НАУЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ. ОПЫТ, ГИПОТЕЗА, ЗАКОН, ТЕОРИЯ

2. НАУЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ. ОПЫТ, ГИПОТЕЗА, ЗАКОН, ТЕОРИЯ.

Что такое на­учный метод познания? На чем он базируется? Что лежит в его основе и чем он отличается от других методов познания?

Способ получить частичные ответы на вопросы придуман несколько сотен лет назад. Наблюдение, размышление и опыт составляют так называемый научный метод познания, который и позволяет давать ответы на многие интересующие нас вопросы. Основой научного метода является опыт - пробный камень всех наших знаний. Опыт, эксперимент - это един­ственный судья научной истины.

Проводя наблюдения каких-либо природных явлений, невозможно охватить все процессы, с этими явлениями связанные. Поэтому нужно отбросить все второстепенные факты и выделить основные, т.е. суть явления. Этот процесс называется аб­страгированием или построением модели явления. В размышлениях создается основа наблюдаемого явления, его модель. Что является существенным для данного явления, а что несуще­ственным, вопрос неоднозначный и сложный. Не всегда он решается сразу, на первых этапах наблюдения и размышления. На этом этапе нельзя, как говорится в старой поговорке, “выплеснуть младенца из купели вместе с водой”.

В создаваемой модели должны быть учтены главные характе­ристики и основные параметры изучаемого явления. Построенная модель должна не только верно описывать наблюдаемое это явление, но и хорошо прогнозировать его развитие в новых условиях. Предсказания теории проверяются экспериментом или опытом - важнейшей частью научного метода познания.

С самого начала необходимо договорится, что подразумеваться под тем или иным термином. В понятие “опыт” будем вкладывать смысл наблюдения за явлением при контролируемых условиях, т.е. наблюдения с возможностью контролировать, воспроизводить и изменять желаемым образом внешние условия. Существенна возможность создавать как обычные, так и искусственные (т.е. в природе не встречающиеся) условия. Физика, химия, биология и ряд других наук назы­ваются естественными именно потому, что в их основе лежит опыт.

Для объяснения экспериментальных фактов привлекаются гипотезы. Гипотеза - это предположение, позволяющее объяс­нить и количественно описать наблюдаемое явление. Описать что-либо количественно можно лишь на языке математики.

Между явлениями природы существуют устойчивые, повторяющиеся связи - проявления законов природы. Качественная формулировка законов может быть иногда дана без привлечения математического аппарата. Законы, записанные на языке формул позволяют перейти к более высокой ступени познания. Эту ступень называют теорией. Т.е. при определенных условиях выдвинутая гипотеза может перейти в теорию, в основе которой лежат законы. Теория дает представление о закономерностях и существенных связях в определенной области.

Законы естественных наук устанавливают количественные соотношения между наблюдаемыми явлениями, т.е. имеют матема­тическую формулировку. Не всегда эта формулировка бывает явной. Например, всем при­вычна следующая, казалось бы, качественная формулировка первого за­кона Ньютона: “Существуют такие системы отсчета, которых тело сохраняет состоя­ние покоя или прямолинейного равномерного движения, если на него не действуют другие тела, или действие других тел взаимно компенсируется”. Но строго сформулировать, что такое прямолинейное равномерное движение, можно лишь на языке математических формул. Т.е. даже качественная формулировка закона подразумевает введение количественных понятий.

Естествознание, изучающее количественные (т.е. точные) соотношения природных явлений, относится к точным наукам. Понятие “точное” требует комментариев. Точные науки, как правило оперируют не с абсо­лютно точными, а с приближенными величинами. При количественном описании любого наблю­даемого явления всегда оговаривают, с какой степенью точности имеют дело, т.е. приводят погрешности измеряемых величин.

Когда гипотеза перерастает в теорию, т. е. в форму научных знаний, дающих целостное представление о закономерностях и существенных связях опреде­ленной области действительности? Какой путь она должна пройти? Ответ на этот вопрос частично дан. Гипотезы должны быть проверены фактами, опытами, здравым смыслом. В своей области они должны объяснять всю совокуп­ность имеющихся явлений. Но этого мало. Для того, чтобы стать теорией, ги­потеза должна сформулировать количественные отношения между наблюдаемыми явлениями. Фактически это означает формулировку законов. Непременным условием превращения гипотезы в теорию является предсказание новых, до сих пор не наблюдавшихся и из известных теорий не следующих, явлений, и подтверждение этих предсказаний в специально поставленных экспериментах.

