Шпоры по КСЕ3 / РАЗНОЕ / методология естествознания

2. Структурные уровни организации материи и структура естествознания 

Важнейшими свойствами материи являются структурность и системность. Материя структурирована определенным образом на всех масштабно-временных уровнях: от элементарных частиц до Вселенной в целом. Системность означает упорядоченность множества связанных друг с другом элементов, обладающих целостностью по отношению к другим объектам или внешним условиям. Таким образом, система характеризуется внутренними связями более сильными, чем связи с окружающей средой .

Отсюда вытекает необходимость не просто систематизировать, классифицировать различные объекты природы, но и изучать связи между ними, или взаимодействия. Наиболее интересными с принципиальной точки зрения являются так называемые фундаментальные взаимодействия, лежащие в основе всего многообразия видимых и известных науке сил действия одного тела на другое. Каждому из них соответствует свое физическое поле. Их число невелико (в настоящее время три: гравитационное, электрослабое и сильное), и есть надежда, что в результате создания общей теории (суперобъединения) их можно будет свести к одной Универсальной Силе Природы. Эта глобальная проблема стоит на повестке дня со времен А. Эйнштейна, гения которого не хватило для ее решения, хотя он и потратил на это около 30 последних лет жизни. Надежды на такую возможность связаны с тем, что уже существует один универсальный подход к описанию всех видов фундаментальных взаимодействий, а именно, квантово-полевой. Схематически любое взаимодействие двух частиц (тел) в вакууме (т.е. без каких-либо передающих сред) можно описать как обмен этих частиц квантами соответствующего поля, испускаемых одной из них и поглощаемой другой. При этом кванты поля, распространяясь с конечной скоростью (в вакууме со скоростью света), переносят энергию и импульс, что ощущается частицами, поглощающими их, как действие силы. В связи с конечной скоростью распространения квантов поля в пространстве утвердилась концепция «близкодействия». Это означает, что любое действие, любая информация передается от одного тела к другому не мгновенно, а последовательно от точки к точке с конечной скоростью. Господствовавшая до этого противоположная точка зрения – «дальнодействие» – интуитивно, a priori предполагавшая, что информация о положении любой частицы и ее положении распространяется по всей Вселенной мгновенно, не выдержала испытаний опытом и представляет сейчас только историческую ценность.

Частицам присуща масса покоя, в то время как кванты поля ее не имеют. Частицы локализованы в той или иной области пространства, а поля распределены в нем. Но при этом и те и другие одновременно обладают и свойствами волн и свойствами частиц (так называемый «корпускулярно-волновой дуализм»). Возможность превращений вещество - поле - вещество в мире элементарных частиц отражает внутреннее единство материи.

Структура естествознания. Наиболее важные структурные единицы материи можно выстроить в ряд согласно их характерным размерам. Здесь важно понять, что речь идет лишь о порядках величин, характеризующих протяженность типичного представителя в пространстве и продолжительность типичных процессов в нем. Несмотря на общеметодологическое единство естествознания (см. следующий модуль) при изменении характерных размеров и времен на колоссальное число порядков величин возникает необходимость вырабатывать специфические приемы исследования и анализа. Укрупненно и очень условно (в смысле положения границ) природу можно разбить на три «этажа» (или «мира»): микро-, макро- и мега- .

Первый – это мир элементарных частиц, фундаментальных полей и систем, содержащих небольшое число таких частиц. Это - корни естествознания, и в них сосредоточены наиболее принципиальные проблемы мироздания. Макромир - это привычный нам уровень окружающих нас предметов и явлений. Даже он кажется огромным и чрезвычайно разнообразным, хотя это всего лишь небольшая часть природы. Наконец, мегамир составляют объекты, сопоставимые по размерам с Вселенной, размеры которой пока не установлены даже по порядку величины. Более детальное и тоже весьма условное деление этих уровней привело к появлению соответствующих наук в естествознании: физика, химия, биология и т.д. Каждая из них содержит около сотни еще более узких конкретных дисциплин (например, механика, термодинамика, органическая химия, зоология, ботаника, физиология растений и т.д.). Существуют и междисциплинарные разделы науки, например, синергетика (от греческого слова совместный, согласованно действующий) – теория самоорганизации в открытых неравновесных системах, охватывающая все уровни структуры материи и рассматривающая природу как комплексную самоорганизующуюся систему.

