1.2. Особенности эмпирического и теоретического познания в химии

Логика научного исследования – это последовательность этапов исследования, действий, направленных на рост и развитие научного знания. Сложность представляет проблема соотношения эмпирического и теоретического этапов исследования. Сторонники эмпиризма, позитивизма считают, что любое исследование должно начинаться с «чистого листа», т.е. нельзя заранее принимать какие-либо теории, гипотезы, придерживаться неявных установок. Первым этапом должен быть эмпирический этап, чистая фиксация данных наблюдений и экспериментов. На теоретическом этапе данные обобщаются, с помощью индукции выводятся законы, теории. Экспериментатор опережает теоретика, дает ему материал для обобщений.

Реализуется такая логика исследования в чистом виде крайне редко, только в тех случаях, когда наука сталкивается с совершенно новыми объектами исследования. Во-первых, исследование начинается не с чистого листа. Явно или неявно ученый опирается на предшествующие научные теории, общепринятую научную картину мира, нормы и идеалы научного исследования, философские убеждения. Опираясь на все это и под влиянием субъективных особенностей личности, ученый выбирает объект исследования, определяет цель, рабочую гипотезу, средства, методы, интерпретирует полученные данные.

Во-вторых, достоверную научную теорию невозможно построить только путем обобщения опытных данных. Каким бы обширным не был опыт, он всегда остается ограниченным, а поэтому не является достаточным обоснованием теории. Напротив, зачастую, имеющаяся теория упорядочивает факты, задает перспективу их интерпретации и тем самым конструирует научное знание. Теоретик указывает путь экспериментатору.

Сторонники рационализма, уловив эту особенность научного познания, в противоположность эмпиристам опираются на дедуктивную логику, указывают на необходимость строить теории путем выведения частных суждений из общих. Исходной посылкой исследования оказывается, таким образом, некое общее теоретическое положение – гипотеза, аксиома, постулат, ранее доказанная теория. Из них далее дедуцируются частные следствия, вплоть до таких, которые можно проверить эмпирически. И далее следует эмпирическая проверка гипотезы или теории: или поиском подтверждающих фактов (верификация, согласно неопозитивизму), или поиском опровержений (фальсификация, согласно К. Попперу). Но и тут возникают вопросы: каков механизм формирования исходных общих суждений, и во всех ли науках применима такая логика?

В реальности логика научного исследования представляет собой постоянное чередование эмпирических и теоретических этапов исследования. В развитой науке теория сначала создается в виде гипотетической модели, а затем обосновывается опытом. Такая теория строится с помощью абстрактных объектов, заимствованных из ранее созданных теорий.

Выбор моделей для гипотезы может подсказать принимаемая ученым картина мира. Вводимые в ней представления о структуре природных взаимодействий позволяют обнаружить общие черты у различных предметных областей, изучаемых наукой. Тем самым картина мира «подсказывает», откуда можно заимствовать абстрактные объекты.

Обычно авторы, пишущие по философии науки, обосновывают свои модели роста и развития научного знания на примере физики. В химии же, несмотря на ее теснейшую взаимосвязь с физикой, соотношение эмпирического и теоретического познания имеет свои особенности. Е.Ф. Колдин, преподаватель Лидского университета (Англия), примерил гипотетико-дедуктивную модель науки к химии и пришел к выводу, что она не вполне подходит для объяснения логики научного познания в химии. Он констатировал, что химия в большей части эмпирическая наука, что индуктивный метод в ней незаменим и неустраним.¹ Эмпирические исследования не сводятся к поиску брешей в существующих теориях. Но роль гипотетико-дедуктивного исследования постепенно повышается в химии, прежде всего, под влиянием воздействия физики. В конце 19 века это в наибольшей степени проявилось в физической химии, имеющей наибольшее логическое сходство с физикой. Физические теории помогают сформулировать те или иные гипотезы и теории в химии и, в последующем, проверять их эмпирически, или, согласно Попперу, пытаться опровергнуть, найти факты-фальсификаторы. Но типичная для физики ситуация, когда «теоретик указывает путь экспериментатору», в химии играет значительно меньшую роль. Гипотеза или теория в химии намечают программу исследований, давая лишь обобщенные и приблизительные предсказания, причем, для наиболее простых случаев. И лишь эксперимент уточняет, детализирует теорию, после чего она обрастает эмпирическими допущениями и для более сложных случаев.

Основным методом химии был и остается эксперимент. Но в Древнем мире и в средневековой алхимии эксперимент еще не сформировался как подлинно научный метод. Для этого он должен был включить в себя измерительные процедуры. Становление математизированного эксперимента, основанного на точных измерениях, в физике началось в 16-17 вв., в химию проникло позже. С формирования эксперимента, как научного метода, начинается химия как наука.

