об’єкта обов’язково передбачає абстрагування. Використання ідеальних об’єктів дає змогу здійснити перехід від емпіричних законів до точного математичного формулювання їх, що значно полегшує дедуктивну побудову певних галузей знань. З історії науки відомо багато прикладів, коли використання ідеальних об’єктів призводило до визначних відкриттів (класична механіка, теорія відносності). Щоправда, ідеалізація є специфічним спрощенням дійсності. Будь-яка ідеалізація правомірна лише в певних межах, вона призначена для наукового розв’язання лише певних проблем. Наприклад, ньютонівські ідеалізації „абсолютний простір”, „абсолютний час” були відкинуті сучасною фізикою. На основі цих ідеалізацій у відомих дослідах Майкельсона з виявлення руху Землі щодо ефіру дістали негативний результат.

Формалізація. Під формалізацією в широкому значенні розуміють метод вивчення найрізноманітніших об’єктів відображенням змісту структури їх у знаковій формі за допомогою різних штучних способів, наприклад математики, математичної логіки тощо.

Розвиток фізики нерозривно пов’язаний із розвитком математики. Створення інтегрального і диференціального числень відкрило небачені перспективи для розвитку як математики, так і суміжних наук – механіки, астрономії, фізики. Математичне формулювання законів механіки, дане І. Ньютоном, сприяло досягненню успіхів, внаслідок яких людство дістало можливість не лише описувати події, що відбулися, а й передбачати явища, яких ще не було. Розрахунок почав випереджати експеримент і виготовлення проектних зразків. Одним з яскравих прикладів цього слід вважати математичне передбачення особливостей польоту космічних ракет і розрахунок їх траєкторій.

Аксіоматичний метод є одиним із найпоширеніших способів організації наукового знання. Особливо широко він вживається в математиці і математичних науках. Під аксіоматичним методом побудови певної наукової теорії або дисципліни розуміють таку організацію їх, коли ряд тверджень береться без доведення. Ці твердження називають аксіомами. Інше знання фіксується у вигляді лем, теорем, законів тощо. Прикладами аксіоматично побудованих систем знання можуть бути електромагнітна теорія Максвелла, теорія відносності Ейнштейна та багато інших.

Отже, всі методи є науковим арсеналом фізики в знаходженні відносних істин, у пізнанні реальної дійсності.