Макромир доступен прямому наблюдению, события в нем привычны нам, мы контактируем и взаимодействуем с ним каждый момент времени. Он изучается человеком много тысячелетий и знания о нем имеют прямую практическую полезность. Тем не менее, и в нем существует множество не разгаданных загадок природы и в этой области неуки продолжает трудиться подавляющая часть современных ученых.

Явления в микро- и мегамирах практически не проявляются на бытовом уровне, поэтому множество людей и не подозревают об их существовании. Другим кажется, что в практическом смысле они не имеют никакого значения. Отчасти эту точку зрения можно понять, поскольку действительно, не только влияние, но и само существование элементарных частиц или, скажем, черных дыр в глубинах Вселенной, невозможно установить без сложных приборов. Даже качественные представления о них невозможно вывести из бытового опыта, по аналогии с известными макроскопическими событиями. Тем не менее, мы сами, будучи макроскопическими объектами, состоим на 100% из совокупности элементарных частиц, организованных и связанных между собой определенным образом, и являемся частью гигантской Вселенной. Так что новые знания о микро- и мегамирах важны не только в познавательном или мировоззренческом смысле, но и ведут к боле глубокому и ясному пониманию сущности процессов, протекающих в макромире.

оглавление

3. Методология и методы естествознания

         Методология – это система наиболее важных принципов и способов организации и осуществления какого-либо вида деятельности, а также учение об этой системе. У каждого вида деятельности имеется своя методология, существующая в явном или неявном виде, сформулированная и зафиксированная в каких-либо формах или применяемая стихийно-интуитивно. Принципы – это ключевые положения методологии, а методы – набор конкретных приемов, с помощью которых осуществляется тот или иной вид деятельности (с греческого «методос» – путь к чему-либо).

Методология науки в целом и все научные методы исходят из принципа причинности. Его содержание менялось по мере развития науки, но ключевое положение, на котором зиждется научный подход, остается неизменным: все, что бы не происходило в природе, обусловлено своими причинами. Глобальная задача науки и заключается в выяснении всех значимых причинно – следственных связей в окружающем мире. Они могут быть неодномерны, сложны, непознанны, но это не отменяет их существования. Никакого места произволу, сверхъестественному вмешательству потусторонних сил природа не оставляет.

Очень важно понять, что принцип причинности является основополагающим не только для «точных» наук, но и для истории, социологии, юриспруденции и т.д. Действительно, трудно себе представить, к примеру, следователя, расследующего уголовное преступление и допускающего «чудеса» в виде беспричинного появления или исчезновения улик с места преступления, «сверхъестественного» чутья на завоз денег в банк или внезапного падения курса определенных акций.

Известный французский философ, физик, математик и физиолог 17 века Р. Декарт формулировал понятие метода следующим образом «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 познания всего, что ему доступно». В наше время такому пониманию скорее соответствует термин «алгоритм».

Обычно выделяют несколько групп (уровней) методов познания, в частности, практически во всех классификациях присутствуют:

             Общенаучные методы

             Частнонаучные методы

             Специальные методы

По другим признакам их можно разделить на эмпирические, теоретические и методы моделирования.

В свою очередь, все их можно дифференцировать и дальше. Так, общенаучные эмпирические методы включают наблюдение, эксперимент, измерение.

Наблюдение – простейший их них. На начальных стадиях развития любой науки наблюдения играют важнейшую роль и образуют эмпирический базис науки. Он позволяет провести поиск, сравнение, классификацию объектов и т.п., однако по мере развития науки его ценность падает. Более информативен эксперимент – целенаправленное воздействие на объект в строго контролируемых условиях и изучение его поведения в этих условиях.