Переход гипотезы в теорию зачастую не обходится без драм. Классиче­скими являются примеры Николая Коперника (1473-1543) и Джордано Бруно (1548-1600). Н.Коперник выдвинул гипотезу о гелиоцентрической системе мира, в которой планеты вращаются вокруг Солнца по орбитам. Эта гипо­теза позволяла достаточно точно и просто описывать и предсказывать наблюдаемые движения планет. Однако сам Коперник не утверждал, что наша система и есть гелиоцентрическая. Для него модель гелиоцентрической системы мира нужна была только для более удобного описания движения планет. Гелиоцен­трическая система противоречила Библии, в которой говорилось, что Иисус Навин остановил вращение Солнца вокруг Земли. Развивая гелиоцентриче­скую космологию, Бруно выдвинул идею множественности миров во Все­ленной, центрами которых являются звезды. Д. Бруно утвердил мысль о том, что гелиоцентрическая система не является гипотезой Копер­ника, а космологической теорией, опирающейся на факт движения планет вокруг Солнца. И именно поэтому был обвинен в ереси и сожжен в 1600 году на Площади Роз в Риме.

Естественнонаучная теория дает объяснение целой области явлений в при­роде с единой точки зрения. Квинтэссенцией теории являются законы, устанавливающие количественные связи, соотношения между различными наблюдаемыми в опыте величинами.

Нужно различать законы природы и законы науки. Первые проявляются в особенностях протекания природных явлений и процессов и во взаимосвязи некоторых величин. Они неизменны и всегда выполняются. Научные законы - это попытка описать законы природы на языке математических формул и точных формулировок. В дальнейшем речь будет идти только о них. Научные законы не точны и не постоянны. На определенных этапах раз­вития науки возникает необходимость уточнения наблюдаемых в опыте явлений и пересмотра законов или границ их применимости. Постоянная проверка опытных фак­тов на базе новых экспериментальных методик, позволяющих увеличить точность проведения эксперимента, необходима всегда на любом уровне знаний. Расхождение экспериментальных данных и существующих законов позволяет выдвигать новые гипотезы и строить новые теории.

3. МАТЕРИЯ И ФОРМЫ ЕЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ.

В основе всех естественнонаучных дисциплин лежит понятие материи, за­коны движения и изменения которой изучаются. В зависимости от того, как мы определим это понятие, мы и будем рассматривать проявление раз­личных теорий. Для понимания естественнонаучных теорий, в частности концепций современной физики, приемлемым является определе­ние, данное В.И. Лениным в монографии “Материализм и эмпириокрити­цизм”. “Материя - есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существует неза­висимо от них. Материя - это основа (субстанция, субстрат) всех реально существующих в мире свойств, связей и форм движения, бесконечное мно­жество всех существующих в мире объектов и систем”.

В этом определении есть два основных момента. Во-первых, материя суще­ствует объективно, независимо от нас, от чьего-то субъективного сознания или ощущения. Во-вторых, материя копируется, отображается нашими ощущениями и, следовательно, познаваема. Мы здесь исходим из материа­листического единства мира из первичности материи.

Материя несотворима и неуничтожаемая. Она бесконечна. Неотъемлемым атрибутом материи является ее движение, как форма существования мате­рии, ее важнейший атрибут. Движение в самом общем виде - это всякое изменение вообще. Движение материи абсолютно, тогда как всякий покой относителен. Понять эту мысль проще всего при рассмотрении простейших видов движения. Например, тело покоится относительно Земли, но относи­тельно Солнца оно движется.

Формами существования материи являются про­странство и время. Материя неотъемлема от них. Современная наука оперирует такими струк­турными уровнями, как элементарные частицы и поля, атомы и молекулы, макроскопические тела, геологические системы, планеты и звезды, галактики и метагалактики; совокупности организмов, способных к воспроизводству и, наконец, общество. Мы будем изучать только первые структурные уровни- поля и частицы, макро­скопические тела.