Но накопление фактов – это еще не наука. Принято выделять описательную, объяснительную и прогностическую функции научного знания. Описание связано с обработкой эмпирических данных, объяснение же и предсказание возможно только на теоретическом уровне. Д.И. Менделеев писал: «…высшую цель истинной науки составляет не просто эрудиция, т.е. описание или знание, даже в соединении с искусством или уменьем, а постижение неизменяющегося – среди переменного и вечного – между временным, соединенное с предсказанием долженствующего быть, но еще вовсе неизвестного, и с обладанием, т.е. возможностью прилагать науку к прямому пользованию для новых побед над природою».¹

Менделеев довольно часто обращался к вопросам, которые мы бы сейчас назвали философией и методологией науки. Так он сравнивал развитие науки со строительством здания. Факты представляют собой строительный материал, теории – план здания, архитектурный проект. Без первого наука – воздушный замок, без второго – груда камней. План лучше иметь заранее, строительство без плана возможно, но чревато ошибками.² Менделеев обращал внимание на то, что и в химии наиболее плодотворна ситуация, когда теоретик указывает путь экспериментатору.

Э. Штрекер, доктор философии, профессор Технического университета в Брауншвейге и Кёльнского университета, показала роль философских оснований в развитии химии 17-18 вв. Некоторые ученые создавали свои теории не столько в результате обобщения опытных данных, сколько в результате адаптации философских идей к этим данным. Так, по ее мнению, создавались учения Бойля, Дальтона и др. Корпускулярная теория вообще оставалась в это время философским учением, хорошо сочетающимся с некоторыми опытными данными, но не имеющим строгого эмпирического доказательства. Именно на основании своей атомистической теории Дальтон пришел к объяснению стехиометрических законов, а не наоборот.³

Соотношение эмпирического и теоретического в химическом познании хорошо иллюстрирует познавательная ситуация, сложившаяся в химии на рубеже 18-19 вв., и связанная со становлением атомно-молекулярного учения.

Но удельный вес теоретических воззрений еще не был велик в химических знаниях начала 19 века. Химия оставалась наукой преимущественно эмпирической. Теоретики шли за экспериментаторами, причем сильно отставая от них. Новые факты лавинообразно рождались опытом, ждали своего теоретического объяснения, но пока редко предсказывались теоретически. Найденные законы в большинстве своем, пока были эмпирическими, т.е. выступали результатом индуктивного обобщения опытных данных. Таковы были первые законы стехиометрии.

Атомно-молекулярное учение заметно отличалось от других химических теорий того времени. Оно было не описывающим, а объясняющим, построенным на теоретических допущениях и идеальных конструкциях. Оно удачно объясняло накопленные к началу 19 века факты и стехиометрические законы. Но допустимость подобного рода умозрительных объяснений не для всех очевидна. В особенности, для тех, кто отрицает объяснительную функцию науки, ограничивая ее возможности описанием опыта. Еще и во второй половине 19 века Оствальд оспаривал необходимость таких умозрительных построений в химии и не считал продуктивным признание объективного существования атомов и молекул. Атомы и молекулы оставались гипотетическими, теоретическими конструкциями.

Э. Штрекер считает одной из главных заслуг Дальтона перевод химии с уровня науки эмпирической на уровень теоретический. Этот переход предполагает изменение логики научного исследования. Если в эмпирической науке логика исследования состоит в движении от опытов и протокольных предложений к гипотезам и эмпирическим законам, то в теоретической науке именно теория указывает путь экспериментаторам. Эмпирические законы отличаются от протокольных предложений лишь степенью общности. Это обобщенные протокольные предложения, из которых убрали указание на место, время, субъекта исследования (например: сера кипит при 445 градусах С).

А атомистическая теория Дальтона не вытекает непосредственно из протокольных предложений. Подобные теории используются для объяснения эмпирических гипотез и законов, которые в свою очередь объясняют факты опыта. Так дальтоновская теория стала объяснением стехиометрических законов. Здесь движение мысли происходит «сверху вниз», от вершины пирамиды к основанию, от немногих теоретически сформулированных абстрактных положений через построенные с их помощью гипотезы к объяснению многообразного опыта. Но подобное движение представляет собой не чисто дедуктивную логику. Вернее, применение дедуктивной логики в естествознании не является гарантией истинности выводов. Критерием истинности все равно будет опытная проверка теоретических предположений. Проверка теории происходит опосредованно, через проверку на опыте ее законов.