Искусство экспериментатора в первую очередь как раз и заключается в создании таких условий эксперимента, которые позволяют «очистить» ситуацию от влияния большого числа побочных факторов и оставить один – два, которыми можно сознательно управлять и целенаправленно воздействовать на объект, изучая его отклики на эти контролируемые воздействия. При этом, зачастую заранее не известно, какие факторы являются важными, а какие – менее важными, все ли неконтролируемые воздействия исключены и не создают ли они помех, сопоставимых или даже больших, чем реакция объекта на контролируемое воздействие. В самой постановке опыта, ограничивающего степени свободы объекта и набор факторов на него действующих, заложена большая опасность «с пеной выплеснуть ребенка из ванночки».

Эксперименты могут быть качественными и количественными. Первые могут помочь в решении принципиальных вопросов: существует ли такой эффект в природе? растет или падает скорость процесса при увеличении давления? постоянна ли данная величина в действительности при изменении условий в широких пределах (например, заряд электрона, скорость света в вакууме и т.п.)? и т.д. Гораздо более информативны количественные эксперименты, включающие измерения. Так, известный английский физик В. Томсон (лорд Кельвин), именем которого названа шкала абсолютных температур, писал «каждая вещь известна лишь настолько, насколько ее можно измерить». Измерение – есть процесс определения количественных характеристик объекта или процесса, выраженных в заранее принятых единицах измерения данной величины (например, в метрах, секундах, граммах, Вольтах, градусах и т.д.).

Среди общенаучных теоретических методов можно выделить абстрагирование, мысленный эксперимент, индукцию, дедукцию и др. Абстрагирование состоит в мысленном упрощении объекта путем игнорирования ряда его несущественных (в данной постановке задачи) признаков и наделении его несколькими (иногда одним, двумя) наиболее существенными, например, материальная точка, береза, неустойчивое состояние. В первом примере игнорируются все геометрические и физические характеристики реального тела (объем, форма, материал и его физические свойства) кроме массы, мысленно сосредотачиваемой в центре масс. Во втором, несмотря на то, что в мире нет двух абсолютно одинаковых берез, - мы все-таки ясно понимаем, что речь идет о разновидности дерева со своими характерными особенностями архитектуры, формы и строения листочков и т.д., в третьем примере подразумевается некоторая абстрактная система (без рассмотрения ее устройства и состава), которая под действием ничтожно малых случайных причин может выйти из своего исходного состояния, характеризующегося некоторым набором параметров, и самопроизвольно перейти в другое, с другим набором характеристик. Конечно, мы теряем при таком рассмотрении множество деталей, характеризующих реальный объект, но взамен получаем простую схему, допускающую широкие обобщения. И впрямь, не можем же мы ставить перед собой задачу изучить каждую березу на Земле, хотя все они чем-то и отличаются друг от друга.

Под материальной точкой в разных задачах может подразумеваться молекула, автомобиль, Луна, Земля, Солнце  и т.д. Такая абстракция удобна для описания механического движения, но совершенно непродуктивна при анализе, скажем, физических или химических свойств реального твердого тела. Многие исключительно полезные абстракции пережили века и тысячелетия (атом, геометрическая точка и прямая линия) хотя и наполнялись разными смыслом в разные эпохи. Другие  - (теплород, мировой эфир) не выдержали испытания временем и опытом.

Другим методом теоретического анализа является мысленный эксперимент. Он проводится  с идеализированными объектами, отражающими наиболее существенные свойства реальных, и в ряде случаев позволяет путем логических умозаключений получить некоторые предварительные результаты, помогающие упростить, сузить фронт дальнейших детальных исследований. Таким методом было решено много принципиальных задач в естествознании. Так, Галилей открыл закон инерции, мысленно понижая, а затем и вовсе исключая силы трения при движении, а Максвелл прояснил суть важнейшего для понимания природы закона – второго начала термодинамики – путем мысленного расположения на пути летящих молекул гипотетического «демона», сортирующего их по скоростям.

Индукция (от латинского inductio – наведение, побуждение, возбуждение) – это метод познания, заключающийся в получении, выведении общих суждений, правил, законов на основании отдельных фактов. Т.е. индукция – это движение мысли от частного к общему и более универсальному. Строго говоря, большая часть наиболее общих законов природы получена методом индукции, т.к. изучить досконально абсолютно все объекты данного типа совершенно нереально. Обычно вопрос заключается лишь в том, сколько же частных случаев необходимо рассмотреть и потом учесть, чтобы на этом основании сделать убедительный обобщающий вывод. Скептики считают, что достоверно доказать этим способом ничего невозможно, поскольку ни тысяча, ни миллион, ни миллиард фактов, подтверждающих общий вывод не гарантируют, что тысяча первый или миллион первый факт не будет противоречить ему.