Различают ряд основных форм движения материи: механическую, физиче­скую (включая тепловую, гравитационную, ядерную и т.д.), химиче­скую, биологическую, общественную. Высшие формы движения включают в себя более низшие, но не сводятся только к ним. Так, ядерные процессы невозможно описать только формулами классической механики.

В настоящем курсе будут рассмотрены лишь простые формы движения материи - механическая, физическая и химическая. Для описания материи и ее дви­жения необходимо ввести количественные меры этих величин исходя из поставленных задач. Масса является количественной мерой материи и вводится как для микро- и макрообъектов, так и для полей. Одной из количественных мер движения материи является энергия. Она имеет много форм: механиче­ская, тепловая, ядерная, химическая и т.д. Поскольку материя не существует без дви­жения, а движение без материи между количественными характеристиками меры и движения материи должна существовать связь. Эта связь была установлена в начале нашего века А. Эйнштейном (1879-1955) в работах по теории относи­тельности.

Мы будем рассматривать два вида материи - вещество и поле. К первому отнесем элементарные частицы, атомы, молекулы, все построенные из них макросистемы. Ко второму отнесем особую форму материи, физическую систему с бесконечным числом степеней свободы. Примерами физических полей могут служить электромагнитные и гравитационные поля, поля ядер­ных сил, а также волновые поля.

 4. ПОСТУЛАТИВНОСТЬ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ЕСТЕСТВО­ЗНАНИЯ, ГРАНИЦЫ ИХ ПРИМЕНИМОСТИ.

Для описания поведения простых и сложных систем нужно установить “правила игры”, т.е. законы которым подчиняются те или иные вид движе­ния материи. В некоторых науках, которые не относятся к естественным, на­пример геометрия, поступают следующим образом. Сначала формулиру­ются аксиомы, а потом из них делаются выводы (теоремы). Логика построения естественных наук другая, нельзя сразу ввести законы и смотреть, что из них следует. Так поступить нельзя, поскольку исследователю неизвестны все законы естествознания. Одной из задач является именно их установление и формулирование. Но, ответив на каждый вопрос, исследователь неизбежно ставит несколько новых. Чем больше познается, тем шире становятся границы непознанного. Установленные на определенном этапе развития науки законы, всегда являются приближенными. По мере накопления знаний, новых экспериментальных фактов, явлений и увеличения точности измерений появляются данные, не укладываю­щиеся в рамки имеющихся законов и эти законы пересматриваются.

Есть и другая сторона этого вопроса. Для точной формулировки законов ес­тествознания, в особенности физики, требуются новые определения и по­нятия, знание специальных разделов математики. Исааку Ньютону (1643-1727) для описания законов механики потребовалось создать совершенно новые для своего времени разделы высшей математики: дифференциальное и интегральное исчисление. Физики часто сталкивались с ситуацией, когда имевшегося математического аппарата оказывалось недостаточно для получе­ния количественных формулировок полученного закона и требовалось создавать специальный математически аппарат. Пример с Ньютоном и Лейбни­цем и созданием дифференциального и интегрального исчисления является классическим.

В этом разделе мы рассмотрим самые общие представления о том, как устанавливаются законы естествознания, как они применяются и чем они ограни­чены. Уже говорилось, что опыт - единственный судья истины. Законы ес­тествознания постулируются на основании наблюдаемых опытных фактов. Сначала идет процесс накопления знаний в определенной области. Эти результаты анализируются и делается некоторое предположение. Это предположение не выводится из других законов. Оно возникает само по себе на основании опыта. Сделанное умозаключение, сформулированное в виде математической формулы, становится частью гипотезы. Если последующие опыты подтверждают правильность этого предположения, оно становится законом.

Проиллюстрируем сказанное несколькими примерами. Закон всемирного тяготения, был открыт И. Ньютоном не потому, что, как любят писать в популярной литературе, ему “упало на голову яблоко”.. Закон родился в результате анализа трех законов движения планет И. Кеплера (1571-1630). Законы Кеплера позволяли рассчитывать с высокой точностью движения планет. Ньютон показал, что эти законы могут быть получены на основании одного закона - закона всемирного тяготения:

 , где G - константа, m₁ и m₂- массы тел, r - расстояние между ними.