Однажды возникшая и сохраняющаяся теория влияет на интерпретацию фактов. «Теоретическая нагруженность» опыта проявляется даже в том, как ученые описывают наблюдения, т.е. в формулировке самих протокольных предложений. «Если Альберт Великий при нагревании свинца просто получал «желтый порошок», то Шталь уже регистрирует как «факт» «дефлогистированный свинец», а Лавуазье «наблюдает» образование «окиси свинца».¹ Очевидно, что принимаемая ученым теория диктует ему даже те понятия, которыми он описывает наблюдаемое.

Открытие законов – шаг от эмпирического к теоретическому уровню научного познания. Химия поднялась до этого уровня в начале 19 века после открытия законов стехиометрии. Еще до этого Ломоносовым и Лавуазье был сформулирован закон сохранения массы вещества. Это были первые количественные законы в химии. Первые два закона – закон постоянства состава (Ж. Пруст) и закон эквивалентов (И. Рихтер) были открыты как эмпирические законы, т.е. они наблюдались как повторяющиеся связи во всех опытах. Но они не имели теоретического объяснения. Третий же закон – закон простых кратных отношений, был сформулирован Дальтоном как теоретический закон. Руководствуясь атомистической гипотезой, он сформулировал этот закон сначала теоретически, вывел из него проверяемые следствия и проверил их экспериментально. В таком виде закон изначально имел теоретическое толкование, причинное объяснение с использованием теоретических, умозрительных моделей.

В 19 веке идея атома прочно вошла в химическое мышление, стала неотъемлемой теоретической конструкцией, с помощью которой интерпретировались полученные факты и предсказывались новые. Химическое мышление уже нельзя было представить себе без мысленного представления движущихся и сцепляющихся атомов.

Законы стехиометрии стали основой для развития химии в 19 веке и были неразрывно связаны с атомно-молекулярным учением. Открылась дорога к созданию языка химических формул. Количественные законы открыли путь математизации химии.

Теоретизация химического знания сопровождалась увеличением роли научных абстракций. Это проявлялось в формировании научного языка химии – системы взаимосвязанных понятий разной степени общности. Другим проявлением была возрастающая формализация знания, формирование умения мыслить не только понятиями, но и символами, формулами. Еще одним проявлением теоретизации химического знания стала его математизация, способность выделять количественную сторону изучаемых явлений и выражать ее на языке математики.

Важными абстракциями в химии являются формулы строения. Такая формула есть мысленная модель объекта, отражающая ее определенные свойства. Эти формулы могут иметь разную степень наглядности, приближения к свойствам реального объекта. Они могут постепенно обогащаться, подробнее и точнее выражая свойства оригинала. Так, введение в химию электронной теории, привело к появлению новых графических символов для обозначения электронных пар. Квантовая теория подвигла к новому изменению наглядного изображения молекул.

Говоря о теоретическом уровне познания, следует отметить одну важную особенность, проявляющуюся в смене научных теорий. Научное познание движется в сторону создания все более общих, более универсальных теорий. Новые теории могут возникать как обобщение предыдущих, те в свою очередь могут войти в новые теории в качестве частных случаев. Так, например, было с появлением различных теорий кислот и оснований. Теория Аррениуса дает определение кислот и оснований с точки зрения теории электролитической диссоциации. Теория Бренстеда-Лоури определяет их как доноров и акцепторов протонов, под это определение попадает больший круг веществ. Теория Льюиса базируется на современных представлениях о химической связи, определяет кислоты и основания как доноры и акцепторы электронной пары. Это самое широкое определение, наиболее глубоко отражающее сущность этих веществ и их реакций.

Логика научного познания не сводится к осознанным действиям на эмпирическом и теоретическом уровнях. А научное знание не сводится к совокупности явно осознаваемых фактов и теорий. В структуре науки важную роль играет то, что известный отечественный специалист по философии науки В.С. Степин называет основаниями науки. Как уже говорилось, к ним относятся явно или неявно принимаемые ученым идеалы и нормы исследования, научная картина мира, философские убеждения и ценностные установки. А известный английский физик, химик и философ Майкл Полани говорил о важной роли в науке неявного, личностного знания, которое не усваивается из монографий, учебников или статей, и которое даже трудно вербализовать, но которое передается в практических действиях личным примером от учителя к ученику. Студенты химики проводят большую часть времени в лаборатории, в практических занятиях усваивая образцы решения задач. Здесь наука приближается к искусству. Только через личный опыт можно усвоить, что такое искусно поставленный эксперимент. Такие неявные практические знания наряду с явно осознаваемыми фактами и теориями будут в дальнейшем влиять на постановку задач, организацию исследований и интерпретацию результатов.