Метод противоположный по направлению движения мысли – от общего к частному – называется дедукция (от латинского deductio – выведение). Вспомните знаменитый дедуктивный метод сыска Шерлока Холмса. Т.е. дедукция и индукция – взаимодополняющие методы построения логических умозаключений.

Примерно в таком же соотношении между собой находятся методы анализа и синтеза, используемые как в эмпирических так и теоретических исследованиях. Анализ – мысленное или реальное расчленение объекта на составные части и исследование их порознь. Вспомните обычную поликлинику – учреждение для диагностики и лечения болезней человека и ее структуру, представленную кабинетами окулиста, невропатолога, кардиолога, уролога и т.д. Ввиду исключительной сложности человеческого организма гораздо легче научить врача распознавать болезни отдельных органов или систем, а не всего организма в целом. В ряде случаев этот подход дает желаемый результат, в более сложных – нет. Поэтому методы анализа дополняются методом синтеза, т.е. сведения всех знаний о частных фактах в единое связанное целое.

В течение нескольких последних десятилетий интенсивно развивались методы моделирования, являющиеся младшими, но более развитыми братьями метода аналогий. Вывод «по аналогии» осуществляют переносом результатов, полученных на одном объекте, на другой – «аналогичный». Степень этой аналогичности определяют различными критериями, наиболее систематично вводимыми в так называемой «Теории подобия».

Моделирование обычно подразделяют на мысленное, физическое и численное (компьютерное). Мысленное моделирование реального объекта или процесса посредством идеальных объектов и связей – важнейший метод науки. Без мысленной модели невозможно понять, проинтерпретировать результаты эксперимента, «сконструировать» математическую или компьютерную модели явления, поставить сложный натурный эксперимент. Известный по не только блестящим результатам в физике, но и остроумным высказываниям, академик А. Мигдал сказал как-то: «Если математика – это искусство избегать вычислений («чистая», неприкладная математика, как правило, не имеет дел с вычислениями), то теоретическая физика – это искусство вычислять без математики». Конечно же здесь слово «вычислять» не имеет буквального смысла – проведение тщательных, точных вычислений. Подразумевается искусство предвидеть результат в рамках удачной, адекватной модели по порядку величины, или в виде соотношения: если одна величина достигнет какого-то значения, то другая будет равна тому-то, или искомая величина обязана быть больше некоторой критической, или лежать в определенном интервале значений. Как правило, в большинстве задач и реальных проблем высококвалифицированный ученый может прийти к таким заключениям не проводя никаких опытов, а просто построив в уме некоторую качественную модель явления. Искусство в том и состоит, чтобы модель была реалистичной и в то же время простой.

Физическое (предметное) моделирование проводят в тех случаях, когда невозможно или затруднительно (по технологическим или финансовым причинам) провести эксперимент на оригинальном объекте. Например, для определения трудно поддающегося расчетам аэродинамического сопротивления самолета, автомобиля, поезда или гидродинамического сопротивления корабля на стадии проектирования обычно строят модель уменьшенных размеров и продувают ее в специальных аэродинамических трубах или гидравлических каналах. В известном смысле любой натуральный эксперимент можно рассматривать как физическую модель некоторой более сложной ситуации.

Математическое моделирование является важнейшей разновидностью символического моделирования. (К ним так же относятся разнообразные графовые и топологические представления, символьные записи структуры молекул и химических реакций и много другое). В сущности, математическая модель – это система уравнений, дополненная начальными и граничными условиями и другими данными, взятыми из опыта. Для того, чтобы такое моделирование было результативным, необходимо, во-первых, составить адекватную изучаемому явлению мысленную модель, отражающую все существенные стороны явления, а во-вторых, решить чисто математическую задачу, зачастую имеющую очень высокий уровень сложности.