Анализируя опыты, Ш.О. Кулон в 1785 году сформулировал закон взаимодействия зарядов, позже названный его именем:

 ,

где q₁ и q₂ - заряды, r - расстояние между ними; константа определяется выбором системы единиц. До Кулона этот закон ни в каком виде не формулировался.

Уже отмечалось, что все научные законы всегда приближенные. Почему же сразу не удается открыть “правильный закон”? Почему всегда приходится начинать с каких-то приближений? Во-первых, для “точной” формулировки закона зачастую бывает еще не готов соответствующий математический аппарат, а, во-вторых, экспериментальные данные всегда бывают недостаточно точны. Точность измерений определяется с одной стороны нашими приборами, а с другой стороны - некоторыми фундаментальными запретами, связанными с природой явления. Существует, например, соотношение неопределенностей Гейзенберга, которое ограничивает точность одновременного измерения импульса и координаты частицы.

Приведем пример. Реально мы можем измерить массу волчка с точностью до долей микрограмма. Измеряя массу покоящегося и вращающегося волчка мы всегда будем получать один результат. Отсюда, казалось бы, можно было вывести закон, что масса тела постоянна и не зависит от его скорости. Но оказывается масса от скорости зависит когда скорости становятся сравнимыми с скоростью света.

Сказанное приводит нас к выводу, что законы и теории не абсолютны. Они развиваются по мере накопления знаний. Фундаментальные законы естествознания описывают огромное количество явлений в разных областях. И все они подчиняются некоторым общим правилам. Рассмотрим их.

Во первых, законы сами по себе не меняются. Именно поэтому они и называются фундаментальными. Иначе никакая наука не могла бы развиваться. Но, надо помнить о том, что закон написан для определенной области явлений.

Всякий раз, когда с определенной степенью точности подтверждается какой-либо закон, можно утверждать, что закон окончателен и ни какой результат его не опровергнет в той области, для которой он написан. Однако может так случится, что появление новых экспериментальных данных или теорий приведет к тому, что закон окажется приближенным. Иначе говоря, увеличение точности измерений может обнаружить неточность даже самых незыблемых законов.

Нильс Бор (1885-1962) анализируя положения квантовой механики сформулировал ”Принцип соответствия” новой и старой теорий. Этот принцип применим к любым теориям в естествознании. Сущность его заключается в том, что всякая новая теория должна содержать в себе старую как частный случай, к которому она сводится при определенных условиях.

Проще всего принцип соответствия проиллюстрировать примером из классической механики и механики теории относительности. Созданная А.Эйнштейном специальная теория относительности содержит в себе классическую механику Ньютона, в которую она переходит при скоростях движения V, малых по сравнению, с скоростью света -C. Математически это записывается как V<<C. Законы специальной теории относительности переходят в законы классической механики и движения тел при малых скоростях описывается, по-прежнему, законами Ньютона. Только тогда когда скорость станет сравнима с скоростью света, требуется привлечение новых законов. Например, когда скорость тела не превосходит 1000 км/с масса тела постоянна с точностью до 10^-5.

Еще один пример: законы классической и квантовой физики приведут к одним и тем же уравнениям для движения частицы, имеющей массу много больше массы атома.

Таким образом, при формулировке законов необходимо задавать границы их применимости. Законы и теории должны описывать всю совокупность явлений в той области, для которой они сформулированы. Они не должны противоречить известным фактам. Более того, они обязательно должны предсказывать новые, неизвестные ранее явления. Наконец, никакой закон не должен нарушать принцип причинности. Это значит, что нельзя что-то изменить в событии которое уже случилось. Можно повлиять только на будущее, но никак не на прошлое.

В заключение отметим, что новые фундаментальные законы невозможно вывести в рамках старых теорий. Стремление некоторых авторов сделать это не имеет под собой никакого основания и зачастую связано лишь с большим желанием авторов “пооригинальничать” и внести свой “вклад в науку”.