Наконец, в последние десятилетия большую популярность приобрели компьютерные методы моделирования. Обычно – это численные методы, т.е. не дающие решения задачи в общем виде, как в математическом моделировании. Это означает, что каждый конкретный численный вариант одной и той же задачи требует нового расчета.

Частные и специальные методы представляют интерес для представителей конкретных научных дисциплин, и мы их рассматривать не будем.

Методологические основы естествознания. Перейдем теперь к обсуждению наиболее важных и общих для естествознания методологических принципов научного творчества, идеалов, критериев и норм науки. Важнейшими из них являются следующие:

1.       Материалистическая основа мировоззрения, объективность, убежденность в познаваемости природы рациональными методами. В свою очередь, эти требования напрямую связаны с важнейшей методологической  концепцией обусловленности всего происходящего в действительности причинно-следственными связями.

2.       Использование строго определенных понятий, характеристик, величин. Вместе с тем, необходимо понимать, что абсолютно строго определить ни один объект или процесс невозможно. Что такое шариковая ручка, которой Вы сейчас подчеркиваете текст? Где граница между ней и окружающим воздухом снаружи и между ней и чернилами внутри на бумаге? Что такое процесс подчеркивания текста? Это физический процесс переноса чернил на бумагу, или химический процесс взаимодействия молекул чернил с молекулами бумаги, или интеллектуальный процесс отбора и выделения наиболее значимых фрагментов текста? Очевидно выбор зависит от характера задачи и спектра ожидаемых результатов. Здесь таятся большие опасности субъективизма, поскольку в самой постановке задачи уже закладывается ограниченный набор возможных решений.

3.       Воспроизводимость результатов в аналогичных условиях. Этот принцип подразумевает, что если условия наблюдения некоего явления воссоздать в другом месте (лаборатории, производстве) или в одном и том же, но спустя некоторое время, то явление или процесс повторится снова. Т.е. вопрос заключается лишь в строгости условий опыта, точности воспроизведения всех обстоятельств. Как уже говорилось, абсолютно точно ничего воспроизвести и измерить невозможно, но абстрагируясь от несущественных деталей, можно сколько угодно раз повторить главный, принципиальный результат.

4.       Последней  инстанцией в борьбе теорий, идей, концепций является опыт (эксперимент). Лишь он – верховный судья в вопросе, что есть Истина, а не самые изящные, логичные или авторитетные суждения. Не стоит здесь усматривать противопоставления теории и опыта. Чисто теоретически было открыто множество объектов, законов (например, электромагнитные волны, многие элементарные частицы, астрономические объекты и т.д.), но все эти открытия получили статус строгих научных фактов только после экспериментального подтверждения. Такое понимание соотношения роли теории и практики в естествознании возникло не сразу. Лишь в раннем Средневековье в борьбе со схоластическими методами укрепилось требование экспериментальной проверки любых умозаключений, какими бы авторитетами они не высказывались и логически стройными и безупречными не казались. Наиболее ярко и кратко этот принцип сформулировал, пожалуй, английский мыслитель 16-17 вв Фрэнсис Бэкон: «Критерий истины – практика» в своем труде «Новый Органон» (1620 г.), написанном, как бы, в продолжение и развитие знаменитого труда Аристотеля, точнее, сборника логических и методологических трудов «Органон» (от латинского инструмент, орудие) в 4 веке до н.э. В более художественной форме этот же принцип выражен в знаменитой фразе И.Гете : «Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо».

5.       В предыдущем модуле уже шла речь о стремлении количественно охарактеризовать и описывать окружающую действительность. В современном естествознании количественные методы, математический аппарат играют большую и все возрастающую роль. Так что «математизацию» знаний о природе можно считать практически обязательным требованием.

6.       В начале этого модуля обсуждалась роль моделирования как общенаучного метода изучения Природы. В связи с желанием «математизировать» естествознание, создание моделей того или того  характера становится практически обязательным на всех стадиях исследования, будь то обдумывание идеи или мысленного эксперимента, натурной экспериментальной установки и опыта, обработки и интерпретации полученных результатов. Пытаясь выразить эту ситуацию в лаконичной форме афоризма, можно утверждать «Современное естествознание – это мир количественных моделей». Без разумного, осторожного, квалифицированного упрощения реальной ситуации, процесса, объекта никаких результативных математических подходов сделать невозможно.

7.       Уже в Средние Века было очевидно, что лавинное нарастание различных фактов, данных, теорий требует их систематизации и обобщения. Иначе поток информации захлестнет и утопит принципиальные, ключевые положения в море частностей. Вместе с тем, новые понятия, объекты, принципы,  «сущности» необходимо вводить в науку с величайшей осторожностью, тщательно проверяя, не сводятся ли они к известным, не являются ли всего лишь их разновидностями. Этот строгий фильтр оберегает науку от неоправданного распухания, делает ее в широком смысле «интернациональной», прозрачной, доступной для понимания и освоения разными слоями общества. Опасность противоположного подхода стала очевидной тоже на заре классического естествознания, и в присущей тому времени афористичной форме  требование лаконизма, общности, универсальности сформулировал английский философ 14 в. Оккам: «сущности не следует умножать без крайней необходимости» или в более вольном переводе «не изобретай лишних сущностей». Часто этот важнейший методологический принцип науки называют «бритвой Оккама», отсекающей лишние, непродуктивные и загромождающие науку искусственно введенные «сущности».

8.       Необходимость интеграции, универсализации знаний, сведение их к как можно меньшему числу фундаментальных принципов – идеал, к которому стремились мыслители, начиная со времен Древней Греции. Одновременно в этом усматривали и высшую эстетичность науки, отражающую гармоничность устройства мира. «Сведение множества к единому – в этом первооснова красоты» - так лаконично формулировал этот принцип еще Пифагор за 5 веков до н.э.

9.       Поскольку наука – это не свод закостеневших правил, законов, теорий, а динамически развивающийся и непрерывно обновляющийся живой организм, регулярно возникает вопрос о соотношении устоявшегося «старого» знания и появляющегося «нового». С одной стороны, если некоторый закон, теория, учение путем многочисленных проверок, контрольных экспериментов, приложений к практическим задачам получили статус не гипотезы, а достоверной истины, то они уже вошли в золотой фонд науки. С другой стороны, если появились новые данные или теории, противоречащие старым, но описывающие родственные явления лучше, полнее или те, которые не могли быть объяснены в рамках старых представлений, последние должны уступить место новому. Но как уступить? Просто тихо удалиться в архивы истории науки, освободив нишу, или оставаться в строю, но в другом качестве, определенным образом взаимодействуя с новыми представлениями? Трудно себе представить, чтобы, скажем, такая могучая теория как классическая механика сэра И. Ньютона, три века доказывавшая свою справедливость и плодотворность (как в мире движения пылинок, шариков, паровых двигателей, кораблей, так и в мире планет) оказалась ошибочной или ненужной после создания квантовой механики. Нильс Бор – гениальный датский физик – один из создателей квантовой механики, обдумывая эту проблему, сформулировал в 1918 г. важнейший методологический подход: принцип соответствия. Вкратце он заключается в том, что более универсальная новая концепция, теория (если она не спекулятивна, а справедлива в действительности), не должна перечеркивать хорошо освоенное и многократно проверенное старое учение, а вобрать его в виде частного случая (рис. 3.3). При этом обычно легко можно сформулировать условия (границы применимости) внутри которых и старая (обычно более простая теория) будет давать правильные результаты. Их, конечно, можно получить и из более общей, но более сложной новой теории, но это не оправдано с точки зрения трудозатрат. В таком соотношении находится не только классическая и квантовая механика, но и, например, термодинамика равновесных систем и синергетика (теория самоорганизации в открытых неравновесных системах), классический электромагнетизм Фарадея – Максвелла и квантовая электродинамика, механика движения с небольшими (сравнительно со скоростью света) скоростями и специальная теория относительности Эйнштейна (механика движения с околосветными скоростями), дарвинизм и генетика и многое другие разделы естествознания. Это конечно не исключает отмирания и забвения идей, понятий, теорий, не выдержавших испытаний экспериментом (например, теория теплорода, вечный двигатель и т.д.), но в подавляющем большинстве случаев противоречия в науке снимаются в согласии с принципом соответствия.